Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек

Интеллект Гука был искрящимся и гибким, как резиновая лента, которая светится при растяжении. Он проникал в ту или иную сферу науки и затем расширял и освещал ее своим внутренним светом. Он много писал о механике, оптике и науках о материи. После великого лондонского пожара в сентябре 1666 года, продолжавшегося пять дней и уничтожившего четыре пятых города17, Гук помогал известному архитектору Кристоферу Рену осматривать и восстанавливать здания. Он построил мощный новый телескоп, с помощью которого изучал поверхность Марса, а также исследовал и классифицировал окаменелости.

В начале 1660-х годов Гук начал серию экспериментов с микроскопами. В отличие от микроскопов Антони ван Левенгука, это были сложные микроскопы. Две тщательно отшлифованные линзы размещались на концах трубки, заполненной водой для увеличения четкости изображения. Вот что он писал: “Если… поднести его очень близко к предмету и посмотреть через него, он одновременно увеличит предметы и сделает некоторые более различимыми, чем любой большой микроскоп. Но из-за этого, хотя их [чрезвычайно] просто делать, их очень трудно использовать, из-за малого размера и из-за близости предмета; чтобы избежать и того и другого и ввиду лишь двух рефракций я обзавелся латунной трубкой”18.

В январе 1665 года Гук опубликовал книгу под названием “Микрография, или Некоторые физиологические описания мельчайших телец при помощи увеличительных стекол с их наблюдением и обсуждением”, в которой подробно описал свои эксперименты и микроскопические наблюдения. Эта книга стала хитом года: “Самая оригинальная книга, какую я когда-либо читал”, – писал в своем дневнике Сэмюэл Пипс19.[13] Изображения микроскопических телец, никогда не виданных в таком увеличении, заворожили и восхитили читателей. Среди десятков тщательно выполненных рисунков было гигантское изображение блохи, огромная вошь с гротескным ртом паразита, занявшим восьмую часть страницы, а также сложный глаз комнатной мухи с сотнями линз, напоминающий миниатюрный многогранный светильник20. “Глаз мухи… очень похож на сетку”, – писал Гук21. Он напоил муравья бренди и смог подробно зарисовать его усики22. Однако среди изображений этих паразитов и вредителей было одно, казалось бы, неприметное изображение, которое незаметно пошатнуло самые основания биологии. Это был поперечный срез стебля растения – тонкий срез коры пробкового дуба, который Гук поместил под свой микроскоп.

Изображение сложного двухлинзового микроскопа, которым пользовался Роберт Гук. Обратите внимание на латунную трубку, в которой установлены две линзы, на пламя с несколькими зеркалами в качестве постоянного источника света и размещенный под трубкой образец.

Гук обнаружил, что пробка не была гомогенным блоком вещества. “Я взял хороший чистый кусок пробки, – писал он в «Микрографии», – и острым как бритва перочинным ножом отрезал кусок, освободив гладкую поверхность, а затем исследовал ее очень внимательно с помощью микроскопа и смог увидеть, что она слегка пористая”23. Эти поры, или клетки, не были очень глубокими, но состояли “из многочисленных маленьких ячеек”24.

Изображение среза пробки из “Микрографии” Роберта Гука (1665).

Книга вызвала неожиданно большой интерес и стала популярной во всей Англии благодаря увеличенным изображениям крохотных животных и растений. По-видимому, в этом образце Гук обнаружил клеточные стенки, но позднее в воде он увидел целые клетки.

Короче говоря, этот кусок пробки состоял из упорядоченного набора многогранных структур с выраженными повторяющимися “элементами”, соединенными в единое целое. Они напоминали медовые соты в улье или монашеские кельи.

Гук искал название для этих пор и наконец остановился на слове “клетка” (cell), от латинского cella, что означает “маленькая комната” (на самом деле Гук видел не клетки, а очертания стенок, которыми окружены растительные клетки; возможно, внутри были клетки, но никаких подтверждающих рисунков не сохранилось). “Многочисленные маленькие ячейки”, – писал о них Гук. Сам того не подозревая, он создал новую концепцию живых существ, включая человека.

Гук принялся дальше и глубже исследовать эти маленькие независимые живые элементы, невидимые невооруженным глазом. На собрании Королевского общества в ноябре 1677 года он рассказывал о том, что увидел под микроскопом в дождевой воде. Вот что было записано в протоколе собрания:

Первый представленный эксперимент состоялся в перечной воде, изготовленной на дождевой воде… помещенной туда за девять или десять дней до этого. Мистер Гук в течение недели наблюдал в ней большое количество чрезвычайно мелких животных, плававших взад и вперед. Через стекло, увеличивающее примерно в сто тысяч раз[14], они казались размером с клеща, и поэтому, по рассуждению, они в сотню тысяч раз меньше клеща. По форме они похожи на очень маленький прозрачный пузырек овальной или яйцевидной формы; этот яйцевидный пузырек движется вперед своим наиболее крупным концом. Они перемещаются в воде вперед и назад всеми возможными способами; и все, кто их видел, сочли их животными, и в этом ошибки быть не может25.

В последующие десять лет Антони ван Левенгук, узнавший о предыдущей работе Гука, связался с ним, осознавая, что увиденные им под микроскопом анималькули могут иметь нечто общее с набором живых элементов (клеток), которые Гук увидел в коре, или с кувыркавшимися в перечной воде организмами. Письма были написаны в самоуничижительном и разочарованном тоне, как, например, письмо от ноября 1680 года: “Как часто доходило до моих ушей, что я рассказываю только вымышленные истории о маленьких животных… ”26 Однако в пророческом письме, написанном в 1712 году, он продолжал: “Нет, мы можем двигаться дальше и открыть в этой мельчайшей частичке этого маленького мира новый неисчерпаемый запас материи, способной привести в другую вселенную”27.

Гук отвечал лишь изредка, но следил, чтобы письма Левенгука переводились и переправлялись в Королевское общество. Хотя Гук, по-видимому, спас репутацию Левенгука для будущих поколений, его собственное влияние на развитие клеточной биологии было довольно ограниченным. Специалист по истории клеточной биологии Генри Гаррис пишет: “Гук ни в коем случае не предполагал, что эти структуры были скелетом основополагающих единиц, из которых состоят все растения и животные. И возможно, не представлял себе, если вообще задумывался об основополагающих единицах, что они могут иметь размер и форму этих пор в пробке, которые он увидел”28. Он обнаружил “в пробке стенки живых клеток, но неправильно понял их назначение и, очевидно, не представлял себе, чем занято пространство между этими стенками в живом состоянии”29.[15] Пористый кусок мертвой коры; что еще можно извлечь из этого микрографического рисунка? Почему ствол растения имеет такое строение? Откуда берутся эти “клетки”? В чем их назначение? Являются ли они универсальными для всех организмов? И какова связь между этими живыми элементами и здоровым или больным телом?

В конечном итоге интерес Гука к микроскопии угас. Его беспокойному разуму нужны были широкие просторы, и он вернулся к оптике, механике и физике. Возможно, главной слабостью Гука и был его интерес буквально ко всему. Его мантрой стал девиз Королевского общества – Nullius in verba, который можно перевести как “Никому не верь на слово”. Гук перескакивал с одной научной дисциплины на другую, выдвигая смелые гипотезы, не веря никому на слово, завоевывая аспекты важнейших областей науки, но так и не добился окончательного авторитета ни в одном вопросе. Он сформировался по аристотелевской модели философа-натуралиста (интересующегося всеми материями, имеющего суждение по поводу любых данных), а не по модели современного ученого, достигающего авторитета в каком-то конкретном вопросе, и в результате из-за этого пострадала его научная репутация.

В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Математические начала натуральной философии”)30 – труд настолько широкий и глубокий, что он пошатнул прошлое и сформировал ландшафт науки будущего. Среди открытий Ньютона был закон всемирного тяготения. Однако Гук утверждал, что он раньше уже сформулировал законы гравитации, а Ньютон украл его наблюдения.

Это заявление было абсурдным. Гук и некоторые другие физики действительно предполагали, что планетарные тела притягивались к Солнцу невидимыми “силами”, но по математической точности и научной глубине анализа никто из них даже отдаленно не смог приблизиться к тому, что изложил Ньютон в Principia. Конфликт между Гуком и Ньютоном[16] длился несколько десятилетий, но последним, очевидно, посмеялся Ньютон. Бытует история, возможно вымышленная, о том, что через семь лет после смерти Роберта Гука, в 1710 году, когда Ньютон наблюдал за переездом Королевского общества на новое место в Крейн-Корт, в коллекции портретов недосчитались одного-единственного, а именно – портрета Гука, и Ньютон не заказал посмертную версию. Новатор в области оптики, человек, позволивший увидеть целую новую вселенную, остался невидимым для нас. До нас не дошло ни одного достоверного изображения или портрета Гука[17].

Универсальная клетка. “Мельчайшие частицы этого маленького мира”

Я мог отчетливо видеть, что вся она продырявленная и пористая, очень похожая на соты, но только эти поры были неровными… Эти поры, или клетки… на самом деле были первыми микроскопическими порами, которые я увидел1.

Роберт Гук, 1665

Как только для изучения структуры растений стали применять микроскоп, невероятная простота их строения… сразу привлекла внимание1.

Теодор Шванн, 1847

В истории биологии долины тишины часто сменяются пиками монументальных открытий. После открытия генов Грегором Менделем в 1865 году наступил период “одного из самых странных затиший в истории науки”, как выразился один историк3: о генах (“факторах” или “элементах”, как назвал их Мендель) не вспоминали почти сорок лет, пока они не были заново открыты в начале 1900-х годов. В 1720 году лондонский врач Бенджамин Мартен утверждал, что туберкулез (или чахотка, как раньше называли эту болезнь) – заразное респираторное заболевание, которое, вероятно, переносят микроскопические организмы. Он называл эти заразные элементы “невероятно мелкими живыми существами”4 и “живой заразой”5(contagium vivum, обратите внимание на слово “живой”). Мартен мог бы стать отцом современной микробиологии, если бы углубил свои медицинские исследования, но прошло еще около ста лет, прежде чем микробиологи Роберт Кох и Луи Пастер связали болезнь и гниение с микробными клетками.

Но если внимательнее приглядеться к “долинам тишины”, выясняется, что это вовсе не области затишья и застоя. Это удивительно плодотворные периоды, когда ученые пытаются осмыслить масштаб, универсальность и значение открытия. Является ли конкретное открытие универсальным и всеобъемлющим принципом функционирования живых систем или же уникальной особенностью курицы, орхидеи или лягушки? Объясняет ли оно необъяснимые ранее наблюдения? Скрывается ли за ним другой уровень организации?

В какой-то степени такие затишья объясняются тем, что для ответа на подобные вопросы требуются новые инструменты и модельные системы, а для их создания нужно время. Генетикам пришлось ждать исследований биолога Томаса Моргана, который в 1920-е годы доказал физическое существование генов, проанализировав механизмы наследования признаков у дрозофил, а также зарождения рентгеновской кристаллографии, с помощью которой в 1950-е была расшифрована трехмерная структура таких молекул, как ДНК, что в конечном итоге позволило установить физическое строение генов. Для подтверждения атомной теории, впервые выдвинутой Джоном Дальтоном в начале 1800-х годов, пришлось ждать появления катодной трубки в 1890-м и создания в начале XX века математических уравнений, необходимых для построения моделей квантовой физики, которые позволили прояснить строение атома. Клеточная биология ждала развития методов центрифугирования, биохимического анализа и электронной микроскопии.

Но еще одна причина может заключаться в том, что для перехода от описания элемента (клетка под микроскопом, ген в качестве единицы наследственности) к пониманию универсальных принципов организации, функции и поведения необходимы концептуальные эвристические изменения. Атомистические идеи являются самыми смелыми: они предполагают фундаментальный пересмотр представлений о мире на основании универсальных единичных сущностей. Атомов. Генов. Клеток. О клетках нужно думать в ином ключе: не как о предмете под лупой, а как о функциональной ячейке, в которой происходят все физиологические химические реакции, как об организующей единице всех тканей и как о едином источнике всех физиологических и патологических процессов. Требуется перейти от представления о непрерывной организации биологического мира к описанию, основанному на существовании дискретных, отдельных, самостоятельных элементов, объединяющих этот мир. Используя метафору, можно сказать, что нужно смотреть сквозь “плоть” (непрерывную, телесную и видимую субстанцию) и воображать “кровь” (невидимую, корпускулярную и дискретную).

Период с 1690-х по 1820-е годы был именно такой долиной в развитии клеточной биологии. После открытия Гуком клеток (точнее говоря, клеточных стенок) в срезе коры многие ботаники и зоологи принялись устанавливать под микроскопами образцы растительных и животных тканей, чтобы исследовать их микроскопическую структуру. Антони ван Левенгук до самой своей смерти в 1723 году смотрел в микроскоп и описывал элементы (“живые атомы”, как он их называл) невидимого мира. У него возбуждение от первого прикосновения к этому невидимому миру так и не прошло (подозреваю, что не пройдет и у меня).

В конце XVII и начале XVIII века такие микроскописты, как Марчелло Мальпиги и Мари Франсуа Ксавье Биша поняли, что “живые атомы” Левенгука могли быть не только одноклеточными существами, ткани более сложных организмов растений и животных образованы из клеток. В частности, французский анатом Биша идентифицировал двадцать одну (!) элементарную ткань в составе человеческих органов6. К сожалению, он умер в тридцать лет от туберкулеза. И хотя Биша в некоторых случаях ошибался относительно строения этих элементарных тканей, он продвинул клеточную биологию в сторону гистологии – изучения тканей и систем кооперирующих клеток.

Однако вывести теорию клеточной физиологии на основании этих ранних наблюдений в большей степени, чем все микроскописты, пытался Франсуа-Венсан Распай. Он признавал, что клетки существуют буквально повсюду – ив растительных, и в животных тканях, но, чтобы понять, зачем они существуют, нужно понять, что они делают.

Распай был человеком дела7. Этот ботаник, химик и микроскопист-самоучка родился в 1794 году в Карпантра, в департаменте Воклюз на юго-востоке Франции. Он считал себя независимым мыслителем, отказался от католических обетов и посвятил жизнь противостоянию моральным, культурным, научным и политическим авторитетам. Он не примыкал к научным сообществам, считая их излишне закрытыми и старомодными, и не учился на медицинском факультете. Однако он без угрызений совести присоединился к тайному обществу, намеревавшемуся освободить Францию во время революции 1830 года, из-за чего период с 1832 до начала 1840 года провел за решеткой. В тюрьме он обучал сокамерников правилам антисептики, санитарии и гигиены. В 1846 году Распай вновь был арестован за участие в антиправительственных манифестациях, а также за то, что давал заключенным врачебные рекомендации, не имея официального медицинского образования. Распая сослали в Бельгию, но даже его обвинители стыдились собственного приговора: “Сегодня перед судом предстоит знаменитый ученый, человек, которым медицинское сообщество могло бы гордиться, если бы он присоединился к нему и принял диплом медицинского факультета”8. Распай в своей манере отказался[18].

Несмотря на активную политическую деятельность и отсутствие формального биологического образования, в период с 1825 до 1860 года Распай опубликовал более пятидесяти статей на целый ряд тем, включая ботанику, анатомию, криминалистику, клеточную биологию и антисептику. Более того, он пошел дальше своих предшественников и начал исследовать состав, функцию и происхождение клеток.

Из чего состоят клетки? “Каждая клетка выбирает из среды, забирая только то, в чем нуждается”9, – писал Распай в конце 1830-х годов, предзнаменуя начало века биохимии клетки. “У клеток есть разные возможности для выбора, обеспечивающие разное содержание воды, углерода и оснований, входящих в состав их клеточных стенок. Легко представить, что некоторые стенки позволяют проходить определенным молекулам”, – продолжал он, постулируя идею селективной пористой клеточной мембраны, обеспечивающей автономность клеток, и утверждая представление о клетках как о метаболических единицах.

А что клетки делают? “Клетка – это… своего рода лаборатория”, – утверждал он. Остановимся на минуту, чтобы оценить масштаб этой идеи. Исходя лишь из основных предположений о химии и клетке, Распай сделал вывод о том, что клетка осуществляет химические процессы, обеспечивающие функцию тканей и органов. Иными словами, клетка обеспечивает физиологию. Он назвал клетку центром, где протекают жизненно важные реакции. Но биохимия все еще находилась в зачаточном состоянии, так что он не знал, какая химия и какие реакции реализуются в этих клеточных “лабораториях”. Он мог описывать эти процессы только теоретически. Это была гипотеза.

Наконец, откуда берутся клетки? В 1825 году в качестве эпиграфа к одной из рукописей Распай выбрал латинский афоризм Omnis cellula e cellular “Каждая клетка происходит из клетки”10. Он не рассматривал вопрос подробнее, поскольку у него не было инструментов или экспериментальных методов, чтобы это доказать, но уже этим он изменил фундаментальные представления о том, что такое клетка и что она делает.

Нестандартным людям достаются нестандартные награды. Распай, который посмеивался как над обществом, так и над разными Обществами, так и не был признан научной элитой Европы. Зато его именем назван один из самых длинных бульваров Парижа, простирающийся от катакомб до бульвара Сен-Жермен. Прогуливаясь по бульвару Распай, вы пройдете мимо Института Джакометти, где застыли в бесконечных размышлениях фигуры одиноких тощих людей на островках-пьедесталах. Каждый раз, проходя там, я думаю об одиноком и дерзком новаторе клеточной биологии (хотя Распай, надо заметить, тощим не был). Я возвращаюсь к идее о клетке как о физиологической лаборатории организма: любая клетка, растущая у нас в лабораторном инкубаторе, является лабораторией. Т-клетки, которые я разглядывал под микроскопом в оксфордской лаборатории, были “наблюдательными лабораториями”, плавающими в жидкости в поисках патогенных вирусных частиц, спрятавшихся в других клетках. Сперматозоиды, увиденные Левенгуком с помощью его стекол, были “информационными лабораториями”, которые содержали наследственную информацию мужской особи и, упаковав ее в ДНК, с помощью мощного плавательного мотора отправляли к яйцеклетке для репродукции. Как выясняется, клетки проводят физиологические опыты, забирая и отдавая молекулы, создавая и разрушая химические соединения. Это лаборатории для реакций, благодаря которым существует жизнь.

Если бы открытие автономных единиц живой материи (клеток) произошло в другое время или в другом месте, вероятно, оно не вызвало бы такого ажиотажа в биологии. Но зарождение клеточной биологии совпало по времени с периодом разгара двух наиболее острых дискуссий о жизни, волновавших европейскую науку в XVII и XVIII столетиях. Предмет обеих дискуссий сегодня может показаться весьма странным, но он отражал две самые серьезные проблемы, стоявшие на пути развития клеточной теории. Когда в 1830-е годы новая дисциплина вырвалась из своей околоплодной оболочки, клеточные биологи вынуждены были как-то решать эти проблемы, чтобы их направление науки могло окончательно сформироваться.

Первая дискуссия возникла в связи с теорией витализма: некоторые биологи, химики, философы и теологи придерживались мнения, что живые существа не могут возникать из тех же химических компонентов, из которых состоит весь окружающий мир. Теории витализма существовали еще со времен Аристотеля, но слияние витализма с романтизмом конца XVIII века породило экстатическое представление о Природе, наполненной специфическим “органическим” духом, не сводимым лишь к какой-то химической или физической материи или форме. Видными сторонниками этой точки зрения был французский гистолог Мари Франсуа Ксавье Биша в 1790-е годы и немецкий физиолог Юстус фон Либих в начале 1800-х. В 1795 году направление обрело богатый поэтический голос в лице Сэмюэла Тейлора Кольриджа, описывавшего, как “одушевленная природа” начинает жить и трепетать, когда через нее протекает эта жизненная сила, как ветерок играет на струнах арфы и производит музыку, которую нельзя выразить просто отдельными нотами. Как писал Кольридж:

А что, когда вся сущая природа —Собрание живых и мертвых арф,Что мыслями трепещут, если ихКоснется ветер, беспредельный, мудрый,– И каждого Душа и Бог Всего[19]?11

Виталисты утверждали, что жидкости и плоть живых существ помечены неким божественным знаком. Ветром, играющим на струнах арфы. Человек – не просто собрание “неодушевленных” неорганических химических реакций, и даже если мы состоим из клеток, сами клетки должны обладать этими жизненными флюидами. Виталисты не возражали против идеи существования клеток. Они полагали, что Творец, создавший все многообразие живых существ за шесть дней, вполне мог произвести их из единичных блоков (гораздо проще собрать слона и многоножку из одних и тех же деталей, особенно если дедлайн всего через шесть дней). Проблему они видели в происхождении клеток. Некоторые виталисты утверждали, что клетки зарождаются внутри других клеток, как одни люди зарождаются в утробе других; другие полагали, что клетки “кристаллизуются” самопроизвольно из жизненных флюидов, как химические вещества в неорганическом мире, с той только разницей, что в этом случае живую материю производит живая материя. Так виталисты приходили к естественному для них представлению о “спонтанном зарождении”: жизненные флюиды, наполнявшие все живые системы, были необходимым и достаточным условием для создания жизни. Включая клетки.

Виталистам противостояла небольшая оборонявшаяся группа ученых, утверждавших, что живые химические соединения и природные соединения одинаковы по своей сути и что живые существа происходят от живых существ, но не самопроизвольно, а в процессе рождения и развития. В конце 1830-х годов в Берлине немецкий биолог Роберт Ремак изучал под микроскопом эмбрионы лягушки и кровь курицы. Он надеялся увидеть в куриной крови рождение клетки – событие довольно редкое, и поэтому он ждал. И ждал. И вот однажды поздним вечером свершилось: под микроскопом он увидел, как клетка задрожала, увеличилась, раздулась и разделилась надвое, дав начало “дочерним” клеткам. Думаю, Ремак пережил волну эйфории, поскольку нашел неопровержимое доказательство тому, что развивающиеся клетки получаются в результате деления уже существующих клеток: Omnis cellula e cellula, как ненавязчиво напомнил Распай в эпиграфе[20]. Однако это открытие Ремака осталось по большому счету незамеченным, поскольку он был евреем и не мог иметь полной профессорской позиции в университете (веком позже его внук, известный математик, погиб в нацистском концлагере в Освенциме).

Но виталисты продолжали утверждать, что клетки образуются из жизненных флюидов. Чтобы опровергнуть этот тезис, противникам витализма нужно было суметь объяснить, как возникают клетки, а это, как полагали виталисты, сделать никогда не удастся.

Вторая тема дискуссий, разгоревшихся в начале 1800-х годов, касалась преформизма – идеи о том, что человеческий зародыш является полностью сформированной миниатюрной версией человека уже в момент его появления в матке после оплодотворения. Преформизм имел долгую и красочную историю. Вероятно, идея зародилась в фольклоре и мифах и была подхвачена первыми алхимиками. В середине 1500-х годов шведский алхимик и врач Парацельс писал о “прозрачных” мини-человечках, “похожих на человека”, которые существуют в зародыше. Некоторые алхимики настолько твердо верили в “предсуществование” всех человеческих форм в зародыше, что полагали, будто путем инкубации куриного яйца и человеческой спермы можно создать полностью оформленного человека, поскольку в сперме уже содержатся все инструкции для создания человека с нуля. В 1694 году голландский микроскопист Николаас Хартсокер опубликовал рисунки с изображением мини-человечков из спермы – с головами, руками и ступнями, уложенными, как оригами, в головке сперматозоида, которых он якобы обнаружил с помощью микроскопа12. Клеточным биологам предстояло показать, как такое сложное существо, как человек, может появиться из оплодотворенной яйцеклетки без готового шаблона.