Марти Джопсон
Всё о человеке за 60 минут
Путеводитель по человеческому телу
Из чего мы сделаны? На этот фундаментальный вопрос можно дать разные ответы. Физик в своем ответе поведает о протонах, нейтронах, электронах и, возможно, даже кварках, лептонах и бозонах. Химик расскажет, что мы сделаны из атомов разных элементов, в основном углерода, водорода и кислорода, организованных в сложные молекулы. Ответ биолога будет – из клеток, ведь все живые организмы состоят как минимум из одной клетки.
В 1665 году человек по имени Роберт Гук опубликовал замечательную книгу под названием «Микрография». В то время он был куратором экспериментов недавно созданного Лондонского королевского общества. Это старейшее научное учреждение в мире до сих пор существует и находится рядом с Букингемским дворцом. Гук по своей инициативе или по указанию членов общества готовил и проводил эксперименты. Публикация книги стала огромным шагом вперед для него, ведь, в отличие от членов Королевского общества, он не был богат и не имел благородного происхождения. Только благодаря своей решимости Гук превратился в образованного человека, живо интересующегося натурфилософией – предвестницей естественных наук. Вооруженный пытливым умом и способностью изучать практически все, что хотел, он взял микроскоп и начал исследовать привычные объекты. Его книга заполнена необычными иллюстрациями на больших раскладных листах: на них изображены муравьи, пауки, поверхность листа крапивы, образцы ткани, плесени и поверхность Луны, которую Гук навряд ли мог наблюдать в свой микроскоп. Каждое изображение сопровождается подробным описанием и выводами. Несмотря на дистанцию во времени, книга удивительно легко читается и полна интересных наблюдений. Возможно, самое важное из них – № 18. В этой главе Гук повествует, как он аккуратно нарезал кусок пробки пластинками и рассматривал их под микроскопом.
Он пишет, что видел «поры, или клетки», которые «не очень глубоки, но состоят из множества маленьких коробочек». Впервые крошечные компоненты живых существ были описаны и получили название. Иллюстрация, сделанная от руки, хотя и не так красива, как муравей Гука, и не столь детальна, как гравюра блохи из той же «Микрографии», но ее можно считать одним из наиболее значительных изображений в истории биологии. Автор нарисовал серию почти прямоугольных серых фигур, тесно расположенных в упорядоченных линиях и окруженных белыми стенами. Неудивительно, что Гук назвал эти крошечные ячейки по ассоциации с рядами небольших монастырских келий – cells («клетки»). После того как ученый описал строение пробки, он провел наблюдения за другими растительными материалами и отметил схожие структуры, а в некоторых случаях клетки оказались заполнены жидкостью или «растительными соками». Правда, в работе Гука сформулирован неверный вывод о том, что пробка представляет собой грибковый нарост на поверхности пробкового дуба (а не, как мы теперь знаем, утолщение коры дерева, защищающее его во время лесных пожаров). Несмотря на эту ошибку, первые наблюдения за клетками открыли путь современной биологии и повлияли на понимание того, как работает организм человека.
Учитывая, что мы знаем о существовании клеток уже более 350 лет, вы можете удивиться, обнаружив, что нам до сих пор неизвестны все различные типы клеток, составляющие наш организм. Пусть нам удалось выделить уже тысячи типов, мы понимаем, что на самом деле их гораздо больше. Человеческое тело содержит около 37 триллионов клеток – это 37 с 12 нулями. Есть известные типы, такие как эритроциты, нейроны (нервные клетки), лейкоциты, сперматозоиды, яйцеклетки. Но чем дольше биологи изучают их, тем больше едва заметно отличающихся друг от друга типов они находят.
Рассмотрим клетки крови. Существует два основных типа клеток крови: красные кровяные тельца, или эритроциты, и белые кровяные тельца, или лейкоциты. Люди знакомы с эритроцитами примерно с тех самых времен, когда Гук опубликовал «Микрографию», но прошло еще 175 лет, прежде чем были выявлены лейкоциты. В микроскопии есть достаточно распространенная проблема, которая состоит в том, что многие клетки, в том числе и лейкоциты, прозрачны и почти невидимы. Только с открытием красителей, позволивших менять цвет клетки для проведения микроскопических наблюдений и сделавших невидимое видимым, клеточная биология расцвела и мы обнаружили не один, а десятки типов белых кровяных клеток.
Некоторые из клеток крови
Тщательно подбирая красители для микроскопических исследований, можно окрашивать отдельные компоненты внутри клеток, не затрагивая другие. Возьмем, к примеру, гематоксилин, темно-синий краситель, извлекаемый из сердцевины кампешевого дерева, растущего в Центральной Америке. Особенно хорошо он окрашивает ядро клетки, в котором содержится основная часть генетического материала в виде ДНК. Если смешать с гематоксилином человеческую кровь, большинство клеток не окрасится, поскольку эритроциты – единственные клетки человека, у которых нет ядра. Белые кровяные клетки окрасятся в синий цвет, и, изучив образец крови под микроскопом, можно будет различить три или, возможно, больше разных типов клеток. Нейтрофилы – самые распространенные и составляют до 60 % белых кровяных клеток, у них очень узнаваемое сегментированное ядро. Также удастся увидеть лимфоциты с огромным кольцевым ядром, которое, кажется, занимает всю клетку, и, наконец, моноциты с ядром в форме боба. Попрактиковавшись и – в идеале – используя другой краситель, вы также сможете обнаружить базофилы и эозинофилы и научитесь различать пять типов лейкоцитов.
У каждого из этих типов клеток совершенно разные функции. Нейтрофилы перемещаются в крови в поисках бактерий, чтобы поглотить их и уничтожить, в то время как моноциты, будучи активированными, претерпевают замечательную трансформацию, превращаясь в совершенно другой тип клеток – макрофагов-убийц, выходящих из кровяного потока и начинающих бродить внутри тканей нашего тела. Как только наука узнала, что делают белые кровяные клетки и как они участвуют в создании иммунного ответа, скромные и тускло выглядящие лимфоциты заиграли всеми красками и оказались в самом сердце этого спектакля.
Стоит отметить, что есть три разных типа лимфоцитов: В-клетки, которые вырабатывают антитела; Т-клетки, распознающие чужеродных агентов, и клетки-киллеры, которые ищут и уничтожают наши собственные клетки, захваченные вирусами. Но это лишь малая часть всех типов клеток иммунной системы. В настоящее время считается, что только в ее работу вовлечено более 20 типов клеток. Чем глубже становится наше понимание устройства иммунной системы, тем больше типов клеток мы обнаруживаем. Вот почему один из самых захватывающих биологических проектов – международный проект «Атлас клеток человека».
Довольно просто изучать одноклеточную амебу или крошечного червя, содержащего всего несколько сотен или тысяч клеток. Но если вы хотите разобраться в человеческой биологии, то вам придется постичь хитросплетение вышеупомянутых 37 триллионов клеток. Чтобы создать модель того, как все эти клетки работают вместе, вам нужно понять, что может делать каждая из них и где они находятся в организме. Биологи продолжают открывать новые типы клеток и выяснять их функции. В 2016 году два исследователя – Сара Тейхманн, работающая в Кембридже в Великобритании, и Авив Регев, которая тоже работает в Кембридже, но в штате Массачусетс в США, – объединили усилия и составили план. Они искали способы определить паттерны генов в клетке, что были активны, и тех, которые оставались бездействующими. Оказывается, в клетках, не занимающихся бурной деятельностью или медленно растущих, активны только 2 000–3 000 генов из более чем 20 000. Остальные выключены и неактивны. Посмотрев, какие гены активны, можно по генетическим признакам определить, к какому типу относится каждая клетка. Разрабатываются новые методы, которые позволят проводить подобный анализ по одной клетке, причем образец будет отбираться непосредственно из живой ткани. Тейхманн и Регев поняли, что развитие технологий сейчас дает им возможность предложить нечто столь же радикальное, как проект «Геном человека». Работа над его масштабной задачей началась в 1990 году, и ее выполнение заняло 16 лет. Последовательность ДНК последней хромосомы была опубликована в 2006 году, после того как тысячи ученых потратили многие часы и миллиарды долларов на этот проект. Результаты того исследования изменили наше понимание биологии, и «Атлас клеток человека» может сделать то же самое.
Создание атласа идет полным ходом: более тысячи ученых работают в 584 различных институтах в 55 странах, в том числе России. В апреле 2018 года в рамках проекта была опубликована первая партия данных по более чем 500 000 типам клеток. Эти результаты уже помогают углублять наше понимание биологии человека. Например, Сэм Бехжати, который работает с Тейхманн, определил, что клетки распространенной формы рака почек у детей, опухоли Вилмса, – это на самом деле эмбриональные клетки, которые не развиваются нормально, а ошибочно делятся, образуя опухоль. Вместо того чтобы лечить опухоль Вилмса с помощью традиционной химиотерапии, можно попробовать выработать правильные белковые сигналы, которые позволят клеткам превратиться в нормальные зрелые клетки почки. Другое открытие произошло, когда в легких обнаружили совершенно новый тип клеток, названных ионоцитами. Он интересен для изучения потому, что эти клетки могут быть связаны с муковисцидозом. Ранее предполагалось, что на развитие этого заболевания влияет другой тип клеток, и были разработаны таргетные лекарственные препараты. С открытием ионоцитов, вероятно, станут разрабатываться другие, более эффективные методы лечения муковисцидоза.
Биологический смысл у слова «клетка» никогда бы не появился, если бы Роберт Гук не понял, что все образцы, которые он наблюдал под своим микроскопом, составлены из одинаковых кирпичиков жизни. Большая удача, что он сделал свои открытия, наблюдая за кусочком пробки. Ограничения технологии, которую он использовал, не позволили ему применить свои идеи в других местах, и поэтому он решил сравнить микроскопические отсеки с кельями монахов. Большинство клеток, идентифицированных во время работы над «Атласом клеток человека», чрезвычайно мало похожи на пробковые клетки, не говоря уже о монашеских кельях. Мне очень повезло, что я посетил Королевское общество в Лондоне, где работал Гук, и в его замечательной библиотеке мне разрешили просмотреть авторскую копию «Микрографии». Изображения насекомых, цветов и грибных спор великолепны и причудливо детализированы, но на иллюстрации, что произвела на меня наибольшее впечатление, была нарисована простая пробка.
02. Некоторые неудобные биологические вопросы
Вы уже одомашнены?
Одна из самых замечательных особенностей людей – наша способность ладить друг с другом. Вы можете подумать, что это не так. Каждый раз, когда смотрите новости, вы слышите бесконечные сообщения о том, как люди агрессивны и жестоки по отношению к другим. Смерть и война постоянно преследуют нас со страниц газет и телевизионных экранов. Тем не менее ученые и историки подвергли сомнению вывод, который кажется очевидным при взгляде на ту информационную диету, которой нас кормят популярные СМИ. Наиболее красноречивый контраргумент предложил Стивен Пинкер, известный когнитивный психолог из Гарвардского университета в США.
Пинкер проанализировал смертельные случаи за всю историю и пришел к выводу, что мы живем не в эпоху войн и насилия, как может показаться, а во времена беспрецедентного мира. Это заявление выглядит еще более парадоксальным, учитывая постоянно увеличивающееся население Земли. И все же люди – социальные существа и совсем не похожи на наших ближайших родственников. Большие группы обезьян, особенно шимпанзе, склонны к жестокости. Мы же, в отличие от шимпанзе, можем выстраивать наши отношения с незнакомцами без насилия. Люди стали заметно менее агрессивными по сравнению со своими ближайшими родственниками. По иронии судьбы, когда подобное происходит с другими видами – собаками, кошками, овцами или лошадьми, – причиной таких изменений в их поведении становится человек. Ведь одна из ключевых задач при одомашнивании вида – сделать его менее агрессивным и более склонным к ненасильственному взаимодействию с людьми. Одомашнили и укротили ли мы самих себя?
Самый известный научный эксперимент по одомашниванию проводился в Новосибирске. В 1959 году советский зоолог Дмитрий Беляев, вдохновленный новой наукой генетикой и своей предыдущей работой в отделе разведения пушных зверей, решил попытаться одомашнить серебристо-черную лису. Следует отметить, что это был смелый поступок. Ведь в конце 1940-х годов, в сталинское время, агроном Трофим Лысенко отверг теорию Дарвина, заявив, что генетика – антикоммунистическая наука и должна быть запрещена. Эта идея получила поддержку со стороны государства, и в результате тысячи биологов вынуждены были оставить исследования в области генетики.
Беляев начал работу после смерти Сталина: Советский Союз вступил в хрущевскую эпоху, но, хотя генетика больше не находилась под запретом, ученые, занимавшиеся ею, шли на большой риск. Влияние Лысенко ослабло, и все же в 1959 году эксперимент с лисами был близок к закрытию, едва успев начаться. В попытке вернуть себе политическую власть Лысенко создал комитет, осудивший работу института, в котором работал Беляев. Затем, в том же году, советский лидер Никита Хрущев решил разобраться в ситуации сам и посетил Новосибирск. Хрущев, видимо, был готов закрыть весь институт. Судя по сообщениям сотрудников, лишь под влиянием своей дочери Рады, журналиста и дипломированного биолога, Хрущев смягчился и уволил только директора института. Беляева, тогда заместителя директора, повысили в должности, и его длящийся к тому времени всего один год эксперимент с лисами продолжился.
Хотя одомашнивание животных вызывает наибольший интерес, не менее сильно повлияло на человеческий вид и одомашнивание растений. Без однотипных, высокоурожайных сортов основных культур, таких как пшеница, кукуруза и рис, сельскохозяйственная революция, которая способствовала развитию более крупных сообществ и технологий, никогда бы не произошла.
Пока Беляев планировал эксперимент, всю работу с лисами выполняла его научный сотрудник Людмила Трут[1]. Она разработала программу скрещиваний и подвергала каждого щенка после достижения им одного месяца простому тесту. Трут пыталась гладить и держать животное во время кормления. Тест повторялся ежемесячно в течение первого полугодия жизни щенка без каких-либо других значительных контактов с человеком в остальное время. В конце этого периода щенков оценивали по шкале прирученности, и только 20 % из них, получивших высшие баллы, отбирали для дальнейших скрещиваний. В течение всего лишь шести лет искусственного отбора и спустя шесть поколений были выведены лисы, радовавшиеся общению с людьми: они виляли хвостами, скулили, когда их оставляли, и облизывали руки экспериментаторов. К 1979 году и 20-му поколению лис уже около трети щенков получали максимальные баллы по шкале прирученности. К 2009 году этот показатель вырос более чем вдвое. Таким образом, для того чтобы одомашнить лису, потребовалось всего 50 поколений. За эти 50 лет изменения были не только социальными и поведенческими – лисы изменились и внешне. Их черепа стали менее тяжелыми и более тонкими, морды укоротились, мех стал пестрым и даже порыжел, а клыки уменьшились в размере. Этого можно было ожидать, основываясь на исследованиях окаменелостей и наблюдениях за другими одомашненными животными. Кажется, одомашнивание неразрывно связано не только с повышением социальности, но и с физическими изменениями в теле, особенно в черепе. Подобное, вероятно, произошло и с нами.
Исследование древних ископаемых останков человека, проведенное учеными из США, показало, что в какой-то момент между 90 000 и 80 000 лет назад наши черепа изменились. Тяжелая надбровная дуга над глазами и общая высота черепов уменьшились. Кроме того, по сравнению с Homo erectus и Homo heidelbergensis наши челюсти стали меньше выдаваться вперед. Лицевая часть черепа уменьшилась вместе с клыками. Все эти характеристики можно обнаружить не только в человеческих окаменелостях, но и у лисиц Беляева и Трут. Разумно предположить, что если наши черепа демонстрируют признаки одомашнивания, то последнее может быть и причиной нашей дружелюбности и общительности. Это значимо для эволюции, так как в условиях естественного отбора необходима возможность передавать свои гены детям. По мере того как количество людей росло, а сообщества становились многочисленнее, те, кто успешнее взаимодействовал со множеством других особей, с большей вероятностью преодолевали социальные сложности, связанные с поиском партнера для размножения, рождением детей и последующим их воспитанием. Быть более социальным и менее склонным к агрессии по отношению к незнакомцам стало эволюционным преимуществом. Сам факт того, что людям необходимо взаимодействовать друг с другом в больших группах, создает давление отбора, подобное тому, какому Беляев и Трут искусственно подвергали лис.
Поверхностные свидетельства указывают, что люди, так же как волки, лошади и крупный рогатый скот, подверглись одомашниванию. Однако мы знаем лишь, что произошло, но не как. В числе первых изменений, которые Беляев и Трут обнаружили у своих дружелюбных лисиц, было снижение уровня адреналина в крови щенков. Дальнейшая работа показала, что в основе некоторых социальных и физических изменений также может лежать снижение уровня тестостерона. Однако наиболее интересные находки выявили корреляцию между общими чертами одомашнивания и судьбой одного типа клеток, которые можно обнаружить на самых ранних этапах эмбриогенеза, – клетках нервного гребня.
Формирование клеток нервной трубки и нервного гребня
Одно из первых событий, происходящих во время развития эмбриона человека и любого млекопитающего, – закладка нервной трубки. Примерно через восемь дней после оплодотворения человеческий эмбрион представляет собой полый шарик из клеток. В этот момент развивающаяся поверхность зародыша загибается внутрь, создавая внутреннюю трубку, которая затем отшнуровывается. Далее она развивается в спинной мозг, головной мозг и нервную систему растущего человека. Клетки, которые помогают управлять формированием нервной трубки и остаются после завершения этого процесса, – это клетки нервного гребня. Они развиваются в ряд тканей и структур в организме, от костей головы до пигментных клеток кожи, надпочечников и даже зубов. Этот набор, на первый взгляд разрозненный, оказывается, довольно хорошо вписывается в изменения, происходящие в процессе одомашнивания. В эксперименте Беляева и Трут трансформировалась форма черепов лис, модифицировались зубы, менялся цвет кожи и снижался уровень адреналина, который образуется в надпочечниках. Такая корреляция дает основания думать, что изменения в клетках нервного гребня могут быть основной причиной одомашнивания. В настоящее время это всего лишь гипотеза, и на момент написания книги не существует убедительных доказательств, позволяющих установить причинно-следственную связь между клетками нервного гребня и одомашниванием. Если доказательства появятся, это будет прорывом в нашем понимании того, как люди стали такими общительными, одомашненными и прирученными.
