Бил Брайсън
Кратка история на почти всичко (26)

24. Клетки

Започва се от една-единствена клетка. Първата клетка се дели, за да станат две, двете стават четири и така нататък. След само 47 удвоявания имате десет хиляди трилиона (10 000 000 000 000 000) клетки в тялото си и сте готови да се появите като човешко същество^[1]. И всяка една от тези клетки знае какво точно да прави, за да ви съхрани и запази от момента на зачатието до сетния ви дъх.

Нямате тайни от клетките си. Те знаят доста повече от нас, отколкото вие знаете за тях. Всяка носи копие на пълния генетичен код — наръчника с инструкции за тялото ви — така че тя знае не само как да върши своята собствена работа, но и как да се справя и с всяка друга работа в тялото ви. Никога през живота ви няма да се налага да напомняте на някоя клетка да следи нивото на аденозинтрифосфата или да търси място за допълнителната струя от фолиева киселина, която неочаквано се е появила. Тя ще прави това за вас, а и милиони други неща освен това.

Всяка клетка в природата представлява едно чудо. Дори най-простите са извън границите на човешката изобретателност. За да се създаде най-обикновена клетка от дрожди например, трябва да минитюаризирате почти същия брой компоненти, които се намират в самолет Боинг 777 и да ги съберете в сфера с диаметър от само 5 микрона; след това трябва да убедите тази сфера да се възпроизведе.

Но клетките от дрожди са нищо в сравнение с човешките клетки, които не само че са по-разнообразни и сложни, но са и изключително по-впечатляващи поради сложността на техните взаимодействия.

Клетките ви са като държава с 10 000 трилиона граждани, всяка отдадена по някакъв интензивен и специфичен начин на цялостното ви добруване. Няма нещо, което да не правят за вас. Карат ви да изпитвате удоволствие и да формирате мисли. Помагат ви да стоите изправени, да се протягате и да подрипвате. Когато се храните, извличат хранителните вещества, разпределят енергията и пренасят отпадъчните вещества — всичките теза неща, за които сте учили по биология в прогимназията — но те също така не забравят да ви подсещат, първо че сте гладни, а след като се нахраните ви възнаграждават с това да изпитвате удоволствие, за да не забравите да се нахраните отново. Поддържат растежа на косата ви, ушната кал в ушите ви, безшумната работа на мозъка ви. Ще скочат да ви защитят на момента, щом сте застрашени. Безропотно ще умрат за вас — милиарди от тях правят това ежедневно. И нито дори веднъж през всичките години не сте благодарили дори и на една от тях. Така че нека за момент да погледнем на тях с възхищението и признателността, която заслужават.

Разбираме малко от това, как клетките правят нещата, които правят — как трупат мазнини или образуват инсулин, как се захващат с много други дейности, нужни да поддържат едно сложно нещо като вас — но наистина знаем само малко. Имате поне 200 000 различни вида протеин, които действат във вас и засега знаем какво правят не повече от 2% от тях. (Според други, това число е около 50%; очевидно зависи от това какво се има предвид под „знаем“.)

Непрекъснато се появяват изненади на клетъчно ниво. В природата азотната киселина е ужасно токсична и е основен компонент на замърсителите на въздуха. Така че естествено учените били изненадани, когато в средата на 1980-те открили, че тя била произвеждана от човешките клетки по странен начин. Целта й в началото била загадка, но след това учените започнали да я откриват навсякъде — да контролира циркулацията на кръвта и енергийните нива на клетките, да атакува рака и други патогени, да регулира сетивото мирис, дори да спомага за ерекция на пениса. Това обяснявало защо нитроглицеринът, известен експлозив, успокоява сърдечната болка, известна като ангина пекторис. (Преобразува се в азотен оксид в кръвния поток, като отпуска мускулната обвивка на кръвоносните съдове и позволява на кръвта да тече по-свободно.) Само в рамките на едно десетилетие тази газова субстанция се превърна от изключителна отрова във вездесъщ еликсир.

Притежавате „около няколкостотин“ различни видове клетки, според белгийския биохимик Кристиян де Дуве, и те варират изключително много по размер и вид — като се почне от нервни клетки, чиито влакна могат да се разтягат до метър и повече и се стигне до малките, във формата на диск червени кръвни телца и пръчковидните фотоклетки, които спомагат да имате зрение. Клетките също така съществуват в голямо изобилие от размери — като никъде не са така впечатляващи както в момента на зачатие, когато един-единствен пулсиращ сперматозоид се изправя пред яйце, което е 85 000 пъти по-голямо от него (което наистина представя идеята за мъжкото господство в перспектива). Средно обаче, човешката клетка е широка около 20 микрона — около две стотни от милиметъра — твърде малка, за да може да бъде видяна, но достатъчно обширна, за да съдържа хиляди сложни структури като митохондриите и милиони и милиони молекули. В най-буквалния смисъл клетките също се различават според жизнеността си. Всичките клетки по кожата ви са мъртви. Малко унизителна е идеята, като си помислим, че всеки сантиметър на повърхността й е мъртъв. Ако сте човек със среден размер, мъкнете около 2,5 килограма мъртва кожа, от които няколко милиарда мънички фрагмента се отлюспват всеки ден. Прокарайте пръст по прашна лавица и ще нарисувате фигура — до голяма степен със стара кожа.

Повечето живи клетки рядко просъществуват повече от месец, но има и няколко забележителни изключения. Чернодробните клетки са способни да оцелеят с години, макар че компонентите в тях могат да бъдат подновявани на всеки няколко дена. Мозъчните клетки съществуват толкова дълго, колкото и вие самите. Дадени са ви около сто милиарда при раждането ви, и това е всичко, което ще получите. Изчислено е, че губите 500 от тях на час, така че ако трябва да се занимавате със сериозна мисловна дейност, нямате време за губене. Добрата новина е, че индивидуалните компоненти на мозъчните клетки непрекъснато се подновяват, така че както при чернодробните клетки нито част от тях фактически няма вероятност да е на повече от един месец. Всъщност се предполага, че няма нищо от нас — дори и заблудена молекула, което да е било част от нас преди девет години. Може и да не се чувства така, но на клетъчно ниво всички сме младоци.

 

Първият човек, който описва клетката, е Робърт Хук, с когото за последно се срещнахме, когато влиза в пререкания с Исак Нютон относно това кой да получи заслугата за закона за гравитацията. Хук постигнал много за шейсет и осемте си години живот — бил цялостно изграден теоретик и специалист в направата на умно направени и полезни инструменти — но нищо, от това което направил, не му донесло такова признание както популярната книга Микрофагия: или някои физиологични описания на миниатюрни тела, направени с помощта на увеличително стъкло, излязла през 1665 г. Тя разкрила на омагьосаната публика света на много малкото, който бил доста по-разнообразен, пренаселен и фино структуриран, отколкото някой въобще можел да си представи.

Сред микроскопичните свойства, които най-напред открил Хук, били малки камери в растенията, които нарекъл „клетки“, защото му напомняли на клетки на монаси. Хук изчислил, че един квадратен инч от корк съдържа 1 259 712 000 от тези малки камери — първата поява на толкова голямо число въобще в науката (това се равнява на 195 304 000 на квадратен сантиметър). Микроскопите по това време вече били съществували от около 20 години, но това, което отличавало микроскопите на Хук от останалите, било тяхното техническо превъзходство. Те увеличавали 30 пъти, което ги правело последната дума на оптичната технология през седемнайсети век.

Така че било малко шокиращо, когато само десетилетие по-късно Хук и другите членове на Лондонското кралско дружество започнали да получават чертежи и доклади от необразован търговец на платове в Холандия, който използвал увеличения до 275 пъти. Името на търговеца на платове било Антони ван Льовенхук. Макар че нямал достатъчно формално образование и нямал никакво в областта на науката, бил прозорлив и всеотдаен наблюдател и технически гений.

И до ден днешен не се знае как е постигнал такива чудесни увеличения с прости ръчни устройства, които не били нещо повече от съвременни скромни дървени чепове с малко мехурче от стъкло, вградено в тях, които приличали повече на увеличително стъкло, а повечето от нас не биха въобще взели за микроскоп, но всъщност не приличали и на двете. Льовенхук правел нов инструмент за всеки експеримент, който провеждал, и бил изключително потаен относно методите си, въпреки че понякога давал съвети на британците как да подобрят разделителната способност на устройствата.^[2]

В период от петдесет години — а удивителното е, че започнал, когато бил вече прехвърлил четирийсетте — изготвил почти двеста доклада до Кралското дружество, като всичките били написани на простонароден холандски език — единствения език, който владеел. Льовенхук не предлагал интерпретации, а само фактите от това, което бил открил, придружени с фини чертежи. Пращал доклади за почти всичко, което можело да бъде изследвано — хлебна плесен, жило на пчела, кръвни клетки, зъби, коса, собствената си слюнка, екскременти и сперма (последните с терзаещи ни извинения за мръсната им същност) — като почти всичките никога не били разглеждани с микроскоп преди това.

След като докладвал, че открил „микроскопични животни“ в проба от пипериче през 1676 г., членовете на Кралското дружество прекарали една година с най-добрите уреди, които английската технология можела да сътвори, в търсене на „малките животинки“, преди най-накрая да получат правилното уголемяване. Това, което Льовенхук открил, било протозоа. Изчислил, че имало 8 280 000 от тези мънички същества само в една капка вода — повече от броя на хората в Холандия. Светът гъмжал с живот в количества и разновидности, които никой преди това не бил и подозирал.

Въодушевени от фантастичните открития на Льовенхук, други също започнали да се взират в микроскопите с такъв интерес, че понякога откривали неща, които фактически не съществували. Един уважаван холандски наблюдател, Николаус Хартсьокер, бил убеден, че видял „дребни предварително формирани хора“ в клетки от сперма. Нарекъл мъничките същества „хомункулуси“ и известно време мнозина вярвали, че всички хора — всъщност всички създания — са просто много уголемени версии на малки, но цялостни същества предшественици. Понякога самият Льовенхук отивал твърде далеч в ентусиазма си. В един от най-неуспешните си експерименти се опитал да изследва експлозивните качества на барута, като наблюдавал малка експлозия от близко разстояние; едва не изгубил зрението си в хода на експеримента.

През 1683 г. Льовенхук открил бактерии, но през следващия век и половина прогресът спрял само дотук поради ограничеността на техниката в областта на микроскопите. Чак през 1831 г. за първи път било видяно ядрото на клетка — то било открито от шотландския ботаник Роберт Браун, този чест посетител в историята на науките, който обаче оставал винаги в сянка. Браун, който живял от 1773 до 1858 г., го нарекъл nucleus от латинската дума nucula, със значение малка ядка или ядро. Едва през 1839 г. било осъзнато, че цялата жива материя е клетъчна. Идеята дошла на германеца Теодор Шван и не само че това станало сравнително късно, що се отнася до научните прозрения, но и в началото идеята не била широко възприета. Едва през 1860-те и благодарение на значимите трудове на Луи Пастьор във Франция било показано убедително, че животът не може да се появи спонтанно, а трябва да идва от съществуващи преди това клетки. Това мнение станало известно като „клетъчната теория“ и е в основата на цялата съвременна биология.

Клетката е сравнявана с много неща — от „сложна химична рафинерия“ (от физика Джеймс Трефил) до „огромен, пренаселен метрополис“ (от биохимика Гай Браун). Една клетка представлява и двете неща, но и нито едно от тях. Тя е като рафинерия, тъй като се занимава с химична дейност в грандиозен мащаб, и е като метрополис, тъй като е пренаселена и оживена, и е място на взаимодействия, които изглеждат объркани и хаотични, но очевидно имат и някаква система. Но тя е много по-кошмарно място в сравнение с който и да е град или фабрика, каквито някога сте виждали. Като начало, вътре в клетката няма нагоре и надолу (гравитацията не важи в клетъчен мащаб) и нито един атом пространство не остава неизползвано. Има дейност навсякъде и безкраен поток на електрична енергия. Може и да не се чувствате ужасно електрично, но сте такива. Храната, която ядем, и кислородът, който дишаме, се свързват в клетките, като се получава електричество. Причината, поради която взаимно не си причиняваме масивни електрошокове или не изгаряме дивана, когато седнем, е, че всичко става в малък мащаб: едва 0,1 волта на разстояния от порядъка на нанометри. Обаче, ако увеличим мащаба, това ще се превърне в електрошок от 20 милиона волта на метър — почти толкова, колкото е зарядът на окото на гръмотевична буря.

Каквито и да са размерите или формата им, почти всички клетки са изградени принципно еднакво: имат външна обвивка или мембрана, ядро, където се намира нужната генетична информация, за да се развивате, и оживено място между двете, наречено цитоплазма. Мембраната не е, както повечето от нас си представят, издръжлива гумена обвивка — нещо, за което ще ни трябва карфица, за да я прободем. По-скоро тя е вид мастен материал, известен като липид, който има приблизителната консистенция „на вид леко машинно масло“, ако цитираме Шервин Б. Нюланд. Ако това изглежда изненадващо несъществено, нека да не забравяме, че на микроскопично ниво нещата имат различно поведение. За всяко нещо на молекулярно ниво водата става вид мощен гел, а липидът е като желязо.

Ако можехте да посетите една клетка, нямаше да ви хареса. Увеличена до мащаб, при който атомите биха били с размер на грахови зърна, самата клетка би била сфера с диаметър над километър, поддържана от сложна рамка от трегери, наречена цитоскелет. Вътре в нея милиони и милиони обекти — някои с размер на баскетболни топки, други с размер на коли — биха профучавали като куршуми. Не би имало и местенце, където да застанете, без да бъдете удряни и разкъсвани хиляди пъти всяка секунда от всяка посока. Дори и за постоянните й наематели вътре в клетката е опасно. Всяка нишка ДНК бива нападана или увреждана средно веднъж на всеки 8,4 секунди — десет хиляди пъти на ден — от химикали и други агенти, които й нанасят удари или небрежно я разцепват, и всяка от тези рани трябва бързо да се обработи, за да не загине клетката.

Протеините са особено жизнени — въртят се, пулсират и налитат един на друг до милион пъти в секундата. Ензимите, които самите са вид протеини, се движат навсякъде, като изпълняват хиляди задачи в секунда. Като изключително забързани работни мравки те бързо градят и преизграждат наново молекули, като взимат парче от тази и прибавят парче на онази. Някои наблюдават минаващите протеини и маркират с химикал тези, които са безвъзвратно увредени или деформирани. Веднъж селекционирани, обречените протеини продължават в структура, наречена протеазом, където биват разграждани и компонентите им се използват за създаване на нови протеини. Някои видове протеини съществуват по-малко от половин час, други оцеляват със седмици. Но всички водят съществувание, което е невероятно активно. Както де Дуве отбелязва, „Молекулярният свят неизбежно остава изцяло извън властта на въображението ни поради невероятната скорост, с която нещата се случват.“

Ако обаче нещата се забавят до скорост, при която взаимодействията могат да бъдат наблюдавани, нещата не изглеждат толкова обезкуражителни. Можете да видите, че една клетка съдържа милиони неща — лузозоми, ендозоми, рибозоми, лиганди, пероксизоми, протеини във всякакъв размер и форма — които се удрят в милиони други обекти и изпълняват обикновени неща: извличане на енергия от хранителните вещества, свързване на структури, освобождаване от отпадъчни вещества, отблъскване на натрапници, изпращане и получаване на съобщения, извършване на поправки. Обикновено една клетка съдържа около 20 000 различни типове протеини и от тях около 2000 типа са представени от поне най-малко 50 000 молекули за всеки тип. „Това означава“ — казва Нюланд, че „дори и да преброим само тези типове молекули, които съществуват в количества от над 50 000 екземпляра всеки, общият брой е все още минимум 100 милиона протеинови молекули във всяка клетка. Такова удивително число дава някаква представа за огромното изобилие от биохимична активност в самите нас“.

Всичко това е един изключително труден и взискателен процес. Сърцето ви трябва да изпомпа 300 литра кръв в час, 7200 литра всеки ден, 2 628 000 литра годишно — това е достатъчно да се напълнят четири плувни басейна с олимпийски размери — за да се поддържат всичките тези клетки добре снабдени с кислород. (И това е при покой. По време на усилено движение скоростта може да се увеличи дори до шест пъти.) Кислородът се поема от митохондрии. Това са електростанциите, а има около хиляда от тях в една типична клетка, макар че броят варира значително, в зависимост от това какво прави една клетка и от колко енергия се нуждае.

Можете да си спомните от една от предишните глави, че се предполага, че митохондриите са възникнали като пленени бактерии и че сега те живеят главно като наематели в клетките ни, запазили собствените си генетични инструкции, като се размножават според своята програма и като използват свой език. Може още да си спомните, че зависим от тяхното благоволение. Ето защо фактически цялата храна и кислород, които поемаме, след преработка се доставят на митохондриите, където те се превръщат в молекула, наречена аденозинтрифосфат или АТФ.

Може и да не сте чували за АТФ, но той спомага за поддържане на живота ви. Молекулите АТФ в основни линии са малки групи енергия, които преминават през клетката и я снабдяват с енергия за всичките й процеси, а те са много. Във всеки един момент една типична клетка в тялото ви има в себе си около един милиард молекули АТФ, и за две минути всяка една от тях бива изразходвана, а други два милиарда заемат мястото им. Всеки ден произвеждате и използвате обем от АТФ, еквивалентен на половината от теглото на тялото ви. Усетете телесната си топлина. Това е АТФ в действие.

Когато клетките не са нужни повече, те умират с голямо достойнство, нека така да го наречем. Те премахват всички опори и устои, които ги поддържат, и тихомълком унищожават компонентите им. Процесът е известен като апоптосис или програмирана клетъчна смърт. Всеки ден милиарди от клетките ви умират за ваше добро и милиарди други почистват отпадъците и труповете. Клетките могат също така да умрат насилствено — например, когато са инфектирани — но в повечето случаи умират, защото така им е казано. Всъщност, ако не им е казано да живеят — ако не им е дадена някакъв вид активна инструкция от друга клетка — клетките автоматично се самоубиват. Клетките се нуждаят твърде много да ги увещават да живеят.

Когато, както понякога се случва, клетката не умре по предписания начин, а започне да се дели и множи активно, наричаме резултата рак. Раковите клетки са всъщност само разстроени, объркани клетки. Клетките правят тази грешка доста редовно, но тялото има сложни механизми, за да се пребори с това. Много рядко процесът излиза извън контрол. Средно у хората се случва само една фатална злокачественост на всеки 100 милиона милиарда клетъчни деления. Ракът е лош късмет във всеки възможен смисъл на думата.

Чудото на клетките е, не че понякога нещата тръгват на зле, а че управляват всичко по такъв гладък начин в продължение на десетилетия. Те правят това, като непрекъснато изпращат и наблюдават потоци от съобщения — какофония от съобщения — навсякъде по тялото: инструкции, запитвания, корекции, молби за подкрепа, модернизации, съобщения да се делят или да умрат. Повечето от тези сигнали пристигат посредством куриери, наречени хормони — химически вещества като инсулин, адреналин, естроген и тестостерон, които пренасят информация от далечни места като щитовидната и ендокринните жлези. А други съобщения пристигат по телеграф от мозъка или от регионални центрове в процес, наречен паракринно сигнализиране. И накрая, клетките директно комуникират със съседите си, за да се уверят, че действията са им координирани.

Най-забележителното е, че това е просто случайно безумно действие — поредица от безкрайни срещи, направлявани от нищо повече от елементарни правила на привличане и отблъскване. Очевидно е, че зад всяко едно от тези действия на клетките няма мисловна дейност. Всичко това просто се случва безпроблемно и регулярно, а и толкова надеждно, че рядко се случва дори да го осъзнаваме, и въпреки това някак си довежда не само до ред в клетката, но и до перфектна хармония из целия организъм. По начини, които едва започваме да разбираме, трилиони и трилиони рефлексивни химични реакции водят до изграждането на един мобилен, мислещ, вземащ решения човек — до вас — или пък да кажем до един по-неразсъждаващ, но все пак невероятно организиран торен бръмбар. Всяко живо същество, нека да не забравяме, е чудо на атомното инженерство.

Всъщност някои организми, които смятаме за примитивни, се радват на клетъчна организация, която прави нашата да изглежда небрежна и банална. Разединете клетките на една гъба (например като ги пресеете през сито), след това ги сложете в разтвор и те ще намерят начин да се съберат отново, като формират гъба. Можете да правите това с тях отново и отново, но те упорито ще се преформират, тъй като както и вие, и аз, и всяко друго живо същество имаме един непреодолим импулс: да продължим да съществуваме.

И това е поради една любопитна, целенасочена, почти неразбираема молекула, която самата тя не е жива и в по-голямата част от времето не се занимава въобще с нищо. Наричаме я ДНК и за да започнем да разбираме върховното й значение по отношение на науката и нас, трябва да се върнем около 160 години назад във Викторианска Англия и във времето, когато на природоизследователя Чарлз Дарвин му дошла, както я наричат, „най-добрата и забележителна идея, която някой е имал“ — а след това поради причини, които се нуждаят от известно обяснение, я заключил в чекмедже, за да остане там през следващите 15 години.