Шестеренки — это движущиеся части. В клетке они представлены молекулами под общим названием протеины. Можно назвать протеины механическими деталями, которые соединяются между собой и взаимодействуют, генерируя поведение и функции клетки. Каждый из протеинов обладает своей уникальной структурой и размером; существует более 150 000 деталей-протеинов. Наши рукотворные машины бывают очень сложными, но все же человеческим инженерам и технологам пока еще далеко до сверхсложных технологий, используемых внутри клеток.
Агрегаты из протеиновых шестеренок, обеспечивающие те или иные биологические функции, называются путями метаболизма. Дыхательный путь метаболизма представляет собой агрегат из протеиновых шестеренок, отвечающий за дыхание. Пищеварительный путь метаболизма — это группа протеиновых молекул, взаимодействие которых обеспечивает переваривание пищи. Протеиновый путь метаболизма отвечает за сокращение мышц и обеспечивает движения нашего тела.
Передовая биология, вывод № 1: протеины составляют структуру биологических организмов и обеспечивают их функции.
Мотор — это то, что приводит в движение протеиновые шестеренки. Мотор жизненно необходим, поскольку движение является первичной характеристикой жизни. Фактически, если протеины в вашем теле перестанут двигаться, вас можно считать трупом. Другими словами, источником жизни являются те силы, которые приводят в движение молекулы протеина и таким образом в конечном счете порождают поведение.
Переключатель — это механизм, который побуждает мотор приводить протеиновые шестеренки в движение. Необходимость переключателя обусловлена тем, что для жизни требуется точнейшая интеграция и координация поведения клеток. Представьте себе функции клеток — дыхание, усвоение пищи, выделение и т. д. — как инструменты в оркестре. Без дирижера оркестр произведет не более чем какофонию. В живых организмах роль дирижеров играют переключатели, которые находятся в клеточных мембранах и гармонично управляют различными функциональными системами клетки.
Датчик — средство, при помощи которого тело точно отслеживает физиологические функции своих систем. Биологические датчики критически необходимы для поддержания жизни. Представьте себе датчики вашего организма как датчики в автомобиле. Хотя индикаторы последних расположены на приборной доске, сами они находятся в моторе и в других узлах автомобиля. Так же как автомобильные датчики сообщают водителю об уровне масла и топлива, заряде аккумулятора и скорости, датчики организма предоставляют ему всю информацию, необходимую для регуляции вашего поведения, позволяющего поддерживать его жизнь. Но в отличие от механических датчиков с их стрелочками или электронными табло, биологические датчики передают информацию через ощущения.
Ощущения создаются побочными химическими продуктами, которые вырабатываются клетками в процессе функционирования организма. Эти химические вещества-маркеры выделяются во внутреннюю среду наших тел. Особые клетки нервной системы при помощи мембранных переключателей распознают такие побочные продукты жизнедеятельности и отслеживают их концентрацию. Когда такие нервные клетки активизируются, они преобразуют спровоцированный побочными продуктами сигнал в ощущения. В свою очередь, наше сознание интерпретирует эти ощущения как чувства, эмоции или симптомы. Например, для борьбы с инфекцией активизированная клетка иммунной системы выпускает в кровь таких химических вестников, как интерлейкин-1. Когда молекулы интерлейкина-1 распознаются особыми мембранными рецепторами в клетках кровеносных сосудов мозга, эти клетки выделяют в мозг сигнальную молекулу простагландин-Е2. Она активизирует горячечный путь метаболизма, и мы немедленно ощущаем симптомы: повышение температуры и озноб.
Одна из основных проблем нашей современной системы здравоохранения состоит в том, что медики оценивают свои успехи на основании того, насколько хорошо им удается побороть симптомы. Врачи выписывают таблетки для утоления боли, рассасывания опухолей или снижения температуры. Однако подавление симптомов может быть столь же опасным, как и заклеивание приборной панели автомобиля красивыми картинками. Это не решает проблему, но позволяет ее игнорировать — до тех пор, пока машина не сломается. Точно так же и медикаментозная обработка клеток с целью маскировки симптомов всего лишь помогает нам не замечать сигналы об опасности, поступающие от тела.
Палец на переключателеМы рассказали о том, как молекулярные переключатели активизируют протеиновые шестерни, которые, в свою очередь, управляют поведением. Теперь главный вопрос, касающийся тайны жизни, можно сформулировать так: «Кто или что оперирует переключателем?» В качестве оператора мы вводим… сигнал.
Сигналы представляют собой факторы среды, которые включают клеточный мотор, приводящий в движение протеиновые шестерни. Сигналы — это материальная и энергетическая информация, составляющая наш мир. Воздух, которым мы дышим, пища, которую едим, люди, к которым прикасаемся, и даже новости, которые слышим, — все это сигналы среды, активирующие движение протеинов и порождающие то или иное поведение. Таким образом, используя здесь слово «среда», мы имеем в виду вообще все — от поверхности нашей кожи и до окраин Вселенной. Наша среда воистину огромна.
Передовая биология, вывод № 2: сигналы из среды побуждают протеины изменять свою форму; из движений, возникающих в результате этого, складываются жизненные функции организма.
Каждый из протеинов реагирует на специфические сигналы из окружающей среды — с безошибочностью замка, который открывается лишь ключом строго определенной формы. При встрече молекулы протеина с соответствующим сигналом среды, молекула изменяет свою форму и, соответственно, движение. Клетка использует эти движения молекул для поддержания активности жизненно важных путей метаболизма — таких как дыхание, пищеварение и сокращение мышц. Протеины передают свое движение клетке, пробуждая ее к жизни.
Мозг и половые железыМы должны подчеркнуть, что, хотя многочисленные протеиновые пути метаболизма в клетке обеспечивают функционирование жизни, само по себе их наличие еще не порождает жизнь. Они лишь обеспечивают ее благодаря точной координации и регуляции их деятельности. Регулирующим механизмом, координирующим многочисленные жизнеобразующие пути метаболизма клетки, является так называемый клеточный мозг.
Но… где же он расположен? Вопреки тому, что вы, вероятно, знаете, клеточный мозг находится не в генах. Возможно, вы помните из школьного или университетского курса биологии, что центром» или мозгом, клетки считают самый большой ее органоид — ядро. Поскольку гены содержатся в ядре и считалось, что именно они управляют жизненными процессами, ученые выдвинули следующее допущение: именно эта органелла и представляет собой мозг клетки. Учитывая то, что допущения как таковые — штука не очень надежная, мы должны поставить под вопрос правильность таких представлений.
Уже 80 лет назад были опубликованы результаты экспериментов, дающие основание усомниться в том, что именно гены играют в клетках роль мозга. Когда у живого организма удаляют его мозг (например, отрубают голову курице), он погибает. Но если удалить ядро у клетки (этот процесс называется энуклеацией), клетка выживает, причем многие клетки способны прожить без генов два месяца и больше! Фактически клетка, подвергшаяся энуклеации, продолжает нормально функционировать до тех пор, пока у нее не возникает потребность заменить те или иные свои протеиновые составляющие.
Гены представляют собой не более чем «чертежи», используемые для производства протеинов. Клетка погибает после энуклеации не из-за отсутствия генов, а потому, что она не может обновлять свои изношенные протеины, из-за чего неизбежно начинает разрушаться. Так что вопреки тому, чему нас учили в школе, ядро представляет собой отнюдь не мозг клетки, а функциональный эквивалент половых желез или, другими словами, репродуктивной системы. Эта научная ошибка вполне объяснима и понятна. Слишком долго в исторической перспективе научное сообщество представляло собой «клуб пожилых мальчишек». И поскольку человеческие самцы, как известно, склонны думать гениталиями, нет ничего удивительного в том, что они ошибочно приняли ядро клетки за ее мозг.
Итак, функции клеточного мозга исполняют не гены. Но тогда что? Это делает клеточная мембрана — эквивалент кожи. В мембрану встроены протеиновые переключатели, которые реагируют на сигналы среды, перенаправляя полученную информацию во внутренние протеиновые пути метаболизма. Практически для каждого сигнала, распознаваемого клеткой, существует отдельный мембранный переключатель. Некоторые переключатели реагируют на эстроген, некоторые — на адреналин, некоторые — на кальций, некоторые — на световые волны и так далее.
