Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир
Шрифт:
Если вернуться к обычным клеточным мембранам, то двумерная текучесть липидных бислоев создает клетке потенциальную проблему: как ей организовывать свою мембрану, чтобы одни белки кластерировались со своими партнерами, а другие оставались в одиночестве, если мембрана в целом – это жидкость? Можно, например, как делают Т-лимфоциты, связать мембранные белки с внутренним каркасом клетки, рельсы и моторы которого будут направлять их куда надо. А можно выбрать другую тактику, вытекающую из физических свойств самой мембраны и задействующую два типа липидов. Оба формируют текучие бислои, предназначенные для защиты гидрофобных хвостов от воды, но каждый предпочитает окружение себе подобных: липиды А тяготеют к А, а липиды B – к B. Как масло и вода, два типа липидов не смешиваются, однако их сегрегация ограничивается двумерным пространством бислоя. В последние десятилетия XX века ученые поняли, что подобная сегрегация в стандартном наборе мембранных липидов вполне возможна. Гидрофобные хвосты разных липидов могут быть как относительно
Как и в случае с плавлением ДНК (см. главу 1), переход происходит резко, и аналитический инструментарий, разработанный для небиологических материалов, снова находит применение в живой природе. Обнаруженная картина наводит на мысль, что клетки могли бы использовать это холестерин-зависимое фазовое разделение для организации своих мембран. Разные белки с одинаковыми предпочтениями – любители богатой холестерином фазы и нелюбители – распределялись бы по разным областям. Искусственные мембраны сильно облегчают нам изучение фазового разделения липидов. В лаборатории несложно сконструировать из липидного бислоя сферы размером с клетку и использовать их как инструмент для изучения биофизики мембран и мембранных белков. (Они напоминают мыльные пузыри, но вместо воздуха у них внутри и снаружи вода, а оболочкой служит липидный бислой.) Глядя в микроскоп на мембрану, помеченную разными пигментами, предпочитающими богатые или небогатые холестерином домены, – например, светло-серым и темно-серым, как на рисунке, – мы увидим диски одного цвета в море другого.
Мы быстро поняли, что по этому принципу могла бы происходить пространственная организация в настоящих клетках, но ответить на вопрос, происходит ли она так, сложно до сих пор. В искусственных мембранах богатые и небогатые холестерином домены вырастают до размеров, легко различимых под микроскопом. Более того, понижая и повышая температуру, можно наблюдать, как домены возникают и исчезают. Загадка же в том, что в живых клетках эти домены никто не видит, хотя мы и знаем, что липиды и холестерин, из которых они состоят, ничем не отличаются от используемых в искусственных мембранах. Предполагают, что домены все же существуют, однако компоненты цитоскелета ограничивают их площадь несколькими десятками нанометров, в то время как волновая природа света не позволяет нам видеть структуры размером меньше нескольких сотен нанометров. Разумеется, нас эта ситуация не устраивает: утверждение, что объект существует, но наблюдению не поддается, совсем не добавляет уверенности в том, что он действительно существует! Однако интересно, что, химически воздействуя на клетки, можно создать «волдыри» – пузырьки на клеточной мембране, отделенные от цитоскелета10. В них уже явно различимы липидные домены, демонстрирующие все признаки фазового разделения жидкости, о чем в 2007 году впервые сообщили Уотт Уэбб и его коллеги из Корнеллского университета.
Эксперименты с пузырьками придали веса гипотезе о том, что в настоящих мембранах действительно происходит фазовое разделение. И все же можно было возразить, что в эксперименте мы подвергали мембраны жесткому воздействию и потому не вправе отождествлять с природными. Недавно ученые заметили у дрожжевых клеток крупные домены в мембране, ограничивающей органеллу под названием вакуоль11. В Вашингтонском университете группа под руководством Сары Келлер выявила, что в живых дрожжевых клетках эти мембраны демонстрируют признаки фазового разделения: самым показательным было образование доменов лишь при падении температуры ниже критической отметки. Любопытно, что дрожжевые клетки, по всей видимости, используют такие домены для расщепления накопленных жиров, когда нет доступных сахаров: именно там концентрируются необходимые для этого белки12. Пока неясно, обращаются ли другие клетки к подобным стратегиям, но гипотеза о том, что клетки используют принцип фазового разделения жидкости в организации своих мембран, все больше кажется не только изящной, но и верной.
Представление о клеточных мембранах как двумерных жидкостях, существующих благодаря самоорганизующемуся липидному бислою, укрепилось в 1970-х после нескольких десятилетий изучения природы биологических мембран13. Архитектура липидного бислоя поразительно изящна: она не только объясняет многие аспекты поведения мембран, но и показывает, что поведение это вытекает из простых физических взаимодействий. Кажется, что в силу огромной биологической значимости мембран клетки должны тщательно контролировать расположение липидов и создавать выверенные химические связи, чтобы удерживать их вместе. Но это не так: липиды могут действовать на свое усмотрение, подобно тому как капля масла, плавающая в воде, может принять форму хоть куба, хоть лучистой звезды. Но капля предпочитает быть сферой – просто потому, что такая форма минимизирует площадь соприкосновения масла с водой. Так и липиды выстраиваются в бислой просто потому, что такая форма сводит к минимуму контакт их гидрофобных хвостов с водой. Клетке не нужно задействовать гены, чтобы подтолкнуть липиды к формированию бислоев, липиды это делают сами. (Клетке нужны гены белков, синтезирующих молекулы липидов, однако уже созданные липиды способны к самоорганизации.)
Как и при фолдинге белков, здесь мы наблюдаем в действии крайне эффективный принцип самосборки: простые физические требования движут формированием структуры, позволяя молекулам самим выстраиваться в нужном порядке. Эксплуатация самосборки не только удобна природе, но и полезна в качестве примера для всех, кто природу изучает: этот феномен свидетельствует, что жизнь не обязательно устроена так замысловато, как кажется на первый взгляд, и в основе биологической сложности вполне может лежать физическая простота.
Итак, мы познакомились с важнейшими молекулами, из которых состоят все организмы на Земле: ДНК, РНК, белками и липидами. Это, конечно, не полный набор ингредиентов жизни – важный вклад в нее вносят ионы, сахара, гормоны и другие молекулы, – но характеристики этой группы универсальных компонентов сообщают нам многое о том, как устроена жизнь и как в живой природе кодируется информация. Выстраиваясь и взаимодействуя множеством разных способов, эти молекулы порождают все многообразие жизни вокруг нас. Мы продолжим изучать разные типы биологических структур и физические силы, которые задают рамки при их формировании, но сначала погрузимся в важную биофизическую тему, до этого затронутую лишь вскользь, – поговорим о предсказуемой случайности.
Глава 6. Предсказуемая случайность
Ничто никогда не пребывает в покое. Все наши картинки белков, ДНК и любых других молекул принципиально нереалистичны. Так, например, любой липид нужно изображать размытым в движении, а не замершим на месте.
В движении пребывают не только биологические молекулы. Если я решу изучить под микроскопом плавающий в воде стеклянный шарик размером с бактерию, то за несколько секунд он преодолеет расстояние, в несколько раз превышающее его диаметр. Его перемещения обусловлены не течениями в воде и не неровностью предметного столика микроскопа. Это неизбежный естественный танец, который исполняют все тела. Такое движение, вытекающее из фундаментальных физических законов, служит фоном для всех природных процессов – фоном, глубоко чуждым нашей макроскопической интуиции и управляемым, по сути, случайностью. Как ни парадоксально, в этом хаосе есть структура, и многие механизмы жизни можно понять, вскрыв взаимосвязи между случайностью и предсказуемостью в мелкомасштабном мире.
Непрерывный танец малых частиц называют броуновским движением: его наблюдал и описал в 1827 году ботаник Роберт Броун. Изучая под микроскопом пыльцевые зерна полевых цветов, Броун заметил, что они постоянно пребывают в движении. Это движение беспорядочно: в среднем зерна совершают одинаковое количество перемещений вправо и влево, вверх и вниз, но при этом меняют направление движения без какой-либо закономерности. Такую динамику под микроскопом наблюдали и раньше, но Броун установил, что это движение обусловлено не живым началом, не биологической природой участвующих в нем элементов, не течениями в окружающей их жидкости и не потоками от испарения этой жидкости, а скорее универсальными законами физики. Например, чтобы проверить, не порождается ли движение испарением, Броун смешал масло с водой, содержащей пыльцу, и взболтал получившийся состав: масло теперь защищало воду от испарения, но зерна пыльцы все равно хаотично перемещались.
Броун выяснил, что все беспрестанно колеблется и блуждает. Но почему? Что побуждает к этому микроскопическому движению? Без ответа мы оставались не один десяток лет, пока в самом начале XX века Альберт Эйнштейн в Швейцарии, Мариан Смолуховский в Польше и Уильям Сазерленд в Австралии независимо друг от друга не нашли простое, понятное и точное объяснение1. Первый шаг в нужном направлении они сделали тогда, когда решили всерьез рассмотреть собранные в XIX веке (преимущественно химиками) косвенные свидетельства того, что вещество состоит из отдельных единиц, атомов. Сегодня это кажется банальным – мы ведь так привыкли говорить об атомах и молекулах, – а в начале XX века представление о веществе как совокупности дискретных строительных элементов, а не как о бесконечно делимом континууме считали спорным и признавать не спешили. Эйнштейн и остальные отметили, что множественные беспорядочные столкновения молекул воды с броуновскими зернами или моими стеклянными шариками вызвали бы ровно такое движение, какое наблюдали в экспериментах.