Наука о живом - Питер Медавар

Подвижность фибробластов и их способность делиться делают их особенно подходящим объектом для культивирования ткани — метода, с помощью которого в клетках или фрагментах тканей поддерживается жизнь, так что они, будучи помещены в стеклянные сосуды или камеры, растут (если у них есть такая способность) в специальной питательной среде при температуре тела. Фибробласты вездесущи и так легко приспосабливаются к жизни in vitro, что часто растут в культуре ткани, когда выращивающий их ученый воображает, будто он выращивает что-нибудь совсем другое. Метод культуры ткани оказался великим благодеянием для экспериментальной биологии; кроме того, он имеет определенное отношение и; к проблеме старения (см. ниже) и сделал возможным развитие прикладной медицинской вирусологии, поскольку позволил размножать вирусы в количествах, необходимых для промышленного производства вакцин. Выращивание тканей не требует особенно сложных методик, а поскольку питательная среда, в которой растут клетки, чаще всего животного происхождения (сыворотка крови или тканевые экстракты), то получить ее нетрудно. Однако, чтобы добиться надежных и воспроизводимых результатов, необходимы большая тщательность и внимание к деталям: естественные враги всякой культуры — это бактериальная или грибковая инфекция, а среда, в которой растут ткани, прекрасно подходит для роста и бактерий, и грибов, так что совершенно обязательно строжайшее соблюдение асептики. Выращивание больших {142} количеств вируса необходимо для производства вакцин, а большое количество определенных видов клеток, например лимфоцитов, нужно для таких целей, как производство антилимфоцитарной сыворотки, и потому выращивание тканей превратилось из лабораторного эквивалента надомного труда в индустриальный процесс. В очень больших количествах клетки выращиваются как колонии однослойной культуры в жидкой среде в отличие от полужидких сред ранней поры этого метода, которые имели то преимущество, что облегчали микроскопическое изучение клеток. В лабораторных исследованиях метод культуры ткани используется теперь в основном для изучения биологии клетки в специальных точно определенных условиях, для чего клетка изымается из сферы всех влияний организма и помещается в среду, которая точно известна и полностью контролируется. В истории культуры ткани был, однако, и темный период, когда рост клеток in vitro представлялся таким удивительным, а его результаты — такими изящными, что различные культуры изучались ради них самих, более для приятного времяпрепровождения, чем в реальных аналитических целях. Не стимулировал использования культуры ткани в аналитических целях и тот факт, что применявшаяся тогда питательная среда поддерживалась в студнеобразном состоянии с помощью сгустков фибрина крови, а это разъединяло клетки и препятствовало тесному контакту между ними, который, как мы теперь знаем, необходим для многих процессов в тканевой культуре. В ранние дни применения этого метода считалось (на основании экспериментов, которые с тех пор давно уже признаны ошибочными), что культуры ткани «бессмертны», т. е. что, достигнув определенных размеров, такая культура делится на две или несколько частей и каждая из них становится началом новой культуры, а та вновь начинает расти и при необходимости вновь делится на две, так что линия клеток бесконечна. Однако работа Хайфлика, подтвержденная большинством лабораторий во всем мире, ясно показала, что культуры ткани обычных клеток не только не бессмертны, но, наоборот, имеют строго определенный срок жизни. Они живут всего некоторое число поколений клеток и затем умирают. Согласно {143} Хайфлику, продолжительность их жизни зависит от возраста организма, из которого клетки были взяты. Клетки, подвергшиеся злокачественному перерождению — в организме или вследствие вирусной инфекции непосредственно в культуре, — этому правилу не подчиняются: они, по-видимому, способны делиться бесконечно. Эксперименты, породившие представление о бессмертности культур ткани, были проведены под наблюдением французского патофизиолога Алексиса Карреля в нью-йоркском Рокфеллеровском институте, и считалось, что культура жила с 1912 по 1939 год, однако, если это и верно, причины столь долгой жизни до сих пор еще неясны. Одна из возможностей такова: пища, которую получали клетки, представляла собой неочищенный экстракт эмбриональной ткани и в изобилии содержала взвешенные клетки, а скромные прислужники жрецов, руководивших ритуалом выращивания, не приложили достаточных стараний, чтобы их оттуда удалить. Другая, менее вероятная возможность заключается в том, что культуры все же вымерли и их попросту начали выращивать заново из свежей ткани на том основании, что погибнуть они могли только в результате недосмотра, использования токсичной среды или еще какой-либо случайности.

Многие биологи, учитывая бурный рост клеток культуры ткани, отсутствие в них дифференцировки и другие внешние черты их сходства со злокачественными клетками, полагали, что при обратной пересадке в организм они должны превратиться в раковые клетки. Однако никакого прогрессивного роста при обратной пересадке не наблюдалось. Теперь мы знаем, что эти опыты не отвечали поставленным задачам, так как в те времена, когда еще не были выведены инбредные линии мышей, культуры, проверявшиеся на злокачественность, по необходимости пересаживались мышам, отличным по своему генотипу от тех, из чьих клеток эти культуры выращивались. Следовательно, такие клетки вызывали иммунный процесс отторжения, который их и разрушал (см. гл. 13). Как только ошибка в постановке экспериментов была исправлена, очень быстро удалось установить, что немалое число культур ткани действительно подвергается злокачественным перерождениям, {144} особенно в лабораториях, где присутствуют онкогенные (вызызающие рак) вирусы вроде вируса полиомы. Взятые в целом, эти эксперименты учат нас никогда не отчаиваться слишком рано при отрицательных результатах.

Эксперименты Хайфлика связаны также с явлением старения, которое будет рассмотрено в гл. 20.

Значение клеточной структуры. Теперь мы можем вполне уверенно ответить на вопрос, который, естественно, ставил в тупик ранних исследователей клетки, особенно тех, над чьими мыслями тяготело понятие «протопиазмы» — таинственного полифазного коллоида, описанного на стр. 15. В самом общем виде вопрос этот сводится к следующему: в клетке осуществляется широкая деятельность по синтезу и другим процессам обмена веществ и сама ее жизнь с несомненностью зависит от процесса дыхания, который требует чрезвычайно синхронизированного совместного действия целой серии ферментов. Каким же образом вся эта деятельность регулируется так, что нужное событие происходит в нужное время и в нужном месте? В рамках протоплазменной теории это было совершенно непостижимо: нет ничего удивительного, что Р. А. Петере выдвинул понятие «клеточный скелет». Принятый всеми ответ на эту загадку удалось получить только благодаря использованию электронной микроскопии, в частности электронных микроскопов со средней разрешающей способностью. Ответ этот заключается в том, что синхронное выполнение всех многообразных действий клетки имеет структурную основу и что клетки заполнены вовсе не однородной слизью, первозданной или же чрезвычайно хитро сбалансированной, как это считалось в последние дни существования протоплазменной теории, а сложными, плотными на вид органоидами вроде ядра или уже упоминавшихся выше митохондрий, которые обеспечивают материальную опору для пространственного расположения ферментов, осуществляющих обмен веществ в клетке. Среди этих внутренних структур, особенно у клеток, предназначенных для синтеза или секреции, наиболее заметна эндоплазматическая сеть — извилистая внутренняя решетчатая система канальцев, тесно связанная с крошечными круглыми частицами, рибосомами, которые {145} служат в клетке местом сборки белковых макромолекул. Внутри ядра находятся более мелкие объекты такой же, как оно, формы — ядрышки, хранилища одного из видов нуклеиновой кислоты, играющего важную роль в синтезе клеточных белков (см. гл. 12). К органоидам, у которых связь молекулярной структуры с их функциями вполне ясна, относятся, естественно, и сами хромосомы, состоящие из ДНК, образующей с основным белком солеподобное соединение. В гл. 3 было объяснено, что функция ядра по переносу генетической информации обеспечивается и выражается молекулярным строением нуклеиновой кислоты внутри хромосомы. Митохондрии имеют характерную эллипсовидную форму и заполнены плотно уложенными поперечными перегородками, кристами, благодаря которым они, по-видимому, замечательно приспособлены для управления ферментами, занимающимися клеточным дыханием. Хотя большая часть компонентов митохондрий синтезируется согласно инструкциям, содержащимся в ядре клетки, сами митохондрии, как ни удивительно, обладают некоторым количеством ДНК, которая, таким образом, не вся сосредоточена в ядре. Это очень подвижные клеточные органоиды, и каждая митохондрия формируется заново только там, где до этого существовала другая митохондрия; размножение их представляет собой процесс, очень похожий на простое деление пополам. Существует интереснейшее предположение, подтвержденное немалым числом косвенных свидетельств, что митохондрии начали свой эволюционный путь как бактерии и, став сперва внутриклеточными паразитами, превратились впоследствии в необходимых симбионтов. Никому еще не удалось успешно выращивать митохондрии вне клетки, как выращиваются многие бактерии, но это вовсе не наносит смертельного удара по гипотезе об их бактериальном происхождении, поскольку совершенно не исключено, что их все-таки удастся вырастить, если будут подобраны правильные условия: ведь надо помнить, что существуют некоторые бактерии, особенно мико-бактерии, которые тоже очень трудно выращивать в бесклеточной среде вне организма.