биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Дипломатия клеток: взлёты и падения

[9 ноября, 2013 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Развитие естественных наук ведет к переосмыслению многих фундаментальных проблем биологии. К одной из них относится вопрос о сущности целостного организма. Данная обзорная статья по материалам современных биомедицинских исследований призвана помочь читателю лучше представить себе закономерности самоорганизации живой материи.

Обратите внимание!

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Лучший обзор».


Спонсор конкурса — дальновидная компания Life Technologies. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

1. Братство без свободы и равенства

Интуитивно трудно представить себе спонтанный процесс эволюции органического мира по принципу «от простого — к сложному». Поэтому, например, такая картина, как эмбриональное развитие животных, кажется неискушенному зрителю загадочной, если не сказать — чудесной. А ведь это вопросы фундаментального характера, и на них строится мировоззрение современного человека.

Индивидуальное развитие многоклеточных организмов — онтогенез — протекает по принципу «от простого к сложному». Из одной клетки — зиготы — закономерно образуется организм, насчитывающий порою астрономическое их количество (рис. 1). Онтогенез многоклеточных рассматривают как модель эволюционного становления этой самой многоклеточности, потому что историческое развитие живых организмов — филогенез — тоже шло по пути «от простого к сложному». Это нашло отражение в изящном биогенетическом законе Геккеля-Мюллера: «Онтогенез есть быстрое и краткое повторение филогенеза».

Рисунок 1. Схема развития ланцетника. 1 — оплодотворенная яйцеклетка (зигота) — аналог одноклеточных организмов; 2–5 дробление (стадии 2–32 бластомеров) — серия делений клеток — аналог неустойчивых, легко распадающихся на отдельные клетки колоний; 6 — бластула (в разрезе) — многоклеточный зародыш — аналог устойчивых колониальных организмов. Межклеточные взаимодействия в ходе эмбрионального развития усиливаются и усложняются [1].

Своеобразным «кирпичиком» в построении «здания» многоклеточного организма служит клетка — структурная и функциональная единица живого (это одно из положений клеточной теории). Возникает вопрос: почему клетки объединяются в многоклеточные организмы? Ведь каждая из них — это микроскопическая, но самодостаточная часть живого. Жили бы себе самостоятельно...

Начнем с того, что у любой клетки рано или поздно появляются соседи — другие клетки. Это неизбежно из-за процесса размножения — неотъемлемого свойства любого живого организма. На заре эволюции живой природы — еще в «первичном бульоне» — размножение позволило некоторым органическим молекулам успешно пройти естественный отбор. Известный эволюционист Ричард Докинз так представляет эту картину: «...В какой-то момент случайно образовалась особенно замечательная молекула. Мы назовем ее Репликатором. Это не обязательно была самая большая или самая сложная из всех существовавших тогда молекул, но она обладала необыкновенным свойством — способностью создавать копии самой себя...» [2].

Биология — наука экспериментальная, и в ней принято проверять подобные предположения на практике. При моделировании процесса эволюции молекул РНК* — аналогов гипотетических репликаторов «первичного бульона» — было установлено, что быстрее всех начинали доминировать стабильные репликаторы с максимальной скоростью и точностью самокопирования. Другими словами, полностью заселял «бульон» репликатор-долгожитель, медленно мутировавший и быстро размножавшийся. Из подобных наблюдений создается впечатление, что суть жизни — это заполнение своими копиями всего пространства. Как будто клетка живет, чтобы размножаться.

* — В концепции «мира РНК» этой молекуле отводится ведущая роль в сценарии возникновения жизни на Земле: «РНК у истоков жизни?» [3]. — Ред.

Однако если внимательно проследить за делением клетки — митозом, — то можно убедиться, что размножение — это «необходимое зло», продлевающее ее жизнь. Поясним. Допустим, появилась новая клетка. В начале своей жизни (точнее — клеточного цикла) она маленькая. Если окружающие условия подходящие, то клетка закономерно и неизбежно увеличивается в размерах — растет. По мере роста клетка все хуже регулирует собственный обмен веществ из-за нарушенного ядерно-цитоплазматического отношения. Разбухшая клетка оказывается на пороге собственной гибели, где единственная возможность избежать ее — это «сбросить балласт», т.е. избавиться от излишка набранного веса. Получается, что клетка размножается, чтобы долго жить.

Рисунок 2. Схема клеточного цикла на примере организма с двумя парами хромосом. В конце цикла, клетка находится в состоянии «быть или не быть?» Она ищет любой способ «быть» и находит его — надо просто сбросить то, что появилось в процессе роста [4].

Естественный отбор сохранил клетки, которые не просто выживали, избавляясь от излишков своего тела, а наделяли их генетическим материалом, создавая собственную копию. Очевидно, так сформировалось деление, известное для прокариот как бинарное деление, а для эукариот — как митоз (рис. 2).

Вот и выходит, что деление клетки — это «отпочковывание» от материнской клетки дочерней. Неравноценность делящихся клеток подтверждается данными современной биологии. Известно, что после каждого деления генетический материал клетки немного повреждается (точнее, сокращаются теломеры* — участки ДНК на концах хромосом). После определённого количества делений теломеры исчезают, и клетка запускает программу «самоубийства» — апоптоз [5]. Количество делений до наступления апоптоза достаточно точно определяется и называется пределом Хейфлика. Для большинства клеток нашего организма этот предел составляет 50–52 деления.

* — За изучение теломер и теломеразы в 2009 году вручена Нобелевская премия по биологии и медицине («“Нестареющая” Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе» [6]), а их роль в процессе старения и по сей день остается крайне дискуссионной: «Старение — плата за подавление раковых опухолей?» [7], «Хромосомные концы не перестают удивлять» [8]. — Ред.

Видно, что чем меньше материнская клетка делится, тем дольше она живет. Пример таких клеток — «кирпичики» нашего головного мозга (нейроны). Они очень активны: постоянно работают и практически не растут. Львиная доля нейронов живет многие десятилетия, и при этом не размножается. Платой клеток за долгую жизнь является их «бесплодность». И, судя по исследованиям ученых из Арканзасского медицинского университета, эта закономерность справедлива и для целостного организма. Им удалось за счет изменения всего одного гена (точнее — гена age-1) достичь десятикратного (!) увеличения продолжительности жизни круглого червя — нематоды. Однако эти черви-долгожители оказались совершенно бесплодными [9].

Клетка в результате ряда делений образует вокруг себя группу дочерних клеток: колонию — естественную форму существования одноклеточных организмов. Клетки колонии делятся, и она растет, приобретая разнообразные формы и конфигурации (рис. 3). Рост колонии и приобретаемая ею форма обусловливают неравномерный контакт ее клеток и неодинаковое распределение жизненно важных ресурсов между ними [10]. Именно «несправедливое» распределение пищи, света, кислорода и т.п. в пределах колонии ведет к накоплению различий между ее клетками — дифференцировке. С ростом колонии связи между ее клетками ослабевают, и она распадается на части, вегетативно размножаясь.

Рисунок 3. Формы колоний: I — нитевидная, II — однослойный клеточный пласт, III — многослойный клеточный пласт, IV — шаровидная (с дифференцированными клетками). Источник: «Биология» под редакцией В.Н. Ярыгина.

Рост колонии сопровождается изменением ее формы, дифференцировкой клеток и последующим распадом на дочерние колонии. Эволюция шла в направлении укрепления связей между клетками колоний, что препятствовало ее распаду и привело к появлению устойчивых колониальных организмов. Примером таких организмов являются губки. Это настолько стабильные колониальные организмы, что вопрос: «Губки — это высокоорганизованные колониальные одноклеточные или низкоорганизованные многоклеточные?» — до сих пор остается спорным. Оказалось, что «примитивная» губка — это совокупность множества различных организмов, каждый из которых предпочитает общественную жизнь индивидуальному существованию [11].

Клетки существуют в устойчивых группах не поневоле. Им выгодно держаться вместе, разделяя функции между собой. Отбор шел на закрепление механизмов группового существования клеток, т.е. эволюция колониальных одноклеточных была сопряжена с совершенствованием межклеточных взаимодействий (рис. 4).

Рисунок 4. Эволюция межклеточных взаимодействий. А — путем диффузии химических сигналов; Б — через внеклеточный матрикс; В — через специализированные межклеточные контакты [12].

Клетки колонии все теснее и прочнее соединялись друг с другом, жертвуя своей свободой. Они становились частью целого — истинно многоклеточного организма (рис. 5). Причем происходило это неоднократно. Например, эукариоты, по оценкам специалистов, переходили к уровню многоклеточного организма в разных эволюционных ветвях минимум 24 раза [13].

Рисунок 5. Окаменелость «габонского организма» a — общий вид; b—d — реконструкция строения средствами рентгеновской компьютерной томографии (масштаб: 5 мм). «Габонский организм» — предположительно колониальный эукариот, структура которого указывает на то, что он рос за счет координированного деления своих клеток, обменивавшихся сигналами между собой. Это существо — возможное доказательство одной из попыток перехода одноклеточных организмов к многоклеточной форме существования [14].

Эволюционно были закреплены механизмы, препятствующие распаду клеток стабильных колоний: межклеточное вещество, которое играло роль раствора в «кирпичной кладке» клеточных пластов, а также специализированные межклеточные контакты. Так появилась ткань — весьма устойчивая колония клеток, связанных своими же выделениями (межклеточным веществом). Они сообща работают на поддержание друг друга, и их нормальное функционирование обеспечивается благодаря сложной системе межклеточных взаимодействий (рис. 6). С непосредственными соседями клетка взаимодействует с помощью межклеточных контактов (точнее — молекул адгезии), а с удаленными клетками — посредством молекул сигнальных веществ (например, гормонов, ростовых факторов, нейромедиаторов). В основе этих механизмов лежит подача сигналов одними клетками другим клеткам, а также прием и расшифровка этих сигналов с помощью внутриклеточных сигнальных путей, запускающих цепь стереотипных, генетически обусловленных реакций [15].

Рисунок 6. Картина межклеточных взаимодействий в схеме гуморальной регуляции как иллюстрация к тезису: «Многоклеточный организм — это интегрированное сообщество дифференцированных клеток» [16].

Именно таким образом «единицы жизни» — клетки — объединены сложными межклеточными взаимодействиями в иерархически соподчиненные системы (ткани, органы, системы и аппараты органов), образуя одно целое — организм. Истинно многоклеточный организм существует и размножается как единое целое. На клеточном уровне он представляет собой сложное сообщество единых по происхождению, но разных по строению, функциям и степени свободы клеток, которым выгодно и удобно жить в сообществе себе подобных.

Межклеточные взаимодействия являются реализацией «законов», которым подчиняется клетка во имя целого — организма. Уместно вспомнить слова американского биохимика Альберта Сент-Дьери: «Все живое стремится расти и размножаться до бесконечности, но когда клетки участвуют в совместном создании сложного организма, их рост должен регулироваться с учетом интересов целого». Поэтому «свободы» клетки ущемлены, а «обязанности» — строги и четко определены. Тем не менее, жить, образуя единую группу дифференцированных клеток, индивидуально каждой из них «выгодно».

Итак, межклеточные взаимодействия — это универсальный по своей природе биологический механизм. Он лежит в основе существования и развития всех многоклеточных форм, обеспечивая структурно-функциональное постоянство многоклеточного организма.

2. Родства не помнящие?

Что же произойдет, если в уже сложившемся многоклеточном организме межклеточные взаимодействия начнут слабеть и разрушаться? На этот счет существует предположение, что в основе развития многих заболеваний лежит нарушение межклеточных взаимодействий. Яркий пример такой болезни «рассогласованных» клеток — рак.

Современное представление о раке следующее: клетка после ряда определенных мутаций начинает интенсивно размножаться, образуя опухоль. Это не какая-то одна определенная мутация. Для того, чтобы нормальная клетка стала на путь злокачественного перерождения, должно набраться значительное количество генетических повреждений [17]. Поначалу опухоль компактна, но по мере своего быстрого роста она начинает распадаться. Происходит миграция отдельных клеток опухоли в разные части тела, где каждая из них продолжает расти и размножаться. Такие множественные опухоли, разбросанные по всему телу, называются метастазами. Весь этот процесс нарушает нормальную работу организма, который, в конечном счете, погибает [18].

Нормальные клетки как было сказано выше, находятся в сложной системе межклеточных взаимодействий (рис. 7). Они постоянно выделяют специфические вещества, которые регулируют жизненный цикл клеток, их деление и апоптоз. В нормальной ткани клетки подавляют склонность соседок к злокачественному перерождению [19].

Рисунок 7. Схема межклеточных взаимодействий, создающая расположение клеток слухового эпителия мышей в «шахматном» порядке. Схема организации расположения волосковых клеток и клеток сопровождения у мышей дикого типа (WT) и у нокаутов по нектину-1 (Nectin-1 KO), нектину-2 (Nectin-2 KO) и нектину-3 (Nectin-3 KO) [20].

Благодаря межклеточным взаимодействиям клетки здоровой ткани как бы прилипают друг к другу. Это называется клеточной адгезией. Причем родственные клетки прилипают друг к другу намного охотнее, словно узнают своих родственников. Такое специфическое соединение клеток так и называют — узнавание. Поэтому клетка здоровой ткани, как правило, малоподвижна из-за связывающих ее свободу межклеточных контактов, что называется контактным торможением клеток. Контактное торможение, адгезия клеток и их узнавание — причины, сохраняющие структурную целостность организма.

Поверхность злокачественной клетки сильно меняется, лишаясь молекул адгезии, с помощью которых она может прикрепляться к своим соседям. Раковые клетки не способны к адгезии, контактному торможению и узнаванию, что приводит к их смертоносному путешествию по межклеточному пространству организма-носителя. Причем миграция клеток опухоли обусловлена не только их способностью к движению, но и умением «пробивать» себе путь, разрушая межклеточное вещество [17].

Ранее считалось, что раковая клетка вообще не взаимодействует с другими клетками. Соответственно каждая из них «эгоистично» стремится расти и размножаться до бесконечности, истощая организм-носитель. Этой картине онкогенеза соответствовали объективные данные. Так, если деление нормальной клетки сопряжено с ее старением (из-за постепенного повреждения теломер) и ограничено «границей Хейфлика», за которой следует смерть клетки, то теломеры злокачественных клеток защищены ферментом — теломеразой, — и после каждого деления клетки они восстанавливаются. Благодаря этому, теоретически, срок жизни раковых клеток неограничен. Раковые клетки — бессмертны [21].

Здесь уместно упомянуть, что механизмы защиты нормальных клеток от рака являются одновременно причиной старения и смерти клетки. Например, ген p16INK4a защищает организм млекопитающих от рака, но одновременно участвует в процессе старения клетки. Белок, кодируемый геном p16INK4a, вызывает нарушение клеточного цикла и таким образом способствует преждевременному одряхлению клетки. Поэтому специалисты уже давно справедливо указывают на антагонизм рака и старения. Так, еще в 2003 году была опубликована статья крупного американского специалиста в области молекулярной геронтологии Дж. Камписи, с говорящим заголовком: «Рак и старение: демоны-соперники?» [22].

Позже оказалось, что клетки раковой опухоли, как потомки одной материнской клетки, все же взаимодействуют между собой и манипулируют здоровыми клетками. Однако делают они это исключительно путем выделения сигнальных веществ. Так, например, клетки глиобластомы — агрессивной опухоли головного мозга — в условиях недостатка кислорода, питательных веществ и других ресурсов, выделяют в межклеточную среду экзосомы* — особые мембранные пузырьки с веществами, которые стимулируют деление клеток, блокируют апоптоз и посылают другим клеткам опухоли химический сигнал к миграции. К сигнальным веществам относится и т.н. фактор роста эндотелия сосудов, который стимулирует прорастание в область опухоли новых кровеносных сосудов, усиливая в ней кровообращение. Так клетки глиобластомы активно манипулируют здоровыми клетками прилегающих тканей [23].

Рисунок 8. Смоделированный график развития опухоли крыс — карциномы Герена — до летального исхода. Пунктиром отмечен график развития опухоли до лечения Источник. Экспоненциальный рост опухоли наблюдается на ранних стадиях рака, преимущественно в изолированной культуре (in vitro). В живом организме (in vivo) злокачественная опухоль на средних и поздних стадиях развития характеризуется сниженной активностью клеток и высоким уровнем их генетической разнородности. Исследование 15 разных типов опухолей как in vitro, так и in vivo, показало, что рост этих новообразований носит не экспоненциальный, а линейный характер [26].

* — О роли экзосом в организме читайте статью «Экзосома — механизм координации и взаимопомощи клеток организма» [24]. — Ред.

Получается, что опухолевые клетки все-таки тоже вступают в межклеточные взаимодействия — как с другими опухолевыми, так и с нормальными клетками. К тому же клетки опухоли хоть немного, но все же различаются (т.е. дифференцированы) как особые раковые стволовые клетки и их производные — собственно раковые клетки, которые ответственны за образование и рост опухоли [25]. Теперь «кирпичики» опухоли воспринимаются специалистами как сплоченная команда «клеток-бунтарей». Эти потерявшие «чувство родства» клетки взаимодействуют в направлении обустройства окружающих тканей под нужды опухоли (т.е. обеспечение питательными веществами и кислородом для деления, а также метастазирования — колонизации новых частей организма-носителя) [23]. Такой подход утверждает то, что развитие опухоли — это четко и жестко регулируемый процесс [19]. В свете новых данных пересматривается даже тезис об экспоненциальном увеличении раковой опухоли как классическом примере непрерывного роста (рис. 8).

Таким образом, клетки злокачественной опухоли благодаря межклеточным взаимодействиям реагируют на давление среды, активно приспосабливают ее под свои нужды, мигрируют в поисках новых мест обитания и даже немного приостанавливают темпы своего роста.

Рак является своеобразной «платой» организма за многоклеточность, потому что, по сути, он является выходом части — клетки — из-под контроля целого — организма. Причина: ряд мутаций, ведущих к разрушению межклеточных контактов как основы многоклеточной организации. В конечном счете, потерявшие связь со своим окружением клетки живут, обильно питаясь, размножаясь и не старея, меньше, чем могли бы прожить, будучи частью целого организма. Этот «бунт» клетки против многоклеточности отсеивается естественным отбором: рак быстро исчезает вместе с организмом, в котором он возник.

3. Империя невидимых

Если появление многоклеточных организмов — это результат усиления в ходе эволюции межклеточных взаимодействий, то самые древние одноклеточные организмы — бактерии — должны характеризоваться слабыми межклеточными взаимодействиями или вообще их отсутствием.

Рост колонии микроорганизмов описывается S-образной кривой логистического роста (рис. 9, слева), которая образуется из-за ограничивающего непрерывный рост давления среды (например, старения клеток, истощения пищевых ресурсов и жизненного пространства, внутривидовой конкуренции, отравления отходами жизнедеятельности). Логистическая кривая хорошо описывает не только рост колонии микроорганизмов, но и индивидуальный рост многоклеточных организмов (рис. 9, в центре). Это происходит также под давлением среды и усиливающихся межклеточных взаимодействий. Клетки уже не могут беспрепятственно потреблять ресурсы, расти и размножаться. Они вынуждены считаться со своими соседями, вступая с ними в сложные физико-химические взаимодействия.

Получается, что рост колонии одноклеточных и рост многоклеточного организма описывается однотипной логистической кривой. Следовательно, в обоих случаях группы клеток растут, подчиняясь единым закономерностям (рис. 9, справа). Тогда можно предположить наличие в растущей колонии бактерий сложной системы межклеточных взаимодействий, подобных тем, что обеспечивают тканевую организацию многоклеточных.

Рисунок 9. Кривые роста. Слева: кривая роста микроорганизмов при периодическом культивировании: I — лаг-фаза: бактерии приспосабливаются к окружающей среде, скорость роста колонии незначительная; II — фаза ускорения роста; III — фаза экспоненциального роста (лог-фаза): скорость роста колонии высокая, а количество клеток увеличивается экспоненциально; IV — фаза замедления роста; V — фаза стационарная: скорость роста колонии практически равна нулю, деление и гибель конкурирующих за ресурсы клеток компенсируют друг друга; VI — фаза отмирания культуры: скорость роста колонии снижается, т.к. увеличивается количество гибнущих клеток и уменьшается количество делящихся клеток. Источник. В центре: Кривая абсолютного роста длины тела в эмбриональном и раннем постэмбриональном периодах [27]. Справа: Кривые роста (штриховка — давление среды). При неограниченных ресурсах среды (идеальные условия отсутствия давления среды), рост колонии описывается экспоненциальной кривой (а), выражающей т.н. биотический потенциал. В естественных условиях (при ограниченных ресурсах среды) рост колонии микроорганизмов описывается логистической кривой (б) [28].

Современная биология делает границу между понятиями «колония» и «ткань», «сложная колония одноклеточных организмов» и «простой многоклеточный организм» все более условной. Под сложностью колонии подразумевается неоднородность клеток, объединенных в нее, т.е. сложная колония — это устойчивый симбиоз разных видов бактерий.

Сложные межклеточные взаимодействия в сообществе разных видов бактерий наглядно проявляется в т.н. «биопленках» — клеточных пластах, объединенных межклеточной слизью, выделяемой этими бактериями (рис. 10, слева). В пределах биопленок бактерии разных видов выполняют многообразные и полезные друг для друга функции (т.е., они дифференцированы). Выходит, что совершенно разные по происхождению бактерии объединяются в пределах биопленок и формируют сообщества, построенные по принципу дополнительности, (т.е. разделения функций на благо всего сообщества!), а не конкуренции [29].

Такие сообщества бактерий устроены не проще, чем многоклеточный организм, где каждая клетка взаимодействует с соседними клетками и координирует свое поведение посредством многочисленных и разнообразных химических сигналов. Это вынуждает пересмотреть многие процессы, связанные с микроорганизмами. Например, развитие бактериальной инфекции современными микробиологами рассматривается как результат работы именно сообщества клеток, а не простой совокупности индивидуумов [30]. А при исследовании устойчивости бактерий к антибиотикам анализ не отдельных устойчивых мутантов, а всей колонии выживших (после воздействия антибиотика) клеток дал удивительные результаты. Так, американские ученые выяснили, что такие колонии состоят из удачливого меньшинства устойчивых мутантов и подавляющего большинства уязвимых клеток. Бактерии-мутанты (которые медленно растут и размножаются) «берут на иждивение» своих беззащитных соседей, которые в свою очередь, быстро размножаются, обеспечивая интенсивный рост колонии. В итоге, при минимальных изменениях генофонда все клетки колонии защищены от гибельного воздействия антибиотика [31].

Эволюция «примитивных» в структурном плане прокариот сформировала систему очень сложных межклеточных взаимодействий как внутри одного вида, так и между разными видами клеток. Например, исследование сложного поведения повсеместно распространенных почвенных бактерий B. subtilis (рис. 10, справа) позволило установить, что эти бактерии «принимают решения», обмениваясь химическими сигналами. Наблюдается что-то типа «химического голосования», при котором определенное число поданных клетками колонии «голосов» изменяет поведение бактерий (специалисты называют это явление чувством кворума). А решения могут быть весьма жесткие. Например, в условиях длительного голодания и высокой плотности популяции часть клеток B. subtilis превращается в каннибалов и пожирает другую часть колонии, которая (и это самое интересное!) «помогает» себя съесть, проявляя альтруизм (или протофагию — совокупность процессов бактериального каннибализма, альтруизма, аутолиза и запрограммированной клеточной смерти [32]). После этого, если условия продолжают оставаться экстремальными, каннибалы превращаются в споры, способные длительное время выдерживать весьма экстремальное воздействие окружающей среды.

Рисунок 10. Бактериальные колонии. Слева: Колония бактерий-мутантов Pseudomonas fluorescens на поверхности питательной среды. Клетки-мутанты выделяют большое количество склеивающей их слизи. Благодаря этому вся колония всплывает на поверхность питательной среды, богатой кислородом, образуя биопленку — «бактериальный мат» [33]. Справа: Многоклеточные фрактальные колонии B. subtilis, образующиеся в результате сложного коллективного поведения. Между клетками существует замысловатая коммуникация в форме обмена химическими сигналами. Поведение колонии в экстремальных условиях может конкурировать с примерами высоконравственного поведения людей, когда интересы общества оказываются выше интересов индивидуума [34].

Все это напоминает примеры самоотверженного поведения людей-героев, ведомых «венцом эволюции» — тканью головного мозга — средоточием интеллекта, разума и сознания. К стыду эукариот, следует отметить, что клетки головного мозга — нейроны — не столь альтруистичны, как B. subtilis. Так, есть данные, что количество погибших при инсульте нейронов значительно больше, чем могло быть — из-за того, что погибающие нейроны «склоняют» к апоптозу соседние клетки [35].

Уже всерьез оспаривается утверждение, что у одноклеточных организмов способность к обучению в течение жизни сильно ограничена по сравнению с высшей нервной деятельностью многоклеточных. Выработка опережающего реагирования на раздражитель — это результат записи памяти в структуре межнейронных связей, поэтому одноклеточные к такому реагированию принципиально не способны. Теоретически предполагалось, что бактерии могут «научиться» предвосхищать события, но не в онтогенезе, а за счет эволюции — в филогенезе, используя генетическую память. Благодаря огромному количеству бактерий в колонии, высокой мутационной изменчивости и интенсивному размножению, подобное «эволюционное обучение» бактерий предположительно сопоставимо по скорости с «нейронным» обучением высших животных. Доказано, что если изменения окружающей среды в определенной степени предсказуемы, то эволюция генетической памяти бактерий приводит к феноменам, схожим с выработкой условных рефлексов у высших животных [3637].

К «высокоорганизованным» (т.е., сложно устроенным) прокариотам можно отнести нитчатых цианобактерий. Они, как следует из их названия, образуют в результате неполных клеточных делений нитевидную колонию — трихом. Трихом объединяет клетки, выполняющие разные функции, т.е. колония дифференцирована и подвижна. Трихомы, активно перемещаясь, сплетаются в пласты клеток, которые покрывают поверхность среды биопленкой. Выходит, что некоторые нитчатые цианобактерии перешли от нитевидной колонии к следующему уровню интеграции — колониям в форме клеточных пластов. Это сложное и «продуманное» поведение упомянутых бактерий ставит перед биологами вопрос: «Можно ли считать организованное сообщество нитчатых цианобактерий целостным многоклеточным организмом?» В самом деле, нитчатые цианобактерии с дифференцированными клетками, способными к образованию устойчивых, восстанавливающих свою целостность клеточных пластов, — не удачная ли «попытка» эволюции создать многоклеточный организм на основе прокариот [38]?

Возникновение таких колоний — это, конечно, прорыв в эволюции прокариот, но до настоящего целостного, единого многоклеточного организма здесь еще далеко. Колонии прокариот, какими бы сложными они ни были, отличаются от истинно многоклеточного организма своей нестабильностью во времени и пространстве, а также неспособностью размножаться как единое целое. Поэтому специалисты констатируют, что прокариотам так и не удалось перейти к истинно многоклеточным формам — несмотря на то, что они многократно подходили вплотную к ним [33]. Остается лишь, как осторожно предлагают ученые, называть такие необычные бактериальные колонии с «коллективным поведением» «супраклеточными структурами» или «организованными сообществами» [38].

Объединение отдельных клеток в единый многоклеточный организм, размножающийся как целое, — это одно из фундаментальных направлений эволюции живой материи. Чем разнороднее объединяющиеся клетки (крайний случай — объединение одноклеточных организмов разных видов), тем сильнее выражены межклеточные взаимодействия в форме симбиоза (например, лишайники — многоклеточные симбиотические организмы, объединяющие в себе грибы и водоросли). Если же объединяются клетки одного вида (чаще — потомки одной материнской клетки), то межклеточные взаимодействия строятся в форме альтруизма.

Эволюция неоднократно шла по пути объединения в «сверхорганизм» дальнородственных как прокариотных (социальные прокариоты типа нитчатых цианобактерий), так и эукариотных (общественные амебы рода Dictyostelium) клеток. Однако эволюция общественных прокариот достигла лишь уровня биопленок, а общественных эукариот — плазмодиев и плодовых тел, покрытых эпителием [39]. Хотя уже у общественных амеб Dictyostelium discoideum плазмодий и плодовое тело, образованные близкородственными клетками оказались более стабильными, чем «собранные» из дальнородственных клеток. Поэтому эти амебы стараются формировать плодовые тела из близкородственных клеток, причем их отбор идет по генам, кодирующим молекулы адгезии и вызывающим слипание родственных клеток [40]. Межклеточные взаимодействия в этих случаях основывались больше на взаимовыгодном сотрудничестве — симбиозе, — а не на самопожертвовании индивидуума ради интересов группы — альтруизме.

Напротив, все истинно многоклеточные организмы сформировались из потомков одной материнской клетки, т.е. генетически идентичных клеток. Альтруизм пронизывает всю эволюцию многоклеточных организмов [41]. Так, у млекопитающих уже в процессе оплодотворения сперматозоиды объединяются в небольшие плотные стайки, которые позволяют им двигаться к яйцеклетке быстрее сперматозоидов-одиночек. Это можно рассматривать как пример межклеточных взаимодействий в форме альтруизма, так как только одному сперматозоиду суждено оплодотворить яйцеклетку [42].

Таким образом, вполне можно считать многоклеточность выражением крайней степени социальности, при которой поведение индивидуума подчиненно интересам группы [40]. Естественно, что в таком случае наиболее развитые межклеточные взаимодействия и высокая степень выраженности альтруизма будет присуща клеткам-потомкам одной материнской клетки [43].

4. Заключение

Межклеточные взаимодействия — это универсальный по своей природе биологический механизм, который лежит в основе существования и развития всех клеточных форм жизни. Это не особенность многоклеточных организмов, а наследие первых клеточных форм жизни, которые спонтанно начали идти по единственно возможному пути прогрессивной эволюции: взаимодействовать с себе подобными, подчиняя индивидуальное поведение интересам группы.

Литература

  1. Станков А.Г. (1959). Анатомия человека. Элементы эмбриологии;
  2. Ричард Докинз: «Эгоистичный ген»;
  3. биомолекула: «РНК у истоков жизни?»;
  4. Портал «Биология и медицина»: Схема клеточного цикла;
  5. Сербин М.Е., Щербак Е.В. (2004). Апоптоз и его молекулярные эффекторы. // Актуальные проблемы биологии, медицины и экологии: Сборник / под редакцией проф., д.м.н. Н.Н. Ильинских. — Томск: Сибирский государственный медицинский университет, 2004. — В. 1;
  6. биомолекула: «„Нестареющая“ Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе»;
  7. биомолекула: «Старение — плата за подавление раковых опухолей?»;
  8. биомолекула: «Хромосомные концы не перестают удивлять»;
  9. Ayyadevara S., Alla R., Thaden J.J., Shmookler Reis R.J. (2008) Remarkable longevity and stress resistance of nematode PI3K-null mutants. Aging Cell 7, 13–22;
  10. Заренков Н.А. (2006). Неевклидов Вольвокс, или Почему не следует преподавать вольвокса в курсе зоологии. Журнал общей биологии 67, 53–61;
  11. Vogel G. (2008). The Inner Lives of Sponges. Science 320, 1028–1030;
  12. Сообщество студентов Кировской ГМА;
  13. элементы.ру: «Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество»;
  14. El Albani A., et al. (2010). Large colonial organisms with coordinated growth in oxygenated environments 2.1 Gyr ago. Nature 466, 100–104;
  15. Aliotta J.M., Pereira M., Johnson K.W., et al. (2010). Microvesicle entry into marrow cells mediates tissue-specific changes in mRNA by direct delivery of mRNA and induction of transcription. Exp. Hematol. 38, 233–245;
  16. Основы общей и клинической патологии;
  17. элементы.ру: «LIM-киназа помогает клеткам опухоли прокладывать путь в межклеточном матриксе»;
  18. элементы.ру: «Рак начинает развиваться на эпигенетическом уровне»;
  19. элементы.ру: «При развитии раковой опухоли клеткам необходимо мигрировать»;
  20. элементы.ру: «Белки нектины помогают клеткам слухового эпителия расположиться в шахматном порядке»;
  21. элементы.ру: «Найдено средство против бесконечного деления раковых клеток»;
  22. элементы.ру: «Молекулярные антираковые механизмы способствуют старению»;
  23. Kucharzewska P., Christianson H.C., Welch J.E., Svensson K.J., Fredlund E., Ringnér M., Mörgelin M., Bourseau-Guilmain E., Bengzon J., Belting M. (2013). Exosomes reflect the hypoxic status of glioma cells and mediate hypoxia-dependent activation of vascular cells during tumor development. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 7312–7317;
  24. биомолекула: «Экзосома — механизм координации и взаимопомощи клеток организма»;
  25. биомолекула: «Ствол и ветки: стволовые клетки»;
  26. элементы.ру: «На помощь онкологу идет математика»;
  27. Россолимо Т.Е. — Антропология. Хрестоматия;
  28. Краткий курс общей экологии;
  29. элементы.ру: «Бактерии в сообществе способны к быстрой эволюции»;
  30. элементы.ру: «Новая методика позволяет проводить прямую трансляцию жизни бактерий»;
  31. Lee H.H., Molla M.N., Cantor C.R., Collins J.J. (2010). Bacterial charity work leads to population-wide resistance. Nature 467, 82–85;
  32. биомолекула: «Аутофагия, протофагия и остальные»;
  33. элементы.ру: «Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество»;
  34. элементы.ру: «Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть»;
  35. элементы.ру: «Погибающие нейроны призывают соседей к самоубийству»;
  36. Mitchell A., Romano G.H., Groisman B., Yona A., Dekel E., Kupiec M., Dahan O., Pilpel Y. (2009). Adaptive prediction of environmental changes by microorganisms. Nature 460, 220–224;
  37. элементы.ру: «Мини-компьютер в чашке Петри»;
  38. Garcia-Pichel F., Wojciechowski M.F. (2009). The Evolution of a Capacity to Build Supra-Cellular Ropes Enabled Filamentous Cyanobacteria to Colonize Highly Erodible Substrates. PLoS ONE 4, e7801;
  39. Dickinson D.J., Nelson W.J., Weis W.I. (2011). A Polarized Epithelium Organized by β- and α-Catenin Predates Cadherin and Metazoan Origins. Science 331, 1336–1339;
  40. элементы.ру: «Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток»;
  41. Khare A., Santorelli L.A., Strassmann J.E., Queller D.C., Kuspa A., Shaulsky G. (2009). Cheater-resistance is not futile. Nature 461, 980–982;
  42. Fisher H.S., Hoekstra H.E. (2010). Competition drives cooperation among closely related sperm of deer mice. Nature 463, 801–803;
  43. Reeve H.K., Hölldobler B. (2007). The emergence of a superorganism through intergroup competition. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9736–9740.

Автор: Аккизов Азамат.

Число просмотров: 1695.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Клетка»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Георгий — 29 ноября, 2013 г. 00:04. (ссылка)

Очень интересная научная статья, в то же время, на мой взгляд, понятная для непосвященного человека! Автору 5+=)

(ответить)

Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Лапская Юлия — 19 ноября, 2013 г. 21:14. (ссылка)

И не поспоришь, статья просто отличная!

(ответить)

Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Андрей Щербань — 19 ноября, 2013 г. 12:56. (ссылка)

На мой взгляд, лучшая статья на конкурсе (не хочу обидеть других участников, втч себя)). Вызывает
множество ассоциаций с развитием общества, хотя могут возразить, что социум развивается по своим
законам. Не является ли приоритет государства над личностью наиболее эффективной формулой общественного
устройства, своего рода, высшей формой многоклеточности? Все мы свидетели тупика западных демократий,
построенных по другому (в лучшем случае- симбиотическому) принципу. И где выход из этого тупика?

(ответить)

Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Башмакова Вера — 11 ноября, 2013 г. 20:08. (ссылка) (свернуть ветвь)

Классная статья, но есть нюансы:Закон Геккеля в приведенной форме неверен. Верен похожий на него закон Бэра: эмбрионы на ранних стадиях развития похожи друг на друга, а затем у них постепенно проявляются все более специализированные признаки. См.: Биогенетический закон и «Песочные часы в биологии развития».Предел Хейфлика — штука довольно искусственная. Он описывает судьбу эукариотических клеток в культуре. Прокариотические клетки живут себе беспредельно, поскольку хромосома у них кольцевая, концов у нее нет, а значит, и укорачиваться ей нечего. У одноклеточных эукариотов (простейших) этого предела нет, поскольку есть теломераза (иначе бы они все постепенно состарились, перестали размножаться и перестали бы радовать нас своим существованием). Даже обнаружена теломераза была впервые у простейших (см. Cell). То, что происходит в многоклеточном эукариотическом организме куда сложней какого-то там предела Хейфлика и описывается запутанными межклеточными взаимодействиями, а также связано с разделением клеток на стволовые и дифференцированные. Стволовые делятся и потому вечны, дифференцированные — не делятся и потому смертны.

(ответить)

Re: Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Аккизов Азамат — 15 ноября, 2013 г. 20:27. (ссылка)

Уважаемая, Вера!
Благодарю за указанные Вами нюансы статьи, а также полезные ссылки. Хотелось бы прокомментировать каждый пункт.
1. Проблема корректной трактовки «биогенетического закона» до сих пор остается дискуссионной, но не является предметом моей статьи. «Ядро» многочисленных трактовок биогенетического закона – принцип рекапитуляции, неизменно и актуально. Я хотел лишь указать на филогенетическую и онтогенетическую общность механизмов становления межклеточных взаимодействий.
На что и обращаю внимание читателя, специально выбрав афористичную и абсолютистскую (а значит – простую и с погрешностями) трактовку Геккеля: «Онтогенез есть быстрое и краткое повторение филогенеза». Ссылку на статью «Биогенетический закон» в Википедии, для желающих подробнее познакомится с этим самым законом, я также привожу в работе.

2. Исключительная сложность и «запутанность» межклеточных взаимодействий – бесспорна, как и то, что любое сложное явление – это совокупность более простых (элементарных) закономерностей. Исследователи-редукционисты вынуждены «распутывать» то, что происходит in vivo, исследуя простые закономерности in vitro (например, исследование динамики численности относительно малых групп клеток). Результаты исследований Хейфлика не претендуют на «основной закон», согласно которому протекает эволюция многоклеточности. Это лишь одна из элементарных закономерностей онтогенеза клеток. Поэтому данные Хейфлика не более «искусственны», чем революционные для нейробиологии исследования процессов возбуждения, выполненные на гигантском аксоне кальмара.
Для определенных групп прокариот процесс старения все же доказан (см. «Размножение прокариот»). В самом деле, при равновеликом бинарном делении прокариот (когда материнская клетка, исчезая, делится на две дочерние) создается впечатление «бессмертной протоплазмы». Однако еще существует неравновеликое бинарное деление прокариот - почкование. В этом случае материнская клетка дает начало дочерней клетке. Причем в большинстве случаев они различаются как морфологически, так и физиологически. Есть старая материнская клетка и молодая дочерняя. Поэтому прокариоты вовсе не живут «беспредельно» (например, на штаммах Rhodomicrobium доказано, что материнская клетка может «отпочковать» от себя не более четырех дочерних клеток). Прокариоты стареют, и функционирование их хромосомы меняется, несмотря на ее кольцеобразную форму (см. «Генетика старения бактерий»). Утрата теломер – это важный, но не обязательный признак старения.
Согласен, что для простейших типа амебы, процесс старения убедительно не доказан. Они гибнут под действием повреждающих факторов. Но для многих других живых объектов доказан факт неравноценного деления, которое лежит в основе дифференцировки клеток (например на «долгожителей» и короткоживущие формы).

(ответить)

Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Владимир — 9 ноября, 2013 г. 19:09. (ссылка) (свернуть ветвь)

Одна из лучших статей на Биомолекуле за последнее время. Или просто эта тематика для меня наиболее интересна)

(ответить)

Re: Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Аккизов Азамат — 15 ноября, 2013 г. 20:35. (ссылка)

Благодарю)
Владимир, вот еще одна научно-популярная статья на близкую тему: "Колония решила: бактерии и заключенные".

(ответить)

Re: Re: Дипломатия клеток: взлёты и падения

Старокадомский Петр — 10 ноября, 2013 г. 05:27. (ссылка)

Возможно, вам также будут интересны "Автофагия..." и "Эволюция..."

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.