Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция
Санкт-Петербург, "Наука", 376 с.
Когда берешь в руки эту книгу, невольно вспоминаются строки из Маяковского о чувствах некоего буржуазного чиновника, взявшего в руки "краснокожую паспортину": "Берет - как бомбу, берет - как ежа, как бритву обоюдоострую..." и т.д. Да, приблизительно с такими чувствами должен брать в руки книгу Линга всякий, кто глубоко убежден, что в физиологии клетки царит полный порядок. В самом деле, какие еще чувства может испытывать специалист, когда узнает, что мембранные насосы — это всего лишь сомнительная гипотеза, а не реальность? Что плазматическая мембрана полупроницаема не благодаря системе отверстий в непроницаемой стене билипидного слоя, а совсем по другим причинам? Что в основе распределения между клеткой и средой кислорода, K+, аминокислот, углеводов и многого другого лежат не разные, а один и тот же механизм — сорбция на внутриклеточных структурах? Все это выглядит как попрание устоев, как кощунство над современным знанием. (Впрочем, есть мнение, высказанное Б. Шоу, что многие великие истины были вначале кощунством).
Да, кощунственно выглядит утверждение Линга, что мембранные насосы не факт, а только теория, которая противоречит закону сохранения энергии; что мембраны существуют, но не выполняют той роли, которую ей приписывают; что содержимое клетки не является разбавленным раствором электролитов и поэтому общепринятая теория биопотенциалов неверна. Иными словами, в действительности все совсем не так, как на самом деле.
Интересно, что к столь парадоксальным выводам Линг пришел, опираясь на хорошо известные в физической химии явления и законы, считая, что и для живой клетки эти законы писаны. Последовательно развивая физико-химический подход, Линг показал, что есть гораздо более простые объяснения фундаментальным свойствам живой клетки, чем принятые в современной литературе, а ошибочные представления плодят новые ошибки, отравляют научную мысль, замедляют развитие науки о клетке и связанные с ней науки, прежде всего медицину.
Книга рассчитана на студентов старших курсов, аспирантов и специалистов в области биофизики, биохимии и физиологии клетки.
Еще больше подробностей о книге Линга
Перевод на русский язык монографии Г. Линга (Life at the сеll and below-cell level, the hiddеn history of fundamental revolution in biology, Pacific Press, NY, 2001), осуществленный недавно издательством «Наука», является знаменательным событием по ряду соображений. Во-первых, эта книга для автора является в определенном смысле итоговой — в ней в завершенном виде представлена критика некоторых распространенных физических концепций, которые автор считает устаревшими или несостоятельными. Во-вторых, в процессе перевода авторского издания 2001 года текст был существенно дополнен последними данными автора и его коллег, так что фактически оказалась опубликованной еще одна оригинальная книга автора, которая не имеет англоязычного оригинала. B этом издании нашло свое выражение современное авторское изложение концепции Г. Линга, выросшей из его предыдyщих (более частных) теорий, — так называемая теория ассоциации- индукции. Наконец, в-третьих, неожиданным образом автор находит среди своих единомышленников ряд отечественных исследователей, имена которых в настоящее время известны современным ученым (по крайней мере, молодым) в гораздо большей степени, чем их вклад в науку или суть теорий, развитию которых они посвятили свою научную карьеру — Д.Н. Насонова, A.C. Трошина и их последователей.
Теория ассоциации-индукции выросла из ранней концепции фиксированных зарядов (1951-1962), дополненной позже представлениями о структурированном состоянии внутриклеточной воды (1965-1984). Линг является автором большого количества англоязычных монографий, и настоящее издание ценно для русскоязычного читателя тем, что позволяет познакомиться с оригинальной позицией автора о роли клеточной мембраны в жизни клетки и об участии цитоплазмы в этом процессе.
Коротко говоря, теория ассоциации-индукции заключается в стремлении автора перенести «центр тяжести» в понимании жизненных функций клетки с клеточной мембраны на цитоплазму, рассматривая изменение электронной плотности в макромолекулах, вызываемое внешними сигналами, как основной механизм регуляции клеточных функций. Эти представления опираются на тесную взаимосвязь в цитоплазме клетки трех основных «игроков» — белков, структурированной воды и неорганических ионов.
Чтобы вникнуть в суть этих представлений автора, конечно, надо прочитать саму книгу, но я не уверен, что она будет полезна тем, кому автор ее адресует (в предисловии Г. Линг говорит, что она предназначена для преподавателей биологии в школах и институтах, а также... для исследователей, как начинающих, так и опытных, которые удручены постоянным наблюдением явлений, не укладывающихся в заученные каноны). Я полагаю, что особенную пользу эта книга принесет тем читателям, которые встретят ее с тем же внимательным критицизмом, который использует автор для ревизии современных классических теорий.
В настоящей краткой рецензии я только выскажу несколько соображений, которые, на мой взгляд, обратят внимание на рецензируемое издание даже в большей степени, чем если бы я выражал полное согласие с точкой зрения автора.
Во-первых, Г Линг полагает, что классическая мембранная теория, даже модифицированная внесением идеи мембранных ионных насосов (автор почему-то называет их гипотетическими), отжила свое и должна быть ЗАМЕНЕНА представлениями o главенстве цитоплазмы в создании тех свойств клетки, которые определяются неравновесным распределением ионов. Но зачем нам возвращаться во времена Д.H. Насонова, который в полемическом азарте вообще не признавал никакой роли (да едва ли и существования!) клеточной мембраны — тот период отличается от нашего времени накоплением нового фактического материала, который (что естественно) и противоречив, и не позволяет дать полного описания картины возбудимости. Истина, как кажется, будет в руках тех исследователей, которые учтут вклад в процессы возбудимости и цитоплазмы, и клеточной мембраны, особенно ее липидной компоненты, которая также вносит вклад в создание ионной асимметрии.
Во-вторых, относительно ионных насосов, в частности Na/K-насоса, ни у когорты современных исследователей, ни у Нобелевского комитета (не подозревающего, в каком «неловком положении они оказались, присудив Нобелевскую премию первооткрывателю этой молекулярной машины Йенсу Скоу» — см. с. 130), не должно быть никаких сомнений — эти насосы не гипотетичны, как полагает автор (с. 266), а вполне реальны. Они изолированы и реконструированы в липосомы, и с помощью изящных экспериментов Беатрис Аннер еще в 70-e гг. прошлого века продемонстрировала, что они способны, гидролизуя АТР, переносить ионы натрия и калия через мембрану против ионного градиента. И этот процесс подавляется уабаином, который является высоко специфичным ингибитором Na/K-ATPазы (Кi около 10-7 M). Других сенсоров уабаина (белковых или липидных) в клетках животных до сих пор не обнаружено. Что же тут удивляться, когда именно такая (столь ничтожная, по выражению автора — стр. 290) концентрация при 72-часовой инкубации может оказать влияние на перераспределение ионов натрия и калия между средой и живой тканью? Однако автор предлагает другое объяснение, в котором ведущую роль в связывании калия играют карбоксильные группы белков цитоплазмы, а действие уабаина направлено на десенситизацию цитоплазматических белков (с. 292). Расчет показывает, что одна молекула уабаина должна вызвать изменение селективности к калию более, чем 1000 карбоксильных групп белка. Является ли это объяснение более приемлемым?
И в третьих, надо отметить, что часто в полемическом запале автор стучится в открытую дверь. Конечно, для доходчивости изложения многие преподаватели говорят студентам, что, исходя из концентрации содержащихся в цитоплазме неорганических ионов, клетки представляют собой довольно «разбавленные растворы». Но уже давно за этой формулой не стоит представление о том, что цитоплазма не структурирована и что скорость перемещения ионов в цитоплазме такая же, как и в простых водных растворах. Понятие о структурированной воде в клетке — не просто принятая концепция, а признанный наукой постулат. То же самое относится и к понятию о «макроэргичности АТР». Хотя величина энергии терминального фосфата в этой молекуле сильно варьирует в зависимости от условий и в разных компартментах клетки может быть существенно различной, в современной биоэнергетике ее основная функция остается связанной с энергетическим обеспечением существенных проявлений жизни, хотя представления о механизмах передачи энергии с участием АТР существенно изменились. Об этом можно узнать подробнее в трудах исследователей, развивающих представление о мембранных преобразователях энергии молекулярных машинах (например, у Л.A. Блюменфельда).
Вообще, полемический стиль изложения делает книгу особенно ценной и интересной для чтения — она дает пищу и для размышлений, и для сопоставлений, и для вопросов. Выискивая уязвимые точки в современных (иногда, общепринятых) теориях, автор сам допускает высказывания, которые также могут вызывать возражения. И это является существенным стимулом для дальнейшего развития науки, которое продолжается и в котором мы все безусловно заинтересованы.
Единственным недостатком книги я считаю злоупотребление сокращениями и трудновоспринимаемыми терминами (например, термин «кардинальный адсорбат»!).
Текст содержит 15 глав, систематизирующих критические представления автора о существующих теориях, описывающих живую клетку с точки зрения физической химии, а также 16-ю главу, носящую название «Итоги» и содержащую описание модельных экспериментов автора и его учеников, ставших основой для создания авторской концепции, и саму эту концепцию.
Заканчивается книга эпилогом. B нем автор сравнивает работу ученого с разгадыванием кроссворда, у которого может быть только один ответ — правильный. Он отмечает, что все революционные преобразования в науке связаны с отказом от груза ошибок прошлых, устаревших теорий, со сменой парадигмы. Но это и так, и не так! Куда деваются «старые факты», накопленные с помощью «устаревших теорий»? — Они встраиваются в новые теории, получая более глубокое объяснение. Думается, что смена научной парадигмы не должна лишать науку ценностей прошлых научных откровений. Зачастую у загадок Природы, в отличие от кроссворда, имеется несколько равноценных разгадок, часто различные теории не враждуют, а сосуществуют друг с другом (как в приводимом по другому поводу авторском примере о волновой и корпускулярной природе электромагнитного излучения).
Линг обращает внимание на кардинальные недостатки современной науки — финансирование на основе грантов, выдаваемых с помощью «экспертных оценок», фрагментация исследований, приводящая к утрате целостного взгляда на проблему, поощряемое преобладание факта над размышлением. Сможем ли мы выработать более совершенные критерии? Современная наука требует затрат не только времени и жизни исследователя, но и огромного финансирования, зачастую недоступного государству и привлекаемого частными фондами. Одновременно, она отнюдь не гарантирует практического успеха...
Тем не менее, в отличие от цитируемого автором Д. Хоргана c его книгой «Конец науки», мы согласимся с Лингом в том, что «предел науки — бесконечность».
А.А. Болдырев
Об авторе книги - Гильберте Линге
Начало научной карьеры
Гильберт Линг работает в США с 1945 года. Ему скоро исполнится 90 лет (в 2009 году), но одно остается неизменным: каждую неделю он ездит из своего дома в Филадельфии в Нью-Йорк, где на Лонг-Айленде находится его офис в здании компании Fonar Corporation, и возвращается домой только на выходные. Вряд ли можно найти у наших современных трудяг такую же целеустремленность и упорство, какую мы видим у этого выдающегося ученого.
Еще только начиная работать в Штатах, он уже внес немалый вклад в биологию, особенно в изучение физико-химических аспектов жизненных процессов. Он разработал на основе своей теории ассоциации-индукции, изложенной в этой книге, новую теорию физической основы жизни. Хотя эта идея продолжает считаться радикальной, Линг обладает группой преданных последователей, видящих в нем почти пророка, чьи идеи еще только предстоит правильно понять и признать основной массе научного сообщества. Мало сомнений, что признание его теории все-таки произойдет, и ее элементы неизбежно станут общепринятыми положениями науки или заменят их. Конечно, многие встретили его теорию в штыки, а некоторые стали неистово противостоять ей. Однако время всех рассудит.
Гильберт Линг родился в Нанкине, учился в Национальном центральном университете в городе Чунцин Китайской Народной Республики. В 1945 году он выиграл Боксерскую стипендию и уехал продолжать обучение в отдел биологии Чикагского университета, возглавляемый Ральфом Джерардом. Не знаю, был ли это мудрый выбор или счастливый случай, но Джерард был незаурядным мыслителем, имя которого сейчас почти забыто, однако чей труд “Unresting Cells” для меня остается классическим — пусть даже его идеи оказались неточными. Эти умы прекрасно подходили друг другу, и Линг в 1948 году защитил кандидатскую диссертацию. Это стало истоком множества выдающихся гипотез и начинаний, которые замечательно изобразил в виде научно-генеалогического древа Джон Андраос («Древо Флетчера»; см. в конце страницы).
Дальнейшие шаги
Затем Линг переехал на четыре года в Балтимор, в Университет Джонса Хопкинса, но к 1959 вернулся в Чикаго адъюнктом-профессором. Еще через четыре года он занял пост старшего научного сотрудника отдела фундаментальных исследований Психиатрического института Восточной Пенсильвании, а также принял гражданство США. Вскоре он стал директором отдела молекулярной биологии Пенсильванской больницы в Филадельфии, которая с тех пор и стала его домом. Через 27 лет, проведенных на этом посту, после растущей изоляции со стороны руководства он ушел в Fonar Corporation, основанную одним из создателей магнитно-резонансной томографии Реймондом Дамадьяном. Некоторые идеи Линга легли в основу представления об исследовании спинового магнитного резонанса для получения изображения состояния воды в организме. Там Линг работает и ныне.
Работа Линга
Линг находится в строю гораздо дольше, чем длится карьера большинства ученых. Но до сих пор многие его достойные работы, в том числе самые ранние, так и не получили заслуженного признания коллег. Первым прорывом было создание им с Ральфом Джерардом микроэлектрода, давшего клеточной физиологии неоценимую возможность измерить разность потенциалов между внутренней и внешней средой клетки, названную трансмембранным потенциалом. Без этого открытия один из его последователей Роберт МакКиннон, получивший в 2003 году Нобелевскую премию, не смог бы открыть ионные каналы клеточных мембран (см. «Дерево Флетчера»). Говоря о вкладе Линга в науку, многие восторгаются упрямством, с каким он провозглашал свои взгляды на физико-химическую природу цитоплазмы. Даже Френсис Крик свою кандидатскую диссертацию защищал по этому основополагающему аспекту цитологии, но далеко не продвинулся. Однако Гильберт не прекращал отстаивать свои идеи и философию так неистово, что не раз над его головой гремели грозы. У него не оставалось времени на другие концепции — и он был прав в своей сосредоточенности на открытом им направлении исследований. Однако наука двигается вперед не тогда, когда некая из ряда вон выходящая идея вдруг становится новой истиной, а когда достойные теории соединяются с другими теориями, и их слияние проливает свет на ранее неизведанные области, открывая дорогу новым исследованиям. Настоящий прогресс невозможен без консенсуса, и работы Линга должны быть достаточно убедительны, чтобы привлечь больше сторонников. В середине карьеры Линг был полон решимости во что бы то ни стало не отступать от своих взглядов. И, несмотря на сыпавшиеся насмешки, некоторые выдающиеся ученые по достоинству оценили новизну его идей, пусть и с оттенком эклектичности. Например, Сент-Дьердьи был убежден, что Линг внес свежую струю своими новаторскими идеями, отметив, что «Доктор Линг — один из самых талантливых биохимиков, которых я встречал».
В 1986 году из Национального института здоровья последовали два схожих своей необычностью комментария, один из которых гласил: «Доктор Гильберт Линг — выдающийся клеточный физиолог и исследователь, известный своим воображением, талантом экспериментатора и невероятной работоспособностью».
Джеральд Поллак позднее писал: Я познакомился с Гильбертом на конференции в Венгрии в середине 1980-х. Тогда я открыл для себя новый мир. Я обнаружил новый подход к физиологии клетки, свободный от традиционных догм, обладающий существенными достоинствами и значительной экспериментальной поддержкой со стороны группы интеллектуально независимых ученых».
Обратите внимание, как по-разному характеризуют Гильберта — биохимик, клеточный физиолог и т.д. Фундаментальность его работы требовала междисциплинарного подхода, и Линг, безусловно, стал примером такого подхода — примером, следование которому пошло бы на пользу огромному количеству ученых, которые ныне стремятся ограничить себя весьма узкими, по большей части технологическими областями.
Теория ассоциации-индукции
Теория ассоциации-индукции Гильберта включает несколько довольно несложных элементов, которые легко поймет любой ученый, давший себе труд ознакомиться с ней, хотя, должен признать, его записи иногда становятся менее прозрачными (по крайней мере, для нас, простых смертных). В них он снова и снова пытается привлечь наше внимание к тому факту, что поверхности — такие, как поверхность белков и многих других полимеров — притягивают воду, которая образует на них или вокруг них многослойную структуру. Возросший дипольный момент молекул воды в таких структурах способствует формированию все новых слоев воды один над другим. По мере удаления от белка силы притяжения неизбежно ослабевают, и слои становятся более хаотичными, переходя, наконец, к состоянию обычной воды. Упорядоченная же вода вблизи поверхности наиболее стабильна и обладает «льдоподобными» свойствами. То, что свойства этих разных состояний воды могут сильно различаться (и это было доказано), принять совсем несложно. Для меня из допущения о связанной воде с более низкой растворяющей способностью вытекал ряд следствий, сильно помогших моим собственным исследованиям. Но остается главный вопрос — сколько организованных слоев воды образуется? Линг считает, что очень много, тогда как другие полагают, что их может быть лишь около трех. Кто же прав?
Большинство данных указывает на образование лишь нескольких слоев, и об этом явлении многие химики знали еще до Линга. Как это происходит в клетке и каково значение этого явления для физиологии — совсем другой вопрос, и именно он вдохновил Линга на создание его теории. К его взглядам можно относиться с недоверием, но действительность такова, что даже пока я пишу это предисловие продолжают поступать новые доказательства правоты Линга от таких ученых, как Джеральд Поллак и Джеймс Клег. Так, Поллак убедительно показал, что на поверхности гидрофильных гелей, в зависимости от условий, может образовываться гораздо больше слоев, чем это допускалось даже самим Лингом (см. доклад Поллака). Правда, подчеркну, что это явление показано на искусственной системе, а не в живой клетке. Однако, если это явление носит действительно фундаментальный характер, то оно вполне может иметь место и в клетке. Но, чтобы доказать это, нужна большая работа, которая, в случае успеха, значительно повысила бы доверие к работам Линга.
Верность убеждениям
Гильберт непоколебимо защищает свои взгляды — пожалуй, немногие ученые смогли бы проявить такую верность своим убеждениям. Он чувствует свою правоту и, к сожалению, не изучает данные сторонников других взглядов, которые также необходимо принимать во внимание. Его многочисленные книги, — все на одну тему, но с различным к ней подходом, — не просто учебники по физике и химии, которые выбиваются из общего потока. Это труды, заглядывающие в глубь истории физиологии клетки, отражающие и философию возникновения клеточной теории, и изучение физической природы живого вещества. Линг искренне убежден, что мы в какой-то момент сбились с пути, и теперь должны вернуться к более продуктивным идеям, основанным, конечно, на его теории ассоциации-индукции. Всего лишь один пример — модель бимолекулярной липидной мембраны Давсона–Даниэлли, которую резко критикует Линг. Она остается гипотезой, хотя многие видят в ней вполне обоснованную теорию. Тут приходит на память притча из мира науки. Однажды два профессора так яростно заспорили о своих действительно очень разных теориях, что дело чуть не дошло до драки. Тогда они попросили третьего видного ученого непредвзято рассудить их. Он поговорил с каждым профессором отдельно и выслушал их аргументы. Затем он собрал их вместе и объявил одному профессору, что ему, в самом деле, следует более внимательно изучить идеи другого. То же самое он сказал и оппоненту, после чего подытожил: я убежден, что вам следует попытаться разглядеть достоинства теорий друг друга, однако, скорее всего, обе ваши теории неверны. Вполне возможно, что мораль этой истории вполне применима и к спору Давсона–Даниэлли–Линга, а именно: если теория Линга не совсем убедительна, она, тем не менее, заслуживает пристального изучения, чтобы понять, как она может дополнить современные представления в этой области; игнорировать же ее нельзя.
О клеточных насосах
Я хотел бы упомянуть одно из свойств цитоплазмы, всегда меня занимавшее. В теории ассоциации-индукции слой воды вокруг белков может содержать растворенные ионы K+ и Na+. Однако у ионов K+ гораздо меньше гидратная оболочка, чем у Na+, и потому они избирательно адсорбируются поверхностью белков. Эта модель гораздо лучше объясняет различия в содержании Na+ и K+ во внутренней среде клетки и среде, чем Na-K-АТФаза мембраны, вечно перекачивающая эти ионы из одного бассейна в другой. Линг подсчитал, что в таком случае для поддержания градиентов Na+ и K+ клетке потребовалось бы в 3600 раз больше энергии, чем она в действительности способна запасать. Если бы одно это положение было доказано, идеи Линга воспринимались бы гораздо серьезнее. Другой аспект линговской теории — это представление, что значительная часть белков находится в покоящейся клетке в развернутой форме, и что на их взаимодействие с различными ионами и молекулами влияют «кардинальные адсорбаты». Вот этот раздел теории труден для понимания.
Подводя итог
Линг заслужил свое место в науке, но какое именно — еще предстоит уточнить. Многое еще предстоит узнать о том, как клетки функционируют, и что это вообще такое — живое вещество. На это уйдет много лет. Однако поиск теорий, старых или новых, способных бросить новый свет на проблемы науки всегда остается актуальным. Если вы ищете альтернативы, будет невредно изучить и эту книгу. Я понимаю ее в общих чертах, но моих усилий и знаний, увы, недостаточно, чтобы вникнуть в нее глубже. Чтобы она стала более доступной, можно начать с книги Джеральда Поллака “Cells, Gels and the Engines of Life”, вышедшую в Ebner Publishers, Seattle, в 2001 году, которая послужит прекрасным введением в эту теорию.
Любой перевод может правильно передать текст, но исказить подтекст. Греет надежда, что последняя книга Линга будет достойно переведена на русский язык и получит всё внимание, которое она, несомненно, заслуживает.
Denys N. Wheatley,
Абердин, Великобритания,
январь 2008 года
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
