Чтобы узнать, каким образом построена клетка и как она работает, необходимо прибегнуть к языку химии. А так как процессы химического превращения, происходящие в живых клетках, исключительно важны, следует пользоваться наиболее усложненной формой этого языка. Именно отражением этой сложности и прогресса в понимании химических процессов объясняется бурное развитие биохимии в последние годы.
Однако не все туристы могут оказаться учеными. И будет очень обидно, если вся прелесть и очарование жизни клетки откроются только небольшой группе знатоков, знакомых с миром биомолекул. Разумеется, мы заинтересованы взять с собой как можно больше людей и приложим усилия к тому, чтобы предоставить такую возможность всем желающим. Но все же нам понадобятся некоторые знания химии — без них большая часть путешествия окажется бессмысленной.
Итак, допустим, что все мы в некоторой степени знакомы с концепциями и законами химии. По возможности я буду использовать образы и модели для объяснения основных химических понятий. Полагаю, что научная строгость и точность не пострадают от такого вынужденного упрощения.
При этих условиях, надеюсь, наше путешествие станет возможным для многих. Более того, думаю, что у всех путешественников возникнет желание глубже проникнуть в мир молекул, так как наслаждение от изучения жизни живой клетки станет еще больше. Ведь для того, чтобы любоваться пирамидами и сокровищами фараона Тутанхамона, вовсе не обязательно быть египтологом. Однако, чем больше вы узнаете историю этих знаменитых объектов, тем больше удовольствия и пользы получите от их созерцания.

Клетки измеряются в микронах (1 мкм — одна миллионная часть метра), молекулы в нанометрах (1 нм—одна миллиардная часть метра). Столь малые частицы очень трудно увидеть глазом. Возьмем, к примеру, среднюю клетку эукариотов. Неравномерно сферическая по форме, она имеет диаметр около 25 мкм, или 2,5 тысячных сантиметра, так что один миллиард клеток поместится плотно в 2,5 кубических сантиметра. Диаметр бактерий составляет около 1 мкм; в одну клетку эукариотов может поместиться свыше 10 000 бактерий. Многие вирусы настолько малы, что тысячи их могут занять одну бактериальную клетку, или же десятки миллионов миллиардов поместятся в одном кубическом сантиметре. Это невозможно даже представить!
В нашем путешествии мы преодолеем это препятствие, уменьшившись до размеров бактерии, то есть примерно в миллион раз во всех трех измерениях. Другими словами, мы останемся такими, как есть, но все наше окружение увеличится в миллион раз. Увеличенная во столько раз Земля окажется гораздо дальше положения Солнца, лучу света понадобится более 18 часов для прохождения от одного полюса до другого, а клетка вырастет до размеров- большой аудитории. Теперь мы с вами можем остановиться на любой части клетки, привлекшей наше внимание, и различить отдельную ее деталь, вплоть до молекулы.

Биология, как геология и космология, тесно связана с историческими событиями. Объекты ее исследования насчитывают возраст около нескольких миллиардов лет. Это четвертое измерение стало очевидным только около 200 лет назад, когда были обнаружены окаменелости, которые, как доказали ученые, не являются жертвами Великого потопа или шалостями некоего божества, посадившего несколько мертвых видов среди живых особей (так полагали некоторые). Это были кости и оболочки давно вымерших животных, окаменевшие отпечатки растений, которые пышно цвели много тысячелетий назад. По мере разработки методов определения возраста в геологии исторические события начали проясняться: чем древнее были остатки ископаемых, тем примитивнее оказывался уровень их организации. Так, выяснилось, что моллюски появились раньше рыб, развитие которых в свою очередь предшествовало возникновению пресмыкающихся. Птицы и млекопитающие появились позже, за ними последовало появление первых гуманоидов. На основании полученных учеными данных в первой половине XIX в. была создана концепция эволюции живых организмов, вершиной которой явилось опубликование в 1859 г. Ч. Дарвином основополагающей работы «Происхождение видов путем естественного отбора».
Хотя окаменелые остатки содержат ключи к разгадке эволюции клеток, недавние достижения в области биохимии и молекулярной биологии снабдили нас новыми мощными средствами, позволившими воспроизвести прошлое путем исследования настоящего. Открытия в этой области вызвали большой интерес, и четвертое измерение вошло в биологию клетки и проникло в концепции о живой клетке и ее составе. В таком путешествии, как наше, мы не можем пройти мимо этих фактов. Поэтому иногда, делая остановку, мы с вами будем возвращаться к происхождению и эволюции наблюдаемых явлений.

Чуть более 300 лет отделяют нас от того времени, когда впервые была замечена живая клетка; ныне мы являемся свидетелями массового внедрения туризма и средств популяризации в этой области. Каждая веха, возникшая на пути, который вел исследователей в глубь клетки, связана с появлением нового инструмента или прибора. Вот почему нам следует остановиться на основных этапах этого пути.

Мир клеток невидим невооруженным глазом. Он оставался полностью неизведанным до середины XVII столетия, пока люди с пытливым умом и искусными руками не научились шлифовать линзы и использовать их для расширения возможностей зрения. Одним из первых создателей микроскопа был англичанин Роберт Гук — физик, метеоролог, биолог, инженер, архитектор, один из самых замечательных представителей своего времени. В 1665 г. он опубликовал прекрасный альбом рисунков под названием «Микрография», изображающих его наблюдения под микроскопом. Среди них был и тонкий срез пробковой ткани дерева, структура которого напоминала соты, четкое и правильное расположение «микроскопических пор», или «клеток». Гук использовал слово «клетки» в его подлинном смысле, имея в виду маленькие камеры наподобие помещений, в которых сидят заключенные, или монашеских келий. Это слово закрепилось в науке, но теперь оно означает не мелкие дырочки, которые видел Гук в мертвой коре дерева, а «зернышки» вещества, заполняющего поры живого дерева.

К тому времени, когда микроскописты трудились над усовершенствованием своих приборов, относится второй этап изучения клетки — начало ему положили открытия таких ученых, как француз Антуан де Лавуазье, англичанин Джозеф Пристли и другие; в конце XVIII в. они создали новую науку — химию. В отличие от морфологии, которая развивается от сложного к простому, химия продвигается от простого к сложному. Начиналась химия с идентификации элементов, атомов и затем про-двигалась по пути изучения некоторых их более простых комбинаций молекул. Исторической вехой проникновения химии в живой мир является впервые проведенный немецким ученым Фридрихом Вёлером в 1828 г. синтез биологической молекулы — мочевины. Это позволило пересечь границу между неорганической и органической химией, которая, по мнению многих, могла быть преодолена только с помощью «жизненной силы».
Следующие сто лет отмечены значительными успехами в наших представлениях о химическом составе живых клеток. Были открыты, очищены, структурно изучены и получены синтетическим путем аминокислоты, сахара, жиры, пурины, пиримиднны и другие небольшие существующие в природе молекулы. Ученым удалось в известной мере составить представление о метаболизме этих веществ в организме и путях образования из них основных биологических молекул: белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот. Но тут опять возникли труднопреодолимые препятствия на пути к прогрессу. Перед сложностями структурной комплексности, обнаруженными в этих крупных молекулах, классическая химия оказалась почти бессильной.

В течение длительного времени клетки изучали в основном путем наблюдения за ними. Но по мере развития экспериментального метода в естественных науках к нему начали прибегать и при исследовании живых организмов. Это в значительной степени облегчалось мощным взрывом биомедицинских изысканий, проводимых во второй половине прошлого столетия. Физиология, фармакология, генетика, бактериология, иммунология, экспериментальная эмбриология, сравнительная и эволюционная биология — все эти науки во многом помогли проникнуть в мир живой клетки и лучше узнать его. Наиболее важное событие, относящееся к началу нашего века, связано с именами американца Росса Гаррисона и француза Алексиса Карреля, которые установили, что клетки животных можно культивировать в пробирке наподобие одноклеточных организмов. Тем самым они продемонстрировали способность клеток к независимой жизни и создали метод культивирования, который и по сей день оказывает значительную помощь исследователям.
Вместе с тем эти достижения, по сути революционные, по-прежнему были основаны на методах, которые волей-неволей оставались непрямыми, а клетки продолжали существовать сами по себе, будучи практически закрытыми «черными ящиками». Вот почему, несмотря на значительный прогресс во всех областях науки, все еще существовала неисследованная область между наименьшей различимой в световом микроскопе частицей и наиболее крупной молекулой, доступной химическому исследованию. На карте знаний о живой клетке эта область охватывала (широкое пространство, превышающее два порядка увеличения, оставаясь tегга incognitа. Ученые сознавали, что в этой таинственной, казалось бы, недоступной территории скрыты принципиально важные понятия и концепции, без знания которых жизнь клеток навсегда останется нераскрытой, но могли только с огорчением взирать на нее. Однако кое-кто из них не сдавался. Идя по стопам своих предшественников, они призвали изобретательность на помощь пытливости в надежде осуществить единственно возможное: улучшить методы исследования.

Длительные непрерывные усилия внезапно принесли желанные результаты в конце второй мировой войны; именно тогда благодаря удивительному стечению обстоятельств почти в одно и то же время ученые обогатились целым рядом новых мощных инструментов и методов исследования. В морфологии таким инструментом стал электронный микроскоп. Созданный еще в 30-е гг., он обладал достаточной разрешающей способностью, позволяющей про' никнуть в дотоле неизвестное пространство клетки вплоть до структур размером в нанометр. Вместе с тем слабая проникающая способность электронного пучка требовала приготовления очень тонких образцов материала — не более нескольких миллионных долей дюйма — и высокого вакуума. Столь жесткие требования создавали значительные технические трудности, которые многих обескуражили. Но некоторые исследователи упорствовали, воодушевленные перспективами прогресса, открывающимися при применении новой техники.

Вторым методом, радикально изменившим .химическое исследование живых клеток, явился метод изотопного мечейия. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся по атомной массе. Некоторые изотопы существуют в природе, а многие могут быть получены искусственным путем в процессе ядерных реакций. Так, помимо атома водорода 'Н с атомной массой 1, наиболее распространенного в природе, существуют тяжелый природный изотоп 2Н (дейтерий) и еще более тяжелый искусственный изотоп 3Н (тритий). Все три разновидности водорода имеют весьма схожие химические свойства: они соединяются с кислородом с образованием воды, с углеродом — с образованием углеводородов и т. д. Но они отличаются друг от друга по масс-спектрографии, которая, как явствует из самого названия, разделяет атомы в соответствии с их массой. Особенно легко выявляется тритий, так как в дополнение ко всему он радиоактивен, как и большинство изотопов, используемых для мечения.

Это событие происходило параллельно с массированным вторжением в эукариотическую клетку, но на самой границе живого мира. А началось оно с попытки проанализировать с помощью генетики особенности некоторых простых вирусов, инфицирующих бактерии и названных бактериофагами—пожирателями бактерий. Это скромное исследование оказалось верным подходом к проблеме генетической организации, которая даже у этих простейших организмов была необыкновенно сложной. Длительное время новая дисциплина, известная сегодня как молекулярная биология, ограничивалась изучением вирусов и бактерий. Но затем она буквально ворвалась во владения эукариотов и обогатила исследователей новыми тонкими методами, с помощью которых теперь изучаются самые укромные уголки клетки. Молекулярная биология также породила новый мощный метод рекомбинации ДНК, который может оказать глубокое влияние на будущее человечества.
Из нашего краткого исторического обзора следует важный вывод: решающая роль в развитии и прогрессе науки принадлежит новым приборам и методам. Это,разумеется, не означает отрицания решающей роли творческих возможностей интеллекта, интуиции, воображения, порой даже гениальности ученых на каких-то этапах. Но они пропадут втуне без средств технического прогресса, обеспечивающих контакт с реальным миром. В свое время Клод сказал: «В истории цитологии зачастую обнаруживалось, что прогресс невозможен до случайного появления новых технических средств». Много таких «случайностей» накопилось с той поры, как Роберт Гук впервые направил зеркальце микроскопа на срез пробки. Далеко идущие последствия этих «случайностей» вылились в основные открытия последних десятилетий. И хотя всегда трудно оценить в историческом аспекте эпоху, в которой ты живешь, мне кажется, что вторая половина текущего столетия запомнится людям благодаря величайшим открытиям в области человеческого знания — возможно, наиважнейшим сегодня, так как они касаются основных механизмов жизни.