• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

С тех пор как я поступил в магистратуру, значительную часть времени, не занятого поисками ископаемых, я провел за микроскопом, изучая клетки, совместная работа которых обеспечивает образование костей.

Я брал развивающуюся конечность саламандры или лягушки и окрашивал ее клетки пигментами, которые делают формирующиеся хрящи синими, а кости — красными. Затем с помощью глицерина я мог сделать остальные ткани прозрачными и бесцветными. Это были очень красивые препараты: прозрачная конечность эмбриона и кости внутри нее, сияющие цветами пигментов. Казалось, что я изучаю животных, сделанных из стекла.

В эти долгие часы, проведенные за микроскопом, я в буквальном смысле наблюдал построение тела животного. На самых ранних стадиях у эмбрионов были крошечные зачатки конечностей, внутри которых клетки разделялись равномерными промежутками. Затем, на следующих стадиях, клетки внутри зачатка конечности начинали собираться в комки. На более поздних стадиях клетки уже принимали различную форму, и внутри зачатка конечности начинали формироваться кости. В них превращались все клеточные комки, которые я наблюдал у эмбрионов на более ранних стадиях.

Когда видишь, как по кусочкам собирается тело животного, сложно не почувствовать благоговейный трепет. Подобно строящемуся дому, конечность постепенно составляется из маленьких элементов, соединяющихся друг с другом, формируя структуру большего размера. Но между строящимся домом и развивающимся организмом есть и существенная разница. Строительством дома руководят люди, которые четко представляют себе, куда и как должны лечь кирпичи, а развитием конечностей и тел животных никто не руководит. Информация, позволяющая формировать конечности, представляет собой не какой-то отдельный архитектурный план — напротив, она содержится в каждой клетке. Представьте себе дом, который сам собой собирается на основе информации, содержащейся в кирпичах. А ведь именно так и собираются тела животных.

Значительная часть того, из чего делаются тела, находится внутри клеток. Там же находится и значительная часть того, что делает нас уникальными. Наше тело не похоже на тело медузы потому, что наши клетки по-другому соединяются друг с другом, по-другому взаимодействуют и производят разные материалы.

Прежде чем у наших тел вообще возник план строения, не говоря уже о голове, мозге или руках, должны были каким-то образом возникнуть сами тела. Что это значит? Вот что: чтобы клетки могли образовать все ткани и органы тела, вначале они должны были научиться объединяться и сотрудничать — собираться вместе и образовывать организмы совершенно нового типа.

Чтобы понять, какой в этом смысл, давайте для начала обсудим, что собой представляет тело многоклеточного организма, а затем обратимся к трем главным вопросам: когда, как и почему. Когда возникли многоклеточные тела, как они возникли и, самое главное, почему они вообще существуют?

Далеко не каждый комок клеток заслуживает почетного звания тела. Бактериальный мат или группа клеток кожи — нечто совсем иное, чем объединение клеток, которое мы называем телом многоклеточного организма. Разница между ними принципиальна. Чтобы понять, в чем она состоит, проведем следующий мысленный эксперимент.

Что случится, если мы удалим часть бактерий из бактериального мата? Мы получим бактериальный мат меньшего размера. А что случится, если мы удалим порцию клеток человека или рыбы, скажем, из сердца или из мозга? В зависимости от того, какие именно это будут клетки, мы можем получить в итоге труп человека или рыбы.

Этот мысленный эксперимент демонстрирует нам одно из важнейших свойств многоклеточных организмов: наши клетки работают вместе, образуя тем самым нечто большее, чем их простая сумма. При этом не все части тела равны. Некоторые из них жизненно необходимы. Кроме того, между частями многоклеточного тела существует разделение труда: мозг, сердце и желудок выполняют совершенно разные функции. Это разделение труда наблюдается и в самом мелком масштабе: оно свойственно не только частям тела и органам, но также и клеткам, генам и белкам, из которых состоит тело.

Многоклеточный организм, будь то тело червя или человека, обладает индивидуальностью, которой лишены составляющие его части. Например, клетки нашей кожи непрерывно делятся, умирают, отшелушиваются и отпадают. Но каждый из нас при этом остается тем же самым индивидуумом, что и много лет назад, — несмотря на то что с тех пор едва ли не все клетки нашей кожи уже заменились на новые. Те, что были у нас много лет назад, мертвы и сброшены, а их место заняли другие. То же самое можно отнести едва ли не к каждой клетке нашего тела. Подобно реке, которая остается той же, несмотря на то что у нее меняется русло, а также скорость и объем переносимой воды, каждый из нас остается тем же индивидуумом, каким был, несмотря на текучесть составляющих нас частей.

Кроме того, несмотря на все эти непрерывные перемены, каждый из наших органов "знает" свое место, свой размер и функции. Наше тело вырастает пропорциональным от того, что рост всех костей в нем — будь то кости рук, пальцев или черепа — строго скоординирован. Наша кожа остается гладкой благодаря тому, что ее клетки определенным образом взаимодействуют друг с другом, поддерживая целостность кожи и равномерность ее рельефа, — по крайней мере пока не произойдет что-нибудь из ряда вон выходящее, например, не вырастет бородавка. Клетки внутри бородавки не следуют предписанным для них правилам: они как бы забывают, когда им нужно остановить свой рост.

Когда хорошо настроенное равновесие разных частей тела нарушается, живое существо может умереть. Например, если одна группа клеток перестает должным образом сотрудничать с остальными, из нее может развиться раковая опухоль. Продолжая неограниченно делиться или не умирая когда следует, эти клетки могут нарушить равновесие, обеспечивающее существование живого человека. Рак нарушает правила, предписанные клеткам для взаимодействия друг с другом. Подобно злодеям, из-за которых распадаются общества, построенные на всеобщем сотрудничестве, раковые клетки ведут себя по-своему, доводя до распада то объединение, к которому они относятся, — человеческое тело.

Что сделало такую сложную организацию возможной? Чтобы наши древние предки из одноклеточных организмов превратились в многоклеточные (чего им удалось добиться более миллиарда лет назад), их клетки должны были выработать новые механизмы, позволяющие жить и работать вместе. Им нужно было научиться взаимодействовать друг с другом, обмениваясь сигналами. Нужно было научиться по-новому объединяться и держаться друг за друга. И, кроме того, нужно было освоить новые функции, например синтез веществ, благодаря которым органы многоклеточного тела определенным образом отличаются друг от друга. Все эти свойства — межклеточный "клей", способы "клеточного общения" и производимые клетками вещества — и составляют тот набор инструментов, с помощью которого построены все разнообразные многоклеточные организмы, населяющие нашу планету.

Изобретение этих инструментов произвело настоящую революцию. Переход от одноклеточных организмов к многоклеточным означал появление совершенно иного мира. Его населили новые существа с совершенно новыми способностями: они научились вырастать большими и передвигаться на немалые расстояния, а также выработали новые органы, позволяющие ощущать, поедать и переваривать окружающий мир.

Мысль, которая не позволяет всем нам — червям, рыбам и людям — слишком возгордиться: большая часть истории жизни была историей одноклеточных организмов. Почти все, о чем мы говорили до сих пор: животные с конечностями, головами, органами чувств или хотя бы с каким-то планом строения тела, — существовало на Земле лишь на последнем, меньшем промежутке истории ее существования. Мы, палеонтологи-преподаватели, чтобы показать, как невелик этот промежуток, нередко используем аналогию между всей историей Земли и одним календарным годом. Представим себе, что все 4,5 миллиарда лет существования Земли — это единственный год, где 1 января возникла наша планета, а полночь 31 декабря — настоящее время. Жизнь появилась на Земле где-то зимой или в самом начале весны, но вплоть до осени единственными живыми организмами были одноклеточные микробы, такие как бактерии, водоросли и амебы. Животные возникли, по-видимому, только в ноябре, а люди — вечером 31 декабря. Как и все остальные животные и растения, населяющие Землю, мы довольно поздно явились на этот праздник жизни.

Если посмотреть на залегающие по всему свету горные породы, то гигантский масштаб временной шкалы, с которой мы имеем дело, станет вполне очевиден. В породах возрастом немногим более 600 миллионов лет и старше мы не находим остатков ни животных, ни растений. Ископаемые, которые в них встречаются, представляют собой одноклеточные организмы и колонии водорослей и бактерий. Такие колонии похожи на бусы или маты, а иногда на круглые дверные ручки. Их не стоит путать с телами многоклеточных организмов.

Исследователи, которые впервые обнаружили древнейшие ископаемые остатки многоклеточных, не имели представления, что именно им удалось обнаружить. С двадцатых по шестидесятые годы XX века в разных концах света стали находить остатки в высшей степени странных существ. В двадцатые и тридцатые годы Мартин Гюрих, немецкий палеонтолог, работавший в Намибии, нашел довольно много разных отпечатков, которые напоминали отпечатки тел животных. Они имели форму дисков и блюдец, и было неясно, насколько они примечательны. Это могли быть отпечатки древних водорослей или же древнейших медуз, когда-то населявших моря.

В 1947 году Реджинальд Спригг, австралийский геолог, в поисках полезных ископаемых наткнулся на место, где на нижних сторонах камней обнаружились отпечатки чего-то похожего на диски, ленты и пальмовые листья. Работая в районе заброшенного карьера в холмистой местности Эдиакара в Южной Австралии, Спригг собрал большую коллекцию этих отпечатков и добросовестно описал их. Со временем подобные отпечатки были обнаружены на всех материках, кроме Антарктиды. Ископаемые, которых обнаружил Спригг, были странными существами, но поначалу мало кто придавал им значение.

Дружное равнодушие к этим находкам со стороны палеонтологов было связано с тем, что породы, в которых были обнаружены эти отпечатки, считались возникшими в кембрийский период, из которого было известно уже немало ископаемых остатков животных в узком смысле слова, то есть многоклеточных. Ископаемые, найденные Сприггом и Порихом, долгое время оставались незамеченными и считались набором не особенно интересных, хотя и довольно странных отпечатков из периода, уже хорошо представленного в музейных коллекциях по всему миру.

Все это изменил в середине шестидесятых Мартин Глесснер, обаятельный австрийский эмигрант, работавший в Австралии. Сравнив эти породы с породами, добытыми в других районах Земли, Глесснер показал, что возраст этих пород и содержащихся в них ископаемых на 15-20 миллионов лет больше, чем первоначально считалось. Гюрих, Спригг и другие нашли не просто какие-то любопытные отпечатки, а следы древнейших известных многоклеточных организмов.

Эти ископаемые относились к так называемому докембрию — времени, которое долгое время считали лишенным жизни. Открытие Глесснера говорило о том, что жизнь в конце докембрия не только уже существовала (это установили до Глесснера), но и была представлена в том числе и многоклеточными формами. Палеонтологические диковинки оказались ценнейшими научными материалами.

Важнейшие события в истории жизни на Земле, отмеченные на временной шкале, Обратите внимание, на протяжении какого большого промежутка времени ни у кого из обитателей Земли не было многоклеточных тел. Все это время нашу планету населяли лишь одноклеточные организмы, жившие поодиночке или в колониях.

Докембрийские диски, ленты и пальмовые листья представляли собой остатки древнейших организмов, обладавших многоклеточными телами. Как и можно было ожидать от древнейших ископаемых животных, они включали представителей самых примитивных групп, живущих в наши дни, — родственников современных губок и медуз. Другие докембрийские ископаемые не были похожи ни на каких известных животных. Об их отпечатках мы можем сказать только, что у этих организмов были многоклеточные тела, но их причудливую форму и необычный рельеф их покровов сложно сопоставить с чертами строения каких-либо современных организмов.

Из этого следовал один предельно ясный вывод: 600 миллионов лет назад многоклеточные организмы уже начали заселять моря нашей планеты. У этих организмов были вполне оформленные тела, то есть это были не колонии клеток, а настоящие многоклеточные. Некоторые из них уже обладают формой тела и характером симметрии, как у современных форм. Что же касается тех, которых не удается сопоставить с современными формами, то и у них можно найти специализированные структуры тела. Это означает, что эти докембрийские организмы обладали новым уровнем биологической организации, более высоким, чем у предшествующих живых существ.

Об этом свидетельствуют не только ископаемые остатки, заключенные в горных породах, но и сами породы. С появлением первых многоклеточных тел появились и первые следы. На окаменевших участках морского дна того времени есть отпечатки, свидетельствующие о том, что обладатели этих тел уже умели ползать и извиваться. Древнейшие известные следы — небольшие лентовидные бороздки на поверхности окаменевшего ила — говорят о том, что эти многоклеточные были способны совершать довольно сложные движения. Они не только обладали телами с определенными узнаваемыми частями, но и пользовались ими, чтобы активно передвигаться неизвестными ранее способами.

Все обстоит именно так, как и следовало бы ожидать. Мы находим первые ископаемые остатки тел в породах более древних, чем первые остатки тел, обладающих сложным планом строения, которые в свою очередь встречаются в породах более древних, чем первые остатки тел, наделенных головой и конечностями, и так далее. Подобно животным из того зоопарка, по которому мы гуляли в первой главе, ископаемые, заключенные в горных породах, соответствуют вполне определенному порядку.

Как уже было сказано в начале этого раздела, наша задача — узнать, когда, как и почему возникли многоклеточные тела. Докембрийские ископаемые отвечают на вопрос "когда?". Чтобы узнать, как и, наконец, почему, мы должны пойти немного другим путем.

По фотографиям докембрийских дисков, пальмовых листьев и лент никак нельзя понять, как много в этих организмах уже было от наших собственных тел. Казалось бы, что может быть общего у нас, так сложно устроенных людей, с какими-то отпечатками на камнях, которые больше всего похожи на помятых медуз и раздавленные катушки кинопленки?

Однако на этот вопрос есть вполне определенный и, если вдуматься, закономерный ответ: то, что соединяет вместе все наши клетки — и тем самым делает возможным существование наших тел, — мало чем отличается от того, что соединяло вместе клетки древних организмов, отпечатки которых нашли Гюрих и Спригг. Более того, строительные леса, которые позволили сформировать наши тела, возникли еще раньше, чем первые многоклеточные, — у одноклеточных организмов (простейших, которых прежде называли одноклеточными животными).

Что соединяет вместе клетки — те, из которых состоит медуза, или клетки человеческого глаза? У таких существ, как мы, этот биологический клей поразительно сложен: он не только скрепляет наши клетки, но и позволяет им взаимодействовать друг с другом, обеспечивая работу разных структур нашего тела. Этот клей не представляет собой одно какое-то вещество — он состоит из многих веществ, соединяющих клетки и заполняющих промежутки между ними. На микроскопическом уровне он придает всем нашим тканям и органам характерные для них облик, строение и функции. Наши глаза очевидно не похожи на кости наших ног, но значительная часть разницы между глазами и костями ног состоит в том, как именно в них располагаются и соединяются друг с другом клетки и межклеточные вещества.

На протяжении последних нескольких лет каждую осень я сводил с ума студентов-медиков, излагая им эти идеи. Задача, которую я ставил перед издерганными первокурсниками, состояла в том, чтобы, рассматривая препараты под микроскопом, научиться определять органы по идущим в произвольном порядке срезам их тканей. Как же это сделать?

Эта задача во многом похожа на другую: понять, в какой стране вы находитесь, глядя на карту маленькой деревни. Обе эти задачи выполнимы, но для их решения нужно принимать во внимание некоторые детали. В случае с органами это прежде всего форма клеток и характер их соединения друг с другом, а также тип вещества, лежащего между ними. Любая ткань характеризуется определенным набором клеток, определенным образом соединенных друг с другом. В одних участках организма мы видим ленты или столбики из клеток, в других клетки беспорядочно разбросаны и соединены не жестко. Участки последнего типа, где клетки не жестко соединены, нередко заполнены тем или иным материалом, который придает ткани характерные для нее физические свойства. Например, минеральные вещества, лежащие между клетками кости, делают костную ткань твердой, в то время как нетвердая белковая основа ткани, заключенной внутри наших глаз, делает глаз намного более мягким, чем кость.

Студентам, чтобы научиться определять органы по препаратам, которые они рассматривают под микроскопом, необходимо знать, как выглядят и как расположены клетки в разных тканях и что находится между ними. Для нас эти знания имеют более глубокий смысл. Те вещества, которые делают возможными те или иные объединения клеток, делают возможными и само существование наших тел. Если бы в природе не было способа соединять клетки друг с другом или между клетками не было бы никакого материала, на Земле не возникло бы многоклеточных тел, а были бы только отдельные клетки и группы клеток. Значит, чтобы разобраться в том, как и почему возникли наши тела, нам нужно для начала изучить вещества, заполняющие пространство между клетками, позволяющие соединять клетки друг с другом, а самим клеткам — взаимодействовать между собой.

Чтобы понять, какое отношение имеет характер этих веществ к устройству наших тел, давайте рассмотрим подробно одну из частей нашего тела — скелет. Наш скелет — прекрасный пример того, как крошечные молекулы межклеточных веществ могут играть определяющую роль в построении организма, а также прекрасный пример того, как работают общие принципы, лежащие в основе функционирования всех частей нашего тела. Без скелета наше тело представляло бы собой какую-то бесформенную массу. Жизнь на суше была бы для нас нелегка и даже невозможна. Скелет настолько необходим для наших жизнедеятельности и поведения, что мы нередко забываем о его значении и воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Между тем возможностью ходить, играть на фортепиано, дышать и питаться мы обязаны своему скелету.

Прекрасной аналогией, позволяющей понять, как работает скелет, может служить мост. Прочность моста зависит от размеров, формы и пропорций балок и тросов, на которых держатся его пролеты. Но, кроме того, и это особенно важно, прочность моста зависит от микроскопических особенностей материалов, из которых этот мост построен. Химический состав и атомарное строение стали определяют, насколько эта сталь прочна и как сильно она способна согнуться, прежде чем сломается. Точно также и прочность нашего скелета зависит, с одной стороны, от размеров, формы и пропорций костей, а с другой стороны — от химического состава и мельчайших особенностей строения веществ, из которых состоят наши кости.

Давайте теперь попробуем разобраться, как именно это происходит. Когда мы совершаем пробежку, наши мышцы сокращаются, позвоночник, руки и ноги движутся, а ступни отталкиваются от земли, перемещая наше тело вперед. Наши кости и суставы функционируют при этом как гигантский комплекс рычагов и блоков, которые и делают возможными все эти движения. Движения нашего тела подчиняются простым физическим законам. Наша способность бегать во многом определяется размером, формой и пропорциями нашего скелета, а также устройством наших суставов. На этом уровне наш организм представляет собой что-то вроде гигантской машины. Как и положено машине, его устройство соответствует его функциям. У чемпиона по прыжкам в высоту скелет имеет иные пропорции, чем у борца сумо. Еще сильнее отличаются друг от друга пропорции скелета конечностей лягушки, приспособленные для прыжков, и лошади, приспособленные для бега.

Теперь давайте посмотрим на микроскопическое строение. Если взять срез бедренной кости и рассмотреть его под микроскопом, мы сразу увидим, что придает костям их особые механические свойства. Клетки костной ткани расположены очень упорядоченно, особенно вблизи наружной поверхности кости. Некоторые из этих клеток соединены друг с другом, другие изолированы. Между изолированными клетками и группами клеток располагаются материалы, которые и определяют прочность кости. Один из этих материалов — минерал вроде камня, называемый гидроксиапатитом (мы уже говорили о нем в четвертой главе). Гидроксиапатит — вещество твердое в том же смысле, в каком тверд бетон: он устойчив к сжатию, но менее устойчив к сгибанию. Поэтому, точно так же, как сложенные из кирпичей или бетонных блоков дома, кости имеют строение, при котором их материал больше подвергается сжатию и меньше — сгибанию. Галилей понял это уже в XVII веке.

Еще одно вещество в промежутках между клетками кости есть самый обычный белок во всем человеческом организме. Если мы рассмотрим препарат кости под электронным микроскопом при увеличении в 10 тысяч раз, мы увидим что-то вроде канатов, сплетенных из пучков белковых волокон. Это вещество называется коллагеном, и не только строение, но и механические свойства делают его похожим на канат. Канат относительно прочен на растяжение, но легко поддается сжатию и сгибанию (представьте себе, что случится, если две команды, перетягивающие канат, побегут друг навстречу другу). Подобно канату, коллаген оказывается прочным, если его растягивать, но податливым, если сгибать.

Кости состоят из клеток, окруженных морем гидроксиапатита, коллагена и некоторых других веществ, присутствующих в меньшем количестве. Некоторые из клеток соединены друг с другом, другие целиком окружены этими материалами. Прочность кости на растяжение определяется коллагеном, а прочность на сжатие — гидроксиапатитом.

Хрящи — еще одна составляющая наших скелетов — ведут себя несколько иначе. Именно хрящи образуют те гладкие поверхности, которые позволяют соединенным костям во время пробежки скользить друг относительно друга. Безупречная работа коленного сустава, как и большинства других суставов, которыми мы пользуемся, совершая пробежку, зависит от относительной мягкости и упругости хрящевой ткани в этих суставах. Если сжать здоровый хрящ, а затем отпустить, он вновь вернется к своей первоначальной форме, подобно губке для мытья посуды. Каждый раз, когда мы во время пробежки касаемся ступней земли, вся масса нашего тела на некоторой скорости врезается в землю. Если бы кости у нас в суставах не были защищены хрящевыми колпачками, они с силой терлись бы друг о друга. Именно это происходит при некоторых формах артрита: хрящи в суставах атрофируются, и движения оказываются затруднены.

Мягкость и упругость хрящевой ткани определяются ее микроскопическим строением. В хрящах, которые расположены в наших суставах, клеток довольно мало, и эти клетки разделены большим количеством заполняющего межклеточное пространство вещества. Как и в случае с костной тканью, прежде всего именно свойства этого межклеточного наполнителя и определяют механические характеристики всей ткани.

В хрящевой ткани (как и во многих других тканях нашего тела) межклеточное пространство во многом заполнено коллагеном. Упругость же хрящу придает другое вещество — одно из самых необычных во всем нашем организме. Это вещество, которое называется протеогликан, делает хрящ упругим и устойчивым к сжатию. Комплекс молекул протеогликана напоминает большую трехмерную щетку с длинной ручкой и множеством маленьких ответвлений. Такие комплексы можно даже увидеть под микроскопом. Это вещество обладает удивительным свойством, которое и дает нам возможность ходить и бегать. Дело в том, что тонкие ответвления протеогликанового комплекса охотно соединяются с водой. Благодаря этому протеогликан легко пропитывается немалым количеством воды, образуя что-то вроде студня. Если сделать студень, внутри и вокруг которого будут густой сетью переплетены нитки (они соответствуют коллагену), такой студень будет одновременно довольно мягким, упругим и относительно устойчивым к растяжению. Примерно так и устроена хрящевая ткань. Она служит прекрасной прокладкой между костями там, где они соединяются, то есть в суставах. Роль клеток хрящевой ткани состоит в том, чтобы выделять эти вещества по ходу роста организма и поддерживать их запасы после того, как рост закончится.

Соотношение различных межклеточных материалов во многом и определяет различие механических свойств костей, хрящей и зубов. Зубы — структуры очень твердые, поэтому вполне предсказуемо, что в составе их эмали много гидроксиапатита и мало коллагена. В костной ткани содержится несколько больше коллагена и меньше гидроксиапатита. Поэтому кости не так прочны, как зубы. В составе хрящевой ткани много коллагена, а гидроксиапатита нет, но зато есть много протеогликана. В результате хрящевая ткань — самая мягкая из тканей нашего скелета. Правильное строение и работа скелета во многом определяются содержанием этих веществ во всех его структурах в определенных правильных соотношениях.

Но какое все это имеет отношение к происхождению наших тел? У всех животных есть одно общее свойство, независимо от того, есть у них скелет или нет: все они, даже самые примитивные, наделены определенными веществами, которые заполняют пространство между клетками, а именно определенными разновидностями коллагена и протеогликана. Особую роль среди этих веществ играет коллаген. Это самый распространенный белок в организмах животных: на него приходится более 90% массы всех белков в организме. Построение многоклеточных тел, которое началось в далеком прошлом, было бы невозможно, если бы не возникло такое вещество.

Еще одна очень важная для нашего тела особенность состоит в том, что его клетки должны уметь соединяться и общаться друг с другом. Как соединяются друг с другом клетки кости и откуда клетки в разных ее частях знают, что им нужно вести себя по-разному? Ответ на этот вопрос позволяет во многом понять, как устроен наш "арсенал для бодибилдинга" — то есть инструментарий, позволяющий строить наши тела.

Клетки кости, как и все другие клетки нашего тела, соединяются друг с другом при помощи тонких молекулярных заклепок. В нашем организме есть множество разных заклепок такого рода. Некоторые из них соединяют клетки так, как клей соединяет ботинок и его подошву: одна молекула закреплена на наружной мембране одной клетки, а другая — на наружной мембране другой клетки. Этот клей, прикрепляясь к мембранам обеих клеток, обеспечивает им устойчивое соединение.

Другие молекулярные заклепки столь разборчивы, что присоединяются избирательно, лишь к заклепкам того же типа. Это очень важное свойство наших организмов, которое во многом обеспечивает фундаментальные особенности его строения. Такие избирательные заклепки помогают клеткам определенного типа безошибочно находить друг друга. Благодаря им клетки костной ткани соединяются с другими клетками костной ткани, клетки кожи — с другими клетками кожи и так далее. Эти заклепки позволяют формировать наши тела без какой-либо дополнительной информации. Если мы возьмем некоторое количество клеток нескольких разновидностей, каждая из которых обладает определенным типом таких заклепок, и оставим их расти на питательной среде, эти клетки сами сформируют скопления, состоящие из клеток одной разновидности. Одни могут собраться в шарики, другие — в пластинки, и все они будут отсортированы по типу заклепок.

Но, пожалуй, самый важный тип связей между клетками — это связи, позволяющие им обмениваться друг с другом информацией. Правильное строение нашего скелета, да и всего нашего тела, возможно только благодаря тому, что формирующие его клетки умеют правильно себя вести. Для этого они должны уметь правильно делиться, производить определенные вещества и вовремя умирать. Если бы, к примеру, клетки костной ткани или клетки кожи вели себя как попало — например, делились слишком часто или умирали слишком редко, — мы вырастали бы уродами или не вырастали вовсе, а погибали на ранних стадиях развития.

Клетки общаются друг с другом, пользуясь "словами", записанными на молекулах, которые передаются от клетки к клетке. Передавая друг другу такие молекулы, соседние клетки могут как бы разговаривать. Вот один из простейших примеров такого межклеточного общения. Одна клетка подает сигнал — выделяет молекулы определенного вещества. Эти молекулы прикрепляются к наружной оболочке, то есть мембране, соседней клетки, для которой и предназначен этот сигнал. Прикрепление таких молекул к мембране запускает цепную реакцию молекулярных взаимодействий, которые передают сигнал от мембраны внутрь, часто даже в ядро получившей сигнал клетки. Напомню, что внутри клеточного ядра хранится генетическая информация. Переданный в ядро сигнал может включить или выключить определенные гены. В итоге клетка, получившая сигнал, изменит свое поведение. Этот сигнал может заставить ее умереть, разделиться или начать производить какие-то новые вещества.

Вот что, в первом приближении, и делает возможным существование наших тел. У всех животных в узком смысле, то есть многоклеточных, имеются структурные молекулы, такие как коллаген и протеогликан, имеется набор молекулярных заклепок, позволяющих клеткам соединяться друг с другом, и имеется молекулярный инструментарий, позволяющий клеткам общаться друг с другом.

Теперь у нас есть поисковый образ, необходимый, чтобы разобраться в происхождении наших тел. Чтобы понять, как наши тела возникли, нам нужно найти все три перечисленных выше типа молекул у самых примитивных животных на планете, а затем постараться отыскать что-то похожее у одноклеточных организмов.

Что общего между телом профессора и каплей? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим самых примитивных животных, обитающих сегодня на нашей планете.

Одно из них не только очень просто устроено, но и по-прежнему во многом загадочно: его очень редко наблюдали в природе, и даже все стадии его жизненного цикла так до сих пор и не удалось проследить. В конце восьмидесятых годов XIX века на стеклянной стенке аквариума один ученый обнаружил удивительно простой организм. Он не был похож ни на одно известное животное и напоминал бесформенный комок или кляксу. Единственное, с чем его можно сравнить, — это бесформенный инопланетный монстр из фильма "Капля" ("The Blob" со Стивом Маккуином). Этот монстр представляет собой загадочную бесформенную массу, занесенную на Землю из космоса. Он обволакивает и переваривает своих жертв — собак, людей, а затем даже целые ресторанчики в небольших пенсильванских городках. Пищеварительные органы у этого монстра где-то на брюшной стороне (правда, в фильме их не показывают, но попадающие туда люди издают душераздирающие крики). Если уменьшить этого монстра до двух миллиметров в диаметре — так, чтобы его тело состояло лишь из нескольких сотен клеток, — мы получим нечто очень похожее на этот вполне реальный земной организм, получивший название трихоплакс. У трихоплакса есть только четыре типа клеток, а тело по форме напоминает не то комок, не то кляксу. И все же это настоящее тело. Некоторые из клеток брюшной стороны специализируются на пищеварении, другие наделены жгутиками, биение которых помогает трихоплаксу двигаться. Питаются трихоплаксы в основном водорослями и бактериями. Точно не известно, насколько широко он распространен, но его находили в нескольких морях в разных концах Земли. Хотя мы по-прежнему многого не знаем об этих животных, известно, что у них есть одно исключительно важное свойство. Как бы просто ни был устроен организм, между его частями уже существует отчетливое разделение труда.

Многие интересные особенности наших тел можно наблюдать и у трихоплакса. Тело трихоплакса — настоящий многоклеточный организм, хоть и примитивно устроенный. Изучая ДНК трихоплакса и молекулы, находящиеся на поверхности его клеток, мы убеждаемся, что у него уже имеется значительная часть нашего набора для бодибилдинга. У трихоплакса есть определенные молекулярные заклепки, соединяющие клетки, а также средства для общения клеток, похожие на те, что присутствуют и в наших собственных телах.

Наш набор для построения тела можно найти в бесформенных комках, устроенных еще проще, чем некоторые из древних ископаемых, открытых Реджинальдом Сприггсом. Можем ли мы пойти еще дальше, перейти к организмам с еще более примитивными телами? По-видимому, да. Обратимся к существам, тела которых с давних пор использовали для мытья, — к губкам. На первый взгляд, в губке мало примечательного. Значительную часть тела губки составляют опорные структуры, состоящие из силикатов (веществ, близких к стеклу) или карбоната кальция (твердого материала, из которого состоят раковины моллюсков), переплетенных с некоторым количеством коллагена. Вот это-то и делает губок интересными. Вспомним, что коллаген — важнейший материал наших межклеточных пространств, скрепляющий многие клетки и ткани нашего организма. По виду губок этого не скажешь, но у них уже есть один из отличительных признаков настоящих многоклеточных организмов.

В начале XX века Генри ван Питере Уилсон, исследовавший губок, показал, насколько они на самом деле удивительны. В 1894 году Уилсон поступил на работу в Университет Северной Каролины, став первым профессором биологии этого университета. Он вырастил здесь целую плеяду выдающихся американских биологов, работы которых во многом определили ход развития генетики и клеточной биологии в Северной Америке на протяжении XX века. Еще в молодости Уилсон решил посвятить свою научную деятельность именно изучению губок. Один из его экспериментов показывает по-настоящему удивительное свойство этих на первый взгляд простых организмов. Уилсон пропускал тело губки через сито, превращая его в набор отделенных друг от друга клеток. Затем он помещал эти похожие на амеб, совершенно отдельные клетки в стеклянную чашку и наблюдал за ними. Поначалу они просто ползали по дну чашки. Затем произошло нечто удивительное: они стали группироваться. Сперва из них образовались бесформенные красноватые шарики. Затем эти шарики стали более упорядоченными: упакованные в них клетки стали образовывать регулярные структуры. Уилсон увидел, как почти с нуля собирается живой организм. Если бы мы могли делать то, на что способны губки, то с попавшим в дробилку и размолотым на кусочки героем Стива Бушеми из фильма братьев Коэнов "Фарго" все было бы в порядке. Этот опыт даже мог бы пойти ему на пользу, ведь клетки, собравшись вместе, могли бы образовать несколько его копий.

Именно клетки губок делают этих животных полезным орудием для изучения происхождения наших тел. Внутри тела губки обычно находится полость, которая может быть по-разному разделена на отсеки, в зависимости от вида губки. Через эти отсеки протекает вода, приводимая в движение клетками совершенно особого типа. Выглядят эти клетки как бокалы на толстых ножках, направленных внутрь тела губки. Из бокала торчит длинный жгутик, биение которого и приводит в движение воду. На стенках бокала, образованных микроворсинками, оседают различные частицы, которые клетка может поглощать и переваривать. С помощью этих клеток губка пропускает сквозь свое тело воду, которая вначале поступает в центральную полость, а затем растекается по отсекам и выходит через поры наружу. По ходу движения воды сквозь организм губки из воды отфильтровываются пищевые частицы. Другие клетки, расположенные в теле губки глубже, участвуют в переваривании поглощенной пищи. Клетки еще одного типа образуют наружные покровы губки и могут сокращаться, меняя форму ее тела. Эта способность помогает губкам успешно фильтровать воду, когда направление ее потоков меняется.

Губка мало похожа на большинство знакомых нам животных, но она уже обладает многими важнейшими признаками многоклеточного организма: между ее клетками есть разделение труда, эти клетки способны общаться друг с другом и совокупность большого числа клеток ведет себя как единый организм. Строение губки упорядочено: разные клетки находятся на разных местах и выполняют разную работу. Конечно, телу губки далеко до тела человека, в состав которого входят триллионы определенным образом расположенных клеток, но тела губки и человека обладают некоторыми общими свойствами. Особенно важно, что у губок уже имеется значительная часть нашего инструментария, обеспечивающего сцепление клеток, их общение и построение из них тканей многоклеточного организма. Губки — настоящие многоклеточные, хотя и очень примитивные и обладающие довольно слабо упорядоченным строением.

Мы тоже, подобно трихоплаксам и губкам, состоим из многих клеток. У нас, как и у них, между разными клетками и структурами тела есть разделение труда. И у нас и у них есть все элементы молекулярного аппарата, который скрепляет клетки в единый организм: соединяющие заклепки, различные инструменты для передачи сигналов от клетки к клетке и ряд веществ, молекулы которых заполняют пространство между клетками. У трихоплаксов и губок даже есть коллаген, как и у нас — и у всех остальных животных. Но, в отличие от нас, трихоплаксы и губки обладают довольно примитивными вариантами всех этих признаков. Например, вместо наших двадцати двух типов коллагена у губок есть только два, а молекулярных заклепок у них не сотни типов, как у нас, а во много раз меньше. Губки устроены проще, чем мы, и имеют намного меньше типов клеток, но основные инструменты из набора для построения тела у них уже есть.

Трихоплаксы и губки относятся к самым простым из многоклеточных организмов, живущих в наши дни. Чтобы пойти еще дальше, теперь нам нужно искать то, что позволяет строить наши тела, у существ, вообще не обладающих многоклеточным телом, — у одноклеточных микробов.

Как сравнить одноклеточный организм микроба с многоклеточным организмом животного? Имеются ли у одноклеточных инструменты, позволяющие строить многоклеточные тела? Если имеются, но не служат для построения тел, то для чего они нужны?

Самый прямолинейный способ искать ответ на эти вопросы состоит в том, чтобы изучить гены микробов и попытаться найти в них общие черты с генами животных. Самые первые сравнения геномов (то есть совокупностей всех генов организма) животных и микробов показали, что у многих одноклеточных отсутствует значительная часть генов, которые у многоклеточных обеспечивают соединение, взаимодействие клеток и прочее. Результаты некоторых исследований, казалось, свидетельствовали о том, что более восьмисот веществ, синтезируемых за счет работы таких генов, имеются только у настоящих животных, то есть многоклеточных, и отсутствуют у одноклеточных. Эти результаты как будто подтверждали предположение, что гены, позволяющие объединять клетки в многоклеточный организм, возникли одновременно с многоклеточностью. На первый взгляд казалось довольно логичным, что инструменты для построения многоклеточных тел появились именно тогда, когда появились и сами такие тела.

Но все эти представления полностью перевернулись, когда Николь Кинг из Калифорнийского университета в Беркли занялась организмами, которые называют хоанофлагеллятами (или воротничковыми жгутиконосцами). Она выбрала именно этот объект для своих исследований не случайно. Ей было известно, что, судя по результатам некоторых работ с ДНК, хоанофлагелляты вполне могут быть ближайшими одноклеточными родственниками настоящих (многоклеточных) животных, в том числе трихоплаксов и губок. Поэтому она подозревала, что в ДНК хоанофлагеллят можно найти варианты генов, обеспечивающих формирование наших тел.

Поискам, которые вела Николь, помог проект "Геном человека" — увенчавшееся успехом предприятие, целью которого было прочтение последовательности всей ДНК человека и картирование всех имеющихся у нас генов. Наряду с этим проектом были организованы аналогичные проекты, посвященные другим организмам — мухе-дрозофиле, серой крысе, медоносной пчеле, а также трихоплаксу, некоторым губкам и многим видам микробов. Полученные генетические карты — настоящий кладезь информации для наших исследований. Они позволяют сравнивать "гены бодибилдинга" многих разных видов. Такие карты очень помогли Николь Кинг в изучении хоанофлагеллят.

Хоанофлагелляты (слева) и губки (справа).

Хоанофлагелляты на удивление похожи на те клетки губок, которые напоминают бокалы на толстых ножках. Их сходство так велико, что долгое время многие считали, что хоанофлагелляты произошли от выродившихся губок, которые утратили все другие типы клеток и потеряли способность соединять их вместе. Если бы это было так, то ДНК хоанофлагеллят напоминало бы ДНК очень необычной губки. Но это не так. Когда участки ДНК хоанофлагеллят сравнили с ДНК других микробов и губок, оказалось, что у хоанофлагеллят ДНК сильно отличается от ДНК губок. Хоанофлагелляты — настоящие одноклеточные микроорганизмы.

Работы Николь с хоанофлагеллятами показали, что никакой генетической пропасти между одноклеточными микроорганизмами (микробами) и настоящими животными (многоклеточными) на самом деле нет. Большинство генов, работающих у хоанофлагеллят, работают и в клетках животных. Более того, эти гены включают часть аппарата, обеспечивающего построение наших тел. Приведем несколько примеров, показывающих, насколько велико это сходство. У хоанофлагеллят имеются вещества, обеспечивающие в многоклеточных организмах сцепление и общение клеток — даже элементы молекулярных каскадов, которые доставляют сигнал от наружной мембраны клетки внутрь ее ядра. Имеется у хоанофлагеллят и коллаген. Есть у них и несколько типов молекул-заклепок, которые у многоклеточных служат для соединения клеток, правда, у хоанофлагеллят они выполняют несколько другие функции.

Изучение хоанофлагеллят позволило Николь открыть пути для сравнения нашего аппарата построения тела с теми его деталями, которые можно найти и у других микробов. Гены, которые позволяют синтезировать коллаген и протеогликан, теперь известны и у ряда других микроорганизмов. Например, стрептококки — бактерии, которые живут у нас во рту (а иногда и не только), — несут на поверхности своих клеток вещество, очень близкое к коллагену. Молекулярное строение этого вещества необычайно похоже на строение нашего коллагена, но его молекулы не сплетаются в канаты или пласты, как делает коллаген животных. У многих разных бактерий в клеточных стенках имеются некоторые из сахаров, входящих в состав протеогликанового комплекса, который составляет основу наших хрящей. Эти сахара играют у ряда болезнетворных бактерий и вирусов довольно неприглядную роль. Они помогают болезнетворным агентам проникать в клетки других организмов и во многих случаях делают возбудителей заболеваний более опасными для нас. Многие из молекул, с помощью которых микробы причиняют нам страдания, представляют собой более простые варианты молекул, которые делают возможным существование наших собственных тел.

Из этого вытекает один закономерный вопрос. В древних породах возрастом от трех с лишним миллиардов до шестисот с лишним миллионов лет мы находим одни лишь остатки микроорганизмов. А затем внезапно, на промежутке где-то в 40 миллионов лет, появляются всевозможные многоклеточные тела растений, грибов, животных — повсюду мы находим ископаемые остатки этих тел. Многоклеточные тела в это время почему-то становятся писком моды. Но ведь сухой остаток полученных Николь результатов говорит нам о том, что потенциал для построения многоклеточных тел имелся в распоряжении микроорганизмов, возникших задолго до того, как появились первые такие тела. Почему же после такой долгой одноклеточной жизни вдруг началась вся эта многоклеточная суета?

Своевременность — залог успеха. Лучшие идеи, изобретения и теории далеко не всегда оказываются востребованы. Сколько музыкантов, изобретателей и художников так далеко опередили свое время, что при жизни не были никем оценены и оказались вскоре забыты, лишь через многие годы получив заслуженное признание? Назовем лишь один пример — Герона Александрийского, который в первом веке нашей эры изобрел паровую турбину. К сожалению, современники считали ее не более чем забавной игрушкой. Мир был не готов к ней.

История жизни на Земле работает по тем же законам. Всему свое время. Вероятно, для возникновения многоклеточности тоже было свое определенное время. Чтобы разобраться в этом, нам нужно понять, почему вообще возникли многоклеточные тела.

Одна из теорий их происхождения чрезвычайно проста. Она предполагает, что многоклеточные тела возникли в результате того, что микробы вырабатывали новые способы поедать друг друга и избегать опасности быть съеденным. Многоклеточное тело позволяет стать большим. Стать большим — один из проверенных способов, помогающих не быть съеденным. Поэтому многоклеточность могла возникнуть как своего рода защитный механизм.

Когда хищники вырабатывают новые способы поедания жертв, жертвы в ответ на это вырабатывают новые способы избежать своей участи. Такого рода взаимодействия могли привести к появлению многих наших "молекул бодибилдинга". Многие микробы питаются другими микробами, прикрепляясь к ним и вслед за тем их заглатывая. Молекулы, позволяющие таким микробам ловить и удерживать добычу, — вполне вероятные претенденты на роль предшественников тех заклепок, которые позволяют клеткам наших тел соединяться друг с другом. Некоторые микробы способны и к общению: многие из них выделяют соединения, которые воздействуют на поведение других микробов. Взаимодействия микробов-хищников и микробов-жертв нередко осуществляются с помощью сигнальных молекул, которые позволяют, например, отпугивать потенциальных хищников или, напротив, приманивать потенциальных жертв. Возможно, именно такие сигнальные молекулы и стали предшественниками тех молекул, с помощью которых наши клетки обмениваются информацией, обеспечивая развитие и поддерживая нормальную работу наших тел.

Мы могли бы рассуждать о таких вещах до бесконечности, но гораздо интереснее, чем все эти умозрительные построения, были бы какие-нибудь реальные экспериментальные данные, которые пролили бы свет на то, как хищничество могло привести к возникновению многоклеточных тел. Именно такие данные получили Мартин Бораас и его коллеги. Они взяли водоросль, которая в норме остается одноклеточной, и выращивали ее у себя в лаборатории, сменив около тысячи поколений. Затем они добавили хищника — одноклеточного жгутиконосца, который заглатывает и переваривает других, более мелких микробов. Менее чем через двести поколений водоросль отреагировала на присутствие хищника тем, что стала образовывать комки из сотен клеток. Со временем число клеток в этих комках стало уменьшаться, пока их не осталось всего по восемь в каждом комке. Число восемь оказалось оптимальным потому, что позволяло, с одной стороны, делать комки достаточно большими, чтобы их не мог заглотить хищник, а с другой стороны — достаточно маленькими, чтобы каждая клетка в комке могла улавливать достаточное для своего выживания количество света. Самое удивительное произошло, когда хищника удалили. Водоросли продолжали размножаться, и последующие поколения по-прежнему образовывали комки по восемь клеток. Иными словами, из одноклеточных существ возникло нечто приближенное к многоклеточному телу.

Если в экспериментальных условиях можно за несколько лет получить простое подобие многоклеточного организма, представьте, что могло бы получиться за миллиарды лет. Выходит, что вопрос состоит не столько в том, как могла возникнуть многоклеточность, сколько в том, почему она не возникла раньше.

Вероятно, разгадка этой тайны в тех условиях среды, в которых возникли первые многоклеточные тела. По-видимому, до их возникновения мир был еще не готов к их появлению.

Иметь многоклеточное тело — дорогое удовольствие. У большого тела есть очевидные преимущества: оно не только позволяет избегать хищников, но и помогает питаться другими, более мелкими организмами, а также активно передвигаться на большие расстояния. Все эти способности помогают животному лучше справляться с условиями окружающей среды. Но все они требуют немалых затрат энергии. Причем чем больше становится тело, тем больше энергии оно требует, особенно если для поддержания его структуры используется коллаген. Для синтеза коллагена требуется довольно большое количество кислорода, поэтому необходимость синтезировать коллаген сильно увеличивала потребность наших далеких предков в этом жизненно важном веществе.

Но здесь была вот какая загвоздка: концентрация кислорода в воздухе и воде в далекой древности была очень низкой. За многие миллиарды лет она и близко не подходила к тем значениям, которые мы наблюдаем сегодня. Затем, где-то около миллиарда лет назад, концентрация кислорода стала резко повышаться и через некоторое время достигла значений, сравнимых с современными. После этого она уже никогда сильно не снижалась. Откуда нам это известно? Из химических особенностей горных пород. Породы возрастом около миллиарда лет несут в себе явные следы того, что они формировались в условиях повышающейся концентрации кислорода. Может быть, появление многоклеточности было связано как раз с повышением уровня кислорода в атмосфере?

Возможно, для появления тел потребовалось что-то вроде "идеального шторма" — случайного стечения погодных условий, которые по отдельности ничего бы не сделали, а вместе вызывают сильный шторм. В течение миллиардов лет микробы вырабатывали новые способы взаимодействия с окружающей средой и друг с другом. В процессе этого им удалось найти ряд молекулярных составляющих и других инструментов, которые впоследствии помогли в строительстве тел, но тогда использовались для других целей. Кроме того, около миллиарда лет назад появилась и причина для возникновения многоклеточности: микробы научились пожирать друг друга. Итак, для появления многоклеточных тел теперь была причина, а инструменты для этого уже имелись в наличии.

Но еще одного условия не хватало. Этим условием было достаточное для поддержания жизни многоклеточного организма количество кислорода. Когда концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, многоклеточные тела появились повсюду. Облик жизни на Земле изменился раз и навсегда.