Живые существа, состоящие из одной клетки, ведут себя как разумные. Инфузория туфелька, одноклеточный организм, живущий в пресной воде, способна формировать в себе условный рефлекс.

В опытах ёмкость с водой, где она живёт, делили на светлую и тёмную половины. Каждый раз, когда она переплывала в светлую половину, следовал удар электрическим током, и она немедленно возвращалась в тёмную половину. Через 45 минут тренировки инфузория, дойдя до границы светлой половины, поворачивала назд, не дожидаясь удара. Памяти ей хватало примерно на полтора часа, потом туфельку нужно было снова тренировать^[1].

Если одноклеточные организмы в состоянии обладать условным рефлексом, можно предположить, что клетки многоклеточного организма обладают не меньшими способностями.

Подарком будущим исследователям-биологам было появление версии, что многоклеточные организмы представляют собой объединения клеток, сформированное этими клетками. Добровольны такие объединения или нет, вопрос пока открыт, но большинство исследователей постепенно склоняются к тому, что в поведении клеток есть нечто, позволяющее увидеть признаки проявления воли.

Впервые эту мысль высказал в конце 1850-х годов выдающийся немецкий биолог Рудольф Вирхов. Она была названа «теорией клеточного государства». По его мнению, любой живой организм – это «сумма живых единиц, из которых каждая несёт в себе всё необходимое для жизни».

«Каждый знает, что наш организм есть федерация огромного множества отдельных клеток. Однако мы часто недооцениваем тот простой факт, что каждая из этих клеток – сложный индивидуум, обладающий собственными принципами поведения. Если не понять эти принципы, нельзя разобраться во взаимодействиях клеток в организме»^[2].

Оставим на совести выдающегося вирусолога выражение «каждый знает». По моим впечатлениям, такое понимание организма пока в сознании не у каждого.

Многие десятилетия биологи без особого успеха занимаются решением проблемы индивидуализации, поиском критериев отличия организма от группы клеток или организмов^[3]. Побеждают постепенно представители так называемого плюрализма концепций.

Они считают, что организм существует как научная категория, но в реальности его может и не быть^[4]. Допускается, что даже универсальная для всей биологии научная категория организма отсутствует, есть частные определения его для отдельных задач. Например, при изучении грибов – одна категория, а при изучении муравьёв – другая. Отсутствие общего понимания того, что есть организм, многие учёные не считают большой проблемой^[5]. Но есть и те, кто сомневается вообще в необходимости использовать термин «организм»^[6].

Является ли соединение стенок клеток основанием для того, чтобы отделять клетки организма от живущих в нём свободных микроорганизмов? До последнего времени это считалось само собой разумеющимся. Но сейчас это начинает подвергаться сомнению.

Высказывается даже мнение, что сама категория «организм» излишня, она только запутывает исследователя. Для меня такой подход поразителен. Думаю, что не только для меня. Мы оставим эту дискуссию, лишь отметив, что категория «организм», абсолютно понятная нам, подвергается сомнению специалистами.

Уровни эволюции

Чтобы осознать такое радикальное мнение, разберёмся, из чего состоит организм, начиная с самого нижнего уровня. Мельчайшая единица, с которой можно начать – это атом. Вся материя, в том числе и живая, состоит из атомов. Строение атома оставим в стороне, хотя изложенное далее можно проиллюстрировать и на примерах мира элементарных частиц. Атомы могут быть ионами (положительно и отрицательно заряженными) и нейтральными. Ионизация атомов стимулирует связи между ними.

Следующий уровень – молекулы, объединения атомов. Представление о молекуле как о группе атомов, объединённых химическими связями, в последнее время претерпевает существенные сдвиги. Помимо химических связей атомы объединяются в молекулы не только химическими связями, но и так называемыми силами ближнего взаимодействия.

Атом или молекула могут находиться внутри другой молекулы и вообще быть никак с ней не связаны ни химическими, ни ближними связями. Здесь работает геометрия, одна группа атомов охватывает другую.

Следующий уровень – органелла, комплекс биомолекул, обеспечивающий химические и электрические процессы внутри клетки. Существует множество органелл, которые встречаются в разнообразных живых существах.

Каждая живая клетка, основная единица всего живого, ограничена стенкой (мембраной) и, в большинстве, располагает ядром, которое выполняет функции, относимые биологами к управлению. Вокруг ядра находится цитоплазма, которая содержит органеллы разных типов.

Среднее число клеток в теле человека – примерно 100 триллионов. Они обеспечивают обмен веществ (метаболизм), воспроизводство и многие другие нужные (им?) функции. Они делятся на прокариотные и эукариотные. Первые меньше размерами, проще по устройству, у них нет ядра. Эукариотные клетки больше первых примерно в 15 раз, более сложны и более специализированы. Клетки более разнообразны, чем органеллы.

Ткань – следующий уровень живого, представляющий собой сочетание различных видов клеток, выполняющее определенные локальные функции. Клетки, образующие ткань, могут быть различными, но они обязательно должны быть одного и того же происхождения. Так получаются нервные и соединительные ткани, ткани кожи и мускулов.

Соединительные ткани состоят из волокон, в них одно направление межклеточных контактов отличается от другого. Ткань мускулов реагирует на прикосновения, производит механические воздействия. Из тканей нервов формируется спинной и головной мозг и так далее.

Ещё один уровень в иерархии живого – орган. Это – такое объединение разных тканей, которое выполняет специфические функции: легкие, почки, глаза, язык и прочие. В каждом органе какие-то ткани выполняют основные функции, а какие-то исполняют свои функции время от времени.

Следующий уровень – системы органов: зрительная, обонятельная, тактильная и другие. У растений есть системы тропизмов, также представляющие собой взаимодействие органов. Например, желудочно-кишечный тракт – система многих взаимодействующих органов: зубы, ротовая полость, пищевод, железы и так далее.

И, наконец, мы добрались до организма, который может быть одноклеточным или многоклеточным. В рамках генетики организм исследуется как нечто единое целое. Но определённые части ДНК все-таки приписываются двум предыдущим уровням иерархии – органам и системам органов.

В современной биологии наследование приписывается организму, генетика систем органов, органов, клеток и органелл рассматриваются через генетику организмов. Вместе с тем, возможен и другой подход, а именно, строить независимые генетические линии для всех эволюционных уровней, и только затем обращаться к генетике организмов. Крайний вариант такого подхода – полагать, что генетика клетки способна объяснить наследственность систем органов и организмов. К этому постепенно всё идет^[7].

Смысл слова «добровольно»

Теперь можно приступить к обсуждению того, насколько добровольным можно считать объединение клеток в организм. Для начала опишу относительно простой опыт.

В искусственную питательную среду помещают смесь клеток почек и печени мыши. Перемешиваем, чтобы они были распределены произвольно. Но вскоре клетки начнут перемещаться так, что через некоторое время сформируются два сгустка клеток. Один будет состоять из клеток печени, другой – из клеток почек. Что это? Орган образуется по той причине, что клетки хотят (?!) быть вместе.

В учебниках для биологов подробно разобран аппарат наследования через хромосомы, но в них почти никогда не объясняется, каким образом информация, содержащаяся в хромосомах, начинает действовать, то есть определять формы и прочие свойства клеток, тканей, органов и организмов.

Последовательность молекул, формирующих ДНК, по многим видам живых существ известна. Но неизвестно, как читать эту последовательность, для того, чтобы в результате получилась рука или нога.

Исследователи из Гарвардского университета с помощью новых современных методов изучали процесс последовательных изменений способов прочтения ДНК при развитии эмбрионов лягушки и рыбки данио-рерио (рыбы-зебры).

Странный выбор учёных объясняется тем, что у этих объектов исследований – самые большие по размерам яйцеклетки. При одном способе чтения получается новая клетка одной специализации, если способ чтения изменить, то другой. Была составлена карта изменения прочтений ДНК в течение первых суток жизни эмбриона, какие гены становятся значимыми на каждом шаге деления начальной клетки.

Каждая клетка развивающегося эмбриона содержит геном организма в целом. Но как будто общий чертёж организма поделен на части, и как будто чертёж будущего здания (организма) отдан разным бригадам строителей. И каждая бригада читает свою часть чертежа, относящуюся к ткани, органу или системе органов.

Исследователи из Гарварда построили каталог генетических «рецептов» порождения клеток разных типов^[8]. Эта работа была очень непростой, в неё входили не только традиционное секвенирование, определение последовательности молекул ДНК, но и сложные вычисления, и серия экспериментов.

Ими доказано, в частности, что в искусственных питательных средах заметно отличается поведение нормальных и раковых клеток. Раковые клетки не реагируют на жизненно важные сигналы от клеток-партнёров, они становятся неуправляемыми со стороны других клеток. Раковые клетки не подчиняются правилам «клеточного государства». Рак есть возвращение клеток к самостоятельному существованию их подобно бактериям (или вирусам), некогда освоившим Землю.

Раковые клетки поражены тем, что в медицине называется аутизмом^[9]. Живые клетки, выращиваемые в чашке Петри, перемещаются по дну сосуда. При встрече двух здоровых клеток между ними обычно возникает контакт, что заметно по приостановке их движения. От частоты контактов зависит скорость деления клеток. Чем чаще контакты, тем медленнее идет деление. Если контакты достигают определённой частоты, то деление клеток прекращается. Этот механизм предотвращает избыточное увеличение числа клеток (перенаселение).

Раковые клетки-аутисты при встрече с другой клеткой не замедляют движения и проходят мимо, как будто те какие-то соринки, случайно попавшие в раствор. Вследствие игнорирования встреч они не перестают делиться даже тогда, когда их избыток.

Замедление движения при встрече здоровых клеток свидетельствует о том, что между клетками идёт обмен информацией. Обмен сигналами между клетками в настоящее время – явление точно установленное, но на практике редко учитываемое.

Без общения нельзя выработать и подчинение деятельности каждой клетки целям организма как сообщества. Такое подчинение доходит до границ, которые в человеческом обществе встречаются только в критических ситуациях, например, программируемая смерть некоторых клеток для того, чтобы оставшиеся клетки могли продолжать жизнь сообщества (организма).

По каждой из таких «договорённостей» можно иногда найти соответствие между взаимодействием клеток внутри организма и внутри сообщества одноклеточных организмов. Некоторые виды взаимодействий существуют только внутри многоклеточных организмов. Но другие виды взаимодействий есть внутри сообществ одноклеточных, а в многоклеточных организмах они отсутствуют. Но пересечений, всё равно, очень много.

Клетка вместе, клетка отдельно

Клетки в тканях механически соединены между собой адгезией (слипанием) их стенок со стенками клеток-соседей. К этому добавляется воздействие внешних (по отношению к ткани) сил. Морфогенез и развитие (рост) ткани идёт в разных геометрических формах: порождаются слои, волокна или уплотнения (constriction) с тем, чтобы ткань соответствовала потребностям организма.

Этот процесс трактуется как предмет, пограничный между физикой и биологией. По этой причине, будет сложным трактовать этот процесс в духе формирования коллектива клеток.

Но давайте попробуем. Первый тезис состоит в том, что форма отдельной клетки определяется внутриклеточным давлением и противостоящим ему клеточным каркасом, так называемым «цитоскелетом» (cytoskeleton) ^[10].

Следовательно, для обретения формы клетка должна вырастить этот цитоскелет. Ни ткань, ни орган, ни организм к этому процессу не имеют отношения. Более того, установлено, что адгезия стенок соседних клеток также является процессом, касающимся самих взаимодействующих клеток, но не ткани, органа или организма^[11].

Цитоскелет устроен непросто, он состоит из трёх основных типов нитей, образующих три системы: микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Белки цитоскелета, как и любые белки клетки, закодированы в ДНК^[12].

Более ста лет назад было установлено, что внутри клетки существует нервномоторный аппарат, предшественник нервной системы^[13].

Особое внимание исследователей сейчас привлечено к микротрубочкам. Установлено выполнение ими функций переработки и передачи информации, наряду с опорной и двигательными функциями^[14]. Некоторые исследователи полагают, что система переработки информации у микротрубочек ничуть не проще, чем «разум человека»^[15].

Морфогенез (возникновение и развитие) ткани идёт, когда механические свойства клеток изменяются, когда клетки делятся или погибают, или когда изменяются внешние условия.

В физике морфогенеза исходят из того, что внешние силы, воздействующие на ткань, и внутренние силы клетки должны быть сбалансированы. Иначе клетка не сможет сохраниться^[16]. Есть математические модели и физические описания формирования и балансировки механических сил, которые определяют морфогенез тканей^[17].

Привлекательными для исследователей оказались в этом плане клетки кожи. Они позволяют использовать двумерные модели, из которых наиболее распространены так называемые вершинные модели (vertex models) ^[18]. С их помощью выявляют взаимозависимости между формой клетки, силами внутри неё и механическими воздействиями на ткань, прежде всего, кожную. Вершинные модели показывают, какие силы, влияющие на состояние и форму кожного покрова, формируются внутри клеток^[19].

В дополнение к экспериментам с лазерами, всплеск которых начался в последние годы^[20], в исследованиях взаимодействия клеток кожи применяются и методы механических воздействий на кожу в сочетании с вершинными моделями^[21].

Кроме вершинных моделей применяют крупнозернистые (coarse-grained) и континуальные модели. В крупнозернистых моделях применяется метод объединения отдельных клеток в группы. Это очень напоминает формирование психологически совместимых групп людей: экипажей танков или кораблей, производственных бригад. Что следует из такого подхода, кроме теоретических построений?

Очень многое. Изменится, например, подход к онкологическим заболеваниям, которые, вероятнее всего, будут трактоваться как разлад между клетками опухоли и клетками организма, некоторый аналог революции или (гражданской) войны. Нарушение сотрудничества между клетками приводит к временному или окончательному разрушению организма.

Сотрудничество клеток в организме идёт по разным направлениям, в том числе как специализация типов клеток для выполнения различных функций в организме, понимаемом как сообщество клеток.

*   *   *

Вряд ли можно считать общепринятой идею о том, что организм является добровольным объединением клеток. В равной мере никто всерьёз не собирается отказываться от практического использования в исследованиях категории «организм».

И всё равно, в среде исследователей идут рассуждения о том, что, возможно, живая клетка сама по себе обладает собственной линией поведения независимо от того, соединена ли она физически с другими клетками или нет. И каждый, кто придёт в биологию или медицину, так ли иначе будет в эти размышления включаться.

Причём всех участников обсуждений будет подталкивать к единому мнению новая наука – метагеномика^[22]. Что она собой представляет?

Дело в том, что в мире микроорганизмов, в особенности, почвенных, часто может происходить обмен генами. По этой причине сложилось такое направление в биологии, когда исследуется генетика не отдельно взятого микроба, а генетический материал, полученный из пробы воздуха, воды или почвы, без разделения его по принадлежности отдельным видам микроорганизмов.

Наука метагеномика появилась относительно недавно, но развивается она очень быстро, хотя исходно в ней игнорируется категория «организм».

В мире собрано множество метагеномных библиотек, существует даже интегрированная система для изучения микробных генов, разработанная специально для метагеномных исследований.

А читателям журнала «Страна знаний» можно перечитать мою статью «Миллиарды лет после свадьбы» №8 2018, где рассказано, как лишайник, многие годы считавшийся единым организмом, на самом деле оказался парой взаимодействующих между собой организмов – водорослью и грибком.

---

[1] Волцит О.В., Черняховский М.Е. Природа России: жизнь животных. Беспозвоночные. М.: ООО Фирма: АСТ, 1999. 768 с.
[2] Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо // Соросовский образовательный журнал, 1996, №2. C. 36–43; №4. C. 4–10; 1999, № 6. C. 18–23; 2000, №6. C. 2–7; 2001,№11. C. 2–6.
[3] Clarke E. The Multiple Realizability of Biological Individuals // The Journal of Philosophy, 2013, № 110 (8), Р. 413-443.
[4] Kovaka K. Biological Individuality and Scientific Practice. // Philosophy of Science, 2015, № 82(5), Р. 1092-1103.
[5] Queller D. C., Strasmann J. E. Problems of Multi-Species Organisms. Endosymbionts to Holobionts. // Biology&Philosophy, 2016, №31(6), Р. 855-873.
[6] Pepper J. W., Herron M. D. Does Biology Need an Organism Concept? // Biological Reviews, 2008, №83(4), Р. 621-627.
[7] Alt S., Ganguly P., Salbreux G. Vertex models: from cell mechanics to tissue morphogenesis // Phil. Trans. R. Soc. B 2017, 372: 20150520, http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2015.0520
[8] Jiang K. From One, Many. Harvard scientists reveal the genetic roadmap to building an entire organism from a single cell, Harvard Medical School, 26.04.2018, C З, https://hms.harvard.edu/news/one-many
[9] Зюсс Р., Кинцель В., Скрибнер Дж. Д. Рак: эксперименты и гипотезы, Издательство Мир,1977
[10] Heisenberg C-P., Bellaıche Y. Forces in tissue morphogenesis and patterning. // Cell, 2013, 153, 948–62. (doi:10.1016/j.cell.2013.05.008)
[11] Maıtre J-L., Berthoumieux H., Krens S.F.G., Salbreux G.,Julicher F., Paluch E., Heisenberg C-P. Adhesion functions in cell sorting by mechanically coupling the cortices of adhering cells. // Science 2012, 338, 253–256. (doi:10.1126/science.1225399)
[12] Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. // Соросовский Общеобразовательный Журнал. 1996 г. № 2. C. 36–43;
[13] Довгель В.А. Курс сравнительной анатомии беспозвоночных. Вып. 2. Нервная система и органы чувств, Л.: Госиздат, 1925, 223 с
[14] Слядников Е.Е. Физическая модель и ассоциативная память дипольной системы микротрубочки цитоскелета // Журнал технической физики,. 2007. т. 77, №. 7. С. 77–86
[15] Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо, Соросовский Общеобразовательный Журнал, 1999, №4. C. 4–10.
[16] Hochberg M. E., Marquet P. A., Boyd R., Wagner A. Innovation: an emerging focus from cells to societies. // Phil. Trans. R. Soc. B 372, P. 1-19
[17] Fletcher A.G., Cooper F., Baker R.E. Mechanocellular models of epithelial morphogenesis. // Phil. Trans. R. Soc. B, 2017, 372, 20150519. (doi:10.1098/rstb.2015.0519), Mao Y., Green J.B.A. Systems morphodynamics: understanding the development of tissue hardware. // Phil. Trans. R. Soc. B 2017, 372, 20160505. (doi:10.1098/rstb.2016.0505)
[18] Fletcher A.G., Osterfield M., Baker R.E., Shvartsman S.Y. Vertex models of epithelial morphogenesis. Biophys. J., 2014, 106, 2291–2304. (doi:10.1016/j.bpj. 2013.11.4498), Honda H., Nagai T. Cell models lead to understanding of multi-cellular morphogenesis consisting of successive self-construction of cells, J. Biochem. 2015, 157, 129–136. (doi:10.1093/jb/mvu088)
[19] Graner F., Jiang Y., Janiaud E., Flament C. Equilibrium states and ground state of twodimensional fluid foams. // Phys. Rev. 2001, E 63, 1–13.
[20] Bonnet I., Marcq P, Bosveld F., Fetler L., Bellaiche Y., Graner F. Mechanical state, material properties and continuous description of an epithelial tissue. // J. R. Soc. Interface, 2012, 9, 2614–2623 (doi:10.1098/rsif.2012.0263)
[21] Harris A.R., Peter L., Bellis J., Baum B., Kabla A.J., Charras G.T. Characterizing the mechanics of cultured cell monolayers. / Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2012,109, 16 449–16 454. (doi:10.1073/pnas.1213301109)
[22] См, например: Durso L.M., Harhay G.P., Bono J.L., Smith T.P.L. Virulence-associated and antibiotic resistance genes of microbial populations in cattle feces analyzed using a metagenomic approach. // Journal of Microbiological Methods, 2010, December, 16

Ю.П. Воронов, кандидат экономических наук, член редколлегии журнала «ЭКО»