Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

В приведенном выше примере нейрон просто высвобождает нейромедиаторы, точно зная, что за приемлемое время они диффундируют до мишени. Подобным образом броуновское движение используют и другие клетки. Как помните, в главе 4 мы говорили о бактерии, которая любит лактозу: lac-репрессор может как встретиться, так и не встретиться с лактозой, поглощенной бактерией из внешней среды, и от этого зависит, свяжется ли он с нужным участком ДНК, чтобы остановить производство белков, расщепляющих лактозу. Как lac-репрессор находит ту самую ДНК? Опять же ничего особенного, никаких направляющих он не использует. Белок просто блуждает. Благодаря малому размеру его хаотичное движение довольно интенсивно, и репрессор способен преодолеть расстояние в микрометр, близкое к диаметру типичной бактерии, за сотую долю секунды. Чтобы достичь определенной точки – например, своей ДНК-мишени, – он затратит больше времени, поскольку лишь единичные случайные траектории будут ему полезны. И все же для попадания в любую заданную точку ему хватает в среднем десятой доли секунды. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что бактерия, получив информацию из окружающей среды, способна за доли секунды принять взвешенные решения.
Теперь представьте типичную эукариотическую клетку – например, один из ваших лейкоцитов. Его диаметр составляет около 10 микрометров, что в 10 раз больше диаметра типичной бактерии. Чтобы покрыть расстояние, равное диаметру лейкоцита, белку понадобится в 102, то есть в 100 раз больше времени. Найти нужную мишень, например промотор гена, ему будет сложнее. Оказывается, в среднем он должен затрачивать на это время, пропорциональное размеру клетки в кубе (10 × 10 × 10), то есть искать цель в лейкоците белок будет в 1000 раз дольше, чем в бактерии4. Вместо десятой доли секунды на реакцию уйдет почти две минуты – а это много!
Дабы не впасть в летаргию, эукариоты выбирают более активный подход и перемещают грузы с помощью моторных белков5. Мы уже знакомы с одним из них, кинетином, который одним концом захватывает заключенный в липидно-белковую оболочку материал, а другим шагает по микротрубочке.
Кинетин передвигается со средней скоростью около 2 микрометров в секунду, а значит, может пересечь эукариотическую клетку за несколько секунд. Диффундирующим молекулам для этого потребовались бы минуты. Но даже здесь клетка эксплуатирует случайность: моторному белку не нужно доставлять груз до самого пункта назначения, а достаточно лишь переместить его поближе, чтобы на последнем отрезке пути дело завершило броуновское движение. (Например, достигнув ядра после выхода из начальной точки на другом конце крупной клетки, фактор транскрипции может уже путем диффузии быстро добраться до своей ДНК-мишени, расположенной не дальше микрометра.) Польза молекул вроде кинетина очевидна, но она имеет свою цену: клетка вынуждена расходовать энергию на работу моторных белков, в то время как броуновское движение Вселенная предоставляет бесплатно.
Несмотря на активные исследования, никто пока не обнаружил подобные кинетину моторные белки в прокариотических клетках (бактериях и археях). С точки зрения биофизики это закономерно: не то чтобы бактерии не смогли развить их в ходе эволюции – они просто не испытывают в них необходимости. В малых масштабах броуновское движение происходит быстро, в крупных – медленно. Поскольку бактерии в большинстве своем малы, они могут спокойно положиться на случайность в удовлетворении своих внутренних транспортных потребностей.
Зачем бактерии плавают?
Транспортировка вне бактерий и перемещение их самих тоже не обходятся без случайности. Большинство бактерий подвижны и могут, например, плавать в жидкости. Так, у E. coli есть несколько нитевидных жгутиков, при вращении которых в одну сторону организм движется вперед, а в другую – кувыркается [34]. Эти микробы постоянно пребывают в движении, и под микроскопом видно, как они снуют из стороны в сторону в чашке с водой.
 
Можно подумать, что бактерии плавают ради поглощения пищевых частиц, подобно миниатюрным усатым китам, собирающим криль на своем пути, но физика это опровергает. E. coli плавает со скоростью около 10 микрометров в секунду, а значит, если бы в микрометре от нее (то есть на расстоянии, сравнимом с длиной ее тела) находилась пища, бактерии понадобилось бы около десятой доли секунды, чтобы к ней подплыть. Их пища – это сахара и другие молекулы размером менее одной тысячной микрометра, такие маленькие, что за миллисекунду могут преодолеть расстояние в целый микрометр. Будь вы бактерией, пища достигала бы вас путем диффузии гораздо быстрее, чем вы до нее доплывали бы! Как отметил физик Эдвард Пёрселл, «вы можете носиться как угорелый, но тот парень, что спокойно сидит в ожидании диффузии», получит не меньше.
Зачем же тогда им плавать? Бактерии вроде E. coli измеряют концентрацию питательных веществ в окружающей среде по изменению загруженности клеточных рецепторов их молекулами и перемещаются в направлении повышения концентрации. И снова процитирую Пёрселла: «(Бактерия) может находить места, где пища лучше или где ее больше. То есть она движется не как пасущаяся на лугу корова, а стремится туда, где луга зеленее». Благодаря многолетним исследованиям мы теперь можем в подробностях описать, как E. coli оценивает обстановку и принимает решения: как обнаружение питательных веществ поэтапно воздействует на белки, контролирующие жгутики, чтобы те позволяли клетке дольше плыть прямо по градиенту концентрации питательных веществ и чаще крутиться при движении в менее удачном направлении. Механизмы такого же типа работают у очень разных бактерий, включая тех, что привыкли прокладывать себе путь в организмы животных6. Похожие системы характерны и для многих эукариотических клеток – например, иммуноцитов, мигрирующих к ранам.
Итак, мы познакомились со многими компонентами клеток и физическими закономерностями, управляющими их сборкой, динамикой и принятием решений. Клетки, конечно, восхитительны – это живые, растущие, размножающиеся сущности, которых только в каждом из нас триллионы. Но клетки поражают нас еще сильнее, когда работают вместе. Во второй части этой книги мы расширим поле зрения до клеточных объединений, включая эмбрионы, органы, бактериальные сообщества и целые организмы всех форм и размеров, – и снова увидим в работе общие биофизические принципы, потому что взаимодействующие клетки тоже осуществляют самосборку, принимают решения с помощью регуляторных схем, имеют дело со случайностью и увеличивают свои размеры масштабированием.
  
Часть II. Жизнь во всей полноте
   
Глава 7. Сборка эмбрионов
 
Мы познакомились с главными строительными элементами жизни и тремя общими принципами, лежащими в основе их взаимодействий: концепцией самосборки, предсказуемой случайностью микроскопического движения и построением регуляторных схем. Затронули мы и четвертый принцип, масштабирование, находящий отражение в зависимости броуновского движения от размера частиц и в продолжительности диффузии на большие расстояния. В следующих главах мы рассмотрим масштабирование подробнее.
В первой части мы иллюстрировали эти принципы примерами на уровне одиночных клеток и их внутренних механизмов. Но те же самые правила применимы к бьющимся сердцам, бананам, трехпалым ленивцам и прочим проявлениям жизни более крупного масштаба. Биофизические закономерности проливают свет на скопления и сообщества клеток, включая целые организмы, и среди них мы найдем изящные иллюстрации сложности, основанной на простоте.
«Совокупность всех зачатков»