Микроскопические приемники и передатчики информации

В микромире действуют свои законы. До этого разговор шел о живых организмах, которые вооружены многоклеточными живыми приборами и мозгом, контролирующим и принимающим информацию от этих приборов. А теперь заглянем в межклеточные взаимоотношения, о которых наш мозг часто ничего и не знает или же не вмешивается в отношения между микроскопическими одноклеточными существами, у которых все живые приборы — это части клеток.

Живые клетки очень подвижны, они делятся, перемещаются, а самое главное — узнают друг друга; причем узнают не только при непосредственном контакте, но и на расстоянии. И это не все. Иногда живым клеткам приходится поддерживать контакт через толстые клеточные пласты — речь идет о дистанционной связи. Трудно даже вообразить, насколько обособленной должна быть такая связь: ведь все клетки, находящиеся между приемником и передатчиком, сами «разговаривают» между собой. Поскольку природа их связи очень близка, здесь между приемником и передатчиком слышатся уже не отдельные «радиопомехи», а сплошной гул сливающихся голосов. И все же и приемник, и передатчик выделяют из этого гула необходимые им сигналы, информация передается, несмотря ни на какие помехи. Ни один созданный человеком приемник не мог бы работать в таких условиях.

А как доказать, что клетки связываются друг с другом и что связь на расстоянии очень надежна? Поместить внутрь клеток какие-то приборы, как уже отмечалось, не представляется возможным. Однако ученые нашли способы раскрытия сокровенных тайн межклеточных связей. Помогли таксисы — сложные процессы ориентации живых клеток под влиянием химических веществ и полей различной природы. Таксис можно сравнить с наведением ракеты на цель, но только самоуправляемой, сходной с той, которая имеет аппаратуру наведения на инфракрасные лучи. Клетка принимает сигнал и движется навстречу передатчику и стыкуется с ним. Бывает наоборот: клетка движется от передатчика и старается избежать его. Если таксис положительный, то приемник должен найти передатчик, и куда бы ни отклонялся в определенных пределах передатчик, он будет найден клеткой, стремящейся к нему. При перемещении передатчика происходит корректировка траектории, принимающей сигналы клетки, как и в случае с самонаводящейся ракетой.

Существует много различных видов связи, один из них — хемотаксис — химическая ориентация живых клеток в пространстве. Он осуществляется с помощью хеморецепторов, расположенных прямо на самой клетке. Лучше всего хемотаксис наблюдать на одноклеточных организмах — инфузориях и амебах. Очень интересно, как они убегают от одних химических веществ и движутся к другим, переходят из низкой концентрации в высокую или наоборот. Подобные «крупные» клетки помогают нам представить себе, как и в нашем организме движутся, используя хемотаксис, различные макрофаги, нейтрофилы, базофилы, моноциты и лимфоциты, то есть клетки, относящиеся к белой крови, призванные защищать организм от непрошеных вселенцев.

Исследования показывают, что хеморецепторы очень чувствительны к изменению химического состава вещества вокруг клетки. Часто они ощущают буквально считанные ионы, присутствующие в водной среде или в крови.

Кто бывал на море ночью, тот мог видеть слабый мерцающий свет. Это светятся одноклеточные организмы — ночесветки. Стоит только стукнуть веслом по воде, как свечение становится значительно интенсивнее, вода в этом месте вспыхивает голубоватым светом. Это ночесветки в ответ на механическое раздражение как бы зажигают свои клетки — фонарики. Таким же свечением они отвечают на самое незначительное повышение ионов натрия или сахара в воде. Их хеморецепторы — тончайшие анализаторы химических соединений. Они редко ошибаются. Правда, бывают и ошибки, но в основном тоже по вине действия химических веществ. Как-то один ученый хотел добавить раствор сахара в пробирку с ночесветками, но ошибся и капнул этиловый спирт. Концентрация получилась невысокая, и ночесветки даже внешне не изменили своего поведения. Но зато потом ни соль, ни сахар уже не вызывали у них вспышек.

Опыты говорят об очень тонком механизме хеморецепции, да к тому же еще с передачей информации другим клеткам. Ведь вспышка ночесветок при введении в воду химических веществ — это перевод химического языка на электромагнитный — световой. Загоревшийся фонарик — сигнал соплеменникам об изменении состава химических соединений в водной среде, предупреждение о возможной опасности.

Насколько тонко настроены клетки на дистанционную химическую связь, насколько ничтожные количества вещества-сигнала воспринимаются отдельными клетками на значительном расстоянии, показывает пример с миксомицетами. Миксомицеты — это слизистые грибки. Их можно встретить на старых пнях. Пройдет мимо пня человек, наступит сапогом и даже его не заметит. А вот биологи его давно заметили. Очень уж поразительно его свойство как бы рассыпаться на отдельные клетки и снова собираться в многоклеточный организм. В систематике животного мира некоторые ученые его так и относят к колониальным амебам. Сначала клетки миксомицета, как самые обыкновенные амебы, ползают по земле. Но есть среди ползающих амеб миксомицета — диктиостелиума, та, которая по неизвестным пока причинам подает химический сигнал, приказывающий всем клеткам собраться вместе, построить ножку грибка и похожий на лимон спорангий. Совсем недавно сигнальное вещество диктиостелиума было загадочным, и его называли просто акразин. Теперь ученые знают, что привлекающее вещество представляет циклический аденозинмонофосфат, секретируемый самими клетками-амебами. Из сложного букета ароматов прелой почвы и запаха множества цветов амебы выбирают посланный им сигнал и движутся точно по направлению клеток, призывающих к сбору остальных соплеменников. Для нахождения верного пути нужны самые незначительные количества циклических аденозинмонофосфатов. Если амебам поставить на пути перегородку, они будут форсировать ее, взбираясь одна на другую, и дойдут до сборного пункта. Даже «пропасть» не остановит их. Экспериментаторы поместили клетки, образующие центр агрегации, на одном стекле, а значительную часть амеб, движущихся к месту сбора, — на другом и оставили между стеклами промежуток не больше миллиметра. Для амеб миксомицета это, конечно, была бездонная пропасть. Пойдут ли они к клеткам, основательницам колонии? Пошли. Сцепившись, они смогли перекрыть разрыв между стеклами. Образовали «живой мост», а по этому мосту двигались все остальные. Затем и мост сам, разбираясь поклеточно, переполз через пропасть, и клетки заспешили за перебравшимися ранее амебами, чтобы слиться и образовать многоклеточный организм — маленький грибок на тонкой ножке.

Не менее интересно поведение клеток и их ориентация в электрическом поле — гальванотаксис. Если посмотреть в микроскоп на каплю воды с инфузориями, то можно увидеть, как они движутся во всех направлениях с помощью покрывающих. их тело ресничек. Стоит опустить в каплю воды два микроэлектрода — катод и анод — и приложить к ним напряжение, как что-то непонятное происходит с инфузориями. Во-первых, они все направляются к положительному электроду — аноду. Во-вторых, их движение будет очень странным — задом наперед. Оказывается, электрическое поле приводит к тому, что биение ресничек инфузорий меняется на противоположное. Инфузории стремятся убежать от губительного для них положительного электрода, а в действительности приближаются к нему. Если же электрическое поле слабое, то инфузории предпочитают двигаться к отрицательному электроду.

Другие живые клетки тоже стремятся двигаться к катоду. Поэтому амебоидные клетки, которые передвигаются путем переливания частей своего тела в ложноножки, уже не пойдут к положительному полюсу. Но ведь амебоидным движением пользуются не только свободно живущие амебы, а большинство клеток в развивающемся зародыше, когда нужно перегруппировать «кирпичики», составляющие основу строящихся органов. Растущие структуры, как оказалось, заряжены отрицательным электричеством. Поэтому к ним устремляется поток клеток, заряженных положительно, и они принимают участие в развитии того или иного органа. В некоторых случаях клеткам нужно связаться через клеточные пласты других органов. Как это они делают — узнаем несколько позднее. Ведь живые клетки пользуются не только статическим электричеством, их живые приборы способны улавливать и электромагнитные поля.

 

Биоконтакт

Живые клетки вооружены приборами не только дистанционного восприятия информации, но и для непосредственного контакта между собой.

Достаточно зародышей морских ежей поместить в морскую воду, лишенную кальция, после легкого встряхивания эмбрионы распадутся на отдельные клетки. Но стоит добавить в воду недостающий кальций, опять встряхнуть ее, и все клетки зародышей, как по мановению волшебной палочки, снова займут свои места. Каким же образом одинаковые атомы кальция «склеивают» клетки зародыша в строго определенном порядке, в соответствии с генетической программой?

Английским ученым Вейсу и Мейхю удалось показать, что ионы кальция способны связываться с периферическими участками рибонуклеиновых кислот. Раньше считалось, что РНК считывает информацию с ДНК, а затем использует ее при синтезе белка, потом нашли, что РНК и ДНК принимают участие в клеточной памяти и в памяти всего организма. Теперь выясняется еще одно назначение РНК: она вполне может оказаться ответственной за пространственную память, то есть за пространственное расположение клеток и программирование их стыковки. Иначе говоря, она хранит память о том, как клетки должны контактировать друг с другом, и является главным компонентом в приборах межклеточного контакта.

Попытаемся представить весь механизм контакта клеток, сделав, правда, некоторые допущения ради связи еще разрозненных данных в стройную единую систему.

Складываясь в ткань, формируя орган, клетки организма контактируют друг с другом с помощью петель РНК, как бы выпущенных через оболочку, и эти петли несут как раз те участки нуклеиновых кислот, которые либо сами обладают сродством к кальцию, либо синтезируют в межклеточном пространстве белки, способнее соединяться через кальциевые мостики. Именно межклеточному веществу сейчас придается большое значение в клеточных контактах, а в нем как раз находят и нуклеиновые кислоты, и белки, и мукополисахариды. Кальций же Во всех этих процессах играет важную роль. Можно предположить, что поверхности всех клеток как бы покрыты рисунками из РНК, и стыковка клеток в таком случае будет происходить только тогда, когда поверхностные рисунки совпадают и соединяются через кальциевые мосты. Существование таких рисунков из РНК на поверхности развивающихся зародышей уже открыто, и об этом будет сказано позже. Точное совпадение возможно лишь при одинаковых наследственных программах, полученных непосредственно от ядра клетки. И как бы ни был представлен механизм контакта клеток, все это пока только гипотезы, которые станут стройной теорией после выяснения многих загадочных сторон клеточного контакта.

Следует отметить, что связь через кальциевые мостики — это первичная и непрочная связь. Но в молодом, развивающемся организме клетки, испытывающие постоянные перестройки, соединяются именно этой первичной связью. Затем клетки «применяют» приборы для закрепления развившихся структур. В тканях организма начинается как бы «закручивание гаек», клетки занимают определенное положение и цементируются в определенных местах контакта. О том, как они определяют нужное им и всему организму местоположение, мы расскажем ниже — ведь это одна из самых сокровенных тайн, которую стремятся познать биологи. А пока будем довольствоваться тем, что ученые установили: в нужных местах клетки «цементируются» да еще на каждом гаком участке для придания большей прочности образуются специальные волокна, называемые десмосомами.

Совсем недавно было отмечено, что клетки должны как бы узнавать друг друга и знать, к какому органу они принадлежат. А что будет, если приборы взаимного опознавания испортятся? Как показывают последние исследования, якобы именно это и происходит с клетками злокачественных опухолей. Нельзя пока еще сказать — причина ли это возникновения злокачественных опухолей или следствие, ясно одно: раковые клетки отличаются от нормальных еще и тем, что теряют пространственную память расположения в организме и чувство контакта с другими клетками. Видимо, под влиянием каких-то канцерогенных факторов происходят генетические изменения, отражающиеся на программировании порядка работы, генов и на искажении конфигурации главных молекул, ответственных за хранение и передачу генетической пространственной информации. Вполне понятно, что искажение рисунка РНК в межклеточном веществе может привести и к поломке кальциевых мостиков, и к изменению электрического заряда поверхности клетки. Контакт выходит из строя, десмосомы разрываются, и каждая клетка приобретает самостоятельность, что очень не нужно организму в целом. Клетки отрываются друг от друга, округляются и начинают делиться как им заблагорассудится. Выходит из строя еще один «живой прибор», регулирующий и обеспечивающий клеточные деления.

До сих пор рассматривался близкий контакт, но в организме, построенном из миллионов клеток, есть и дистанционные контакты. О некоторых проблемах и сложностях при изучении дистанционного контакта мы уже говорили. Но в многоклеточном организме приборы, руководящие дистанционным контактом клеток, достигают своего совершенства, и особенно в мозгу высших животных и человека.

Мозг — самый сложный агрегат, где собрано неисчислимое количество контактирующих элементов. Все нейроны (а в мозгу человека их десятки миллиардов) связаны с соседними тончайшими отростками, к тому же каждый отросток при росте приходит в точно намеченное для него место контакта на соседней клетке. Сходно ведут себя и нейроны спинного мозга, контактирующие своими отростками. Каким же образом отростки нервного волокна находят строго заданное им место на соседних нейронах? Во всяком случае, не хватит никакой генетической информации, заключенной в ДНК хромосом, чтобы закодировать пространственное распределение нервных отростков в мозгу и их точные контакты с нейронами. Тогда где же заложена схема монтажа пространственного расположения контактов между нейронами? Пока на этот вопрос ответа нет. Может быть, такая схема-голограмма существует в самом пространстве?

Правда, проведен ряд сложно поставленных опытов, показывающих, что нервное волокно как бы притягивается к месту контакта, но это далеко от того, что происходит в мозгу на самом деле. За притягиванием нервных волокон можно проследить на развивающихся системах-эмбрионах. Если зачаток конечности эмбриона тритона, к которому тянутся из спинного мозга строго определенные нервные волокна, пересадить из обычного места дальше, к хвосту, он быстро приживется на новом месте, и в точно намеченное время в него начнут врастать нервы, как они врастали бы в зачаток нормальной конечности. В пересаженный зачаток будут врастать именно те нервные волокна, которые для него предназначены. Они изменят свой обычный путь и, отойдя от нервных спинальных узлов, отклонятся ровно настолько, насколько был перенесен назад зачаток конечности.

О силах, которые на расстоянии притягивают нервное волокно к развивающемуся зачатку, пока можно только догадываться и строить различные предположения. Одни исследователи, например, считают, что здесь оказывает влияние электрическое поле, другие отдают предпочтение магнитному полю, третьи видят причину в химическом взаимодействии контактирующих на расстоянии клеток. Все это предстоит еще решить в будущем.

 

Приборы клеточных делений

Жизнь отдельных клеток измеряется днями, неделями, месяцами и самое большое — десятилетиями, а организм может жить десятки лет. Как же большинству многоклеточных существ удалось вырваться из плена всесокрушающего времени? Благодаря клеточным делениям. Мало того: клеточные деления приносят еще одну незаменимую пользу — позволяют размножить клетки, увеличить живую биомассу.

Как же происходят клеточные деления? Еще до того как клетка начнет делиться, в ней удваивается генетический материал и весь аппарат клеточного деления. Все подготовлено к тому, чтобы после деления получилась копия живой клетки с тем же числом хромосом и с той же морфологией. При делении становятся видимы нити хромосом, а mitos по-гречески — это нить, отсюда и название этого вида деления. Клетка может делиться и прямым делением без образования нитей хромосом, просто поперечной перетяжкой. Однако недолго живет такая клетка и, как правило, делится прямым делением именно перед гибелью.

Теперь давайте посмотрим, как же идут фазы митоза и что происходит внутри клетки на каждой фазе деления.

Период между делениями называется интерфазой. В это время живая клетка выполняет свои прямые функции, предназначенные ей в организме: движется, выделяет различные секреты, борется с микроорганизмами. На этой же стадии клетки, как уже отмечалось ранее, удваивают количество хромосом и все подготавливают для деления. Когда же начинается митоз, клетка только им и занимается. У человека основная часть митозов проходит ночью, когда он спит и большинство органов отключено от повседневной работы.

Первая стадия митоза называется профазой. В это время начинается упаковка хромосом. Ведь если бы пришлось их растаскивать к двум полюсам в неупакованном виде, понадобилось бы устройство, напоминающее лебедку с барабаном, на который накручивались бы длинные нити. В клетке проходит все проще: хромосомы спирализуются, отчего становятся толще, но короче. Потом спираль еще раз закручивается в спираль, теперь хромосомы становятся совсем короткими, плотными и хорошо видны в микроскоп. А как можно растаскивать хромосомы в разные стороны, если они, как в мешке, находятся внутри оболочки ядра? Поэтому в профазе и ядерная оболочка распадается. К полюсам клетки в это время движутся центриоли — органоиды клетки, которые закрепляются нитями у полюсов и становятся центром, притягивающим к себе хромосомы. Но хромосомы к центриолям притягиваются не физическими или биологическими полями, а устройством, которое можно увидеть в микроскоп, — нитями веретена деления. Каждая такая нить одним концом прикрепляется к центриоли, а вторым — к хромосоме. Место прикрепления нити на хромосоме называется центромерой. Все, казалось бы, налажено для митоза. На следующих фазах деления все приходит в движение, и за час митоз заканчивается.

За профазой следует вторая стадия — метафаза. В это время хромосомы из беспорядочного клубка, как по приказу, выстраиваются по экватору. Образуют метафазную пластинку. Теперь видно, что к каждой паре хромосом, подготовленной для расхождения; тянутся две нити веретена деления. Одна нить — к одной центриоли, а другая — к противоположной. По экватору стоят удвоенные хромосомы, как две капли воды похожие друг на друга, называемые сестринскими хроматидами. Начни сейчас сокращаться нити веретена — и поползут хромосомы к разным полюсам.

Это и происходит на следующей стадии деления — анафазе. Нити веретена сокращаются. Сестринские хроматиды расщепляются и движутся к противоположным полюсам.

Наконец, наступает последняя стадия — телофаза. Опять раскручиваются хромосомы, строятся ядерные оболочки, удваиваются центриоли. И оболочка самой клетки как бы перешнуровывается. Все уже и уже становится талия клетки и, наконец, их получается две. А в каждой дочерней клетке есть уже свое ядро и удвоившиеся центриоли для будущего деления.

Вот так на наших глазах произошел процесс деления клетки. Все в нем стройно и отлажено. Какая-то «невидимая рука» скручивала хромосомы, разводила к разным полюсам центриоли, крепила нити веретена деления к хромосомам. Наконец, с помощью каких-то приборов хромосомы выстраивались по экватору, а после их расхождения к разным полюсам какая-то сила перешнуровывала клетку пополам, а это сравнимо с тем, как если бы человек попытался перетянуть шпагатом на две части туго накачанную футбольную камеру. Только современные методы исследования позволили приоткрыть завесу над процессом деления клетки и посмотреть на все другими глазами.

Первое, на что обратили внимание исследователи, были нити веретена, разводящие хромосомы к разным полюсам. Они видны даже в световой микроскоп. Ученые сразу начали думать о механизме их сокращения и пришли к выводу, что они сокращаются, подобно волокнам наших мышц. Но как тогда быть с остальными организованными движениями органоидов клетки во время митоза?

С помощью электронной микроскопии внутри клеток были найдены микротрубочки и микрофиламенты. Микротрубочки — это действительно длинные полые цилиндры с наружным диаметром около двадцати четырех нанометров и толщиной стенок пять нанометров. В световой микроскоп они не видны. Микрофиламенты — это уже нити в три раза тоньше, чем микротрубочки, находящиеся в цитоплазме. В интерфазе микротрубочки держат форму клетки. Они идут от ядра во все стороны и во все отростки клетки. Это внутренний каркас клетки. Стоит только разрушить их высокой температурой, давлением или ядом колхицином, как клетка теряет свою форму и становится округлой. Если вредное действие прекратится, структура микротрубочек может восстановиться и клетка приобретет свою прежнюю форму, А вот микрофиламенты непосредственно участвуют в генерации движения поверхности клетки. Они могут скользить относительно друг друга, прикрепляться к мембране клетки, втягивать и выпячивать ее различные части или же надстраиваться и разрушаться под мембраной. Так что в ускоренной киносъемке поверхность клетки напоминает (благодаря действию микрофиламентов) беспокойный океан.

Однако, как только начинается деление клетки, все микротрубочки и микрофиламенты уходят на построение пространственной организации митоза. Форма клетки становится округлой. На всех стадиях митоза, кроме телофазы, микротрубочки и микрофиламенты строят сходные пространственные фигуры, соответствующие веретену деления. На стадии телофазы микротрубочки во время перетяжки клетки остаются только в соединительном мостике, а микрофиламенты в это время, как кольцом из тонких нитей, перетягивают клетку надвое (рис. 9).

Рис. 9. Перераспределение микрофиламентов в клетке на различных фазах митоза

Кажется, что микроскопический гном намотал нити микрофиламентов на клетку и с каждым витком все туже и туже делает свой моток. И опять рушатся все наши представления о живых приборах, управляющих митозом. Микрофиламентами ведь тоже надо управлять. Так почему же эти тончайшие нити, состоящие из белка актина, знают, где им надо перетянуть клетку, в какую сторону передвинуть центриоли или хромосомы и как выполнить другие пространственные команды?

Пока непонятно, как работают устройства, принимающие непосредственное участие в митозе внутри клетки, но не лучше обстоит дело и с изучением внешних регуляторов клеточного деления. В самом деле, какой из тысячи сигналов, принимаемых живой клеткой, выступает как команда приступить к митозу? И как подается эта команда — непосредственно ли химические соединения призывают клетку к делению или же опять в этом повинны поля: электрическое, магнитное, электромагнитное излучение или комплекс полей, генерируемый самим организмом?

Вот и попробуем хотя бы кратко рассмотреть, Что известно сейчас биологам о регуляции клеточного деления и что они надеются узнать в ближайшем будущем.

Прежде всего обратим наш взор на химическую регуляцию митотической активности клеток. Ученые достигли наибольших успехов в исследовании этого запутанного вопроса и разработали ряд интересных теорий.

Давно известно, что существует целый ряд химических веществ, способных подавлять клеточные деления. Об одном таком веществе уже говорилось. Это яд колхицин, который при небольших дозах разрушает митотический аппарат в клетке и приостанавливает деление клеток. В настоящее время широко применяются в онкологии ингибирующие митозы вещества, называемые цитостатиками. Эти лекарственные препараты подавляют аэробное окисление углеводов, слегка стимулируют тканевое дыхание, подавляют синтез ДНК и уменьшают проницаемость клеточных мембран. Среди этих веществ известны алкилирующие соединения: азотистые иприты, метасульфонаты, этиленимины и эпоксидные соединения, а также различные метаболиты, то есть вещества, подавляющие обменные процессы; аналоги пуринов и пиримидинов, витамин В, антагонисты аминокислот. Целый ряд соединений растительного происхождения действует на образование митотического веретена, колхицин, подофил и алкалоиды барвинка. Наконец, в химиотерапии опухолей применяются антибиотики: актиномицин D, митомицин С. Эти вещества подавляют синтез нуклеиновых кислот.

Цель применения цитостатиков в химиотерапии опухолей понятна: нужно любыми способами остановить безудержные митозы в опухолях, задержать их рост и помочь организму справиться с постигшим его недугом. Теоретическим обоснованием к применению цитостатиков является тезис, утверждающий, что малодифференцированные опухолевые клетки более чувствительны к низким концентрациям этих веществ, чем нормальные клетки.

У цитостатиков есть одно преимущество — клиницисты и экспериментаторы могут их получать в чистом виде, знают их химический состав. Знают, на какую фазу митоза они могут воздействовать. Удалось даже получить цитостатики с высокой избирательностью по отношению к типу клеток. Например, ТЭФА — триэтилен-фосфамид подавляет митозы в лимфоидных тканях, а миелобромол — в миелоидных тканях, которых много в нервных узлах, в мозге. Казалось бы, уже можно бороться со злокачественными опухолями, но на пути этой борьбы встают отрицательные свойства цитостатиков.

Во-первых, к этим же цитостатикам чувствительны нормальные делящиеся клетки, и применение эффективных доз ограничивается из-за их побочного действия. А во-вторых, введение цитостатиков, особенно повторное, может привести к отбору. Среди злокачественных клеток появляются клетки, способные не реагировать на эти лекарственные вещества, и опухоли из таких клеток быстро разрастаются, окончательно поражая организм.

По этой причине ученые, занимающиеся проблемой регуляции клеточных делений, ищут химические вещества, действующие на клетки выборочно и мягко. Но ведь такие вещества есть в самом здоровом организме, где постоянно происходит регуляция как ингибирования, так и стимуляции митозов. Может быть, их можно выделить из тканей и применить для исправления работы поломанной машины, ведающей командами для делящихся и неделящихся клеток?

Ученых всегда интересовали такие факты в клеточном делении, на которые трудно найти ответ. В самом деле, почему клетки после нанесения травмы начинают усиленно делиться и закрывают полученный дефект? И была создана теория раневых гормонов. Смысл ее сводится к тому, что из разрушенных клеток в окружающую ткань разливается вещество, которое играет роль сигнала, побуждающего клетки вокруг травмы к делению. Возникает и второй вопрос: почему после закрытия травмы клеточные деления прекращаются, а в злокачественной опухоли они бушуют безостановочно, пока живет сам организм?

Здесь мы вплотную подошли к теории кейлонов, разработанной известным биологом В. Буллоу. Кейлоны — полная противоположность раневым гормонам: они ингибиторы и ограничители роста. Деление клеток строго контролируется ими. Когда орган вырастает до нужных размеров, в нем как раз необходимая концентрация кейлонов. Но стоит нанести травму, то есть уменьшить количество клеточных ингибиторов, как клетки усиленно начинают делиться. И это продолжается до тех пор, пока рана не закроется, а количество кейлонов при этом придет в норму.

Буллоу и Лауренс провели ряд интересных опытов, чтобы до-казать действенность своей теории. Вот один из экспериментов, проведенных ими ради выбора между теорией раневых гормонов и теорией кейлонов. Все, наверное, представляют, как тонки уши у мыши. Если у нее удалил, эпидермис с одной стороны, то через тонкое ухо химическое воздействие будет оказано и на другую сторону, и клетки на неповрежденной стороне начнут усиленно делиться. Теперь только останется пронаблюдать, какую же картину образуют клетки кожицы неповрежденной стороны уха, приступившие к митозу. Если будут действовать раневые гормоны, то на другую сторону они диффундируют из краев экспериментальной раны, следовательно, на другой стороне уха в коже митозы как бы дадут конфигурацию травмы. И совсем другое дело будет при нехватке кейлонов: если они частично уйдут при уменьшении концентрации в области травмы, то получится как бы обратная диффузия из неповрежденного эпителия кожи. Митозы, конечно, в этом случае появятся на неповрежденной стороне не в виде кольца, а примерно на той же площади, напротив которой снят эпителий. Поставили эксперимент — и подтвердилось последнее.

Подтверждение присутствия ингибитора в клетках эпидермиса кожи вдохновило ученых на дальнейшие исследования. Они получили экстракты, выделенные из кожи, и нашли, что кейлон представляет собой гликопротеид с молекулярной массой около 30 000-40 000. Дальнейшие исследования дали не менее интересные результаты. Оказалось, что кейлон не имеет видовой специфичности. Зато он органоспецифичен, действует только на митотическую активность того органа, из которого он выделен. В частности, митозы в ухе мыши могут быть приостановлены не только экстрактами, выделенными из кожи мыши, но и препаратами, выделенными из кожи свиньи, из кожи пальца человека и даже из кожи трески.

Вот какие возможности открываются для регуляции митозов как в здоровых, так и в раковых тканях. Огромное количество лабораторий мира начало заниматься изучением кейлонов. Начались поиски кейлонов в других органах, выделение кейлонов в чистом виде самыми современными методами биохимии. Ученые начали искать, на какую стадию клеточного цикла действуют эти вещества.

Познакомимся с некоторыми теориями в области онкологии, основанными на принципе приемника и передатчика.

1. Живые клетки снижают или совершенно прекращают выработку кейлонов. Они получают сигнал к делению и начинают давать беспорядочные митозы, порождая все новые и новые группы клеток, не способных вырабатывать кейлоны.

2. В клетках происходит мутация, небольшая поломка в рецепторе, анализирующем присутствие кейлонов. Хотя «антенны» клетки и настроены на прием кейлонов, сигнала об их присутствии вокруг себя она не слышит. Результат тот же — начинается безудержный автономный рост.

Если первый довод правилен, то все опухоли, клетки которых сохранили работоспособные рецепторы приема кейлонов, можно излечить. Нужно только ликвидировать недостаток кейлонов в ткани. Такие опухоли нашли. Оказалось, что VX— опухоль у кролика, хлоролейкемия и меланомы у хомячка излечиваются экстрактами, выделенными из кожи свиньи. Появилась надежда. Однако вскоре она начала угасать. Излечить кейлонами можно было только те опухоли, которые зависят от них, а их не так уж много. Такие клинически важные опухоли, как рак кожи и рак легкого, устойчивы по отношению к эпидермальному кейлону и не реагируют на него. Может быть, здесь уже поломались рецепторы клетки?

Живым клеткам нужно всегда знать, где находятся их сородичи, и получать сигналы о состоянии дел в организме. Поэтому они всегда обмениваются информацией. За обменом сигнальной информацией у клеток эпидермиса кожи очень просто и в то же время изящно удалось проследить японским исследователям Фуджи и Мицуно. Они имплантировали в эпидермис кусочки миллипорового фильтра и отделяли одни клетки от других. Но клетки «слушали» друг друга через фильтр, через мельчайшие поры поступали сигналы. В тех случаях, когда фильтр пропитывали парафином, связь между клетками через поры нарушалась. Клетки начали расти вниз, пока не приходили в контакт и не начинали обмениваться информацией (рис. 10).

Рис. 10. Обмен информационными сигналами между клетками эпидермиса при наличии мембранного фильтра и при воздействии канцерогеном

А после обработки клеток канцерогенными веществами они вели себя у перегородки так же, как и при непроницаемом фильтре. Фильтр имел поры, но клетки все равно шли для контакта вниз. Разве это, не доказательство того, что вещество, выбывающее опухоль, либо влияет на выработку кейлонов, либо портит рецепторы на клеточных мембранах.

В настоящее время предполагается несколько пересмотреть принцип регуляции клеточных делений в тканях химическими веществами, появляются сообщения не только об ингибиторах, *о и о стимуляторах митозов, выделенных из тканей. Это значительно приближает к истинному положению вещей. В действии и Противодействии совершаются многие физиологические процессы.

 Еще меньше известно об управлении клеточными делениями с помощью магнитных, электрических и электромагнитных полей. Опытным путем показано, что слабые электрические поля влияют на рост костной ткани. Но слабое электростатическое поле может ускорить регенерацию конечностей у амфибий и частичную регенерацию у млекопитающих. Раны под влиянием этого поля могут заживать в два раза быстрее. Помимо этого, ученым удалось показать, что электростатическое поле не только стимулирует митозы, но и определяет их ориентацию. Правда, подобные опыты сделаны пока только на клеточной культуре.

Магнитное поле в противоположность электрическому, видимо, подавляет клеточные деления. Особенно это заметно при воздействии слабым переменным магнитным полем как на одноклеточные, так и на многоклеточные организмы. Низкочастотное магнитное поле в 0,6 герца при напряженности в одну гамму подавляет размножение бактерий, например стафилококка.

Электромагнитные поля при тех же частотах и напряженности 0,3–0,4 вольта на метр увеличивают скорость делений клеток бактерий. Но особенно интересно реагировали на электромагнитные поля клеточные культуры млекопитающих. Если воздействовать ослабленным электромагнитным полем до начала митоза, то клеточные деления в культуре почки обезьяны, в эмбрионе свиньи или в амнионе человека как бы подавляются. Но уж если клетки начали делиться, то действие этого же поля еще больше повышает митотическую активность. Так действуют низкочастотные электромагнитные поля от двух до десяти герц, и они в биологическом плане более активны по сравнению с высокочастотными. Однако если мы пойдем дальше по электромагнитному спектру, пройдем видимую часть спектра, то в ультрафиолетовой области найдем еще, интересный диапазон волн, с которым столкнулся известный биолог А. Г. Гурвич.

Экспериментировал А. Г. Гурвич с корешками лука. Это один из удобных объектов для изучения митозов. Его заинтересовало, может ли дистанционно влиять один корешок лука на другой, так, чтобы в нем увеличилось число митозов. Известно, что митозы в корешке лука сосредоточены в самом кончике да еще ориентированы по оси роста. Далее ученый направил кончик одного корешка перпендикулярно ко второму корешку, примерно в его середину, где митозы уже прекратились. Не идут ли какие-нибудь лучи от делящихся клеток, которые могли бы подействовать на неделящиеся клетки?

Опыт подтвердил выдвигаемые предположения. Митозы теперь уже отмечались и в середине корешка. Следовательно, какое-то излучение стимулировало деление клеток в корешке лука. Так, в 1923 году А. Г. Гурвич открыл митогенетические лучи. Несколько позднее такое же излучение, сопровождающее деление клеток, было найдено в других тканях живых организмов. Тщательный анализ испускаемого клетками излучения во время деления показал, что митогенетические лучи относятся к ультрафиолетовым лучам с длиной волны сто девяносто — триста двадцать пять нанометров. Механизм их возникновения полностью неизвестен, но они, видимо, возникают в результате экзотермических реакций. В то же время они служат сигналом, который сообщает другим клеткам, что их соседи приступили к клеточным делениям. Дальнейшее исследование передачи информации между клетками об их митотической активности на молекулярном и физико-химическом уровне может привести к новым открытиям в этой области исследований.

Клетки в пласте ткани, работающие как единая система, также вооружены приборами, способными регулировать пространственное распределение митозов. Очень удобной системой для изучения пространственной регуляции митозов может служить однослойный эпителий хрусталика, расположенный в двумерном пространстве с очень высокой упорядоченностью клеток. В центре эпителия митозов почти нет, далее идет кольцо — герминативная зона, где больше всего делящихся клеток, а за ним опять зона с дифференцированными клетками и резким падением митозов. Работая с эпителием хрусталика рыб и лягушек, я неожиданно столкнулся с удивительной особенностью пространственного, распределения митозов после нанесения травмы в передний полюс хрусталика с поражением части клеток эпителия. После нанесения такой обширной травмы естественные митозы уже в первые сутки затихали, и на вторые сутки появлялась полоса митозов, повторяющая конфигурацию травмы. Все эти митозы были посттравматические. Площадь, ограниченная митозами, была неизменной независимо от площади травмы. А это как раз и противоречит кейлонной теории. Ведь чем больше была бы пораженная область, тем больше ощущалась бы нехватка кейлонов и тем большая площадь эпителия должна бы охватываться митозами, а на самом деле это не так. Потом митозы по кейлонной теории следовало бы ожидать по краям травмы — там ведь больше всего не хватает клеточных ингибиторов, а эксперименты с эпителием хрусталика показывают, что митозы сразу возникают в отдалении от травмы, да еще повторяют ее конфигурацию. Как здесь не предположить, что пространственное распределение митозов регулируется посредством полей. Нельзя исключить и механические силы, ведь после нанесения травмы и разрушения целостности капсулы хрусталика и эпителия натяжение в клетках тоже меняется, а это может влиять на пространственное распределение митозов в эпителии.

Многое еще предстоит расставить по своим местам, прежде чем станет ясно, как работают приборы клеточного деления, а насколько велика здесь работа, говорит противоречивость экспериментов и теорий, которые только что были приведены.

 

Живая клетка — приемник электромагнитных полей

Возможно, не только на деление клеток действуют электромагнитные поля. Живые клетки, как предполагается, улавливают их и активно реагируют на них, отвечая изменением обмена веществ, перестройкой морфологических структур и даже изменением внутримолекулярных структур.

У инфузорий-парамеций под действием электромагнитных полей меняется образование пищевых вакуолей внутри цитоплазмы и некоторые поведенческие реакции, но одновременно с этим нарушается перераспределение цитоплазматической РНК и изменяется гликолиз. Так что даже слабые электромагнитные поля оказывают воздействие на одноклеточные организмы.

Очень чувствительными к электромагнитным полям оказались бактерии. В некоторых случаях они даже вызывают у них мутации. На этих данных основана гипотеза А. Л. Чижевского о влиянии солнечной активности на биосферу через изменение напряженности электромагнитных полей. Обычно эти изменения вызывают мутации у бактерий. У них увеличивается жизнеспособность, они начинают интенсивнее размножаться и становятся устойчивыми к антибактериальным препаратам. Отсюда, возможно, и вспышки эпидемий в годы активного Солнца. Чтобы экспериментально проверить положения, выдвинутые А. Л. Чижевским, в Крымском медицинском институте провели исследования по влиянию электромагнитных полей малой напряженности и низкой частоты на культуры бактерий. Разные виды бактерий помещали в конденсатор, на пластины которого подавали напряжение различной интенсивности и частоты. Воздействие длилось восемнадцать — двадцать часов. Опыты подтвердили, что электромагнитные поля влияют на бактерии. Причем явно выраженное действие отмечалось при сверхнизких и звуковых частотах, но особенно интенсивное биологическое действие проявлялось при частотах 2,6 и 10 килогерц.

Это поле действует не только на бактериальные культуры, но и на клеточные культуры опухолевых и эмбриональных тканей, а также на клетки крови. По этой причине бактериальные и клеточные культуры сами в свою очередь могут выступать как «живые приборы», показывающие, что в атмосфере происходит изменение напряженности электромагнитных полей, связанное с изменением*солнечной активности. Именно об этих приборах и говорилось в начале этой книги.

Теперь уместно спросить: а на каком уровне в живой клетке происходят изменения под воздействием электромагнитных полей?

Развитие электронной микроскопии, появление сканирующей электронной микроскопии и электронной микроскопии живых объектов позволяют наблюдать за изменениями в клетке под влиянием электромагнитных полей на ультрамикроскопическом уровне. Органоиды клетки не остаются безразличными к действию полей. Митохондрии утолщаются, у них нарушается внутренняя структура, тончайшие канальцы в клетке — эндоплазматический ретикулум меняет свое ветвление. Морфологические и биохимические изменения отмечаются также в ядре клетки, ее рибосомах и лизосомах. Однако главное воздействие электромагнитные поля оказывают на клеточные мембраны. Это, возможно, и является причиной изменения структуры клеточных органоидов, так как клеточные мембраны составляют основной каркас этих живых частиц.

Уровень воздействия электромагнитных полей в клетке идет еще дальше, потому что изменения происходят на молекулярных биологических структурах, составляющих живые мембраны клеток. Некоторые ученые высказывают мнение, что магнитные и электромагнитные поля могут привести к переориентации белковых молекул и к изменениям в липопротеидном комплексе, составляющем основу мембран. Помимо этого, в клетках нарушается распределение микроэлементов. Так, в экспериментах удалось показать, что у крыс электромагнитное поле в СВЧ-диапазоне приводит к уменьшению содержания меди в печени — главном депо меди. В то же время в крови количество меди резко возрастает. Перераспределение марганца было несколько иное: в печени и почках его количество возрастало, а в костях и зубах резко снижалось. Содержание железа во многих органах понизилось. Сходным образом электромагнитные поля влияли на молибден. Только в почках повысилось его содержание по сравнению с нормой.

Ранее уже говорилось, что металлы входят в активные центры ферментов. Появились экспериментальные данные о том, что под влиянием электромагнитных полей металлы меняют скорость окисления, а это как раз может отразиться на работе фермента. Дальше цепочка тянется также к биологическим ритмам, ведь нарушение работы активного центра фермента прежде всего скажется на его колебательных свойствах.

Однако к настоящему времени еще не сложилась теория биологического действия электромагнитного поля. Есть только ряд гипотез. Среди них идея об электромагнитном действии через воду на живые системы занимает существенное место, хотя спорна, по сей день. Заманчива аналогия сравнения клеточных структур с жидкими кристаллами. Как тем, так и другим, присущи подвижность и структурная упорядоченность. Электромагнитные поля оказывают влияние на жидкие кристаллы, меняя их молекулярную структуру и оптические свойства. Жидкокристаллическое состояние — неотъемлемое свойство живых структур и, в частности, живых клеток. Жидкие кристаллы уже используют как аналитический прибор для измерения напряженности электрического и магнитного полей. Следовательно, и живые клетки могут выступать как датчики этих полей, а возможно, что благодаря жидкокристаллическому строению мембран клетка как раз способна воспринимать действие этих полей.

Нельзя отказаться и от такой заманчивой идеи, что клетка как живой прибор, воспринимающий электромагнитные поля, работает благодаря взаимодействию генерируемого ею поля с внешним электромагнитным полем. Степень искажения био-электромагнитного поля внешним полем, может быть, и есть показатель биологического воздействия на клетку. Но это еще надо проверить опытным путем.