Отцы и дети в физиологии клетки

Владимир Матвеев,
кандидат биологических наук, Институт цитологии РАН
«Химия и жизнь» №4, 2006

• Научный метод в эпоху специализации
• Конкурирующие теории
• Больная наука
• «Мы трансфретируем Секвану...»

Конкурирующие теории

Какую бы сторону жизнедеятельности клетки вы ни взяли, вы неизбежно столкнетесь с вопросами. Первый — почему одни вещества легко проникают в клетку, другие труднее, третьи практически вообще не проникают (то есть она обладает полупроницаемостью)? Второй — почему вещества (например, ионы К+ и Na+) распределяются между клеткой и средой неравномерно: одних больше в клетке, чем в среде, других, наоборот, больше в среде, чем в клетке (свойство избирательности)? Третий — каким образом клетка генерирует электрический потенциал? И четвертый — почему клетке удается поддерживать осмотическое равновесие со средой (осмотические свойства)? От того, как вы отвечаете на эти вопросы, коренным образом зависят все остальные представления о клетке, включая понимание на молекулярном уровне. Поэтому эти свойства — фундаментальные.

Существует два способа объяснения. Первый — общепризнанная, господствующая мембранная теория, сформулированная впервые более 100 лет назад. Каждый, кто интересуется биологией, сталкивается с этой теорией еще на школьной скамье и продолжает знакомство с ней в университете. Однако для ученых это не просто теория, а скорее стиль мышления. Если у отцов мембранной теории и была доля здоровой неуверенности в своей правоте, то у их сыновей отсутствуют всякие сомнения в истинности полученного теоретического наследия.

Согласно мембранной теории, все четыре фундаментальных свойства клетки объясняются свойствами мембраны, отделяющей ее содержимое от внешней среды. При таком подходе физиология клетки сводится, по существу, к физиологии пленки, толщиной всего около 100 А. Содержимое клетки, согласно этой теории, можно рассматривать в качестве простого водного раствора всех ее компонентов, принципиально не отличающегося от раствора этих же веществ в пробирке. Внутренняя структура клетки, свойства разнообразных белковых комплексов и их роль в определении фундаментальных свойств клетки, все то, что было сделано за последние 50 лет бурного развития цитологии, — все это оказалось невостребованным логикой мембранной теории. Единственное, что нужно этой теории от содержимого клетки, — это способность ее компонентов «плавать» в растворе. А распределение ионов и других веществ вне и внутри клетки обеспечивают насосы — белковые комплексы в мембране, которые перекачивают те же ионы Na+ и К+ против градиента концентраций. Здравый смысл должен испытывать хотя бы слабые сомнения в том, что одна только плазматическая мембрана, составляющая по массе тысячные доли процента от массы всей клетки, способна регулировать ионный состав внутриклеточной среды в масштабах, в миллионы раз превышающих ее собственный объем.

У мембранной теории есть замечательный объект, чтобы рассеять эти сомнения. Из гигантской нервной клетки (аксона) кальмара можно удалить все содержимое (аксоплазму), оставив только мембрану; получившийся препарат цитологи называют тенью аксона. Из-за своих больших размеров этот препарат не требует сложных технических ухищрений и процедур, с ним можно экспериментировать даже в школьном кабинете биологии. С тех пор, как в 1961 году появилась методика, позволяющая делать тени аксона, мембранной теории впервые за всю историю ее существования представилась возможность экспериментально доказать реальность Na, К-насоса: заменить аксоплазму морской водой («родной» для аксона кальмара стихией) или другим раствором с преобладанием Na+ над К+, добавить в нее необходимые для работы насоса энергоносители (АТФ, аргининфосфат и т. п.) и посмотреть, будет ли Na+ откачиваться в окружающую среду, а К+ накапливаться внутри аксона-призрака. Если теория верна, то со временем внут-риаксональная жидкость приобретет типичный для живой клетки ионный состав (с преобладанием К+ над Na+).

В 1963 году известный электрофизиолог Р.Д. Кейнес сообщил на семинаре в Пенсильванском университете, что все попытки такого рода закончились неудачей. До сих пор решающий эксперимент на аксоне кальмара остается несбыточной мечтой мембранной теории.

Кстати, об энергетике всего «парка» систем активного транспорта, постулированного мембранной теорией. Начиная с 50-х годов представление о роли АТФ как универсального источника энергии для биологических процессов не изменилось. Однако изменилась оценка того количества энергии, которое эта молекула способна дать: в 70-е годы она снизилась с 10–12 ккал/моль до 3–5 ккал/моль. Девальвация АТФ ставит вопрос об энергетическом крахе клетки, если смотреть на ее энергетику с позиций мембранной теории. Даже если верна первоначальная оптимистическая оценка энергетической ценности АТФ, то для обслуживания только натриевого насоса (учитывая реально наблюдаемую интенсивность обмена Na+ между клеткой и средой) необходимо, по Лингу, в 30 раз больше АТФ, чем клетка способна синтезировать. А к настоящему времени постулировано уже около 30 транспортных систем, каждой из которых также требуется АТФ. В литературе отсутствуют не только независимые расчеты энергетического баланса клетки, но и какие-либо другие, что весьма красноречиво.

Другой повод для сомнений — наличие странного исключения. Оказывается, кислород концентрируется в эритроците не потому, что его закачивает в клетку специальный насос. Он концентрируется в клетке потому, что адсорбируется гемоглобином. Никакой кислородной помпы нет. Теперь зададимся простым вопросом: неужели природа воспользовалась механизмом адсорбции только один раз? Отрицательный ответ на этот вопрос дает другой подход к объяснению фундаментальных свойств клетки — теория ассоциации — индукции (ТАИ).

В отличие от мембранной теории у ТАИ (см. «Химию и жизнь» 1994, № 8) только один автор — Гилберт Линг, который сформулировал ее в 1962 году. Он полагает, что случай с кислородом не исключителен, а отражает общее правило: сорбция на внутриклеточных структурах (или отсутствие таковой) играет важную роль в распределении веществ между клеткой и средой. Все четыре фундаментальных свойства клетки объясняются в конечном счете сорбционными процессами в цитоплазме и ядре. Плазматическая мембрана и другие мембраны клетки также вовлечены в процессы сорбции-десорбции. Принципиально и то, что тонкая структура цитоплазмы и ядра играют, согласно ТАИ, решающую роль в распределении веществ между клеткой и средой. Клетка нужна ТАИ именно как организованная структура, а не как мыльный пузырь.

В рамках этой теории цитоплазма — не «бульон», а организованная, структурированная система, включающая в себя в том числе и клеточную воду. При таком взгляде на клетку каналы, переносчики и насосы, постулированные мембранной теорией, теряют значение структур, соединяющих два водных бассейна — раствор внеклеточный с внутриклеточным. С точки зрения ТАИ эти специализированные структуры играют триггерную, рецепторную, сигнальную роль. Локальные изменения ионного состава в небольшом объеме дают толчок дальнейшим событиям, имеющим важную регуляторную функцию. Однако представление о том, что каналы и насосы способны в глобальном масштабе менять ионный состав клетки, представляется сейчас отголоском максимализма их первооткрывателей.

Что мы имеем в итоге? Признанная теория находится вне всякой критики, поскольку нет в живых ни носителей этой теории, которые смогли бы менять в ней что-нибудь или вовсе отказаться от нее, ни достойных критиков, широта мышления которых позволяла им видеть изъяны в фундаментальных конструкциях. В результате широкие обобщения прошлого оказались вне естественного процесса обновления, вне критики. Конкурирующая теория стоит на обочине научного движения, и ее преимущества перед классическим знанием уже некому оценить.

Между тем ТАИ кажется интересной потому, что она по своему теоретическому складу напоминает классическую физическую теорию, в которой множество следствий логически выводится из нескольких исходных постулатов. Логичность теории, ее связность позволяет свести к одному знаменателю разнообразные факты, которые, казалось, не имеют между собой ничего общего. Логика теории становится тем инструментом, который позволяет воссоздать целое из частей, формирует предпосылки широкого взгляда на проблему, благодаря которому молекулы сами собираются в структуры, а структуры в клетку.

Плодотворность ТАИ — еще и в нестандартных подходах, в постановке интересных экспериментальных задач. О потенциале ТАИ свидетельствуют и монографии Линга, в которых он рассматривает основы теории, ее приложения для объяснения различных физиологических механизмов на уровне клетки и отдельных структур. Теоретическая цельность ТАИ позволяет видеть скрытые недостатки мембранной теории. Несмотря на то что последняя общепризнанна, нельзя утрачивать к ней критического отношения. Слепая вера в ее истинность может привести лишь к накоплению методологических и теоретических ошибок. Нужно всегда помнить, что не существует теорий, которые не сталкивались бы с противоречащими им фактами (Поппер, 1959).

Болезненный симптом я вижу и в том, что имеющиеся экспериментальные свидетельства в пользу ТАИ, пусть и сравнительно немногочисленные, научное сообщество игнорирует. Нет проверок, нет опровержений, нет анализа возможной теоретической несостоятельности ТАИ. А ведь речь идет о публикациях Линга и других независимых авторов в авторитетных научных журналах. Игнорирование само по себе разрушает научный метод, разрушает науку как инструмент получения достоверного знания. Куда полезней для ученого было бы знание двух языков: языка мембранной теории и языка ТАИ. Если бы эксперименты проводили с учетом методологических требований обеих концепций, то видимость истины перестала бы угрожать науке. Игра стала бы честной, и тогда — пусть победит сильнейший. Но кому придет в голову изучать эти метаязыки клеточной физиологии, если всеобщее внимание поглощено деталями, а горизонт мысли измеряется нанометрами?

Возникает важный, как мне кажется, вопрос: кто в наше время способен оценить полноту соответствия фактам мембранной теории, окончательно сложившейся полвека назад? Кто может сделать выбор между мембранной теорией и ТАИ или любой другой конкурирующей теорией? Мой ответ на все эти вопросы: такой выбор сейчас делать некому. Сыновья науки уверовали в непогрешимость своих отцов и уже на протяжении десятилетий не ставят под сомнение мембранную теорию хотя бы потому, что не владеют ею. Эта вера противоречит духу науки, не принимающему ничего на веру, и неизбежно приведет со временем к превращению мембранной теории в своего рода галлюцинацию. Но дело не в одной только мембранной теории. Любое крупное обобщение прошлого и настоящего со временем неизбежно превратится в галлюцинацию по мере дробления науки на все более мелкие области исследования. На смену Эйнштейну космического масштаба приходят Эйнштейны наноструктур.

Уже возникла или может возникнуть ситуация, когда ученые, владеющие самыми современными методами исследования на молекулярном уровне, руководствуются в своей работе устаревшими или даже ошибочными представлениями общего характера, доставшимися им от эпохи классицизма. Теории прошлого, вместо того чтобы всегда быть под подозрением, превратились в догмы.