Итак, в процессе эволюции клеточная мембрана растягивалась, но этому есть физический предел. Начиная с какого-то момента истончившаяся клеточная мембрана оказывается не в состоянии удержать внутри себя большое количество цитоплазмы. Представьте себе, что вы наполняете водой воздушный шарик. Какое-то количество жидкости он вполне сможет выдержать, но если вы нальете ее слишком много, он лопнет и забрызгает все вокруг. Точно так же повела бы себя и клеточная мембрана, заполненная слишком большим количеством цитоплазмы. Когда ее толщина достигла критической величины, эволюция индивидуальной клетки подошла к своему пределу. Вот почему в первые три миллиарда лет эволюции отдельные клетки были единственными организмами на нашей планете. Ситуация изменилась, лишь когда клетки нашли новый способ увеличить свою информированность об окружающей среде. Они начали соединяться друг с другом, образуя многоклеточные сообщества. В таких сообществах клетки обрели возможность делиться своими знаниями – я говорил об этом в первой главе.
В широком смысле необходимые для выживания отдельной клетки и сообществу клеток функции – одни и те же. Но когда клетки образовали многоклеточные организмы, у них появилась специализация. В многоклеточных сообществах существует разделение труда. В особенности оно очевидно для тканей и органов, выполняющих те или иные специализированные функции. Например, в одиночной клетке дыхание осуществляется митохондриями. А в многоклеточном организме ту же функцию выполняют миллиарды специализированных клеток, образующих легкие. Еще один пример: в одиночной клетке движение возникает в результате взаимодействия белков цитоплазмы, называемых актином и миозином. В многоклеточном же организме работу по обеспечению подвижности выполняют сообщества специализированных мышечных клеток, каждая из которых содержит большое количество актина и миозина.
Я повторяю эти сведения из первой главы, потому что хочу подчеркнуть: если в отдельной клетке задачу восприятия информации об окружающей среде и включение необходимого отклика на эту среду выполняет мембрана, то в нашем организме эти функции перешли к специальной группе клеток, которую мы называем нервной системой. Вовсе неслучайно и то, что нервная система человека ведет свое происхождение из кожи эмбриона, человеческого аналога клеточной мембраны.
И повторю еще раз: несмотря на то что мы достаточно далеко отстоим от одноклеточных организмов, изучение отдельных клеток, по моему убеждению, – весьма эффективный способ исследования многоклеточных организмов. Даже такой сложнейший человеческий орган, как мозг, охотнее раскроет нам свои тайны, если мы во всех подробностях ознакомимся с работой мембраны – его клеточного эквивалента.
Тайна жизни
Как вы уже знаете из этой главы, в последнее время ученые достигли значительных успехов в разрешении многочисленных загадок такой обманчиво простой клеточной мембраны. Но в общих чертах функции ее были известны еще много лет назад. Собственно говоря, именно в 1985 г. я впервые осознал, какие далеко идущие последствия может иметь изучение работы мембраны. Озарение, которое на меня тогда снизошло, чем-то напоминало поведение пересыщенных растворов. Внешне эти растворы выглядят как обычная вода, но в них так много растворенного вещества, что лишь еще одна его крупинка порождает бурную реакцию, в результате которой все растворенное вещество выпадает в виде огромного кристалла.
В 1985 г. я жил в съемном доме на просоленном карибском острове Гренада и преподавал в другой «оффшорной» медицинской школе. Было два часа ночи, и я сидел, перелопачивая свои многолетние записи по биологии, химии и физике клеточной мембраны, освежая в памяти механику мембраны и стараясь понять ее работу как системы обработки информации. И вот тут-то я и пережил момент озарения, который превратил меня… нет, не в кристалл, но в биолога, который поверил в первенство мембраны и потому не имел более морального права растрачивать жизнь попусту.
В тот ранний утренний час я коренным образом пересмотрел свои представления о структурной организации клеточной мембраны. Я как будто в первый раз посмотрел на выстроившиеся в ряд, словно солдаты на параде, фосфолипидные молекулы. Структуру, молекулы которой организованы регулярным, повторяющимся образом, принято называть кристаллом. Существует два основных типа кристаллов. Те, что знакомы большинству людей, представляют собой твердые, неподатливые минералы – к ним относятся алмазы, рубины и даже обычная соль. Кристаллы же второго типа, несмотря на то что их молекулы соединены в регулярную структуру, имеют более текучую консистенцию. Хорошо знакомым примером использования жидких кристаллов может служить индикатор электронных часов и экран ноутбука.
Чтобы лучше разобраться в том, что представляют собой жидкие кристаллы, вернемся к нашему сравнению с солдатами на параде. Когда марширующие солдаты поворачивают за угол, они сохраняют общий строй, хотя каждый из них движется индивидуально. Они ведут себя подобно текущей жидкости, но не утрачивают при этом своей кристаллической организации. Фосфолипидные молекулы клеточной мембраны ведут себя схожим образом. Их подвижная кристаллическая организация позволяет мембране динамически менять форму, сохраняя при этом свою целостность. Это – необходимое свойство гибкого мембранного барьера. В качестве определения я записал: «Мембрана – это жидкий кристалл».
После этого я задумался над тем обстоятельством, что мембрана, состоящая из одних только фосфолипидов, представляла бы собой аналог хлеба с маслом – без оливок. В описанном выше опыте подкрашенная жидкость в этом случае не смогла бы проникнуть сквозь «масляный» (липидный) барьер. Такой бутерброд из хлеба и масла не мог бы ничего проводить. Но если в игру вступают «оливки» – ИМБ, мембрана становится проводящей для одних веществ и непроводящей для других. Поэтому я продолжил свое описание мембраны следующим утверждением: «Мембрана – это полупроводник».
Наконец, я решил включить в свое описание две наиболее распространенные разновидности ИМБ. Таковыми являются рецепторы и класс эффекторов, называемых каналами, – именно эти белки позволяют клетке выполнять важнейшую функцию пропуска внутрь питательных веществ и выпуска наружу шлаков. Я уже готов был написать, что мембрана содержит «рецепторы и каналы», но тут до меня дошло, что рецепторы в данном случае – это, по существу, вентили. Соответственно, я закончил свое описание фразой: «Мембрана содержит вентили и каналы».
Я откинулся на спинку кресла и перечитал получившееся описание: «Мембрана – это жидкокристаллический полупроводник, содержащий вентили и каналы». Эта фраза меня словно ударила: я совершенно определенно уже слышал или читал что-то подобное – вот только не мог вспомнить, где именно. Но в одном был абсолютно уверен: речь там шла не о биологии.
И тут мой взгляд упал на угол письменного стола, где стоял новенький симпатичный «Макинтош» – мой первый персональный компьютер. Рядом с ним лежала ярко-красная книжка, а заголовок на ее обложке гласил: «Как работает ваш компьютер». Это было купленное мною на днях справочное руководство для пользователей. Схватив книгу, я пробежал глазами введение и почти сразу наткнулся на определение: «Микрочип – это полупроводниковый кристалл с электрическими вентилями и каналами».
