Почему мы не понимаем живую клетку, или Мифы молекулярной биологии

Л. Б. Марголис, 
доктор биологических наук Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Статья, а, точнее, рецензия, предлагаемая вашему вниманию, примечательна тем, что заставляет заново продумать и осознать физический смысл, казалось бы, самых очевидных понятий и явлений: концентрация, рН, химическое равновесие, масштабные эффекты и т.п. Это оправдывает многие явные заблуждения автора, - например, гормоны не проникают в клетку, а связываются рецепторами на ее внешней поверхности. Альбрехт-Бюлер - не первый ученый, скептически оценивающий возможности молекулярной биологии. Достаточно вспомнить "Амфисбену" Чаргаффа. В действительности, молекулярная и клеточная биологии вовсе не противоречат, а взаимно дополняют друг друга. С известным приближением можно сказать, что первая изучает информационное содержание жизни, тогда как вторая - способы и формы реализации этой информации. Так что, если они и конкурируют, то разве что за правительственные ассигнования... В свое время Шредингер определил живую материю как "апериодический кристалл", подчеркивая, что предельная упорядоченность соединена в ней с поразительной неоднородностью. Привлекая к этой особенности внимание читателей, автор безусловно прав... Действительно, традиционные подходы кинетики, электрохимии, теории растворов и т.д. пасуют перед столь сложными системами, причем ситуация осложняется их микроскопическими размерами, выводящими за пределы аналогий с макроскопическими объектами. Например, по своим линейным размерам клетки сравнимы с двойным слоем на границах электролитов или неперемешиваемым слоем Прандтля. Даже сейчас, спустя десятилетие после публикации эссе Альбрехт-Бюлера и статьи Марголиса, наука лишь подбирается к адекватному описанию динамики внутриклеточных процессов. VIVOS VOCO!

Никто не пророк в своем отечестве. Даже если это отечество США. Гюнтер Альбрехт-Бюлер (Gunter Аlbrecht-BuehIer) - выдающийся биолог из Северо-Западного университета Чикаго известен не слишком многим специалистам по клеточной биологии. В свое время он выполнил ряд важных работ по движению клеток в культуре, роли цитоскелета в определении формы клеток, движению ядер. Пожалуй, широкий круг исследователей знаком лишь с его статьей о маркировании треков клеток с помощью частиц коллоидного золота.

В последнее время наряду с публикацией конкретных и по-прежнему очень интересных экспериментальных работ Альбрехт-Бюлер (кстати, физик по образованию) много размышляет об общих вопросах клеточной биологии. Его последнюю публикацию в защиту "немолекулярной" клеточной биологии("In defense of "nonmolecular" cell biology" // Int. Rev. of Cytology. 1990. V. 120. p. 191-241) следует прочесть не только тем, кто так или иначе занимается изучением клетки - цитологам, биохимикам, биофизикам, молекулярным биологам, но и вообще всем, кто интересуется биологией. И хотя статья опубликована не в самом читаемом издании, я не сомневаюсь, что со временем она станет классической. Работа эта выросла из размышлений автора о том, сможем ли мы понять живую клетку на молекулярном уровне.

Многие из нас отдают себе отчет в том, насколько мало мы понимаем, как работает клетка. И это несмотря на многолетние усилия множества лабораторий! Можно привести немало примеров, когда талантливые люди, много успевшие в физике, химии, математике или даже в других разделах биологии, не добиваются существенных успехов, переключившись на проблемы биологии клетки. По-видимому, клеточная биология - наука следующего порядка сложности по сравнению с "элементарными" физикой, химией или математикой.

Последние годы мы все больше уповаем на успехи молекулярной биологии, объяснившей нам многое в функционировании клеточного генома. А может ли эта наука объяснить клетку в целом? Отрицательный ответ на этот вопрос содержится в заголовке статьи Альбрехт-Бюлера. Но в действительности она шире своего названия. В ней показаны не только бесперспективность "молекулярного" анализа общих клеточных процессов, но и неадекватность наших биохимических представлений. Причина - в особенностях биологических законов. Хотя эти законы не противоречат физическим, но они из них и не следуют.

Первое, что, по мысли Альбрехт-Бюлера, следует понять клеточным биологам - это отличие мира клетки от окружающего нас макроскопического мира. В какой-то степени его так же невозможно вообразить, как мир элементарных частиц. Начнем с того, что внутриклеточная среда не похожа на водные растворы реакционноспособных соединений, про которые и написаны все учебники биохимии.

В качестве популярной иллюстрации того, как мир клетки отличен от нашего, Альбрехт-Бюлер предлагает рассмотреть бутылку вина высотой 28 см с диаметром горлышка 2 см. Если ее размеры уменьшить всего в 10 раз, вино не будет выливаться даже из перевернутой бутылки: мениск почти не изменит своей формы. Вино будет вести себя, как гель. Причина этого проста: диаметр горлышка уменьшился в 10 раз, во столько же и поверхностное натяжение, а масса вина примерно в 10³ раз. Такая масса уже не может преодолеть поверхностное натяжение на границе раздела жидкость - воздух.

В нормальной клетке, как и в вине, примерно 85% воды, но размер средней клетки меньше бутылки в 28 тыс. раз. Другими словами, ее масса меньше массы бутылки вина примерно в 28000³ ~ 2х10¹³ раз, а поверхностное натяжение - всего в 2,8х10⁴ т.е. сила тяжести в клетках не играет заметной роли. Иерархия сил в клетках совсем иная, чем в нашем мире. Для клетки большее значение имеет вязкое трение, броуновское движение, электростатические силы. При столь значительных различиях между массой и поверхностным натяжением капля воды приобрела бы форму идеального шара. У большинства же клеток, напротив, поверхность сильно деформирована, имеются выросты, ворсинки и т. п. Дело в том, что цитоплазма клетки не просто гелеобразна, но высоко структурирована. Она вся пронизана нитями цитоскелета, разделена мембранами. Инженерные задачи, которые решает клетка, не похожи на решаемые инженерами.

Со спецификой внутриклеточной среды связаны и трудности молекулярного объяснения клеточных функций. Действительно, взаимодействующие молекулы в клетке не плавают свободно, как в пробирке с водным раствором, а в основном иммобилизованы на полимерных структурах цитоскелета или мембранах. Реакции проходят почти как в твердом теле. Из-за этого химия клетки весьма далека от излагаемой в университетских курсах. Скорее, внутриклеточные реакции более адекватно может описывать химия иммобилизованных ферментов. (Между прочим, сильная школа химиков этого направления существует у нас в стране.)

Кстати, из приведенных рассуждений понятно, почему сравнительно успешно развивается, например, наука о клеточных мембранах. С самого начала их изучения было ясно, что в силу свойств фосфолипидов, которые образуют слои и мицеллы, обычная "водная" химия к ним не применима, так что пришлось создавать другую - "гидрофобную". А в более старых разделах, скажем в проблеме внутриклеточного транспорта, прогресс крайне ограничен, возможно, именно потому, что мы все еще представляем этот процесс как перенос комплексов молекул через водную среду, которой на самом деле в клетке по существу нет.

Вообще, в своей работе Альбрехт-Бюлер много внимания уделяет структурированности цитоплазмы. Упор в основном делается на линейные структуры: хромосомы, микротрубочки, микрофиламенты. Автор предполагает, что вдоль таких структур могут передаваться сигналы за счет локальной ассоциации и диссоциации молекул вдоль структуры. Он считает, что вдоль ДНК движутся "пузыри" - либо расплетенные гиразой нити двухцепочечной ДНК, либо просто возникающие из-за температурных флуктуаций. Вполне вероятно, что природа могла использовать такой механизм для передачи сигнала.

Почему-то Альбрехт-Бюлер совсем не рассматривает в том же аспекте мембраны. Ведь вдоль них тоже способны распространяться различные сигналы. Мембраны могут регулировать и тип химических превращений: благодаря им в цитоплазме, возможно, создаются структурированные и неструктурированные области. В последних все же может работать и более знакомая нам "водная" биохимия, тогда как в первых - только химия иммобилизованных молекул.

Трудно представимым для нашего воображения делает клетку и ее близость к квантово-механическому миру. Размер молекул в клетках как раз таков, что они находятся на границе между детерминистским миром классической механики и недетерминистским квантовой. Скажем, ДНК хромосом можно взвесить и одновременно определить ее положение и скорость при митозе. Но сама структура двойной спирали поддерживается водородными связями, подчиняющимися законам квантовой механики.

Еще одна специфика, связанная с микроскопическими размерами клетки, - небольшое число копий молекул каждого вида: 10-100 штук. Это слишком мало, чтобы применять такие понятия, как концентрация, величина рН, константа связывания, - понятия, выработанные для растворов в пробирках. Например, 1 мкг белка с молекулярным весом 30 тыс. (около 3 пкМ) содержит 2х10¹² молекул. Сравним это с типичными величинами в клетке: копий генов обычно от 1 до 10, репрессоров - сотни. В клетке в среднем менее 4 молекул гормона роста или хемоаттрактанта. Даже в обширной области вокруг клетки, например 10^-3 см (в 26 раз больше клеточного объема), при обычной концентрации гормона (1 пкМ) окажется всего около 8 молекул. Вокруг же индивидуального рецептора большую часть времени вообще нет молекул гормона.

Уместно заметить, что уже 2 года назад Альбрехт-Бюлер напечатал работу, в которой, используя сходные рассуждения, ставил вопрос, что же такое внутриклеточное значение рН, важное, как считается, для запуска многих внутриклеточных процессов. Можно подсчитать, что в объеме кишечной палочки всего 120 свободных протонов. Трудно себе представить, как они могут контролировать сотни или тысячи химических реакций, одновременно протекающих в клетке. Это становится еще менее понятным, если вспомнить, что эти 120 "контролирующих" протонов действуют на фоне примерно 1 млн. аналогичных ионов, появляющихся и исчезающих при ассоциации и диссоциации воды.

Так или иначе, химическое понятие концентрации, применимое к массам молекул и основанное на усреднении их свойств, неприменимо, когда счет идет на штуки. Поэтому же совершенно неадекватно использование констант Больцмана, равновесия, связывания. Не много оставляет нам Альбрехт-Бюлер из биохимического арсенала)

Но если биохимический подход к анализу клетки неадекватен, то замена его на молекулярный, по мнению автора, и вовсе бессмысленна. Альбрехт-Бюлер построил эту часть статьи, как серию простых вопросов, ответ на которые знает каждый биолог. Но после того, как читатель внутренне этот ответ дал, автор ехидно показывает, что ответ не просто неверен, но вовсе бессмыслен.

Вообще, хочется отметить, что работа Альбрехт-Бюлера не только глубока по мысли, но и блестяща по форме. Это прекрасное чтение, в котором нет ни обычного наукообразия, ни суконного стиля научных публикаций. (Не зря автор потратил на эту сравнительно небольшую по объему работу целый год, проведя его вдалеке от обычной суеты своей лаборатории - в Свободном университете в Берлине.)

Вот образец рассуждений автора. Почему элементарными единицами для объяснения биохимических процессов выбраны именно молекулы? Почему, например, не куда более простые протоны, мезоны, фотоны и нейтрино?

Биолог на этот вопрос отвечает так: "Во-первых, описание биологических процессов через элементарные частицы было бы слишком громоздким, а во-вторых, при переходе к элементарным частицам мы упустим разницу между биологической ("живой") и небиологической ("неживой") системами". Но ведь вся идеология молекулярного анализа как раз и состоит в том, чтобы свести биологическое явление к физическому или химическому. Почему же тогда не проявить последовательность и не перейти к более фундаментальным физическим понятиям? Что же касается громоздкости, молекулярно-биологическое описание значительно более громоздко, чем клеточно-биологическое, которое оперирует органеллами, мембранами, нитями цитоскелета, т. е. надмолекулярными понятиями. Между тем такой анализ считается описательным, говорят, что это вчерашний день науки.

Кстати, в самой физике, не страдающей, как биология, комплексом неполноценности, никто не пытается заменить термодинамику или гидродинамику уравнениями квантовой механики, хотя, в принципе, можно описать работу мотора в терминах уравнений Шредингера. Может быть, и биологам нужно взять на вооружение принцип экономии мышления Маха и использовать все-таки надмолекулярные описания, в которых уже интегрированы взаимодействия многих макромолекул?

Вообще, в обличении молекулярной клеточной биологии, на которую в США дают значительно больше денег, чем на просто клеточную, автор достаточно язвителен. Шедевром в этом роде служит небольшая .главка "Что клеточные биологи понимают под словом "молекулы"?". Если мы так уж настаиваем на необходимости молекулярного анализа, давайте сначала определим само понятие молекулы. Здесь, однако, даже физики или химики не имеют общего ответа.

Для специалиста по квантовой механике молекула - это решение уравнения Шредингера, для химика - скорее, структура Кекуле, для кристаллографа - облака электронов разной плотности. Спектроскопист сделает упор на размеры и электрический дипольный момент, которые, как он точно знает, и определяют инфракрасный и рамановский спектры. Физик-ядерщик в первую очередь помнит о том, что линейные размеры атомных ядер в 1000 раз меньше, чем размеры атомов, так что молекула - это в общем-то пустота, заполненная сложными электромагнитными полями и разреженным электронным газом. Специалист по физике высоких энергий воображает на месте молекулы упаковки элементарных частиц; расстояния между упаковками порядка размеров атомного ядра, а силы столь слабы, что ими можно пренебречь.

Для биолога же молекула и вовсе не похожа ни на что реальное, перечисленное выше. Для него молекула белка - это либо рисунок субъединиц и функциональных групп с выделенными участками и спирали, либо вообще цепочка символов типа "Туг" или "Ser", соединенных черточками, а то и просто полоска в геле. Но если это и есть наши молекулы, что же представляет собой молекулярный анализ, на котором мы так настаиваем?

Самые изощренные молекулярные биологи, конечно, скажут, что при необходимости эти символические молекулы можно наполнить реальным физическим содержанием. Но наполнить физическим содержанием можно и надмолекулярные понятия клеточной биологии - центриоли, микротрубочки или мембраны. Почему же, в отличие от молекул, их объявляют описательными?

Споря с таким негативным отношением к клеточной биологии, автор приводит два примера надмолекулярного описания - движение фибробласта по твердой поверхности и самоорганизацию колонии хламидомонад в структурно упорядоченную систему. Второй пример показывает, что хаотическое движение взаимодействующих элементов, преследующих собственные цели, приводит к упорядочению системы - одному из важнейших свойств систем, которые мы называем живыми. По мысли автора, необходимо, чтобы взаимодействие между элементами было обязательно слабым. Это делает систему лабильной: добавление или изъятие некоторого числа элементов не отражается на остальных и позволяет им преследовать "эгоистические" цели.

Но похожими представлениями оперируют и молекулярные биологи, описывая работу хромосомы как конкуренцию между отдельными генами за собственные "эгоистические" цели. Аналогичные гипотезы были выдвинуты о функционировании мозга как конкуренции нейронов за проведение импульса. Автор полагает, что и 10¹³ молекул, из которых состоит клетка, организуются вместе благодаря сходным законам. По аналогии и взаимоотношение органелл в клетке тоже можно рассматривать таким образом.

Центральное утверждение Альбрехт-Бюлера, когда он переходит к определению предмета клеточной биологии, состоит в том, что, в отличие от физических и химических, биологические процессы определяются в значительной мере информацией. Физика же, как считает автор, описывает лишь системы, характеризующиеся энергией и краевыми условиями. Попытки объединить биологию и физику делались до сих пор в ущерб биологии.

Биодимия или молекулярная биология могут объяснить, как взаимодействуют друг с другом 2-3 молекулы. Клеточная же биология призвана объяснить, как 10¹³ неживых молекул объединяются в живую клетку и что их удерживает вместе. Альбрехт-Бюлер вслед за другими авторами считает, что это "что-то" - информация в клетке и вокруг нее. Такая информация может быть записана в виде структуры мембраны, расположения элементов цитоскелета, распределения ионов. Клеточная биология должна анализировать всю записанную в виде таких "текстов" информацию. Но для каждого текста есть предел дробления на элементы, за которым анализ теряет смысл. Разбив текст на буквы, мы утрачиваем его смысл. Для анализа текста важен и контекст. (Слово "да" может иметь разные значения в разном контексте.) Альбрехт-Бюлер считает, что молекулярный анализ - это анализ букв, а не слов и тем более не предложений.

Из букв текст не сложится. Легко можно предсказать отрицательный результат мысленного эксперимента по смешиванию всех 10¹³ клеточных молекул, так как потребовалось бы по крайней мере еще знать положение всех молекул и их скорости, а это невозможно хотя бы из-за принципа неопределенности. Молекул слишком много для разумного молекулярного описания. Необходима общая теория, оперирующая надмолекулярными структурами.

Это утверждение несколько противоречит высказанному ранее: молекул слишком мало для применения химических понятий. Можно, оправдываясь, сказать, что те рассуждения касались только некоторых типов молекул. Кроме того, как отмечалось, благодаря различным внутренним структурам в цитоплазме могут сосуществовать разные типы химических превращений.

Впрочем, оба утверждения - и что молекул слишком мало, чтобы пользоваться стандартными биохимическими понятиями, и что их слишком много, чтобы надеяться дать адекватное молекулярное описание клеточных процессов, - парадоксальны. А парадоксы убеждают. Поэтому примем еще один парадокс - заявление Альбрехт-Бюлера:  "Задача клеточной биологии - исследование того, как интегрируются в одно функциональное целое физические и химические реакции внутри одной клетки. Чем больше мы входим в молекулярные детали, тем дальше уходим от решения этой задачи".

Вот так! И никаких молекулярных подходов!

Но, пожалуй, не стоит иронизировать по поводу крайностей этой блестящей работы, хотя ироничный тон предлагает сам автор. Я беру на себя смелость утверждать, что она по значимости сопоставима с таким классическим образцом, как "Что такое жизнь с точки зрения физика" Э. Шредингера.

Во всяком случае, после нее заниматься биологией клетки так, как мы занимались раньше, уже невозможно.