Страница:
Реальное развитие науки, как известно, опровергло все эти вековые заблуждения. Стоит ли напоминать, что раскрыт генетический код, выяснена трехмерная структура белковой молекулы? Это известно теперь и школьникам. В отношении химического состава живых объектов можно сказать, что практически достигнут предел: мы знаем этот состав с почти исчерпывающей полнотой, и вряд ли нас ожидают какие-либо крупные сюрпризы на этом пути.
Теперь задача переместилась в новую плоскость. Нам хочется знать, какую роль играют в живом организме, в осуществлении явления жизни молекулы, каждое из входящих в него бесчисленных соединений. Пожалуй, может быть, лучше это сформулировать в обратном порядке: нам хочется, отправляясь от того или иного характера проявления жизнедеятельности, знать, какие именно виды молекул ответственны за нее, в какой мере она зависит в каждом отдельном случае от химической структуры молекул, от их свойств и форм взаимодействия.
С этой точки зрения наиболее характерным примером специфического участия определенного типа молекул в осуществлении одной из важнейших биологических функций - воспроизведении себе подобных - является роль в организме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Как известно, особенности ее обеспечивают явления наследственности и тем самым все существование бесчисленного множества видов живых организмов, населяющих Землю.
Глубокое познание трехмерной пространственной структуры молекул гемоглобина и зрительного пурпура позволило отчетливо установить, в чем сущность процессов дыхания и зрения. Оказывается, мы можем дышать только благодаря особым свойствам молекул гемоглобина, видеть - благодаря особым свойствам молекул зрительного пурпура. На очереди разгадка чувства вкуса на молекулярном уровне. Уже выделен специфический белок, способный вне организма различать сладкий вкус химических веществ самой разной природы.
В основе механического движения мышц, как известно, лежат особенности молекул сократительных белков и молекул аденозинтри-фосфорной кислоты (АТФ) как носителя химической энергии. Распространение нервного импульса основывается на особых свойствах молекулы ацетилхолина, входящего в состав нервных волокон.
Этого краткого перечисления достаточно для доказательства того, что многочисленные и разнообразные физиологические функции в своей первооснове оказываются обусловленными свойствами тех или иных молекул.
Сами молекулы, как таковые, однако, ни в коем случае не могут рассматриваться как живые. Неудачны поэтому и неправильны такие термины, порой еще встречающиеся в обиходе, как, скажем, "живой белок". Жизнь всегда, даже в самых примитивных своих формах, является результатом какой-то упорядоченной совокупности молекул различного рода, образующих определенную систему той или иной сложности.
Что же такое жизнь? Трудность дать четкий ответ на такой вопрос непосредственно связана с тем обстоятельством, что мы сегодня пока еще не имеем достаточно точного и неоспоримого ответа на вопрос, казалось бы, более простой, который естественным образом должен быть решен раньше, чем может пойти речь о природе жизни: где проходит граница между живым и неживым?
Приведу несколько примеров, чтобы показать возникшие здесь в настоящее время перед наукой трудности. Предположим, случилось так, что у человека отрезана голова. Всякому ясно: человек этот мертв. И тем не менее сердце его, если искусственно пропускать через него кровь, может еще долго биться совершенно так же, как билось при жизни человека. Больше того, как мы теперь знаем, это сердце можно пересадить другому человеку, и тот будет жить. Значит, организм может умереть, но части его оставаться живыми.
Спустимся значительно ниже по уровням биологической организации - к миру микробов - и возьмем одноклеточный микроорганизм. Он живет в условиях кислородного дыхания, но при отсутствии кислорода не погибает, а начинает черпать нужную ему энергию за счет процессов брожения. Клетка эта,, по существу, ведь перестала дышать - жива она или нет? Ответ тут ясен: она жива, но функции живого осуществляются в ней по-иному. Более того, мы можем даже полностью разрушить такую клетку (например, под высоким давлением выжать из нее то, что экспериментатор называет клеточным соком), однако и этот сок будет продолжать расщеплять сахар и образовывать спирт и углекислоту, то есть бродить так же, как это делала живая клетка. Что же полученный сок живой? Ответ и тут как будто ясен: нет, не живой. Вот именно здесь ученые пока еще не уяснили точно: почему же нет, в какой именно момент наш живой объект перестал быть живым.
Всем известно о существовании вирусов. Проникнув в клетку, вирусная частица размножается, в результате чего в большинстве случаев наступает гибель клетки и вышедшие из нее вирусные частицы могут заразить новую клетку. Вне клетки вирусная частица не проявляет ни одного из тех свойств, которые мы считаем обязательными признаками живого: в ней не происходит никаких процессов обмена веществ. Она не дышит, не бродит, не может двигаться, не может размножаться, не реагирует ни на какие воздействия. С полным правом один из крупнейших биологов современности, В. Стенли, охотно охарактеризовал парадоксальные свойства вирусов: в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв, как камень. Ту же примерно мысль высказал ныне покойный микробиолог Надсон: вирус - это то ли вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества.
С точки зрения химической природы по своему составу многие простейшие вирусы действительно могут рассматриваться как вещество, ибо они состоят всего из двух компонентов: белка и нуклеиновой кислоты. Формально они могут быть отнесены к хорошо известной химикам категории химических соединений к нуклеопротеидам. Но если так обстоит дело с точки зрения химической, то совсем иначе получается в биологическом плане: вирусы - это не что иное, как внутриклеточные паразиты; а понятие "паразит" неразрывно связано с представлением о живом объекте, существующем за счет другого - тоже живого объекта. В мире неживой природы мы паразитизма не знаем.
Так на всех уровнях биологической организации - от уровня нуклеопротеида, каковым может являться вирус, и до уровня человеческого организма - мы неизменно сталкиваемся с невозможностью однозначно провести границу между живым и мертвым.
Значит, мы подходим к выводу, что на современном уровне наших знаний пока не располагаем таким определением понятия "жизнь", которое охватило бы все стороны явления и объяснило бы его сущность, исходя из первичных, уже известных нам понятий. Вот почему мы сегодня должны оставаться при том общем определении, которое гласит: жизнь - это наивысшая из известных нам форм существования материи, достигнутая ею в процессе эволюции.
При таком определении сразу же возникает вопрос: в чем же состоит более высокое качество этой формы существования материи, в чем эта форма превосходит прочие?
Превосходство, о котором идет речь, выражается в различных аспектах. Многообразие химических компонентов и сложность химического строения подавляющего большинства органических соединений в огромной степени превосходят все, что известно в неживой природе. То же самое справедливо и в отношении динамики, то есть многообразия и быстроты протекания превращений материи. Те уровни, которыми характеризуются живые системы, на много порядков превышают наблюдаемые в неживом мире. Однако, сколь ни важны приведенные признаки, еще гораздо большее значение имеет начало упорядоченности как наиважнейшее качество всего живого. Именно в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого.
Уникальность химического состава, своеобразие условий протекания превращений, которым вещества подвергаются в процессе жизни, - эти особенности и типичные черты живого еще не вступают в конфликт с тем, что мы знаем о явлениях неживого мира, Это различия, но не противоречия. Тенденция к упорядоченности занимает в этом отношении особое место. Здесь живой объект, не нарушая законов, действующих во всей природе, вступает в антагонизм с ними. Можно сказать, что, вместо того чтобы пассивно подчиняться закону природы, жизнь обеспечивает возможность активного противодействия этому закону, подобно тому как, поднимая тяжелый предмет, мы не нарушаем закона тяготения, но противодействуем ему.
Тенденция к упорядоченности, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие принципу возрастания энтропии, то есть второму закону термодинамики. Отсюда вытекает следствие первостепенной важности: живые объекты должны представлять собой открытые системы, то есть быть способными взаимодействовать с окружающей средой, обмениваясь с ней энергией. Именно этим и устраняется противоречие, порождаемое якобы нарушением второго закона термодинамики: уменьшение энтропии, возникающее в изолированно взятом живом объекте, на самом деле сопровождается ее возрастанием в системе "живой объект - среда", и, следовательно, никакого нарушения второго закона на самом деле не происходит.
Мы можем сказать, что жизнь представляет собой совокупность некоторого числа начал, из которых каждое, взятое в отдельности, не определяет собою жизни, но при отсутствии хотя бы одного из них жизни быть не может.
Во-первых, одним из таких начал является структурная организация. Во-вторых, в основе жизни лежит сочетание трех потоков: вещества, энергии и информации. И хотя эти потоки качественно глубоко различны, они сливаются в некое единство высшего порядка, составляющее динамическую основу жизни. Нуклеиновые кислоты играют ведущую роль в осуществлении потока информации, а поток материи и поток энергии обусловлены свойствами белков, в первую очередь их каталитической активностью.
Именно существование этих трех потоков, как мне представляется, является обязательным условием для того, чтобы решать, принадлежит данная система к числу живых или не принадлежит.
Одним из крупнейших успехов современного естествознания явилось открытие принципа матричного синтеза, который позволил дать конкретное истолкование одного из коренных атрибутов жизни, притом доведенное до уровня молекулярной структуры. Сущность матричного синтеза проста и ясна, но его механизмы необычайно тонки.
Суть этого принципа заключается в том, что новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом (или программой), уже заложенным в структуре существующей молекулы. Роль матрицы играет молекула ДНК. Важность принципа матричного синтеза ясна из того, что он лежит в основе построения обоих главных типов макромолекул, которые мы выше охарактеризовали как обязательные и необходимые материальные компоненты живых систем - нуклеиновых кислот и белков. Мы бы зашли слишком далеко, если бы захотели утверждать, что в матричном синтезе заложена сущность жизни. Но с полной уверенностью можно сказать, что без матричного синтеза жизнь, какой мы ее знаем на нашей планете, не была бы возможна.
Представления о потоках вещества и энергии уже сформировались в основном в предыдущие периоды, а представление о потоке информации - одно из достижений естествознания самого последнего времени. В область биологии проникают воззрения, заложенные в кибернетике, поскольку теория информации служит одной из ее первооснов.
Следует особо подчеркнуть, что информация всегда связана с тем или иным материальным носителем. Вот почему поток информации неразрывно связан с потоками вещества и энергии. И если без потока информации невозможна жизнь, то без нуклеиновых кислот невозможно движение этого потока. Поэтому нуклеиновые кислоты наряду с белками являются обязательными компонентами живых систем.
Итак, говоря словами замечательного современного английского ученого Джона Бер-нала, "жизнь перестала быть мистической тайной, практически говоря, она становится криптограммой, головоломкой, кодом, который можно расшифровать, рабочей моделью, которую рано или поздно удастся создать".
Ученые уже синтезировали в пробирке нуклеиновую кислоту, входящую в состав одного из вирусов. Соединившись со своим специфическим белком, она образовала полноценный вирус. Мы вправе сказать, что если считать вирус простейшей формой живого, то человеком искусственно получена одна половина этого биологического образования (вторая была достроена той клеткой, в которую попала нуклеиновая кислота вируса). Потому-то и можно сказать, что уже пройдена половина пути до синтеза простейшей формы жизни.
Другим эпохальным событием явился синтез гена, то есть части молекулы ДНК, которая способна программировать синтез какого-либо индивидуального макромолекулярно-го вещества.
Продолжая идти этими путями, мы, быть может, получим нечто живое, еще не имея исчерпывающего ответа на вопрос: что такое жизнь? Мне думается, именно таким путем, как бы нарушая последовательность логических этапов, будет сделан шаг решающего значения и для приближения к познанию сущности жизни. Можно не сомневаться в том, что это будет величайший триумф естествознания нашего века.
А. С. Трошин,
член-корреспондент АН СССР
От клетки к молекуле
Составной и существенной частью научно-технической революции XX в. является происшедший переворот в биологии. В познании явлений жизни достигнут огромный прогресс. Биология круто шагнула вперед по пути выявления молекулярных механизмов важнейших процессов жизни, в понимании качественной специфики живого, в выяснении фундаментальных свойств органической материи, необходимого для постижения сущности жизни, для формирования общей ее теории, для расширения прикладных возможностей биологической науки.
Конечно, далеко не все трудности, связанные с научным анализом сущности жизни, преодолены, и это обстоятельство порождает у некоторых зарубежных биологов стремление отойти от материализма, оживить мысль о непознаваемости жизни, о действии в живом нематериальных или "надматериальных" сил и принципов. Так, известный западногерманский биохимик Шрамм считает, что достижения современной биологии принесли доказательства существования в живом фактора нематериальной природы.
"Благодаря молекулярной биологии, - говорит Шрамм, - мы теперь знаем, что при наследовании передается план, каким должно быть сформировано живое существо". Считая открытие генетического кода, с помощью которого в ДНК записана наследственная информация, фундаментальным открытием, Шрамм с пафосом восклицает: "А ведь до сих пор считали, что изобретение и расшифровка кода свойственны лишь человеку!" "Если мы понимаем, продолжает Шрамм, - генетическую информацию как идею, то при рассмотрении живой природы учение Платона об идеях оказывается поразительно верным".
"Подобно идеям, генетическая информация нематериальна, но однако же реальна, как и идея изобретателя, которая хранится в патентном бюро и может быть продана и куплена".
Как видите, Шрамм рассматривает информацию как идеальный фактор, совершенно независимый от своего материального носителя, что, конечно, совершенно ненаучно, так как информация может быть закодирована и передана с помощью самых разнообразных сигналов материального характера, и это вовсе не свидетельствует об идеалистическом харак-тере информации.
Для исследований в цитологии, как и в биохимии, физиологии, биологии и других биологических науках, весьма характерен подход, который носит название редукционизма. Редукционистский подход состоит в том, что познание сложного, составного, целостного, в том числе и клетки, проводится через расчленение сложного на возможно более простые части, которые и являются фактическим предметом изучения. У нас, в цитологии, клетки разрушают с помощью различных весьма изощренных методов, изолируют составные их части оболочку, ядро, органоиды - и изучают их свойства, структуру и функции. Не может быть сомнений в том, что на этом пути цитология добилась выдающихся успехов. Мы теперь знаем очень подробно о структуре и функции мембран, ядра, митохондрий, рибосом, лизосом и т. д.
(Razum06.gif) Микроскоп Р. Гука (XVII в.).
Но нужно не забывать, что целое всегда больше, чем сумма отдельных его частей. Мы хорошо знаем, что свойствами поваренной соли не обладают ни натрий, ни хлор. Точно так же характерные свойства биополимеров, например белков, невозможно предсказать на основании свойств образующих их мономеров. Ясно поэтому, что сведение сложного явления, каким является клетка, к сумме его частей, требует и умения пройти этот путь в обратном направлении, то есть от суммы частей перейти к системе, от расчлененности целого к его воссозданию, от редукционизма к ин-тегратизму. Здесь встают задачи дальнейших исканий цитологии: не отбрасывая редукционный подход, напротив, всячески его совершенствуя, продолжать двигаться в сторону изучения и более высоких уровней организации.
(Razum07.gif) Срезы пробки под микроскопом Гука (первое изображение клетки).
Кстати, сейчас широко распространилось представление о биологической иерархии структур, о разных уровнях организации - субклеточном, клеточном, тканевом организ-менном, популяционном и т. д. Не следует, однако, думать, что, чем выше положение объекта в иерархии, тем он сложнее. Популяция, состоящая из множества индивидуумов, несомненно, гораздо проще каждого из индивидуумов, а такой низший многоклеточный организм, как губка, несомненно, организован проще, чем составляющие его клетки. Это, вероятно, объясняется тем, что путь от начальных примитивных живых форм до одноклеточного организма был куда более длинный, чем от одноклеточной формы до начальных этапов филогенеза. Конечно, на более поздних его этапах - на уровне человека, например, организменный уровень системы сравним или даже превосходит сложность клеточной организации.
(Razum08.gif) Современная схема строения живой клетки.
Возвращаясь к проблеме соотношения редукционистского и интегративного подходов в исследовании клетки, нужно сказать, что если первый из этих подходов принес цитологии большой и общепризнанный успех, то второй путь делает также хотя и самые первые, но уже успешные шаги. В качестве примера можно привести данные о самосборке.
Известно, что многие белки обладают так называемой четвертичной структурой, то есть состоят из субъединиц, которые в подходящих условиях самопроизвольно соединяются между собой с образованием исходной четвертичной структуры. Такой способностью обладает, например, гемоглобин, уреаза и некоторые другие белки. Подобный же процесс самосборки удается наблюдать и на более сложных структурах, например на рибосомах, на мембранах, на вирусах и бактериофагах. Эти структуры построены из разных молекул биополимеров - белков, нуклеиновых кислот, липидов. В рибосомах, например, содержится три разных типа нуклеиновых кислот и около 20 различных индивидуальных белков. В частицу вируса табачной мозаики входит кроме нуклеиновой кислоты более 2000 одинаковых молекул белка. И все эти сложные структуры самопроизвольно собираются из смеси своих составных частей. А недавно известный цитолог Дж. Даниэли описал результаты опытов с самосборкой амеб.
Амебу - одноклеточный организм - расчленили на составные части: оболочку, ядро, цитоплазму. Затем эти компоненты, полученные, разумеется, от большого числа особей, снова смешивали и наблюдали образование заново целых клеток из частей разных индивидуумов: оболочка от одного, ядро от другого и цитоплазма от третьего. Такие "сборные" амебы, по описанию Даниэли, обладают свойственной этим клеткам способностью к движению и размножаются. Следовательно, и на таком сложном организме, как амеба, доказана возможность ее самосборки из составных частей. Однако на пути выяснения свойств интегрированной клеточной системы стоит еще очень много нерешенных вопросов.
Чем больше мы узнаем о структуре клетки и как она работает, тем больше проникаемся мыслью, что самые сложные технические устройства, сконструированные человеком, самые блистательные успехи синтетической химии, самые выдающиеся достижения в области организации производства не идут в сравнение с исключительной сложностью клетки, с поражающим разнообразием, быстротой и эффективностью осуществляемых в ней синтезов, с совершенством ее управления и фантастической миниатюрностью.
Как осуществляется управление этими процессами? Нужно также учесть, что жизнь клетки жестко регламентирована во времени: этапы клеточного цикла четко следуют один за другим, и этим стадиям подчиняется жизнедеятельность клетки. Но как работают эти "клеточные часы"?
В клетке одновременно происходит множество процессов - одни вещества расщепляются, другие синтезируются; происходит заготовка энергетических веществ в запас; заготавливаются материалы, которые потребуются клетке, когда она приступит к делению. Как достигается эта удивительная согласованность всех процессов, как возникает и поддерживается ее целостность? Еще одна тайна - движение веществ внутри клетки и целенаправленные движения самих клеток. Мы знаем, что информационная РНК синтезируется в ядре, но как она переходит из ядра в цитоплазму и как она внедряется в рибосому, остается еще полностью невыясненным. Нужно при этом учесть, что синтезированные вещества перемещаются на расстояния нередко в тысячи раз большие, чем размеры молекул.
В. Я. Александров в своей книге "Поведение клеток и внутриклеточных структур" (М., "Знание", 1975) собрал много примеров целенаправленных движений клеток и внутриклеточных структур. Как осуществляются эти удивительные передвижения, упорядоченные в пространстве и времени, остается загадкой. В. Я. Александров считает, что движения клеток относятся к тому же кругу явлений, которые в процессе эволюционного развития, усложнения и качественного преобразования привели к появлению высших форм поведения животных и человека. На этом основании В. Я. Александров считает целесообразным создание новой науки - цитоэтологии, которая бы использовала для понимания поведенческих актов на клеточном уровне достижения зоопсихологии.
Очень еще мало также продвинута проблема использования наследственной информации. Яйца или клетки раннего зародыша не имеют тех свойств, которые характерны для клеток взрослого организма. У зародыша все клетки очень похожи друг на друга, но по мере развития они начинают различаться между собой. Чем дальше развитие, тем более клетки разнообразны. Во взрослом организме можно насчитать до сотни разных типов клеток - мышечные, эпителиальные, кровяные, печеночные и т. д.
Следовательно, клетки, одинаковые вначале, имеющие одинаковую наследственную информацию, специализируются, или, как принято говорить, дифференцируются. Одни гены работают во все время жизни клетки, другие включаются в определенные моменты, а третьи, видимо, вообще никогда не включаются. Какими силами направляется это развитие, как регулируется деятельность хромосом, еще очень мало понятно, а ведь это очень важно в практическом отношении.
Возьмите проблему злокачественного роста. Нельзя сомневаться в величайшей актуальности и практической важности этой проблемы. Из того, что мы знаем о раковой клетке, можно заключить, что эти клетки утрачивают связь с соседними клетками, размножаются неудержимо, бесконтрольно и образуют опухоль.
Что же удерживает клетки в норме, какова природа той "дисциплины" размножения, которой подчиняются нормальные клетки? Это, очевидно, проблема формирования ткани органа, то есть проблема развития, дифференци-ровки. Раковые клетки легко отрываются от опухоли, попадают в кровь и разносятся по всему организму. Так возникают метастазы, то есть новые опухоли. Это происходит в результате особых свойств поверхности раковой клетки - в отличие от нормальных клеток раковые клетки связаны между собой гораздо слабее. А это происходит в результате изменения структуры и свойств поверхности раковых клеток. Изменения же поверхности клетки есть результат изменения состава ее белков.
Следовательно, идет нарушение синтеза белков в результате нарушения регуляции работы хромосом. Для того чтобы избавить организм от опухоли, ее удаляют хирургическим путем или убивают раковые клетки рентгеновскими лучами или химическими веществами. Но не всегда удается удалить опухоль так, чтобы ни одна раковая клетка не осталась в организме. При облучении рентгеновскими лучами и действии химиотерапевтическими препаратами также нет уверенности, что удастся убить все раковые клетки. А при увеличении доз этих агентов гибнут и нормальные клетки.
Таким образом, ясно, что, для того чтобы понять причины возникновения рака, его природу, найти средства для его предупреждения и эффективного лечения, нужно знать хорошо природу этих клеток. Для решения этой проблемы разработана программа исследований, осуществляемая под эгидой научного совета АН СССР по проблемам цитологии. Для решения ее привлекаются специалисты разных областей знания. Планируется развертывание исследований всего спектра изменений, возникающих в клетке при воздействии канцерогенов и вирусов, изучение иммунохимических и цитогенетических характеристик злокачественных клеток, устойчивости и репарации клеток и клеточных структур. Несомненно, что разработка целенаправленных мероприятий, их ор-. ганизация и координация не простое дело. Но эти задачи уже стоят перед учеными, и на их решение необходимо направить максимальные, хорошо продуманные и взаимно увязанные усилия.
Теперь задача переместилась в новую плоскость. Нам хочется знать, какую роль играют в живом организме, в осуществлении явления жизни молекулы, каждое из входящих в него бесчисленных соединений. Пожалуй, может быть, лучше это сформулировать в обратном порядке: нам хочется, отправляясь от того или иного характера проявления жизнедеятельности, знать, какие именно виды молекул ответственны за нее, в какой мере она зависит в каждом отдельном случае от химической структуры молекул, от их свойств и форм взаимодействия.
С этой точки зрения наиболее характерным примером специфического участия определенного типа молекул в осуществлении одной из важнейших биологических функций - воспроизведении себе подобных - является роль в организме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Как известно, особенности ее обеспечивают явления наследственности и тем самым все существование бесчисленного множества видов живых организмов, населяющих Землю.
Глубокое познание трехмерной пространственной структуры молекул гемоглобина и зрительного пурпура позволило отчетливо установить, в чем сущность процессов дыхания и зрения. Оказывается, мы можем дышать только благодаря особым свойствам молекул гемоглобина, видеть - благодаря особым свойствам молекул зрительного пурпура. На очереди разгадка чувства вкуса на молекулярном уровне. Уже выделен специфический белок, способный вне организма различать сладкий вкус химических веществ самой разной природы.
В основе механического движения мышц, как известно, лежат особенности молекул сократительных белков и молекул аденозинтри-фосфорной кислоты (АТФ) как носителя химической энергии. Распространение нервного импульса основывается на особых свойствах молекулы ацетилхолина, входящего в состав нервных волокон.
Этого краткого перечисления достаточно для доказательства того, что многочисленные и разнообразные физиологические функции в своей первооснове оказываются обусловленными свойствами тех или иных молекул.
Сами молекулы, как таковые, однако, ни в коем случае не могут рассматриваться как живые. Неудачны поэтому и неправильны такие термины, порой еще встречающиеся в обиходе, как, скажем, "живой белок". Жизнь всегда, даже в самых примитивных своих формах, является результатом какой-то упорядоченной совокупности молекул различного рода, образующих определенную систему той или иной сложности.
Что же такое жизнь? Трудность дать четкий ответ на такой вопрос непосредственно связана с тем обстоятельством, что мы сегодня пока еще не имеем достаточно точного и неоспоримого ответа на вопрос, казалось бы, более простой, который естественным образом должен быть решен раньше, чем может пойти речь о природе жизни: где проходит граница между живым и неживым?
Приведу несколько примеров, чтобы показать возникшие здесь в настоящее время перед наукой трудности. Предположим, случилось так, что у человека отрезана голова. Всякому ясно: человек этот мертв. И тем не менее сердце его, если искусственно пропускать через него кровь, может еще долго биться совершенно так же, как билось при жизни человека. Больше того, как мы теперь знаем, это сердце можно пересадить другому человеку, и тот будет жить. Значит, организм может умереть, но части его оставаться живыми.
Спустимся значительно ниже по уровням биологической организации - к миру микробов - и возьмем одноклеточный микроорганизм. Он живет в условиях кислородного дыхания, но при отсутствии кислорода не погибает, а начинает черпать нужную ему энергию за счет процессов брожения. Клетка эта,, по существу, ведь перестала дышать - жива она или нет? Ответ тут ясен: она жива, но функции живого осуществляются в ней по-иному. Более того, мы можем даже полностью разрушить такую клетку (например, под высоким давлением выжать из нее то, что экспериментатор называет клеточным соком), однако и этот сок будет продолжать расщеплять сахар и образовывать спирт и углекислоту, то есть бродить так же, как это делала живая клетка. Что же полученный сок живой? Ответ и тут как будто ясен: нет, не живой. Вот именно здесь ученые пока еще не уяснили точно: почему же нет, в какой именно момент наш живой объект перестал быть живым.
Всем известно о существовании вирусов. Проникнув в клетку, вирусная частица размножается, в результате чего в большинстве случаев наступает гибель клетки и вышедшие из нее вирусные частицы могут заразить новую клетку. Вне клетки вирусная частица не проявляет ни одного из тех свойств, которые мы считаем обязательными признаками живого: в ней не происходит никаких процессов обмена веществ. Она не дышит, не бродит, не может двигаться, не может размножаться, не реагирует ни на какие воздействия. С полным правом один из крупнейших биологов современности, В. Стенли, охотно охарактеризовал парадоксальные свойства вирусов: в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв, как камень. Ту же примерно мысль высказал ныне покойный микробиолог Надсон: вирус - это то ли вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества.
С точки зрения химической природы по своему составу многие простейшие вирусы действительно могут рассматриваться как вещество, ибо они состоят всего из двух компонентов: белка и нуклеиновой кислоты. Формально они могут быть отнесены к хорошо известной химикам категории химических соединений к нуклеопротеидам. Но если так обстоит дело с точки зрения химической, то совсем иначе получается в биологическом плане: вирусы - это не что иное, как внутриклеточные паразиты; а понятие "паразит" неразрывно связано с представлением о живом объекте, существующем за счет другого - тоже живого объекта. В мире неживой природы мы паразитизма не знаем.
Так на всех уровнях биологической организации - от уровня нуклеопротеида, каковым может являться вирус, и до уровня человеческого организма - мы неизменно сталкиваемся с невозможностью однозначно провести границу между живым и мертвым.
Значит, мы подходим к выводу, что на современном уровне наших знаний пока не располагаем таким определением понятия "жизнь", которое охватило бы все стороны явления и объяснило бы его сущность, исходя из первичных, уже известных нам понятий. Вот почему мы сегодня должны оставаться при том общем определении, которое гласит: жизнь - это наивысшая из известных нам форм существования материи, достигнутая ею в процессе эволюции.
При таком определении сразу же возникает вопрос: в чем же состоит более высокое качество этой формы существования материи, в чем эта форма превосходит прочие?
Превосходство, о котором идет речь, выражается в различных аспектах. Многообразие химических компонентов и сложность химического строения подавляющего большинства органических соединений в огромной степени превосходят все, что известно в неживой природе. То же самое справедливо и в отношении динамики, то есть многообразия и быстроты протекания превращений материи. Те уровни, которыми характеризуются живые системы, на много порядков превышают наблюдаемые в неживом мире. Однако, сколь ни важны приведенные признаки, еще гораздо большее значение имеет начало упорядоченности как наиважнейшее качество всего живого. Именно в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого.
Уникальность химического состава, своеобразие условий протекания превращений, которым вещества подвергаются в процессе жизни, - эти особенности и типичные черты живого еще не вступают в конфликт с тем, что мы знаем о явлениях неживого мира, Это различия, но не противоречия. Тенденция к упорядоченности занимает в этом отношении особое место. Здесь живой объект, не нарушая законов, действующих во всей природе, вступает в антагонизм с ними. Можно сказать, что, вместо того чтобы пассивно подчиняться закону природы, жизнь обеспечивает возможность активного противодействия этому закону, подобно тому как, поднимая тяжелый предмет, мы не нарушаем закона тяготения, но противодействуем ему.
Тенденция к упорядоченности, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие принципу возрастания энтропии, то есть второму закону термодинамики. Отсюда вытекает следствие первостепенной важности: живые объекты должны представлять собой открытые системы, то есть быть способными взаимодействовать с окружающей средой, обмениваясь с ней энергией. Именно этим и устраняется противоречие, порождаемое якобы нарушением второго закона термодинамики: уменьшение энтропии, возникающее в изолированно взятом живом объекте, на самом деле сопровождается ее возрастанием в системе "живой объект - среда", и, следовательно, никакого нарушения второго закона на самом деле не происходит.
Мы можем сказать, что жизнь представляет собой совокупность некоторого числа начал, из которых каждое, взятое в отдельности, не определяет собою жизни, но при отсутствии хотя бы одного из них жизни быть не может.
Во-первых, одним из таких начал является структурная организация. Во-вторых, в основе жизни лежит сочетание трех потоков: вещества, энергии и информации. И хотя эти потоки качественно глубоко различны, они сливаются в некое единство высшего порядка, составляющее динамическую основу жизни. Нуклеиновые кислоты играют ведущую роль в осуществлении потока информации, а поток материи и поток энергии обусловлены свойствами белков, в первую очередь их каталитической активностью.
Именно существование этих трех потоков, как мне представляется, является обязательным условием для того, чтобы решать, принадлежит данная система к числу живых или не принадлежит.
Одним из крупнейших успехов современного естествознания явилось открытие принципа матричного синтеза, который позволил дать конкретное истолкование одного из коренных атрибутов жизни, притом доведенное до уровня молекулярной структуры. Сущность матричного синтеза проста и ясна, но его механизмы необычайно тонки.
Суть этого принципа заключается в том, что новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом (или программой), уже заложенным в структуре существующей молекулы. Роль матрицы играет молекула ДНК. Важность принципа матричного синтеза ясна из того, что он лежит в основе построения обоих главных типов макромолекул, которые мы выше охарактеризовали как обязательные и необходимые материальные компоненты живых систем - нуклеиновых кислот и белков. Мы бы зашли слишком далеко, если бы захотели утверждать, что в матричном синтезе заложена сущность жизни. Но с полной уверенностью можно сказать, что без матричного синтеза жизнь, какой мы ее знаем на нашей планете, не была бы возможна.
Представления о потоках вещества и энергии уже сформировались в основном в предыдущие периоды, а представление о потоке информации - одно из достижений естествознания самого последнего времени. В область биологии проникают воззрения, заложенные в кибернетике, поскольку теория информации служит одной из ее первооснов.
Следует особо подчеркнуть, что информация всегда связана с тем или иным материальным носителем. Вот почему поток информации неразрывно связан с потоками вещества и энергии. И если без потока информации невозможна жизнь, то без нуклеиновых кислот невозможно движение этого потока. Поэтому нуклеиновые кислоты наряду с белками являются обязательными компонентами живых систем.
Итак, говоря словами замечательного современного английского ученого Джона Бер-нала, "жизнь перестала быть мистической тайной, практически говоря, она становится криптограммой, головоломкой, кодом, который можно расшифровать, рабочей моделью, которую рано или поздно удастся создать".
Ученые уже синтезировали в пробирке нуклеиновую кислоту, входящую в состав одного из вирусов. Соединившись со своим специфическим белком, она образовала полноценный вирус. Мы вправе сказать, что если считать вирус простейшей формой живого, то человеком искусственно получена одна половина этого биологического образования (вторая была достроена той клеткой, в которую попала нуклеиновая кислота вируса). Потому-то и можно сказать, что уже пройдена половина пути до синтеза простейшей формы жизни.
Другим эпохальным событием явился синтез гена, то есть части молекулы ДНК, которая способна программировать синтез какого-либо индивидуального макромолекулярно-го вещества.
Продолжая идти этими путями, мы, быть может, получим нечто живое, еще не имея исчерпывающего ответа на вопрос: что такое жизнь? Мне думается, именно таким путем, как бы нарушая последовательность логических этапов, будет сделан шаг решающего значения и для приближения к познанию сущности жизни. Можно не сомневаться в том, что это будет величайший триумф естествознания нашего века.
А. С. Трошин,
член-корреспондент АН СССР
От клетки к молекуле
Составной и существенной частью научно-технической революции XX в. является происшедший переворот в биологии. В познании явлений жизни достигнут огромный прогресс. Биология круто шагнула вперед по пути выявления молекулярных механизмов важнейших процессов жизни, в понимании качественной специфики живого, в выяснении фундаментальных свойств органической материи, необходимого для постижения сущности жизни, для формирования общей ее теории, для расширения прикладных возможностей биологической науки.
Конечно, далеко не все трудности, связанные с научным анализом сущности жизни, преодолены, и это обстоятельство порождает у некоторых зарубежных биологов стремление отойти от материализма, оживить мысль о непознаваемости жизни, о действии в живом нематериальных или "надматериальных" сил и принципов. Так, известный западногерманский биохимик Шрамм считает, что достижения современной биологии принесли доказательства существования в живом фактора нематериальной природы.
"Благодаря молекулярной биологии, - говорит Шрамм, - мы теперь знаем, что при наследовании передается план, каким должно быть сформировано живое существо". Считая открытие генетического кода, с помощью которого в ДНК записана наследственная информация, фундаментальным открытием, Шрамм с пафосом восклицает: "А ведь до сих пор считали, что изобретение и расшифровка кода свойственны лишь человеку!" "Если мы понимаем, продолжает Шрамм, - генетическую информацию как идею, то при рассмотрении живой природы учение Платона об идеях оказывается поразительно верным".
"Подобно идеям, генетическая информация нематериальна, но однако же реальна, как и идея изобретателя, которая хранится в патентном бюро и может быть продана и куплена".
Как видите, Шрамм рассматривает информацию как идеальный фактор, совершенно независимый от своего материального носителя, что, конечно, совершенно ненаучно, так как информация может быть закодирована и передана с помощью самых разнообразных сигналов материального характера, и это вовсе не свидетельствует об идеалистическом харак-тере информации.
Для исследований в цитологии, как и в биохимии, физиологии, биологии и других биологических науках, весьма характерен подход, который носит название редукционизма. Редукционистский подход состоит в том, что познание сложного, составного, целостного, в том числе и клетки, проводится через расчленение сложного на возможно более простые части, которые и являются фактическим предметом изучения. У нас, в цитологии, клетки разрушают с помощью различных весьма изощренных методов, изолируют составные их части оболочку, ядро, органоиды - и изучают их свойства, структуру и функции. Не может быть сомнений в том, что на этом пути цитология добилась выдающихся успехов. Мы теперь знаем очень подробно о структуре и функции мембран, ядра, митохондрий, рибосом, лизосом и т. д.
(Razum06.gif) Микроскоп Р. Гука (XVII в.).
Но нужно не забывать, что целое всегда больше, чем сумма отдельных его частей. Мы хорошо знаем, что свойствами поваренной соли не обладают ни натрий, ни хлор. Точно так же характерные свойства биополимеров, например белков, невозможно предсказать на основании свойств образующих их мономеров. Ясно поэтому, что сведение сложного явления, каким является клетка, к сумме его частей, требует и умения пройти этот путь в обратном направлении, то есть от суммы частей перейти к системе, от расчлененности целого к его воссозданию, от редукционизма к ин-тегратизму. Здесь встают задачи дальнейших исканий цитологии: не отбрасывая редукционный подход, напротив, всячески его совершенствуя, продолжать двигаться в сторону изучения и более высоких уровней организации.
(Razum07.gif) Срезы пробки под микроскопом Гука (первое изображение клетки).
Кстати, сейчас широко распространилось представление о биологической иерархии структур, о разных уровнях организации - субклеточном, клеточном, тканевом организ-менном, популяционном и т. д. Не следует, однако, думать, что, чем выше положение объекта в иерархии, тем он сложнее. Популяция, состоящая из множества индивидуумов, несомненно, гораздо проще каждого из индивидуумов, а такой низший многоклеточный организм, как губка, несомненно, организован проще, чем составляющие его клетки. Это, вероятно, объясняется тем, что путь от начальных примитивных живых форм до одноклеточного организма был куда более длинный, чем от одноклеточной формы до начальных этапов филогенеза. Конечно, на более поздних его этапах - на уровне человека, например, организменный уровень системы сравним или даже превосходит сложность клеточной организации.
(Razum08.gif) Современная схема строения живой клетки.
Возвращаясь к проблеме соотношения редукционистского и интегративного подходов в исследовании клетки, нужно сказать, что если первый из этих подходов принес цитологии большой и общепризнанный успех, то второй путь делает также хотя и самые первые, но уже успешные шаги. В качестве примера можно привести данные о самосборке.
Известно, что многие белки обладают так называемой четвертичной структурой, то есть состоят из субъединиц, которые в подходящих условиях самопроизвольно соединяются между собой с образованием исходной четвертичной структуры. Такой способностью обладает, например, гемоглобин, уреаза и некоторые другие белки. Подобный же процесс самосборки удается наблюдать и на более сложных структурах, например на рибосомах, на мембранах, на вирусах и бактериофагах. Эти структуры построены из разных молекул биополимеров - белков, нуклеиновых кислот, липидов. В рибосомах, например, содержится три разных типа нуклеиновых кислот и около 20 различных индивидуальных белков. В частицу вируса табачной мозаики входит кроме нуклеиновой кислоты более 2000 одинаковых молекул белка. И все эти сложные структуры самопроизвольно собираются из смеси своих составных частей. А недавно известный цитолог Дж. Даниэли описал результаты опытов с самосборкой амеб.
Амебу - одноклеточный организм - расчленили на составные части: оболочку, ядро, цитоплазму. Затем эти компоненты, полученные, разумеется, от большого числа особей, снова смешивали и наблюдали образование заново целых клеток из частей разных индивидуумов: оболочка от одного, ядро от другого и цитоплазма от третьего. Такие "сборные" амебы, по описанию Даниэли, обладают свойственной этим клеткам способностью к движению и размножаются. Следовательно, и на таком сложном организме, как амеба, доказана возможность ее самосборки из составных частей. Однако на пути выяснения свойств интегрированной клеточной системы стоит еще очень много нерешенных вопросов.
Чем больше мы узнаем о структуре клетки и как она работает, тем больше проникаемся мыслью, что самые сложные технические устройства, сконструированные человеком, самые блистательные успехи синтетической химии, самые выдающиеся достижения в области организации производства не идут в сравнение с исключительной сложностью клетки, с поражающим разнообразием, быстротой и эффективностью осуществляемых в ней синтезов, с совершенством ее управления и фантастической миниатюрностью.
Как осуществляется управление этими процессами? Нужно также учесть, что жизнь клетки жестко регламентирована во времени: этапы клеточного цикла четко следуют один за другим, и этим стадиям подчиняется жизнедеятельность клетки. Но как работают эти "клеточные часы"?
В клетке одновременно происходит множество процессов - одни вещества расщепляются, другие синтезируются; происходит заготовка энергетических веществ в запас; заготавливаются материалы, которые потребуются клетке, когда она приступит к делению. Как достигается эта удивительная согласованность всех процессов, как возникает и поддерживается ее целостность? Еще одна тайна - движение веществ внутри клетки и целенаправленные движения самих клеток. Мы знаем, что информационная РНК синтезируется в ядре, но как она переходит из ядра в цитоплазму и как она внедряется в рибосому, остается еще полностью невыясненным. Нужно при этом учесть, что синтезированные вещества перемещаются на расстояния нередко в тысячи раз большие, чем размеры молекул.
В. Я. Александров в своей книге "Поведение клеток и внутриклеточных структур" (М., "Знание", 1975) собрал много примеров целенаправленных движений клеток и внутриклеточных структур. Как осуществляются эти удивительные передвижения, упорядоченные в пространстве и времени, остается загадкой. В. Я. Александров считает, что движения клеток относятся к тому же кругу явлений, которые в процессе эволюционного развития, усложнения и качественного преобразования привели к появлению высших форм поведения животных и человека. На этом основании В. Я. Александров считает целесообразным создание новой науки - цитоэтологии, которая бы использовала для понимания поведенческих актов на клеточном уровне достижения зоопсихологии.
Очень еще мало также продвинута проблема использования наследственной информации. Яйца или клетки раннего зародыша не имеют тех свойств, которые характерны для клеток взрослого организма. У зародыша все клетки очень похожи друг на друга, но по мере развития они начинают различаться между собой. Чем дальше развитие, тем более клетки разнообразны. Во взрослом организме можно насчитать до сотни разных типов клеток - мышечные, эпителиальные, кровяные, печеночные и т. д.
Следовательно, клетки, одинаковые вначале, имеющие одинаковую наследственную информацию, специализируются, или, как принято говорить, дифференцируются. Одни гены работают во все время жизни клетки, другие включаются в определенные моменты, а третьи, видимо, вообще никогда не включаются. Какими силами направляется это развитие, как регулируется деятельность хромосом, еще очень мало понятно, а ведь это очень важно в практическом отношении.
Возьмите проблему злокачественного роста. Нельзя сомневаться в величайшей актуальности и практической важности этой проблемы. Из того, что мы знаем о раковой клетке, можно заключить, что эти клетки утрачивают связь с соседними клетками, размножаются неудержимо, бесконтрольно и образуют опухоль.
Что же удерживает клетки в норме, какова природа той "дисциплины" размножения, которой подчиняются нормальные клетки? Это, очевидно, проблема формирования ткани органа, то есть проблема развития, дифференци-ровки. Раковые клетки легко отрываются от опухоли, попадают в кровь и разносятся по всему организму. Так возникают метастазы, то есть новые опухоли. Это происходит в результате особых свойств поверхности раковой клетки - в отличие от нормальных клеток раковые клетки связаны между собой гораздо слабее. А это происходит в результате изменения структуры и свойств поверхности раковых клеток. Изменения же поверхности клетки есть результат изменения состава ее белков.
Следовательно, идет нарушение синтеза белков в результате нарушения регуляции работы хромосом. Для того чтобы избавить организм от опухоли, ее удаляют хирургическим путем или убивают раковые клетки рентгеновскими лучами или химическими веществами. Но не всегда удается удалить опухоль так, чтобы ни одна раковая клетка не осталась в организме. При облучении рентгеновскими лучами и действии химиотерапевтическими препаратами также нет уверенности, что удастся убить все раковые клетки. А при увеличении доз этих агентов гибнут и нормальные клетки.
Таким образом, ясно, что, для того чтобы понять причины возникновения рака, его природу, найти средства для его предупреждения и эффективного лечения, нужно знать хорошо природу этих клеток. Для решения этой проблемы разработана программа исследований, осуществляемая под эгидой научного совета АН СССР по проблемам цитологии. Для решения ее привлекаются специалисты разных областей знания. Планируется развертывание исследований всего спектра изменений, возникающих в клетке при воздействии канцерогенов и вирусов, изучение иммунохимических и цитогенетических характеристик злокачественных клеток, устойчивости и репарации клеток и клеточных структур. Несомненно, что разработка целенаправленных мероприятий, их ор-. ганизация и координация не простое дело. Но эти задачи уже стоят перед учеными, и на их решение необходимо направить максимальные, хорошо продуманные и взаимно увязанные усилия.