Текст книги "Энергия, секс, самоубийство"

Автор книги: Ник Лейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 34 страниц)

Эти различия в подходах проясняют, почему самыми выдающимися критиками теории эгоистичного гена были микробиологи, например Линн Маргулис. На самом деле, Маргулис откровенно критиковала математический неодарвинизм в целом. Она даже сравнивала его с френологией – викторианской зацикленностью на связи между формой черепа и преступными наклонностями – и утверждала, что неодарвинизм придет к столь же бесславному концу.

Чувствуется, что концепция эгоистичного гена вызывает у Маргулис отвращение, но дело не только в этом. Бактерии действительно ведут себя более прилично: они не поедают друг друга, а образуют гармоничные сообщества. Укоренившееся представление о бактериях как злобных патогенах ложно. Маргулис считала, что эволюция, в общем, бактериальное дело, и ее можно объяснить сквозь призму взаимного сотрудничества бактериальных консорций, в том числе эндосимбиозов, включая тот, что дал начало эукариотической клетке. Эти консорции хорошо подходят бактериям, потому что хищническое поведение у них не окупается. Как мы видели в части 3, процесс дыхания через клеточную мембрану не дает появиться крупным бактериям, способным физически захватывать другие клетки. Для бактерий существенно, кто быстрее растет, а не у кого больше пасть. Учитывая, что в бактериальных экосистемах пищи всегда мало, бактериям выгоднее питаться экскрементами других бактерий, а не драться с ними за ресурсы. Если одна бактерия живет за счет сбраживания глюкозы с образованием молочной кислоты, другая может окислять молочную кислоту до углекислого газа, третья – превращать углекислый газ в метан, четвертая – окислять метан и т. д. Жизнь бактерий – постоянная переработка отходов производства, а это проще всего делать, объединившись.

Стоит припомнить, что даже кооперативные партнерства имеют шанс на долгосрочное существование только в том случае, если они более выгодны партнерам, чем независимая деятельность. Что бы мы ни имели в виду, говоря об успехе – выживание клеток или выживание генов, – виден лишь результат, то есть клетки или гены, которые оказались успешнее других. Клетки, альтруизм которых простирается настолько далеко, что они умирают ради других, исчезают без следа. Так многие юные герои, защищавшие свою страну и павшие в бою, были оплаканы родными, но сами не оставили потомства. Я имею в виду, что сотрудничество не всегда альтруистично. И все же взаимоотношения бактерий далеки от традиционного представления о животных нравах, которое выразил Теннисон в строке об окровавленных клыках и когтях природы. Может быть, среди бактерий и нет взаимопомощи, но нет и агрессии; по крайней мере, их нравы не наводят на мысль об окровавленном оскале.

Это различие между бактериальным и эукариотическим миром отчасти объясняет раскол между Маргулис и неодарвинистами, такими как Докинз. Как мы видели, идеи Докинза об эгоистичных генах звучат довольно сомнительно, если попробовать приложить их к бактериям (сам Докинз и не пытался этого делать). Однако Маргулис считает, что весь узорный покров эволюции сплетен бактериями. Они вошли в нашу плоть и кровь, определяя даже наше сознание за счет тонких сетей микротрубочек в мозге. На самом деле, вся биосфера представлялась Маргулис плодом сотрудничества бактерий, и это нашло отражение в «гипотезе Геи», предложенной ею вместе с Джеймсом Лавлоком. В своей последней книге «Приобретение геномов: теория происхождения видов», написанной в соавторстве с сыном, Дорионом Саганом, Маргулис утверждает, что даже у растений и животных новые виды образуются, как у бактерий, в процессе слияния геномов, а не в результате постепенного расхождения, как считал Дарвин и считают современные биологи. Возможно, теория слияния геномов справедлива в ряде конкретных случаев, но в основном она отступает под давлением тщательного эволюционного анализа последних ста лет. Отвергая неодарвинизм, Маргулис намеренно настраивает против себя большинство традиционных эволюционистов[59]59
  У идей Маргулис есть и страстные приверженцы. Многие из них, наверное, полагают, что раз уж она однажды оказалась провидицей и доказала, что практически все ее коллеги заблуждались, то права и на этот раз. Другой мой герой, Питер Митчелл, революционизировал биохимию, но к концу его жизни выяснилось, что он абсолютно неправильно понимал целый ряд аспектов своей собственной теории. Так и тут. Боюсь, что, сбрасывая неодарвинизм со счетов, Маргулис просто ошибается. – Примеч. авт.


[Закрыть]. Мало кто из них выказывает такое терпение, как покойный Эрнст Майр, предпославший книге Маргулис мудрое предисловие.

В нем он хвалит изложенное в книге видение бактериальной эволюции, но осторожно предупреждает читателя, что идеи Маргулис неприменимы к подавляющему большинству многоклеточных организмов, включая все 9000 видов птиц, которыми долгие годы занимался он сам. Половое размножение означает, что гены конкурируют за место на хромосомах, а после возникновения хищничества у эукариот природа, как ни печально, действительно обзавелась окровавленными клыками и когтями.

Учитывая концептуальное расхождение в подходах, забавно, что, когда дело доходит до особи, взгляды Докинза и Маргулис не слишком отличаются. Как мы видели, Докинз считал индивидуум колонией сотрудничающих генов, а Маргулис – колонией сотрудничающих бактерий, которую можно считать колонией сотрудничающих бактериальных генов. Как Докинз, так и Маргулис считают индивидуум сущностью, основанной на сотрудничестве. Вот что пишет Докинз в замечательной книге «Рассказ предка»: «Моя первая книга, „Эгоистичный ген“, могла бы называться „Сотрудничающий ген“ – и ни слова в самой книге менять бы не пришлось. <…> Эгоизм и сотрудничество – две стороны дарвиновской медали. Каждый ген стремится к собственному эгоистичному благополучию, сотрудничая с другими генами в своей среде – пуле генов, перемешиваемом половым процессом, – с целью построения общих тел».

Однако эти идеи, ставящие во главе угла сотрудничество, затеняют конфликт между разными эгоистичными сущностями, из которых состоит особь, в частности между клетками и митохондриями. Хотя такой конфликт прекрасно согласуется с философией Докинза, в «Эгоистичном гене» он не стал развивать эту мысль. Она нашла отражение в следующей книге Докинза «Расширенный фенотип», а в 1980-х и 1990-х гг. – в работах биолога Лео Бусса и других ученых. Сосредоточив внимание на таких конфликтах и их разрешении, эволюционные биологи поняли, что колонии клеток (или, если хотите, генов) не являются истинными индивидуумами, а образуют менее прочную ассоциацию, в которой отдельные клетки все еще способны к независимым действиям. Многоклеточные животные, такие как губки, могут распадаться на части, а каждая часть может дать начало новой колонии. Общность цели преходяща, потому что судьба отдельных клеток не связана намертво с судьбой многоклеточной колонии.

У истинных особей такое своеволие жестоко подавляется. Эгоистичные интересы клеток подчинены общей цели. Для этого используются разные средства, в том числе раннее отделение клеток зародышевой линии. Оно приводит к тому, что подавляющее большинство клеток тела (так называемые соматические клетки) не передают потомству свои гены напрямую и могут, так сказать, лишь зачарованно следить за тем, как это делают клетки зародышевой линии. Подобный вуайеризм был бы невозможен, если бы все клетки тела не были бы связаны едиными генами, то есть не происходили бы от одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) путем бесполого размножения. Клетки зародышевой линии тоже не передают свои гены непосредственно следующему поколению, но передают их точные копии, что тоже неплохо, а по большому счету вообще то же самое. Но политики пряника иногда недостаточно, и иногда приходится прибегать к политике кнута. Эгоистичные конфликты между самими клетками, пусть и генетически идентичными, может разрешить жесткое полицейское государство, сравнимое разве что с Советским Союзом сталинских времен. Нарушителей не преследуют по закону, а физически уничтожают.

Эта драконовская система приводит к тому, что естественный отбор перестает выбирать между независимыми сущностями, составляющими особь, и начинает действовать на новом, более высоком уровне, то есть выбирать между соперничающими особями. Однако тень былых раздоров лежит даже на самых крепких, на первый взгляд, телах. Она напоминает о том, что единство индивидуума было завоевано с трудом, а вот утратить его очень легко. Одной такой тенью прошлого является рак. Рак и уроки, которые можно из него извлечь, мы обсудим в следующей главе.

11. Конфликт в теле

Рак – жуткий призрак конфликта, раздирающего индивидуума изнутри. Одна клетка вдруг выходит из-под централизованного контроля и начинает размножаться на бактериальный манер. Последовательность событий на молекулярном уровне может служить одной из самых лучших иллюстраций естественного отбора в действии. Посмотрим же, что происходит при раке.

Часто, хотя и не всегда, рак возникает в результате генетических мутаций. Одной мутации, как правило, недостаточно. Клетка должна накопить от восьми до десяти мутаций в довольно специфичных генах. Только после этого она трансформируется в злокачественную клетку, которая ставит свои интересы выше интересов тела. Генетические мутации обычно накапливаются с возрастом случайным образом, но только особое сочетание приводит к возникновению рака: в основном мутации должны затрагивать две определенные группы генов: онкогены и гены-супрессоры опухолей. Эти гены кодируют белки, контролирующие нормальный клеточный цикл – то, как клетки растут или умирают в ответ на сигналы из определенных источников.

Продукты онкогенов в норме сигнализируют клетке, что она должна делиться в ответ на конкретный стимул (например, чтобы заменить мертвые клетки после инфекции), но при раке выключатель этих клеток «западает» в положении «включено». Напротив, продукты генов-супрессоров опухолей в норме сдерживают неконтролируемое деление клетки. Они аннулируют сигналы к пролиферации, заставляя клетку прекратить деление или принуждая ее к самоубийству. При раке они «западают» в положении «выключено». В клетках есть обширная система проверок и контроля, и именно поэтому нормальная клетка превращается в злокачественную клетку, как правило, только после накопления 8–10 мутаций. Некоторые люди с генетической предрасположенностью к раку наследуют часть мутаций от родителей, поэтому пороговое число «новых» мутаций, которые должны накопиться, прежде чем начнется рак, у них ниже.

Трансформированные клетки перестают откликаться на приказы тела. Размножаясь, они превращаются в опухоль. Не любая опухоль – это рак; разница между доброкачественной и злокачественной опухолью огромна. Прежде всего, чтобы диаметр опухоли превысил пару миллиметров, ей нужно питание. Опухолевым клеткам недостаточно медленного поглощения питательных веществ через поверхность, им нужно внутреннее кровоснабжение. Для этого они должны производить определенные химические посредники (факторы роста) в определенном количестве. Они будут стимулировать прорастание в опухоль новых кровеносных сосудов. Дальше опухоль должна переварить окружающие ткани, чтобы освободить себе пространство для роста. Для этого опухолевые клетки выделяют сильно-действующие ферменты, разрушающие тканевую структуру. Вероятно, самая страшная стадия процесса – переход к метастазированию, то есть к распространению опухоли в другие части тела. Для этого нужно определенное сочетание почти взаимоисключающих свойств. Клетки должны быть достаточно «скользкими», чтобы покинуть опухоль, но достаточно «липкими», чтобы закрепиться на стенках кровеносных сосудов в других частях тела. Они должны ускользнуть от внимания иммунной системы во время прохода по кровеносным или лимфатическим сосудам, и часто им это удается, потому что они маскируются, сбиваясь в кучки, несмотря на свою скользкую поверхность. Прибыв на место, клетки должны проникнуть через стенки сосудов в ткань и там остановиться. Наконец, на протяжении всего пути они должны сохранить способность к пролиферации, ведь только тогда они смогут основать аванпост рака в другом органе.

К счастью, лишь немногие клетки обладают диалектическими качествами, необходимыми для метастазирования. Тем не менее мало кто из нас не сталкивался с раком, если не лично, то у родных или знакомых. Как же клеткам удается приобрести необходимые качества? Дело в том, что раковые клетки возникают путем естественного отбора. На протяжении жизни клетки в ее генах происходят сотни мутаций, и некоторые из них затрагивают гены, контролирующие клеточный цикл. Тогда клетка сбрасывает оковы, в норме не дающие ей прорастать. Скоро это уже не одна клетка, а колония клеток, и все они мутируют. Многие мутации нейтральные, другие вредные, но со временем какие-то из них, а потом и следующие, подтолкнут клетку к злокачественному росту. Всякий раз потомки клетки пролиферируют: одиночный мутант дает начало популяции клеток, а потом ее вытесняет следующая клетка, адаптированная к следующему шагу. За несколько лет или даже месяцев рак захватывает тело. У раковых клеток нет будущего; как и мы сами, они обречены на смерть. Они просто делают то, что должны, а именно растут и меняются, покорные неумолимой логике изменчивости и отбора.

Что является единицей отбора при раке – ген или клетка? Как мы видели на примере бактерий, более логично считать эгоистичной единицей сами раковые клетки. Они размножаются не половым путем, а бесполым, как бактерии. Их гены могут меняться быстрее, чем фенотип: по внешнему виду раковой клетки под микроскопом, как правило, можно сказать, откуда она взялась. Исследовав опухоль в легком, как правило, можно сказать, является ли она первичной (то есть возникла из клеток легкого) или вторичной, то есть возникла из клеток другой ткани, например молочной железы, и переместилась в легкое за счет метастазирования. Во втором случае она сохраняет ряд атавистических признаков клеток молочной железы, например способность к производству гормонов. В то же время раковые клетки известны своей генетической неустойчивостью: их хромосомы теряются, «ломаются», причудливо сплетаются. Таким образом, раковые клетки некоторое время сохраняют прежнее обличье, а их гены меняются до неузнаваемости за счет мутаций и перетасовок. Если здесь и есть «эгоистичная» эволюционная единица, то это клетка, которая преодолевает все препятствия и в конце концов убивает хозяина – путь, предсказанный судьбой, почти как у Макбета.

В контексте рака слово «эгоистичный» звучит неубедительно. Злокачественная опухоль никоим образом не стремится к свободе. Она просто впадает в детство, возвращаясь в те времена, когда не было особи и все клетки делали что хотели. В этом смысле рак хорошо иллюстрирует бессмысленность эволюции. Клетки размножаются, а те, что размножаются успешнее всех, оставляют больше потомков. Точка. Трудно приписать раку какой-то высший смысл, это абсолютно бессмысленный процесс. Какой контраст с бактериальной инфекцией – еще одним хорошим примером эволюции в микрокосме! При размножении бактерий тоже складывается впечатление отлаженного механизма, но там четко просматривается цель. Мы можем ужасаться инфекциями, но бессмысленными их не назовешь: у бактерий есть жизненный цикл, задача, будущее. Они не обречены, ведь погубив одно существо, они заразят другие. (Конечно, это мнимая разница – на самом деле ни у бактерий, ни у раковых клеток «цели» нет, – но пример хорош. Раковые клетки не могут пережить тело, и поэтому преходящая природа их успеха особенно очевидна.)

Рак, при всей его бессмысленности, по крайней мере, хорошо иллюстрирует препятствия на пути к рождению индивидуума. Если сегодня раковые клетки могут чинить беззаконие, какая надежда была у первых многоклеточных индивидуумов? Клетки-дезертиры тогда имели шансы выжить в одиночестве. Как же первые индивидуумы подавили мятежные наклонности собственных клеток? Возможно, они, как и мы сегодня, убивали нарушителей за счет механизма программируемой клеточной смерти, или апоптоза, вынуждая клетки-диссиденты к самоубийству. Апоптоз есть даже у организмов, которые проводят часть времени как независимые свободноживущие клетки, а часть – в составе колонии. Встает вопрос: как и почему возник апоптоз у одноклеточных организмов? С какой стати потенциально независимая клетка «согласилась» на самоубийство?

Многое из того, что мы знаем об апоптозе, стало известно из исследований его роли при раке. Чем больше мы узнаем, тем лучше осознаем, что главную роль в апоптозе играют митохондрии. А если мы проследим путь этого процесса из глубины времен, то окажется, что апоптоз эволюционировал у первых эукариот из попыток митохондрий и содержащих их клеток-хозяев манипулировать друг другом, причем в те далекие времена, когда даже колониальные организмы были еще редкостью.

Хроника предсказанной смерти

У клеточной смерти есть два обличия: некроз – насильственная, неожиданная, моментальная гибель от удара ножа (агония, кровавые пятна на ковре), и апоптоз – заранее обдуманное самоубийство (порошок цианистого калия, тихий стук падающего тела). Апоптоз не оставляет улик, и такая манера разделываться с диссидентами вполне соответствует тоталитарному режиму организма. Напротив, смерть от некроза вызывает воспалительную реакцию – расследование поджога, в ходе которого полиция находит другие тела и которое еще долго вызывает общественные волнения.

Как ни странно, биологи далеко не сразу признали важность апоптоза. Биология, в конце концов, это изучение жизни, и в некотором смысле смерть как отсутствие жизни не входит в сферу ее интересов. Многие первые сообщения о программируемой клеточной смерти считались любопытными курьезами, не более. Одним из первых (в 1842 г.) апоптоз описал немецкий революционер, ученый и философ-материалист Карл Фохт, бежавший в Женеву от политического преследования. Несколько позже он стал мишенью блестящего политического памфлета Карла Маркса «Герр Фохт» (1860 г.) из-за своих отношений с Наполеоном III. Но не будем углубляться в политику, а вспомним лучше его скрупулезное исследование метаморфоза жабы-повитухи из головастика во взрослую особь. Фохт использовал микроскоп, чтобы проследить судьбу нотохорда – гибкого, примитивного позвоночника головастика. Его интересовал вопрос, превращаются ли клетки нотохорда в позвоночник взрослой жабы, или они исчезают, а позвоночник формируется за счет новых клеток? Выяснилось, что верен второй ответ: клетки нотохорда погибают (как мы теперь знаем, за счет апоптоза), а их место занимают новые клетки.

Другие ученые XIX в. тоже обращали внимание на апоптоз в связи с метаморфозом. Август Вайсманн, великий немецкий основоположник эволюционной биологии, заметил в 1860-х гг., что в процессе превращения гусеницы в бабочку многие клетки тихо погибают. Как ни странно, он не стал увязывать этот факт со старением и смертью, хотя именно исследования на эти темы впоследствии принесли ему известность. Большинство последующих описаний клеточной смерти тоже были сделаны эмбриологами и затрагивали изменения, происходящие во время развития. Был открыт удивительный факт: у эмбрионов рыб и цыплят погибают целые популяции нейронов. У нас, кстати, тоже. В некоторых областях мозга более 80 % нейронов, образующихся на ранних стадиях развития, исчезают еще до рождения! Клеточная смерть позволяет исключительно точно смонтировать электропроводку мозга: между конкретными нейронами образуются функциональные связи, а на их основе образуются нейронные сети. Многие эмбриологические процессы хочется уподобить ваянию из камня. Как скульптор отсекает ненужные кусочки от глыбы мрамора, чтобы создать прекрасную статую, так и тело созидается за счет изъятия, а не добавления. Наши пальцы, например, образуются за счет запланированной смерти клеток в промежутках между пальцами, а не за счет удлинения зачатков.

У лапчатых птиц, например уток, некоторые клетки в промежутках не погибают, и на лапах остаются перепонки.

Важность апоптоза у взрослых организмов оценили гораздо позже. Сам термин предложили Джон Керр, Эндрю Уайли и Аластер Керри (Университет Абердина) в 1972 г. Придумать его помог им Джеймс Кормак, профессор древнегреческого языка из того же университета («апоптоз» означает «опадание листьев»). Впервые этот термин был использован в названии их статьи в «Британском онкологическом журнале»: «Апоптоз как фундаментальный биологический феномен с множественными функциями в регуляции кинетики тканей». Кстати, Гиппократ обозначал словом «апоптоз» отмирание поврежденных фрагментов костей, а Гален называл так отпадание струпьев.

Джон Керр заметил, что размер печени у крыс не постоянен. Он динамически меняется с изменениями тока крови. Если поток крови в определенных долях печени нарушается, это компенсируется их уменьшением, а уменьшаются они по мере того, как клетки погибают за счет апоптоза (это занимает недели). Напротив, при восстановлении кровотока клетки начинают размножаться, и соответствующие доли постепенно увеличиваются в весе (время восстановления, опять же, исчисляется неделями). Такая эквилибристика происходит везде. В человеческом организме ежедневно умирают, заменяясь новыми, примерно 10 миллиардов клеток. Это не внезапная насильственная смерть, а тихая и незаметная смерть от апоптоза, когда соседние клетки подъедают все свидетельства гибели. То есть апоптоз уравновешивает клеточное деление. Из этого следует, что он не менее важен для нормальных физиологических процессов, чем деление клеток.

Керр, Уайли и Керри показали, что апоптоз протекает практически одинаково в совершенно разных обстоятельствах: при нормальном эмбриональном развитии и при тератогенезе (нарушениях формирования эмбриона), в здоровых тканях взрослого организма, при раке и при регрессии опухоли, а также при усадке ткани, связанной с неиспользованием или старением. Апоптоз также играет важнейшую роль в иммунном ответе организма. Клетки иммунной системы, действующие против тканей собственного тела, во время развития совершают апоптоз, что позволяет иммунной системе различить «свое» и «чужое». После этого клетки иммунной системы используют свои особенности для того, чтобы заставить поврежденные или зараженные клетки тоже совершать апоптоз. Такой скрининг позволяет уничтожить раковые клетки до того, как они начнут пролиферировать.

Последовательность событий при апоптозе отрежиссирована до мельчайших подробностей. Клетка сжимается, на ее поверхности появляются выросты, похожие на пузырьки. ДНК и ядерные белки (хроматин) конденсируются рядом с ядерной мембраной. Наконец, клетка распадается на апоптотические тельца (мелкие, окруженные мембраной структуры), а клетки иммунной системы подбирают их. По сути дела, клетка сама разделывает себя на кусочки, а другие клетки тут же поедают их; такой вот не афишируемый каннибализм. Учитывая все это, становится понятно, что для апоптоза нужна энергия. Клетка не может совершить апоптоз, если не располагает достаточным количеством АТФ. Этим апоптоз очень отличается от характерного для некроза набухания и разрыва клеток. Кроме того, в отличие от некроза, апоптоз не влечет за собой никаких последствий, например воспаления; то, что клетки больше нет, можно понять только по ее отсутствию. Предсказанная смерть тут же забывается.