Если мы хотим познакомиться с типичными клетками, то давайте рассмотрим те, что состоят в основном из протоплазмы и не имеют запаса питательных веществ. Самые крупные клетки, в которых нет желтка, едва можно рассмотреть невооруженным глазом. То же можно сказать и о самых мелких яйцеклетках.
Встречаются, однако, клетки без желтка, превосходящие по размерам яйцеклетки. Амеба, например, — простой самостоятельный организм, состоящий всего из одной клетки, — имеет диаметр примерно 200 микронов и объем 4 200 000 кубических микронов. Она в 3 раза объемнее яйцеклетки человека.
Однако клетки, из которых слагаются многоклеточные организмы, гораздо меньше. Объем различных клеток человеческого тела варьирует от 200 до 15 000 кубических микронов; например, объем типичной клетки печени равен 1750 кубическим микронам.
Если же мы будем рассматривать клеткоподобные тела, которые не являются клетками в полном смысле этого слова, то получим еще меньшие объемы. Например, красные кровяные тельца (эритроциты) человека — эти несовершенные клетки, не имеющие ядра, — значительно меньше других клеток человеческого тела: их объем всего 90 кубических микронов.
Если яйцеклетка — это самая большая клетка, вырабатываемая в организме человека, то сперматозоид — самая маленькая. Сперматозоид почти целиком состоит из ядра. Его объем примерно 17 кубических микронов.
Все это может привести вас к мысли, что клетки, из которых складывается многоклеточный организм, слишком малы, чтобы стать индивидуальными и независимыми частицами жизни, и что для самостоятельного существования клетка должна быть несравненно больше. В конце концов, амеба в 2400 раз больше клетки печени. Может быть, в таком случае предел компактности клетки как самостоятельного организма лежит где-то между амебой и клеткой печени?
Однако это не так. Человеческие клетки, разумеется, не могут служить примером индивидуального организма, но причина не в том, что они слишком малы, а в том, что они слишком специфичны. Некоторые одноклеточные организмы гораздо меньше амебы и даже человеческого сперматозоида. Я имею в виду бактерии.
Объем самой крупной бактерии не превышает 7 кубических микронов, а объем самой мелкой — 0,02 кубического микрона. Итак, сравнительные объемы различных клеток таковы:
Клетки, не содержащие желтка / Объем (в кубич. микронах)
Амеба … 4,2 · 106
Клетка печени человека … 1750
Эритроцит (красное кровяное тельце) человека … 90
Сперматозоид человека … 17
Самая большая бактерия … 7
Самая маленькая бактерия … 0,02
И снова — посмотрите, как велик диапазон. Амеба (сравнительно огромный одноклеточный организм) во столько же раз больше самой маленькой бактерии (тоже самостоятельного одноклеточного организма), во сколько раз самый большой взрослый кит больше самой маленькой разновидности неполовозрелой землеройки. Разница между самой большой и самой маленькой бактериями подобна разнице между большим слоном и ребенком.
Ну, а теперь зададимся вопросом: каким же образом все сложные процессы жизнедеятельности могут быть втиснуты в крошечную бактерию, которая в 200 миллионов раз меньше простой амебы?
Здесь снова перед нами встает проблема компактности, и мы должны задержаться на ней, чтобы подумать о единицах измерения. Когда мы рассматривали мозг, принимая за единицу меры килограмм, он представлялся нам сравнительно небольшим куском живой ткани. Когда мы стали оценивать мозг по числу клеток, обнаружилась его исключительная сложность. Вот так же, рассматривая клетки, давайте перестанем мерить их кубическими микронами и начнем оценивать по числу содержащихся в них атомов и молекул.
В одном кубическом микроне протоплазмы содержится около 40 миллиардов молекул. Следовательно, если выразить данные предыдущей таблицы в молекулах, то мы получим следующую картину:
Клетка / Число молекул
Амеба … 170 · 1015
Клетка печени человека … 70 · 1012
Эритроцит человека … 3,6 · 1012
Сперматозоид человека … 680 · 109
Самая большая бактерия … 280 · 109
Самая маленькая бактерия … 800 · 106
Конечно, было бы очень соблазнительно сказать, что молекула — это такая же единица клетки, как клетка — единица многоклеточного организма. Тогда в дальнейшем мы могли бы утверждать, что с точки зрения молекулярного состава амеба в 17 миллионов раз сложнее, чем человеческий мозг с точки зрения клеточного состава! С этих позиций нас теперь не удивляет, что вся сложность жизни вмещается в амебную клетку.
Однако здесь есть свое «но». Протоплазма почти целиком состоит из молекул воды, Н2О. Они, видимо, необходимы для жизни, но служат главным образом в качестве «фона». Они не являются характерными молекулами жизни.
К числу молекул жизни относятся сложные макромолекулы, в состав которых входят азот и фосфор; это белки, нуклеиновые кислоты и фосфолипиды. На все эти макромолекулы приходится всего 1/10 000 общего числа молекул живой ткани.
(Заметьте, я не говорю, будто эти макромолекулы составляют только 1/10 000 веса живой ткани; речь идет только о числе молекул.) Все макромолекулы гораздо тяжелее молекул воды. Средняя молекула белка, например, тысячи в две раз тяжелее молекулы воды. В комбинации из 2000 молекул воды и 1 средней белковой молекулы на белковые молекулы будет приходиться очень незначительная часть (1/2001 общего числа молекул), а вес белка будет составлять половину общего веса.
Теперь пересмотрим нашу таблицу вновь:
Клетка / Число макромолекул
Амеба … 17 · 1012
Клетка печени человека … 7 · 109
Эритроцит человека … 360 · 106
Сперматозоид человека … 68 · 106
Самая большая бактерия … 28 · 106
Самая маленькая бактерия … 80 · 103
Итак, у нас есть все основания говорить, что средняя клетка человеческого тела с точки зрения молекулярного состава действительно не менее сложна, чем человеческий мозг с точки зрения клеточного состава, причем если бактерия значительно проще мозга, то амеба значительно сложнее!
Но и самые простые бактерии исключительно быстро растут и делятся с великим рвением, а расти и делиться с химической точки зрения не так-то просто. Такая бактерия — а ее едва можно разглядеть в хороший микроскоп — является деятельной, самостоятельной и сложной химической лабораторией.
Из 80 000 макромолекул самой маленькой бактерии около 50 000 приходится на ферменты, катализирующие различные химические реакции. Если в клетке постоянно протекает почти 2000 различных химических реакций, необходимых для ее роста и размножения, то тогда на каждую реакцию приходится в среднем 25 ферментов.
Завод, на котором производится 2000 машинных операций (при условии что каждую машину обслуживают 25 рабочих), справедливо считается предприятием со сложным производством. И вот также сложна даже самая маленькая бактерия.
Теперь попробуем подойти к этому явлению с другой стороны. Примерно в середине столетия биохимики стали понимать, что, кроме таких компонентов живой ткани, как углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор и другие, человеческому организму в очень небольших количествах нужны и некоторые металлы.
Для примера возьмем молибден и кобальт — два совсем недавних дополнения к списку микроэлементов[2]. В человеческом организме содержится, по-видимому, 18 миллиграммов молибдена и 12 миллиграммов кобальта. Это очень мало, но абсолютно необходимо для жизни организма.
И, что еще замечательнее, каждая клетка сама по себе нуждается во всех микроэлементах, в том числе в молибдене и кобальте. А теперь распределите 30 миллиграммов между 50 триллионами клеток человеческого тела, и вы увидите, какое мизерное количество придется на долю каждой! Казалось бы, теперь-то уж есть все основания считать, что клетки вовсе и не нуждаются в микроэлементах.
Но это опять-таки кажется до тех пор, пока мы пользуемся обычными весовыми единицами, вместо того чтобы перейти на атомы. В средней клетке имеется, грубо говоря, каких-нибудь 40 атомов молибдена и кобальта на каждый миллиард молекул. Составим еще одну таблицу (см. стр. 35). Не забудьте, что в ней приведены средние значения. Однако я совершенно уверен, что клетка печени на самом деле содержит больше атомов молибдена и кобальта, а эритроцит — меньше.
Клетка / Число атомов молибдена и кобальта
Амеба … 6,8 · 109
Клетка печени человека … 2,8 · 106
Эритроцит человека … 144 · 103
Сперматозоид человека … 27,2 · 103
Самая большая бактерия … 11,2 · 103
Самая маленькая бактерия … 32
Как видите, микроэлементов в клетке не так-то уж мало. В амебе — миллиарды атомов микроэлементов, а в клетке человеческого организма — миллионы. Даже большая бактерия насчитывает их тысячи.
А вот в самой маленькой бактерии их всего несколько дюжин, и это вполне подтверждает наш вывод, что у самой крошечной бактерии может быть в среднем 25 ферментов на каждую реакцию. Ведь кобальт и молибден (а также другие микроэлементы) необходимы в качестве очень важной составной части ферментов, без которой они не могут работать. Предположив, что в каждой молекуле фермента есть по атому металла, мы тем самым подтверждаем, что в самой маленькой бактерии имеется всего несколько дюжин ферментов.
И тут мы чувствуем, что приближаемся к пределу. Ферменты, по-видимому, не распределяются совершенно равномерно. В ряде случаев их больше двух десятков, в других случаях — меньше. Может случиться, что присутствуют всего один-два самых редких из основных, так называемых ключевых, ферментов. Если объем клетки меньше 0,02 кубических микрона, то повышается вероятность того, что некоторые ключевые ферменты окажутся вытесненными вообще, — вот тут-то рост и размножение прекратятся.