Героиня биофизики. Интервью вместо пролога

 Природа - не аристократка. Она
 требует, чтобы люди трудились;
 она любит мозолистые руки и делает
 свои откровения только челу,
 изборожденному морщинами.

Эрнест Ренан. Речь при избрании Пастера в Парижскую академию наук

Несчастны те люди, которым все ясно.

Пастер

По знакомо-незнакомому миру живого водил меня академик Глеб Михайлович Франк. Он согласился взять на себя обязанности гида при путешествии по лабиринту, который называется "Современные представления о строении клетки". Все, что последует далее, услышано мной от профессора Франка и его коллег по профессии или почерпнуто в написанных ими работах. Задача гида облегчалась ровно постольку, поскольку пятнадцать лет назад, на студенческой скамье, мне пришлось постигать основы биологии - конечно, той, какой она была пятнадцать лет назад. Но такого срока вполне достаточно, чтобы наука стала во многом тебе непонятной.

...Листаешь страницы специальных статей - все кажется знакомым: известны термины и так же как прежде лаконичен и порой скребуще сух язык,- все привычно и все же иногда очень трудно понять, что говорится. Знакомое по приметам оказывается неведомым. И подчас в попытках наверстать пропущенное начинаешь задыхаться, словно по шпалам догоняешь набирающий скорость поезд.

В памяти недостает элементов, необходимых для того, чтобы понимать, чтобы осязать рассказываемое сегодняшней наукой. И оказывается, что там, где зияют пропуски, должно стоять нечто, давно уже ставшее обычным для людей, которые ни на секунду не расставались с предметом. Для исследователя это "дважды два", для тебя - неизвестное.

Глеб Михайлович Франк - биофизик: его исследовательская дисциплина, измеряющая процессы жизни методами и категориями физики, играет огромную роль в современной биологии.

А современность сегодняшней биологии в том, что она вторглась не только в дебри тончайшей структуры живого, но и в глубинную суть явлений.

- Только не подумайте,- сказал Глеб Михайлович,- что теперь биология отреклась от гигантского наследства, накопленного прежде. И сейчас каждый из нас должен оставаться натуралистом. Да-да!.. Нужно все: и счет тычинок и систематика видов! - Вероятно, говоря мне все это, профессор продолжал некий давний спор, очень его волновавший.

- ...Но если, начиная от Плиния и Линнея, даже во времена Дарвина и Тимирязева, биология воссоздавала картину живого мира лишь извне,- продолжал Франк,- то теперь мы можем расшифровать детали динамики процессов, мы подбираемся к сущности формы движения материл, составляющей жизнь. Эти процессы мы теперь описываем конкретным языком физики, химии, математики. И потому биология сейчас в состоянии не только разъяснить принципы закономерностей строения конкретной живой клетки, ткани, организма того или иного вида, но и вскрыть общие законы сложнейшей из форм материального бытия. И они есть - законы передачи информации, законы превращения энергии, общие для простейших из простых форм жизни и для самых сложных...

Казалось бы, должны существовать строго очерченные границы между разными областями знания. Однако на деле кордонов между цитологией и биологической физикой, между генетикой и биохимией нет. Не вкопаны полосатые столбы, нет непреклонных часовых и застав, где бы таможенники пронизывали профессиональной своей вежливостью: "А не вывозите ли вы по забывчивости в соседнее "государство" метод ядерно-магнитного резонанса или реакцию Фёльгена?.." Оттого и возникла среди наук о живом мире молекулярная биология - исследовательское направление, объединяющее разные дисциплины для решения общей задачи.

Мир, ежедневно предстающий перед глазами биофизика,- клетка. Он микроскопичен, но это теперь уже, безусловно, макромир.

Они очень разны, клетки. Они очень специализированны, и в то же время общая схема их строения одинакова. Парадоксы подкарауливают на каждом шагу. Создав неисчислимое разнообразие организмов, природа и при этом ухитрилась построить их из стандартных деталей. Впрочем, некоторые клетки, несущие особо сложную работу, внешне совсем не похожи на своих сестер. Так, ни на что не похожи мышечные волокна.- Это крупные живые веретена, исчерченные молекулярными нитями, двигающимися друг подле друга, как зубья двух гребенок (один из механизмов мышечного сокращения).

Они ни на что не похожи, но коль вы изучаете мышечные процессы, то вам совершенно неважно, откуда будет взято микроскопическое веретено - из бедра лягушки или бицепса атлета, или откуда будет взята нервная клетка, если вы исследуете нервные процессы. Единство функций влечет за собой общность строения.

Природа вынуждена была так или иначе приходить к стандарту, работать на основе небольшого числа основных, но, видимо, оптимальных принципов и даже из одного и того же набора материалов. Всего лишь два десятка из ста известных видов аминокислот оказались годными для лепки молекул белка, из которых сложены все клетки на Земле. Кажется, этого удивительно мало, но математика, иронически посмеиваясь, подсовывает несложный расчет: из 20 видов аминокислот можно построить 10¹³⁰⁰ молекул белка разной структуры, если учесть, что чаще всего они составляются в среднем из тысячи элементов... А на Земле в итоге обнаружено не более 10⁹ их сочетаний - немалый резерв возможных проб и ошибок оставался у природы!..

Многое уже известно. Известно, "что" происходит: "клетка - от клетки", "многоклеточный организм - из одной клетки". Но нужно ответить, "как" происходит и "почему",- ответить на главные вопросы истинной пауки. А эта задача и сейчас остается сложной.

Половая клетка аккумулирует в себе не только расписание предстоящего развития нового индивидуума, но, условно говоря, и некоторую часть - остатки - информации об истории развития вида. В первые десять "лунных месяцев" существования - их люди обычно не берут в расчет, определяя свой возраст,- мы повторяем в грубой схеме длинную дорогу эволюции, занявшую миллиарды лет. Каждый - и тот, кто склонен теперь к чтению книг, более или менее внимательному, и тот, кто совсем к нему не склонен, и даже тот, кто склонен эти книги писать,- был в течение этих двухсот восьмидесяти суток последовательно одной клеточкой, затем простейшей многоклеточной формой, похожей на существующую поныне водоросль "вольвокс", затем был похож на простейшее из хордовых - ланцетника: он дышал жабрами, обрастал эмбриональной шерстью, имел хвостик,- наконец, расстался со всем, что было потеряно его пращурами, и появился на свет вполне человекоподобным.

На том превращения не закончились: в определенное время он приобрел способность усвоить речь, начать ходить. Затем, несколько лет спустя, стала увядать одна из железок - "зобная", или "вилочковая", лежавшая за грудиной, а другие железы вошли в силу, и тогда увеличился темп роста и стал ломаться голос... Можно поэтапно расписать всю долгую жизнь человека и увидеть, как в точной последовательности развертывается его развитие. Как оно привязано к определенным временным интервалам, правда колеблющимся от воздействия внешних условий: климата, питания, перенесенных болезней. Но границы этих возможных колебаний весьма узки.

Все эти метаморфозы и их развертка во времени сначала были запрограммированы в веществе одной лишь клеточки. Вот почему на этот крохотный объект нацелены бесчисленные объективы, и чуткие копья микроэлектродов воспринимают тончайшие колебания электрических потенциалов, и с валиков аппаратов сбегают ленты с записью "пульса" этой кинозвезды современной биофизики.

Глеб Михайлович не без гордости извлек из своего стола современный электронный фотопортрет клетки. "Портреты" клеток сразу же появляются не только в специальных журналах, но и в научно-популярных изданиях, как только ученые получают повод поставить на них новую цифирку или новую стрелочку, указывающую на вновь раскрытую деталь строения. Ученые - их терзает добросовестность - сопровождают микрофото схемами, аккуратно вырисованными традиционным перышком: они считают, что фотопортреты недостаточно хороши...

Сейчас биолог наблюдает уже не только с помощью электронного микроскопа. Радиоактивные "метки", оседая в определенных точках клеточного "тела", показывают распределение в нем молекул. По дифракции рентгеновых лучей вычисляются расстояния между атомами и. группами атомов в гигантских, закрученных спиралью живых полимерных структурах. Можно высчитать "шаг" этой спирали и величину "водородной связи". Счет ведется на доли ангстрема, на миллиардные части сантиметра.

И потому-то электронный фотопортрет клетки уже кажется биологу снятым слишком "общим планом". Ему нужна конкретность даже того, что не существует в статике, как орбита электрона. Нужно зрение физика, видящего "странный мир" волн-частиц, вещей-процессов.

Так рождается схема клетки.

Кое-что из воспоминаний о том, как облпк клетки менялся в глазах человека, слегка касавшегося биологии...

Когда еще школьником я узнал, что мир состоит из клеток, то, увлекшись, с наслаждением рассматривал в биологическом кабинете строение кожицы лука, увеличенной школьной оптикой аж в сорок раз. А когда я узнал, что клетки арбуза больше, то дома за обедом, прежде чем съесть, подолгу разглядывал на свет сочные ломти. И казалось мне, что я своим невооруженным глазом все-таки вижу в сладкой мякоти заветные ячейки: оболочку, ядро, протоплазму и вакуоли.

Несколько лет спустя мне пришлось учиться окрашивать микропрепараты азур-эозином, проводить срезы тканей через "ксилольный ряд" и "абсолютный" (100 градусов!) спирт. Я умел, похвастаюсь, ловко готовить "висячую каплю" - препарат для рассматривания микробов в полузатемненном поле зрения. Но, увы, на том и остановился.

От первой лекции по цитологии (дисциплина, изучающая строение клеток и процессы жизни на клеточном уровне) почему-то ожидалось многое. Читавший ее доцент слыл эрудитом. Он действительно знал очень много, но не более того, что знала наука пятнадцать лет назад. И мир клетки, увиденный сквозь "голубую оптику" окуляра, оказался почти по-школьному мал и прост: ядро, ядрышко, оболочка и почти однородная студенистая цитоплазма. Правда, были в этом студне более четкие, мелкие детали - "органоиды": митохондрии, рибосомы, "аппарат Гольджи". Я обрадовался вначале: все-таки что-то новое узнала наука за несколько лет, прошедших от первого моего знакомства с клеткой. Но, раскрыв учебник, разочаровался: это было новым лишь для меня. Для науки "аппарат Гольджи" был новинкой задолго до моего рождения. А потом она длительное время стояла на месте: не было наступательного оружия.

- ...Пятнадцать лет назад? - переспросил меня Глеб Михайлович.- Новая схема стала складываться позднее - после 1952-го. Электронная оптика показала, что цитоплазма организована удивительно строго, построена из многослойных молекулярных мембран, из сети тончайших канальцев, которые образуют в ней единую систему, связывая между собой разные структуры клетки. Как только это было увидено и понято, жизнь клетки предстала в новом свете: мы узнали, как регулируются в ней ход процессов синтеза веществ и их перемещение, и процессы преобразования энергии. Как изменяется в определенных условиях тончайшая организация "элементарной частицы живого" в нормальном для нее состоянии и когда клетка поражена... Не ради одной любознательности эти исследования. Идет поиск путей для управления происходящими в клетке событиями...

На показанном мне академиком Франком тщательном чертеже были сведены воедино черты электронного фотопортрета клетки и видение невидимого, "физико-химического" - те сведения, что были получены во многих поисках многими методами. И мир мельчайшего предстал гигантским и сложным.

В сказке математика Кэрролла девочка Алиса, попав в страну чудес, тотчас приобрела способность, которой были наделены все обитатели фантастического мира: то произвольно вырастать выше дома, выше дуба, выше неба, то сокращаться так, чтобы свободно пролезть в нору мартовского зайца.

Так и я, словно подействовали "кэрролловские силы", вдруг увидел крохотный мир клетки изнутри и пошел за своим проводником по лабиринтам, разгороженным переборками толщиной в молекулу. Студенистое вещество цитоплазмы оказалось весьма "жесткой конструкцией": каждая деталь и все в целом строго соответствовало назначению. То была фабрика, точнее, комбинат. Подъездные пути, въездные ворота. Системы "подкачки" и "перекачки", "протоки" и "шлюзы", где на время останавливались циркулирующие по протокам вещества...

Функции были строго распределены между множеством цехов. Из непрерывно пульсировавшего ядра сквозь специальные ходы то и дело выплывали и шли мимо меня по лабиринтам длинные матрицы. Они оседали на рибосомах - рибонуклеиновых грибах с толстой ножкой и крохотной шляпкой, сцепляли рибосомы по нескольку вместе. Тотчас же к рибосомам начиналась транспортировка блоков будущих молекул белков, и на матрицах - на химических "печатных схемах" - шла сборка этих гигантов микромира - ферментов или белков строительного назначения.

В митохондриях - энергетических станциях клетки - синтезировалась аденозинтрифосфорная кислота - клеточное горючее. Затем горючее переводилось в другую, более подходящую для транспортировки химическую форму и доставлялось со станций сквозь мембранные перегородки туда, где ему предстояло быть израсходованным.

Непрерывно работали десятки каналов связи. Информация, записанная в химической структуре снующих по переходам молекул, извещала о ходе синтеза, о потребностях в энергии, о событиях вне клетки. Ответом на нее были новые порции новых матриц, выбрасываемых ядром. Ритм работы - правда, он все время менялся - был единым для всех звеньев и необычайно высоким. События завершались за секунды, за доли секунд и последовательность их была строжайшей.

Я подумал, что совершенству этой сложнейшей саморегулирующейся системы, пожалуй, завидуют творцы быстродействующих электронно-вычислительных систем, управляющих самолетами, железными дорогами, химическими заводами, автоматизированными цехами. Но, впрочем, тотчас же вспомнил, что инженеры уж давно не просто пассивно завидуют, а все время подстегивают биологов, цитологов, физиологов, требуя от них новых и новых ответов на свои тысячи "что", "как" и "почему" происходит в живых системах. Инженеры мечтают смоделировать эти системы, а потом и воспроизвести в своих машинах и тем самым сделать машины компактнее и надежнее.

Я, наверное, далеко не все запомнил и заметил: стоило подумать об этих машинах, как "силы Кэрролла" перестали на меня действовать и все приняло обычные размеры - клетки, ее чертеж и мы с собеседником..."

Эпилог к прологу

Страницы, которые вы сейчас прочитали, были написаны в 1964 году. Я беседовал тогда с Глебом Михайловичем Франком по просьбе журнала "Смена" и в интервью для журнала, которое стало теперь прологом этой книжки, попробовал рассказать, каким виделся мир живой клетки биологу шестидесятых годов двадцатого века.

В 1964 году наука была вооружена почти так же хорошо, как сейчас, и исследователи видели в клетке почти все, что они видят сегодня. Как вы понимаете, эти "почти" прибавлены не случайно - за ними различия, значащие совсем не мало. Пусть изменились знания о деталях происходящих в клетках процессов и стали ясны новые подробности устройства и работы клеточных органов (органелл), но неважных "деталей" и неважных "подробностей" в клетке нет. И главное, исследователям - коллегам моею гида, которого теперь уже нет в живых,- постепенно делается все более и более ясна механика взаимодействия между клетками, составляющими сложные многоклеточные системы: ткани, органы и целостные организмы - в том числе и наши с вами человеческие тела.

Во что все это воплощается, конечно же, будет в книжке рассказано к концу: так, на мой взгляд, лучше. Вы же представляете себе в общих чертах, как выглядит клетка - эта героиня современной науки. К тому же наши повести все-таки не о ней самой, а о том, кто и как клетку открывал, как познавали ее строение, ее жизнедеятельность и ее место в мире.

То есть о том, как рождалась и становилась на ноги клеточная теория, сперва - наивная, потом - все более и более обоснованная, мудрая, реальная.

Триста тринадцать лет ушло на это дело, да оно ведь и сейчас еще не кончено. Словом, у нас с вами будет возможность ощутить, какие зигзаги проделывала мысль исследователей, какие конфликты у нее возникали за эти триста с лишним лет, как менялся темп познания, и узнать еще многое другое.

Все повести этой книжки написаны от первого лица, но у трех из них - у повестей о Гуке, Лёвенгуке и Павлове - два автора: я и Ольга Володина.

Приступим?..