Клетки представляют собой основные единицы, из которых построены все живые организмы. Современному читателю, считающему подобное утверждение тривиальным, может показаться удивительным, что признание универсальности клеточного строения всего живого произошло всего лишь каких-нибудь 100 с лишним лет назад.
Впервые клеточная теория была сформулирована в 1839 г. ботаником Маттиасом Якобом Шлейденом и зоологом Теодором Шванном; эти исследователи пришли к ней независимо друг от друга, в результате изучения растительных и животных тканей. Вскоре после этого, в 1859 г., Рудольф Вирхов подтвердил исключительную роль клетки как вместилища «живого вещества», показав, что все клетки происходят только от ранее существовавших клеток: «Omnis cellula е cellula» (каждая клетка из клетки). Поскольку клетки представляют собой вполне конкретные объекты, которые легко наблюдать, после всех этих открытий экспериментальное изучение клетки вытеснило теоретические рассуждения о «жизни» и сомнительные научные исследования, основанные на таких расплывчатых концепциях, как концепция «протоплазмы».
В течение последующих ста лет ученые, исследовавшие клетку, подходили к этому объекту с двух совершенно различных позиций. Цитологи при помощи непрерывно совершенствующихся микроскопов продолжали развивать микроскопическую и субмикроскопическую анатомию неповрежденной целостной клетки. Начав с представлений э клетке как о комочке желеобразного вещества, в котором не удавалось различить ничего,
кроме студенистой цитоплазмы, покрывающей ее снаружи оболочки и расположенного в центре ядра, они сумели показать, что клетка представляет собой сложную структуру, дифференцированную на различные органеллы, каждая из которых приспособлена к выполнению той или иной жизненной функции. При помощи электронного микроскопа цитологи начали различать отдельные структуры, участвующие в выполнении этих функций на молекулярном уровне. Благодаря этому в недавнее время исследования цитологов сомкнулись с работами биохимиков, начинавших с безжалостного разрушения нежных структур клетки; изучая химическую активность полученного в результате такого разрушения материала, биохимики сумели расшифровать некоторые из протекающих в клетке биохимических реакций, лежащих в основе жизненных процессов, в том числе процессов создания самого вещества клетки.
Именно происшедшее в настоящее время пересечение этих двух направлений изучения клетки и вызвало необходимость посвятить целый номер журнала «Scientific American» живой клетке. Ныне цитолог пытается объяснить на молекулярном уровне то, что он видит при помощи своих разнообразных микроскопов; таким образом, цитолог становится «молекулярным биологом». Биохимик же превращается в «биохимического цитолога», исследующего в равной мере как структуру, так и биохимическую деятельность клетки. Читатель сможет убедиться, что одни лишь морфологические или одни лишь биохимические методы исследования не дают нам возможности проникнуть в тайны строения и функции клетки. Для того чтобы добиться успеха, необходимо сочетать те и другие методы исследования. Однако понимание явлений жизни, достигнутое благодаря изучению клетки, полностью подтвердило мнение биологов XIX в., утверждавших, что живое вещество имеет клеточное строение, подобно тому как молекулы построены из атомов.
Обсуждение функциональной анатомии живой клетки следует, пожалуй, начать с того, что в природе не существует некой типичной клетки. Нам известно множество разнообразнейших одноклеточных организмов, а клетки мозга или мышечные клетки столь же сильно отличаются друг от друга по своему строению, как и по своим функциям. Однако, несмотря на все свое разнообразие, все они представляют собой клетки — у всех у них имеется клеточная мембрана, цитоплазма, содержащая различные органеллы, и в центре каждой из них имеется ядро. Помимо определенной структуры, все клетки обладают рядом интересных общих функциональных особенностей. Прежде всего все клетки способны к использованию и превращению энергии, в основе чего лежит в конечном счете использование солнечной энергии клетками зеленых растений и превращение ее в энергию химических связей. Различные специализированные клетки способны превращать энергию, заключенную в химических связях, в электрическую и механическую энергию и даже вновь в энергию видимого света. Способность к превращению энергии имеет очень важное значение для всех клеток, так как она дает им возможность сохранять постоянство своей внутренней среды и целостность своей структуры.
Живая клетка отличается от окружающей ее неживой природы тем, что в ней содержатся очень большие и чрезвычайно сложные молекулы. Эти молекулы столь своеобразны, что, встретившись с ними в мире неживого, мы всегда можем быть уверены, что это остатки мертвых клеток. В ранние периоды развития Земли, когда на ней впервые зарождалась жизнь, происходил, по-видимому, спонтанный синтез сложных макромолекул из более мелких молекул. В современных же условиях способность синтезировать большие молекулы из более простых веществ представляет собой одну из главных отличительных особенностей живых клеток.
К числу таких макромолекул принадлежат белки. Помимо того, что белки составляют основную часть «твердого» вещества клетки, многие из них (ферменты) обладают каталитическими свойствами; это означает, что они способны сильно увеличивать скорость химических реакций, протекающих в клетке, в частности скорость реакций, связанных с превращением энергии. Синтез белков из более простых единиц — аминокислот, которых насчитывают 20 с лишним, регулируется дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислотами (ДНК и РНК); ДНК и РНК представляют собой чуть ли не самые сложные из всех макромолекул клетки. За последние годы и даже месяцы установлено, что ДНК, находящаяся в ядре клетки, направляет синтез РНК, которая содержится как в ядре, так и в цитоплазме. РНК в свою очередь обеспечивает определенную последовательность расположения аминокислот в молекулах белка. Роль ДНК и РНК можно сравнить с ролью архитектора и инженера-строителя, в результате совместных усилий которых из груды кирпича, камня и черепицы вырастает красивый дом.
На той или иной стадии жизни каждая клетка делится: материнская клетка вырастает и дает начало двум дочерним клеткам в результате весьма тонкого процесса, описанного в статье Д. Мэзия. Еще на пороге XX в. биологи понимали, что наиболее важная черта этого процесса заключается в равномерном распределении между дочерними клетками особых телец, содержащихся в ядре материнской клетки; эти тельца были названы хромосомами, так как оказалось, что они окрашиваются определенными красителями. Было высказано предположение, что хромосомы служат носителями наследственности; благодаря точности, с которой происходит их самовоспроизведение и распределение, они передают дочерним клеткам все свойства материнской клетки. Современная биохимия показала, что хромосомы состоят главным образом из ДНК, и одна из важных задач молекулярной биологии заключается в том, чтобы выяснить, каким образом генетическая информация закодирована в структуре этой макромолекулы.
Способность к самовоспроизведению присуща не только живой клетке. В мире существуют сложные макромолекулы, называемые вирусами, которые содержат весьма сложные нуклеиновые кислоты и белки, наделенные большой специфичностью. Если им удается проникнуть в подходящие клетки, то они размножаются, т. е. делают то же, что и обычные клетки, но только за счет клетки-хозяина. Они обладают свойством наследственности, поскольку при размножении дают себе подобные вирусы (размножаются в чистоте) и способны синтезировать белок, который входит в их состав. Однако, будучи лишены всей анатомической «экипировки» клетки, они неспособны вырабатывать энергию, необходимую для их размножения. Поэтому вирусы существуют как облигатные паразиты клеток и используют систему ферментов зараженной ими клетки, чтобы получить необходимую им энергию. Клетка-хозяин должна обеспечить данному вирусу строго определенные ферментные системы. Именно поэтому некоторые вирусы, например, вирус табачной мозаики, не могут размножаться в клетках человека и совершенно безвредны для него.
Такие одноклеточные организмы, как бактерии, которые способны вырабатывать ферменты и таким образом сами обеспечивают себя энергией, необходимой для их роста и размножения, могут жить и размножаться в гораздо более простой среде, чем внутренняя среда клетки. Поэтому их нельзя считать облигатными паразитами. Однако морфологически бактерии гораздо проще клеток многоклеточного организма, и различные виды бактерий можно расположить по степени сложности их строения в непрерывный ряд — от бактерий, близких по своему строению к вирусу, до бактерий, приближающихся к клеткам многоклеточного организма.
Помимо способности к превращению энергии, биосинтезу и размножению путем самовоспроизведения и деления, клетки высокоорганизованных животных и растений обладают другими особенностями, благодаря которым они оказываются приспособленными к той сложной и согласованной деятельности, какой является жизнь организма. Развитие из оплодотворенного яйца, представляющего собой одну единственную клетку, многоклеточного организма происходит не только в результате клеточного деления, но и в результате дифференцировки дочерних клеток на различные специализированные типы, из которых образуются разные ткани. Во многих случаях после дифференцировки и специализации клетки перестают делиться; существует своего рода антагонизм между дифференцировкой и ростом путем клеточного деления.
У взрослого организма способность к размножению и поддержанию численности вида на определенном уровне зависит от яйцеклетки и сперматозоида. Эти клетки, называемые гаметами, возникают, подобно всем прочим клеткам организма, в процессе дробления оплодотворенного яйца и последующей дифференцировки. Однако во всех тех участках взрослого организма, где постоянно происходит снашивание и разрушение клеток (в коже, кишечнике и т костном мозге, где вырабатываются форменные элементы крови), клеточное деление остается весьма частым событием.
В течение эмбрионального развития у дифференцирующихся клеток одного и того же типа проявляется способность как бы узнавать друг друга. Клетки, принадлежащие к одному и тому же типу и сходные друг с другом, объединяются, образуя ткань, в которую нет доступа клеткам всех остальных типов. В этом взаимном притяжении и отталкивании клеток основная роль принадлежит, по-видимому, клеточной мембране. Эта мембрана представляет собой, кроме того, один из главных клеточных компонентов, с которым связана функция мышечных клеток (обеспечивающих способность организма к движению), нервных клеток (создающих связи, необходимые для согласованной деятельности организма) и сенсорных клеток (воспринимающих раздражения извне и изнутри).
Хотя в природе и не существует клетки, которую можно было бы? считать типичной, нам представляется полезным создать некую ее модель, так сказать «собирательную» клетку, в которой сочетались бы морфологические признаки, выраженные в той или иной мере у всех клеток.
Даже в клеточной мембране толщиной каких-нибудь 100 ангстремов (1 ангстрем равен одной десятимиллионной части миллиметра), которая под обычным микроскопом имеет вид просто пограничной линии, при электронно-микроскопическом исследовании выявляется определенная структура. Правда, мы еще почти ничего не знаем об этой структуре, однако само наличие у клеточной мембраны сложной структуры хорошо согласуется со всем тем, что нам известно относительно ее функциональных свойств. Например, мембраны эритроцитов и нервных клеток способны отличать ионы натрия от ионов калия, хотя эти ионы имеют близкие размеры и одинаковый электрический заряд. Мембрана этих клеток помогает ионам калия проникать в клетку, ионам же натрия она «противится», и это зависит не от одной проницаемости; иными словами, мембрана обладает способностью к «активному переносу ионов». Кроме того, клеточная мембрана механически втягивает в клетку большие молекулы и макроскопические частицы. Электронный микроскоп позволил также проникнуть в тонкую структуру находящихся в цитоплазме органелл, которые в обычном микроскопе имеют вид зернышек. Наиболее важные органеллы — это хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии, встречающиеся в клетках как животных, так и растений. Эти органеллы — «силовые станции» всей жизни на Земле. Их тонкая структура приспособлена к определенной функции: у хлоропластов — к связыванию энергии солнечного света в процессе фотосинтеза, а у митохондрий — к извлечению энергии (заключенной в химических связях поступающих в клетку питательных веществ) в процессе окисления и дыхания. Эти «силовые станции» поставляют энергию, необходимую для различных протекающих в клетке процессов, так сказать, в «удобной расфасовке» — в виде энергии фосфатных связей одного химического соединения, аденозинтрифосфата (АТФ).
Электронный микроскоп позволяет ясно отличать митохондрии с их сложной тонкой структурой от других телец, имеющих примерно такие же размеры, — от лизосом. Как показал де Дюв, в лизосомах содержатся переваривающие ферменты, разрушающие большие молекулы, например молекулы жиров, белков и нуклеиновых кислот, на более мелкие составные части, которые могут окисляться ферментами митохондрий. Мембрана лизосом изолирует заключенные в этих тельцах переваривающие ферменты от остальной цитоплазмы. Разрыв мембраны и освобождение содержащихся в лизосомах ферментов быстро приводит к лизису (растворению) клеток.
В цитоплазме содержится много других включений, которые менее широко распространены в клетках различных типов. Среди них особенный интерес представляют центросомы и кинетосомы. Центросомы можно увидеть в обычный микроскоп только ко времени деления клетки; они играют очень важную роль, образуя полюсы веретена — аппарата, растаскивающего хромосомы по двум дочерним клеткам. Что касается кинетосом, то их можно обнаружить лишь в тех клетках, которые движутся при помощи специальных ресничек или жгутиков; в основании каждой реснички или жгутика лежит кинетосома. Как центросомы, так и кинетосомы способны к самовоспроизведению: каждая пара центросом при делении клетки дает начало другой паре этих телец; всякий раз, когда на поверхности клетки появляется новая ресничка, она получает кинетосому, возникшую в результате самоудвоения одной из уже имевшихся кинетосом. В прошлом некоторые цитологи высказывали мнение, что структура этих двух органелл во многом сходна, несмотря на то, что их функции совершенно различны. Электронно-микроскопические исследования подтвердили это предположение. Каждая органелла состоит из 11 волокон; два из них расположены в центре, а остальные девять — по периферии. Именно так устроены также все реснички и все жгутики. Точное назначение подобного строения неизвестно, однако оно, несомненно, связано с сократимостью ресничек и жгутиков. Возможно, что один и тот же принцип «мономолекулярной мышцы» лежит в основе действия кинетосомы и центросомы, несущих совершенно различные функции.
Электронный микроскоп позволил подтвердить и другое предположение цитологов прошлых лет, а именно предположение о существовании «цитоскелета» — невидимой структуры цитоплазмы. В большей части клеток при помощи электронного микроскопа можно обнаружить сложную систему внутренних мембран, незаметную при наблюдении в обычном микроскопе. Некоторые из этих мембран имеют гладкую поверхность, а у других одна из поверхностей шероховатая из-за покрывающих ее мельчайших гранул. В разных клетках эти мембранные системы развиты в разной степени; у амебы они очень просты, а в специализированных клетках, в которых происходит интенсивный синтез белков (например, в клетках печени или поджелудочной железы), очень сильно разветвлены и отличаются значительной зернистостью.
Специалисты по электронной микроскопии оценивают все эти наблюдения по-разному. Наиболее широкое распространение получила точка зрения К. Портера, предложившего для этой системы мембран название «эндоплазматическая сеть»; по его мнению, по сети канальцев, образуемых мембранами, происходит движение различных веществ от наружной клеточной мембраны к мембране ядра. Некоторые исследователи считают внутреннюю мембрану продолжением наружной; по мнению этих авторов, благодаря глубоким впадинам во внутренней мембране поверхность соприкосновения клетки с омывающей ее жидкостью сильно увеличивается. Если роль мембраны действительно столь важна, то следует ожидать, что в клетке имеется механизм, позволяющий непрерывно создавать новую мембрану. Дж. Палад высказал предположение, что таким механизмом служит загадочный аппарат Гольджи, впервые обнаруженный итальянским цитологом К. Гольджи в конце прошлого века. Электронный микроскоп позволил установить, что аппарат Гольджи состоит из гладкой мембраны, которая нередко служит продолжением эндоплазматической сети.
Природа гранул, покрывающих «внутреннюю» поверхность мембраны, не вызывает никаких сомнений. Особенно хорошо выражены эти гранулы в клетках, которые синтезируют большие количества белка. Как показали лет 20 назад Т. Касперссон и автор настоящей статьи, такие клетки отличаются высоким содержанием РНК. Проведенные недавно исследования позволили установить, что эти гранулы чрезвычайно богаты РНК и в соответствии с этим весьма активны в отношении синтеза белка. Поэтому они получили название рибосом.
Внутренняя граница цитоплазмы образована мембраной, окружающей клеточное ядро. До сих пор еще возникает много разногласий по вопросу о том, какое же строение имеет эта мембрана, которую мы наблюдаем в электронном микроскопе. На вид это двойная пленка, в наружном слое которой имеются кольца или отверстия, открывающиеся в сторону цитоплазмы. Некоторые исследователи считают эти кольца порами, сквозь которые большие молекулы проходят из цитоплазмы в ядро или же из ядра в цитоплазму. Поскольку наружный слой мембраны нередко находится в тесном соприкосновении с эндоплазматической сетью, высказывалось также мнение, что ядерная оболочка участвует в образовании мембран этой сети. Возможно также, что жидкости, протекающие сквозь канальцы эндоплазматической сети, накапливаются в промежутке между двумя слоями ядерной оболочки.
В ядре находятся важнейшие структуры клетки — нити хроматина, в которых заключена вся содержащаяся в клетке ДНК. Когда клетка находится в состоянии «покоя» (т. е. в период роста между двумя делениями), хроматин рассеян по всему ядру. Благодаря этому ДНК приобретает максимальную поверхность соприкосновения с другими веществами ядра, которые, вероятно, служат ей материалом для построения молекул РНК и для самовоспроизведения. В процессе подготовки клетки к делению хроматин собирается и уплотняется, образуя хромосомы, после чего равномерно распределяется между обеими дочерними клетками.
Ядрышки не столь неуловимы, как хроматин; эти шаровидные тельца хорошо видны в ядре при наблюдении в обычном микроскопе. Электронный микроскоп позволяет увидеть, что ядрышко заполнено мелкими гранулами, сходными с рибосомами цитоплазмы. Ядрышки богаты РНК и, по-видимому, представляют собой активные центры синтеза белка и РНК. Чтобы завершить описание функциональной анатомии клетки, отметим, что хроматин и ядрышки плавают в аморфном белкообразном веществе — ядерном соке.
Создание современной картины строения клетки потребовало развития сложнейшей аппаратуры и более совершенных методов исследования. Обычный световой микроскоп продолжает и в наше время оставаться важным орудием. Однако для исследования внутреннего строения клетки при помощи этого микроскопа обычно приходится убивать клетку и окрашивать ее различными красителями, которые избирательно выявляют основные ее структуры. Чтобы увидеть эти структуры в активном состоянии в живой клетке, были созданы различные микроскопы, в том числе фазово-контрастный, интерференционный, поляризационный и флуоресцентный; все эти микроскопы основаны на использовании света. В последнее время главным орудием исследования становится для цитологов электронный микроскоп. Применение электронного микроскопа «осложняется, однако, необходимостью подвергать исследуемые объекты сложным процессам обработки и фиксации, что неизбежно влечет за собой нарушение подлинных картин, связанное с различными искажениями и артефактами. Тем не менее мы делаем успехи и приближаемся к тому, чтобы исследовать при большом увеличении живую клетку.
История развития технического оснащения биохимии не менее замечательна. Создание центрифуг со все возрастающими скоростями вращения позволяет разделять содержимое клетки на все большее и большее число отдельных фракций. Эти фракции подвергаются дальнейшему разделению и подразделению при помощи хроматографии и электрофореза. Классические методы анализа удалось приспособить теперь для исследования количеств и объемов в 1000 раз меньших, чем те, которые удавалось определять ранее. Ученые приобрели возможность измерить интенсивность дыхания нескольких амеб или нескольких яиц морского ежа или же определить содержание в них ферментов. Наконец, радиоавтография— метод, в котором используются радиоактивные индикаторы, — позволяет наблюдать на субклеточном уровне динамические процессы, происходящие в неповрежденной живой клетке.
Все остальные статьи данного сборника посвящены успехам, достигнутым благодаря смыканию этих двух важнейших направлений в исследовании клетки, и дальнейшим перспективам, которые открываются перед биологией. В заключение мне казалось бы полезным показать, каким образом сочетание цитологического и биохимического подходов используется для решения одной проблемы — проблемы роли ядра в жизнедеятельности клетки. Удаление ядра из одноклеточного организма не влечет за собой немедленной гибели цитоплазмы. Если разделить амебу на две половинки, оставив ядро в одной из них, и подвергнуть обе половинки голоданию, то обе они будут жить примерно по две недели; у одноклеточного простейшего — туфельки — можно наблюдать биение ресничек в течение нескольких дней после удаления ядра; безъядерные фрагменты гигантской одноклеточной водоросли ацетабулярии живут в течение нескольких месяцев и даже способны к довольно заметной регенерации. Таким образом, многие из основных жизненных процессов клетки, в том числе (в случае ацетабулярии) процессы роста и дифференцировки, могут происходить при полном отсутствии генов и ДНК. Безъядерные фрагменты ацетабулярии способны, например, синтезировать белки и даже специфичные ферменты, хотя известно, что синтез белка регулируется генами. Однако способность этих фрагментов к синтезу постепенно затухает. На основании этих данных можно заключить, что в ядре под влиянием ДНК образуется какое-то вещество, которое выделяется в цитоплазму, где оно постепенно используется. Из таких экспериментов, проводимых с одновременным использованием цитологических и биохимических методов, вытекает ряд важных выводов.
Во-первых, ядро следует считать главным центром синтеза нуклеиновых кислот (как ДНК, так и РНК). Во-вторых, ядерная РНК (или ее часть) поступает в цитоплазму, где она играет роль посредника, передающего цитоплазме генетическую информацию от ДНК. Наконец, эксперименты показывают, что цитоплазма, и в частности рибосомы, служат главной ареной для синтеза таких специфических белков, как ферменты. Следует добавить, что возможность независимого синтеза РНК в цитоплазме нельзя считать исключенной и что такой синтез можно обнаружить в безъядерных фрагментах ацетабулярий при соответствующих условиях.
Этот краткий очерк современных данных ясно показывает, что клетка представляет собой не только морфологическую, но и физиологическую единицу.
Автор: Ж. Браше