9. Эти органеллы, которые позднее были названы митохондриями, являются клеточными генераторами энергии: это печи, которые непрерывно горят, производя необходимую для жизни энергию. Происхождение митохондрий все еще вызывает вопросы. Но одна из наиболее интересных и широко принятых теорий заключается в том, что более миллиарда лет назад эти органеллы были микробными клетками, научившимися производить энергию в результате химической реакции с участием кислорода и глюкозы. Эти микробные клетки были поглощены или захвачены другими клетками и заключили с ними “рабочее соглашение”, называемое эндосимбиозом.
В 1967 году эволюционный биолог Линн Маргулис описала данное событие в статье “О происхождении митотических клеток”10. Как рассказывает Ник Лейн в книге “Вопрос жизни”, Маргулис утверждала, что сложные организмы “эволюционировали не путем «стандартного» естественного отбора, а в результате кооперации, в процессе которой клетки контактировали так тесно, что проникли друг в друга”11. Слишком радикально, слишком рано. Хотя на улицах Сан-Франциско и Нью-Йорка стояло “лето любви” и молодые мужчины и женщины страстно сливались воедино, в научных кругах теория Маргулис натолкнулась на стену скептицизма. Для Маргулис лето эндосимбиотической любви обернулось долгой зимой насмешек и отторжения, пока десятилетиями позже ученые не начали замечать не только структурное сходство между митохондриями и бактериями, но также их молекулярные и генетические сходства.
Митохондрии есть во всех клетках, но больше всего их в тех клетках, которым нужно особенно много энергии или которые регулируют запасание энергии, – в таких как клетки мышц, жировые клетки и некоторые клетки мозга. Хвост сперматозоида окружен митохондриями, которые дают ему энергию, необходимую, чтобы доплыть до яйцеклетки. Митохондрии делятся внутри клетки, но, когда приходит время делиться самой клетке, митохондрии просто распределяются между двумя дочерними клетками. Иными словами, они не живут независимым образом, они могут существовать только внутри клетки.
У митохондрий есть свои гены и свой геном, которые имеют определенное сходство с генами и геномами бактерий, что вновь подтверждает теорию Маргулис о том, что раньше они были примитивными клетками, оказались захвачены другими клетками и вступили с ними в симбиотические отношения.
Как клетка производит энергию? Есть два пути: быстрый и медленный. Первый путь реализуется главным образом в протоплазме клеток. Ферменты последовательно расщепляют глюкозу на все более и более мелкие молекулы, и в результате этой реакции выделяется энергия. Поскольку в реакциях не задействован кислород, этот процесс называют анаэробным. В энергетическом плане конечным продуктом этого быстрого пути являются две молекулы химического соединения аденозинтрифосфата (АТФ).
АТФ – главная энергетическая валюта почти всех живых клеток. Любая химическая или физическая активность, для которой требуется энергия, например, сокращение мышцы или синтез белка, происходит с использованием (или “сжиганием”) АТФ.
Более медленное и полное сжигание сахаров для производства энергии происходит в митохондриях (бактериальные клетки, у которых нет митохондрий, могут использовать только быструю последовательность реакций). В этих органеллах конечные продукты быстрого пути, который называется гликолизом (что означает “расщепление сахаров”), поступают в цикл реакций, заканчивающихся образованием воды и углекислого газа. Этот цикл реакций происходит с участием кислорода (и поэтому называется аэробным) и представляет собой маленькое энергетическое чудо: в нем образуется намного больше энергии опять-таки в форме АТФ.
Теоретически быстрый и медленный путь сжигания сахаров в сумме приводят к образованию тридцати двух молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы (реальное число несколько ниже, поскольку не все реакции происходят с идеальной эффективностью). За день мы вырабатываем миллиарды маленьких “канистр” такого топлива, чтобы питать миллиард маленьких “двигателей” в миллиардах клеток нашего тела. “Если бы все миллиарды этих маленьких костров погасли, – писал физико-химик Евгений Рабинович, – не смогло бы биться ни одно сердце, ни одно растение не смогло бы расти ввысь, преодолевая силу гравитации, ни одна амеба не смогла бы плыть, по нервам не передавалось бы ни одно ощущение и ни одна мысль не озарила бы человеческий разум”12.
Дальше мы сможем увидеть лабиринт спутанных извилистых путей, пересекающих тело клетки и тоже связанных с мембранами. Эта органелла называется эндоплазматическим ретикулумом, хотя большинство биохимиков называют ее сокращенно просто ЭПР.
Данную структуру в конце 1940-х годов впервые описали клеточные биологи Кейт Портер и Альбер Клод[40] из Института Рокфеллера в Нью-Йорке, работавшие в тесном сотрудничестве с Джорджем Паладе. Экспериментальное изучение этих клеточных путей и их центральной роли в биологии клетки представляет собой одно из самых знаковых путешествий в науке.
Джордж Паладе пришел в клеточную биологию непрямым путем. Он родился в 1912 году в городе Яссы в Румынии. Его отец был профессором философии и хотел, чтобы сын тоже стал философом, но Джорджа привлекали более “материальные и конкретные” дисциплины. Он изучал медицину и начал работать врачом в Бухаресте. Однако вскоре его увлекла клеточная биология. Подобно Рудольфу Вирхову, Паладе хотел объединить клеточную биологию, клеточную патологию и медицину. “Клеточная биология наконец помогла реализовать столетнюю мечту: анализ болезней на клеточном уровне, первый шаг к окончательному контролю над ними”, – писал он позднее13.
В 1940-е годы Паладе предложили исследовательскую позицию в Нью-Йорке. Его путешествие в США через раздираемую войной Европу стало тяжелым испытанием. Он проехал через несчастную угнетенную Польшу, где вынужден был задержаться в ожидании иммиграционных документов. “Он ощущал себя ученым в роли Кристиана из «Путешествия пилигрима»[41], – рассказывал мне коллега Паладе14, – каким-то образом избежавшим всех препятствий и ловушек, которые могли прервать его путешествие в Нью-Йорк или, собственно, к центру клетки”.
В 1946 году в возрасте тридцати четырех лет Паладе наконец прибыл в Нью-Йорк. Он начал научную карьеру в Нью-Йоркском университете, а затем продолжил ее в лаборатории Института Рокфеллера. В 1948 году он получил должность доцента и лабораторию в “невзрачном подземелье” в трехэтажном подвале одного из старейших зданий института.
Это подземелье, пусть даже невзрачное, стало раем для клеточных биологов15. “Эта новая область фактически не имела традиций; все, кто в ней работал, приходили из других областей естественных наук”, – писал Паладе16. И он выбирал, заимствовал и воровал элементы из всех других направлений и областей науки, создавая, по сути, собственную дисциплину – современную клеточную биологию. Паладе начал сотрудничать с Портером и Клодом[42]. И вскоре его лаборатория стала интеллектуальным фундаментом научного направления, занимавшегося изучением анатомии и функции субклеточных структур, на котором строилась новая дисциплина.
Роберт Гук и Антони ван Левенгук произвели революцию в клеточной биологии в XVII веке при помощи микроскопов, а Паладе, Портер и Клод нашли более абстрактный способ “разглядывать” внутреннее содержимое клетки. Сначала они разрушали клеточную оболочку и подвергали содержимое клетки высокоскоростному центрифугированию в градиенте плотности. Центрифуга вращается с головокружительной скоростью, при этом более тяжелые элементы клетки осаждаются ближе ко дну пробирки, а более легкие остаются в верхних слоях, так что разные компоненты клетки оказываются в соответствующих участках градиента плотности по высоте пробирки.
Далее можно выделить каждый компонент из соответствующей части пробирки и изучить отдельно, анализируя его структурную анатомию и протекающие в нем биохимические реакции, такие как окисление, синтез, удаление токсичных веществ или выведение отходов жизнедеятельности. А потом, разрезав клетку на тончайшие срезы и наведя на них электронный микроскоп, можно понять, где эти компоненты и соответствующие реакции локализуются в животной клетке.
Это тоже “наблюдение”, но только с линзами двух сортов. С одной стороны, это абстрактные линзы биохимии: сначала нужно разделить субклеточные компоненты с помощью центрифугирования, а потом установить, какие химические процессы в них происходят. С другой стороны, это реальные линзы для электронной микроскопии. В результате стало возможным связывать химические процессы с анатомическими структурами клетки и их расположением. Паладе сравнил сочетание этих двух способов наблюдения с маятником, который раскачивается от микроскопической анатомии к функциональной анатомии и обратно:
“Структура – в традиционном видении микроскописта – сливалась с биохимией, а биохимия… субклеточных компонентов, как выяснилось, обеспечивает лучший путь к пониманию функции некоторых только что открытых структур”17.
Это была некая игра в пинг-понг, в которой выигрывали обе стороны. Микроскописты могли увидеть внутриклеточные структуры, после чего биохимики связывали их с конкретными функциями. А биохимики могли идентифицировать ту или иную функцию и попросить микроскопистов найти структуры, которые за нее отвечают. С помощью этого метода Паладе, Портер и Клод внедрились в светящееся сердце клетки.
Давайте вернемся в запутанный лабиринт эндоплазматического ретикулума, существующий почти во всех клетках. Это массивная структура: избыточная, обширная, как будто плиссированная. При изучении клеток поджелудочной железы собаки с помощью чрезвычайно мощного микроскопа выяснилось, что внешние контуры мембраны ЭПР украшены крохотными плотными частицами.