Биология веры: Недостающее звено между Жизнью и Сознанием

Липтон Брюс

Итак, вопреки расхожим представлениям, гены не управляют собственной активностью. Это делают интегральные мембранные белки и их производные, от которых зависит связывание хромосомных регуляторных белков, образующих «рукав» вокруг ДНК. Иными словами, «считывание» генов, ответственных за замену изношенных и синтез новых белков, контролируется мембранными белками-эффекторами, откликающимися на сигналы окружающей среды.

Истинный «мозг» клетки

Как только я понял, как работают интегральные мембранные белки, мне стало ясно, что поведение клетки обусловлено, прежде всего, ее взаимодействием с окружающей средой, а вовсе

не генетическим кодом. Безусловно, генетические программы, запечатленные в содержащихся в ядре клетки молекулах ДНК, — уникальная вещь, формировавшаяся в течение трех миллиардов лет эволюции. Но при всей своей уникальности они не управляют функционированием клетки. Даже с чисто логической точки зрения гены не могут служить раз и навсегда определенной программой жизни клетки или организма, ведь выживаемость последних определяется умением динамически приспосабливаться к изменчивому окружению.

Способность мембраны «осмысленно» взаимодействовать с окружающей средой делает ее самым настоящим клеточным «мозгом». Давайте подвергнем мембрану такому же испытанию, какому мы подвергали ядро клетки, пробуя его на роль клеточного «мозга». Если разрушить мембрану, клетка погибнет — точно так же, как погибнет человек, если удалить ему мозг. Даже если оставить мембрану в целости и уничтожить только лишь ее белки-рецепторы (это легко делается в лаборатории при помощи пищеварительных ферментов), клетка окажется «живым трупом». Она впадет в коматозное состояние из-за того, что не будет больше получать необходимые для своего функционирования сигналы извне. Аналогичным образом, клетка впадает в кому, если обездвижить ее белки-эффекторы.

Демонстрировать «осмысленное» поведение клетка может только при наличии функционирующей мембраны, имеющей как рецепторы (обеспечивающие восприятие информации), так и эффекторы (обеспечивающие действие). Эти белковые комплексы — основные составляющие клеточного «разума».

Впрочем, нельзя забывать о том, что, разбирая клетку на элементарные винтики и гаечки, мы рискуем впасть в редукционизм. Невозможно понять поведение клетки, изучив лишь один из ее механизмов. Необходимо рассматривать деятельность клетки в целом. В этом состоит холистический — противоположный редукционистскому — подход, который я намереваюсь развить в следующей главе.

На клеточном уровне история эволюции — это в значительной мере история увеличения количества базовых единиц «разума» — интегральных мембранных белков — рецепторов и эффекторов. Эта задача решалась клетками за счет растяжения и, соответственно, увеличения площади собственных мембран.

У примитивных организмов-прокариот клеточная мембрана осуществляет все основные физиологические функции — пищеварение, дыхание, выделение. На последующих этапах эволюции эти обязанности перешли к органеллам эукариотической цитоплазмы. В результате в мембране освободилось место для большего количества интегральных мембранных белков. Учтем также, что эукариоты в тысячи раз крупнее прокариот, что влечет за собой колоссальное увеличение площади их мембранной поверхности — а значит, и доступного места для новых интегральных мембранных белков.

Итак, в процессе эволюции клеточная мембрана растягивалась, но у этой ее способности есть физический предел. Начиная с какого-то момента, растянутая и истончившаяся клеточная мембрана уже не сможет удержать внутри себя цитоплазму. Представьте, что вы наполняете водой воздушный шарик. Какое-то количество воды он вполне сможет выдержать. Но если вы будете упорствовать, шарик лопнет и вода забрызгает все вокруг. Когда клеточная мембрана растянулась до критической величины, эволюция индивидуальной клетки подошла

к своему пределу. Тогда отдельные клетки, которые в первые три миллиарда лет эволюции были единственными организмами на нашей планете, нашли новый способ увеличить свою информированность об окружающей среде. Они начали объединяться, образуя многоклеточные сообщества, — я говорил об этом в первой главе.

В целом, и отдельной клетке, и многоклеточному организму приходится, во имя собственного выживания, решать одни и те же задачи. Разница лишь в том, что, когда клетки образовали многоклеточные организмы, у них появилась специализация. В многоклеточных сообществах существует разделение труда, что хорошо видно на примере тканей и органов, выполняющих те или иные специализированные функции. В одиночной клетке дыхание осуществляется митохондриями; в многоклеточном организме ту же функцию выполняют миллиарды специализированных клеток, образующих легкие. Еще один пример: в одиночной клетке движение возникает в резуль­тате взаимодействия белков цитоплазмы, называемых актином и миозином; в многоклеточном организме работу по обеспечению подвижности выполняют сообщества специализированных мышечных клеток, каждая из которых содержит большое количество актина и миозина. И, самое главное, если в отдельной клетке задачу восприятия информации об окружающей среде и необходимого отклика решает клеточная мембрана, то в нашем организме эти функции перешли к специализированной группе клеток, которую мы называем нервной системой!

Повторю еще раз: несмотря на то, что мы достаточно далеко отстоим от одноклеточных организмов, нам есть чему у них поучиться. Даже такой сложнейший орган, как человеческий мозг, охотнее раскроет нам свои тайны, если мы во всех подробностях ознакомимся с работой его клеточного эквивалента — мембраны.

Тайна жизни

Как вы уже поняли, в последнее время ученые значительно продвинулись в разрешении многочисленных загадок обманчиво простой клеточной мембраны. Но в самых общих чертах ее функции были известны еще двадцать лет назад. Собственно говоря, именно тогда я впервые осознал, что изучение клеточной мембраны имеет далеко идущие последствия. Озарение, которое на меня снизошло, можно сравнить с реакцией перенасыщенного химического раствора. Такие растворы выглядят как обычная вода, но стоит добавить в емкость хотя бы крупинку растворяемого вещества, и оно все целиком выпадает на дно емкости в виде огромного кристалла.

В 1985 году я жил в съемном доме на просоленном карибском острове Гренада и преподавал в тамошней «офшорной» медицинской школе. Было два часа ночи. Я перелопачивал свои многолетние записи по биологии, химии и физике клеточной мембраны, освежая в памяти ее механику и стараясь вникнуть в то, как она обрабатывает информацию. И внезапно на меня снизошло! Нет, я не превратился в кристалл. Я в одночасье стал биологом-«мембрано-центристом», у которого нет морального права растрачивать свою жизнь попусту.

Той ночью я как будто впервые взглянул на основу структурной организации клеточной мембраны — выстроившиеся в ряд, как солдаты на параде, фосфолипидные молекулы. Структуру, молекулы которой организованы регулярным, повторяющимся образом, принято называть кристаллической. Существует два основных типа кристаллов. Те, что знакомы большинству людей, представляют собой твердые, неподатливые минералы — к ним относятся алмазы, рубины и даже обычная соль. Кристаллы второго типа, несмотря на то что их молекулы тоже соединены в регулярную структуру, имеют скорее текучую консистенцию. Хорошо знакомые примеры жидких кристаллов — индикатор электронных часов и экран компьютера-ноутбука.