Биология веры: Недостающее звено между Жизнью и Сознанием

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.

Чтобы лучше разобраться в том, что представляют собой жидкие кристаллы, вернемся к нашему сравнению с солдатами на параде. Когда марширующие солдаты поворачивают за угол, они сохраняют общий строй, несмотря на то что каждый из них движется индивидуально. Солдаты в строю ведут себя подобно текущей жидкости, но не утрачивают при этом своей «кристаллической» организации. Фосфолипидные молекулы клеточной мембраны ведут себя схожим образом. Их подвижная кристаллическая организация позволяет клеточной мембране динамически менять форму, сохраняя при этом свою целостность. Вот почему мембранный барьер обладает гибкостью. Я записал определение этой характеристики клеточной мембраны: «Мембрана — жидкий кристалл».

Затем я стал думать дальше. Мембрана, состоящая из одних только фосфолипидов, — это аналог хлеба с маслом, без оливок. Но тогда, если следовать логике описанного выше опыта с подкрашенной жидкостью и бутербродом, масляный (липидный) барьерный слой мембраны был бы абсолютно непроницаемым — непроводящим. Мембрана становится проводящей для одних веществ и непроводящей для других, когда в игру вступают «оливки» — интегральные мембранные белки. Я написал: «Мембрана — полупроводник».

Потом я вспомнил про две наиболее распространенные разновидности интегральных мембранных белков. Таковыми являются белки-рецепторы и белки-эффекторы, называемые канальными; именно они позволяют мембране выполнять свою важнейшую функцию — пропускать внутрь клетки питательные вещества и выпускать наружу шлаки. Я уже готов был написать, что мембрана содержит «рецепторы и каналы», но тут до меня дошло, что рецепторы в данном случае — это, по сути, вентили. Соответственно, я закончил свое описание мембраны фразой: «Мембрана содержит вентили и каналы».

Я откинулся на спинку кресла и перечитал то, что у меня получилось: «Мембрана — это жидкокристаллический полупроводник, содержащий вентили и каналы». Эта фраза как будто меня ударила. Определенно, я уже слышал или читал нечто подобное. Но где именно? Впрочем, в одном я был абсолютно уверен: там говорилось отнюдь не о биологии.

Я стал осматриваться и взглянул на угол письменного стола, где возвышался новенький «Макинтош» — мой первый персональный компьютер. Рядом с «Макинтошем» лежала ярко-красная книжка; заголовок на ее обложке гласил: «Как работает ваш компьютер». Это было купленное мною на днях справочное руководство для пользователей. Схватив книжку, я пробежал глазами введение и почти сразу наткнулся на определение: «Микрочип — это полупроводниковый кристалл с электрическими вентилями и каналами».