В биологической науке вновь назревают интересные события. Вслед за блестящим успехом в расшифровке механизмов наследственно с т и ученые готовятся к новому прорыву в тайны природы. На этот раз их внимание устремлено на механизм управления развитием живого организма. Биолог, нетерпеливо листающий свежие выпуски научных журналов, то и дело ловит себя на мысли, что в его науке вот - вот произойдет нечто серьезное. Давно ли бушевала буря страстей, вызванная открытием генетического кода, а уже чувствуется, ощущается близость новой бури: ведь страсти неизбежно разгораются всякий раз, когда науке удается одолеть какое - то фундаментальное явление природы. Мы похожи сейчас на пассажиров скорого поезда, напряженно глядящих в вагонное окно. Еще лес мелькает перед их глазами, но какой - то другой, недикий, вытоптанный лес, вот сейчас он оборвется и откроется город! К какому же городу приближается экспресс биологической науки? Случайно ли совсем недавно, скажем, в США сократили ассигнования на генетические исследования и резко увеличили финансирование эмбриологии?

Способы неподобия

Эмбриология - наука о развитии организма. Многие десятки, даже сотни лет она описывала, как из яйцеклетки возникает зародыш, который затем становится взрослым животным или растением. Сначала яйцеклетка делится на две зародышевые клетки, затем делится каждая из них и так дальше, много, много раз, и вместе с тем клетки становятся все больше непохожими друг на друга и на ту исходную клетку, от которой началось развитие организма. Генетика должна ответить на вопрос о способе, которым достигается ПОДОБИЕ дочерней и материнской клетки. И она отвечает: клетки подобны потому, что в них синтезируются одинаковые белки, а белки одинаковы потому, что их строение закодировано в генах, а гены находятся в хромосомах, а хромосома способна строить себе подобную, так что при делении каждая из дочерних клеток получает такие же хромосомы, какие были у материнской. Эмбриология должна ответить на противоположный вопрос: каким способом достигается НЕПОДОБИЕ дочерней и материнской клетки? Если генетика права и клетки взрослого организма имеют тот же набор хромосом, каким обладала яйцеклетка, то почему же все эти клетки разные? И эмбриология отвечает: потому что способности хромосом используются в них по - разному. В каждой специализированной клетке активно работает лишь небольшая часть генов, которые синтезируют соответствующие белки. Остальные гены как бы выключены. У некоторых животных активно работающие гены можно даже увидеть: в этих местах хромосома как бы вздута. Меняются вздутые участки - меняется и сама клетка, потому что начинают синтезироваться другие белки. Таким образом, ответ эмбриологии не противоречит ответу генетики. Клетки могут быть разными при одинаковом генном запасе. Не так ли миллион подписчиков «Смены» получают миллион одинаковых журналов, но один читатель вгрызается в детективную повесть, другой ищет страницу со стихами, а третьему, быть может, люба статья про науку? Журнал тот же, а его эффективность в каждом случае определяется самим читателем. Каким же способом клетка выбирает нужные ей гены? Об этом и речь. Вопрос, на который мы не можем, но, кажется, скоро сможем ответить.

Нужна модель

Опыт науки показывает, что самое героическое усердие и самые великолепные таланты пропадают впустую, когда проблема решается на неудачно избранном объекте. Великое множество животных и растений обитает на земле, великое множество разных клеток есть у каждого из них, каждая клетка проходит множество стадий в своем развитии. Какие клетки избрать объектом лабораторного исследования, чтобы удобно было лезть в глубину явления, не увязая в осложнениях, не имеющих отношения к делу? Пожалуй, сознательно такие клетки никто не выбирал. Просто по ходу работы разных лабораторий в разных концах планеты выявились случаи, исследование которых двинулось вперед особенно быстрыми темпами. Некоторые (немногие) клетки сами доказали, что их изучать особенно выгодно, что интересующее нас явление представлено в них в простой и чистой форме, что его легко воспроизвести, а сам объект дешев и нехитр в обращении. Между этими объектами оказалось нечто общее: во всех случаях дело касается изменения уже сформировавшейся клетки под влиянием гормона. Вот они: МОДЕЛЬ ПЕРВАЯ. Врачам давно известна болезнь Аддисона, при которой среди прочих нарушении человек катастрофически теряет натрий (в форме хлористой, проще говоря, поваренной соли). Клетки почек должны следить за тем, чтобы соль не уходила из организма, - должны возвращать ее в кровь. А они этого не делают. Вот организм и обессоливается. Сами почки при болезни Аддисона здоровы, поражены лишь особые железы, надпочечники. Но клетки почек умеют перекачивать натрий, только до тех пор, пока в крови имеется гормон норы надпочечников - альдостерон. Заболели надпочечники, страдает и работа почек. Это еще не модель. Почка человека, даже почка лабораторного животного - слишком деликатный, трудоемкий объект. Нашелся попроще: мочевой пузырь жабы. Его клетки тоже способны перекачивать натрий только в присутствии альдостерона. Сама жаба ни к чему. Пузырь вырезают, наполняют его солевым раствором, помещают в другой раствор, и можно следить за перемещениями натрия через стенку пузыря. Условия опыта модельно просты. Однако при чем тут проблема развития? Легко себе представить, что альдостерон садится на клеточную оболочку (мембрану, как ее называют физиологи), меняет ее свойства, и она приобретает способность перекачивать натрий. Так тоже могло быть. Но точные опыты показали, что альдостерон оказывает свое действие совсем другим, неожиданным путем. В присутствии этого гормона прежде всего меняется работа генетического аппарата клетки: ее ДНК начинает синтезировать новую РНК. Соответственно меняется белковый состав клетки. И только тогда у нее возникает новое физиологическое свойство - способность перекачивать натрий. Это уже интересно. Это уже, несомненно, модель того явления, которое нас сейчас интересует. МОДЕЛЬ ВТОРАЯ. Еще на заре развития советской биологии много шума наделали опыты профессора Михаила Михайловича Завадовского, который брал обыкновенную курицу и делал из нее петуха. У птицы менялось все: сложение, посадка корпуса, перья, вырастал гребешок, взамен бестолкового кудахтанья появлялось победное кукареку. Поведение менялось. Новоиспеченный джентльмен гонялся за курами так, будто отроду носил петушиные шпоры. Настоящего петуха Завадовский так же спокойно мог превратить в курицу. Вся эта коренная перестройка организма достигалась довольно простым (в принципе, конечно, а не для рук экспериментатора) способом: нужно было убрать собственный источник полового гормона и ввести гормон противоположного пола. Замечательнейший пример направленного изменения самых разных клеток под влиянием единичного химического агента! Точнее говоря, в опытах Завадовского агентов было два: собственный гормон, действие которого сначала нужно было прекратить, и чужой гормон. После ряда последовательных упрощений опыт пришел к его современной, гораздо более удобной форме. У крысят - самок заранее удаляются яичники - источник полового гормона, и к концу развития матка таких крыс построена из клеток, имеющих некий характерный вид. Если крысе ввести женский половой гормон - эстроген, клетки меняются, перестраиваются. Вот и все. Оказалось: клетки перестраиваются потому, что в присутствии эстрогена их ядро начинает производить новую РНК. Генетический аппарат клетки начинает использоваться не так, как было без гормона. МОДЕЛЬ ТРЕТЬЯ И, ВОЗМОЖНО, САМАЯ УДАЧНАЯ. Насекомые периодически линяют. Линька - дело серьезное: старая кожица сбрасывается, а клетки, лежащие под ней, образуют новую. Короче говоря, эти клетки меняются буквально на глазах. Линьку вызывает особый гормон - экдизон, который научились получать в чистом виде. Среди клеток, преобразующихся под действием экдизона, оказались и те, которые благодаря своим гигантским хромосомам давно находятся в центре внимания генетиков. Это знаменитые клетки лонных желез двукрылых насекомых. Именно они обеспечили славу мушке - дрозофиле. Есть такие клетки и у мотыля, которым владельцы аквариумов кормят своих рыбок: ведь мотыль - личинка комара, мушкин родственник. Клетки большие, хромосомы гигантские и хорошо исследованные. Очень удачное стечение обстоятельств. Именно оно позволило обнаружить факт, который, возможно, ускользнул бы из внимания при изучении любых других клеток: под влиянием экдизона первое заметное изменение в клетке происходило на ее хромосомах - исчезали одни вздутия и появлялись новые. Опыт можно повторять неоднократно на разных особях мотыля, результат будет однозначен: вздутия появляются в одних и тех же закономерных участках хромосом. Гормон преобразует клетку, меняя выбор активных генов на хромосоме! Как он это делает? Прежде всего заметим, что во всех трех случаях - касалось ли дело того или иного гормона - события разворачиваются по единой схеме. Есть клетки, не знающие гормона, - исходная форма. Затем они встречаются с ним и преобразуются, становятся, по сути дела, другими клетками, с другими свойствами. Первые изменения отмечаются в генетическом аппарате: не проходит и нескольких минут после появления гормона, а в ядре уже идет синтез новой РНК.

Ошеломляющее сообщение

Итак, первый вывод - гормон действует не на клетку вообще, а на ядро. (Заметим, что все три гормона химически родственны.) Каким образом? Опять этот вопрос! Кажется, мы только и делаем, что повторяем его с самого начала статьи. Но он изменился! Поле, широкое вначале, сузилось в точку. Речь уже не идет о развитии вообще, о факторах клеточной специализации - перед нашим взором нагое, конкретное явление. Единичное химическое вещество действует на единичную клеточную мишень. И клетка меняется. Все. Так что же, присоединяется, что ли, гормон к хромосоме, прикрывая своей молекулой одни гены и оттягивая прикрытие с других? Кто знает... И вдруг из Швейцарии ошеломительное сообщение: гормон - экдизон меняет концентрацию ионов натрия и калия в ядерном соке и именно таким способом влияет на хромосому! В 1966 году все взоры прикованы к мотылю. Что там еще с этим экдизоном? Новое сообщение. Экдизон не нужен. К черту экдизон! Если вы прямо, непосредственно, без всякого гормона измените ионную среду хромосом, их генная активность изменится так же, как под влиянием гормона. Те же вздутия возникают на хромосоме. А если вернуться к старой ионной среде, новые вздутия исчезают, зато возвращаются старые. Хромосома омолаживается! Развитие идет задом наперед! По коридорам научных институтов прокатывается волна замешательства. Но здесь же, в коридорах, наиболее бойкие умы начинают теоретически осмысливать происходящее. Ага! Генную активность регулирует ионная среда. А гормон регулирует ионную среду. Все понятно! Гормон садится на клеточную оболочку, меняет ее проницаемость для ионов. В клетке, а значит, и в клеточном ядре создается новая ионная среда, и у хромосом меняется ионная активность!... Новое сообщение. Клеточная оболочка не нужна. К черту клеточную оболочку! К черту клетку! Можно работать с изолированными ядрами и получать те же самые эффекты.

Ионов мало, а генов много

Переведем дух и попробуем оценить обстановку. Очевидно, можно считать установленным, что прямого действия гормона на хромосому нет, то есть гормон прямо не влияет на развитие. Между гормоном и хромосомой имеется по крайней мере одно промежуточное звено - ионы. При этом гормон изменяет, по - видимому, ионную среду не внутри всей клетки и в том числе ядра, а только внутри ядра. Здесь надо вспомнить, что года три назад эти крупные клетки слюнной железы насекомых исследовали биофизики. Они ввели в клетку очень тонкие микроэлектроды и показали, что имеется заметная разность потенциалов между жидкостью, наполняющей ядро, и жидкостью, которая его окружает. Это значило, что ядерная оболочка образует барьер на пути ионов, - довольно неожиданный вывод. В то время, хотя это было совсем недавно, никто не мог оценить всей важности факта, установленного биофизиками. Сейчас он звучит иначе. Если существует такой барьер, то, изменяя его ионную проницаемость, можно менять картину ионов внутри ядра. Каким способом меняется проницаемость ионных барьеров в клетке, давно известно на примере наружной оболочки клетки: в ее составе есть особые белки - рецепторы, имеющие химическое сродство к веществам, выделяющимся в чувствительных нервных окончаниях. Есть ли подобные рецепторы в составе ядерной оболочки? Работы последних месяцев говорят, что да, есть. Исследуют рецептор, принимающий на себя эстроген. Удалось показать, что этот рецептор - белок, удалось этот белок очистить, но пока неизвестно, где он находится в живой клетке. Факты, как видим, разрозненные. Но если усилием воображения собрать их в единый фокус, они дружно утверждают: УЖЕ НАЩУПАН ПУТЬ, СЛЕДУЯ ПО КОТОРОМУ БИОЛОГИЯ ДОЛЖНА ПРИЙТИ К ПОНИМАНИЮ ОДНОГО ИЗ САМЫХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ. РЕЧЬ ИДЕТ О СПОСОБЕ, ПОСРЕДСТВОМ КОТОРОГО КАЖДАЯ КЛЕТКА ВЫБИРАЕТ ИЗ ВСЕЙ НАЛИЧНОЙ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ИМЕННО ТУ ДОЛЮ, КОТОРАЯ НЕОБХОДИМА ЕЙ ДЛЯ РАЗВИТИЯ В НУЖНОМ НАПРАВЛЕНИИ. ПОЗНАВ МЕХАНИЗМ ЭТОГО ВЫБОРА, НАУКА СМОЖЕТ ДЕЙСТВЕННО УПРАВЛЯТЬ РАЗВИТИЕМ КЛЕТОК. За этим завоеванием теоретической биологии неминуемо должны последовать существенные успехи в разных областях практической биологии и медицины. Итак, путь нащупан, но его предстоит пройти. Данные, которыми биологи располагают сейчас, недостаточны для обобщений, они слишком единичны, несогласованны, им далеко до той законченной ясности, той стройности, к какой пришло в свое время исследование нуклеотидного кода. На некоторые вопросы очень трудно ответить. Мыслимое разнообразие ионов внутри клетки и внутри ее ядра ничтожно мало в сравнении с разнообразием, обилием генов. Как этими средствами обеспечить все возможные картины генной активности хромосом? Может быть, ионным способом определяется выбор одной из двух возможных картин, а сами эти картины предопределены с помощью какого - то неизвестного нам механизма. Чтобы пояснить эту мысль, вернемся к нашему старому примеру и представим себе молодую супружескую чету, получившую по подписке свежий номер «Смены». Молодой муж, будь он один, взялся бы за чтение очерка о своем любимом хоккеисте, жена же - большая любительница поэзии. С чего же начнут они чтение журнала? Мы не знаем. Но кто бы из них ни уступил, заранее можно сказать, что читать наши юные супруги будут либо стихи, либо очерк о хоккеисте, выбор произойдет только между этими двумя возможностями. Вот на такую роль - роль дополнительного фактора, выбирающего между двумя заранее определенными возможностями, - ионы как будто годятся. Впрочем, это в общем - то домысел. На большее сейчас вряд ли кто - нибудь рискнет.

Тащи его за хвост!

Легко быть критиком - искать противоречия в результатах экспериментов, высказывать всякие сомнения. Легко иронизировать над охотниками, столпившимися у пещеры, из которой высунуло кончик хвоста неведомое чудище. Угадай попробуй, какое оно! А тут нужно не просто угадать - цепляться нужно за хвост и тащить зверюгу из пещеры. А ну как хвост оборвется! Тот кончик хвоста, те немногие факты, которыми сейчас располагают биологи, убеждают: добыча будет завидной. Наука может овладеть закономерностями, которые позволят управлять работой клеточного ядра. Это очень много. Простая аналогия поможет нам хоть отчасти оценить открывающуюся перспективу. Когда - то, очень давно, в конце прошлого века, возникла идея, что на поверхности клеток нашего организма есть особые приемные устройства - рецепторы. Мы их уже вскользь упоминали. Через эти рецепторы и действуют разные вредные и полезные агенты. Эта идея получила полное подтверждение. Например, по нерву приходит сигнал, заставляющий мышцу работать. Почему, расслабленные прежде, мышечные клетки начинают сокращаться? Из окончания нерва выделилось особое активное вещество - медиатор, а у мышечных клеток есть приемники, рецепторы, настроенные на прием этого медиатора. Соединение обоих веществ - первый шаг перехода клетки в рабочее состояние. Таким способом регулируются практически все клетки организма, у них есть рецепторы, настроенные на восприятие и нервных и всяких других регуляторов. Изучение таких клеточных рецепторов открыло перед медициной колоссальные возможности. Если не полениться и разложить все лекарства на кучки - по механизму их действия, то самой большой окажется груда ампул, порошков, пузырьков и пилюль, действующих на рецепторы клетки. Мы найдем в этой груде лекарства, помогающие при самых серьезных болезнях - таких, как гипертония, астма, язва желудка. И когда у нас просто течет из носу, мы капаем в нос какой - нибудь санорин или эфедрин, который действует на рецепторы клеток кровеносных сосудов и сжимает эти сосуды. И когда хирургам важно, чтобы больной не двинулся во время операции, они вводят ему яд, запирающий рецепторы мышечных клеток. Так медицина реализует идею о рецепторах - входных устройствах клетки. Сейчас забрезжила идея, что свои рецепторы есть у клеточного ядра. Значит, и здесь возможно создать арсенал фармакологических средств, дать медицине новый вид оружия. В каких же битвах оно будет применяться? В самой общей форме на этот вопрос ответить можно. Лекарства, действующие на клеточные рецепторы, по сути дела, управляют режимом работы клеток: включают их в работу, выключают из работы, выводят из - под влияния других регуляторов. Новое оружие, использующее ядерные рецепторы, будет управлять рабочей специальностью клетки. Всякий раз, когда больному организму не хватает клеток того или иного профиля, ему помогут эти новые лекарства. Конечно, до этого еще далеко. Очень далеко! Чтобы сделать рагу из зайца, надо иметь зайца. Самая суть явления, главные черты биологической закономерности еще скрыты в черной тьме. Но кончик хвоста из пещеры торчит! Есть за что тянуть.

Представьтесь или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.