Мы тоже можем помнить и страдать

Недавно британский ботаник Джонсон повторил такой опыт с бобовыми. Эти растения имеют защитный механизм, с помощью которого они спасаются от тлей. Растение, пораженное тлями, испускает в воздух молекулы особого химического вещества, которое привлекает ос, и те, садясь на листья растения, уничтожают тлей. Джонсон усложнил китайский опыт, окружив некоторые растения в земле такой сеткой, которая не позволяла общаться их корням, а другие – еще более мелкой сеткой, которая исключала также возможность грибкового общения. Затем он заразил тлями одно из растений. Опыт показал, что растения, не имевшие общей грибковой системы с зараженным, не испускали защитных молекул, тогда как наличие такой системы побуждало даже незараженные растения звать ос на помощь. Видимо, в зараженном растении образуются какие-то химические вещества, которые воздействуют на грибковую систему, и та посылает свои сигналы об угрозе незараженным растениям. Эволюционная польза такого «химического разговора» с помощью общих грибков очевидна: когда незараженные растения включаются в призыв ос, число прилетевших на спасение ос увеличивается, спасение зараженного собрата становится более вероятным и тем самым косвенно уменьшается риск заражения всех остальных растений.

Другая исследовательница, австралийский ботаник Моника Гальяно, считает, что в общении растений могут участвовать также корни, причем в отличие от грибков, передающих химические сигналы, прямой «разговор корней» друг с другом происходит, как и положено разговору, с помощью механических колебаний, то есть звуков. В этом своем убеждении Гальяно исходила из того, что растения реагируют на разного рода звуки. Так, в условия сильного шума они хуже растут, а определенная музыка, как недавно показали итальянские виноделы, как будто бы благоприятно влияет на созревание винограда. Но если растения способны «слышать» звуки, это позволяет думать, что они могли использовать эту способность для общения.

И вот, используя особо чувствительные лазерные микрофоны, Гальяно, как сообщается в ее статье, появившейся в июне 2013 года, обнаружила, что корни растущих растений действительно издают некие «клики» той или иной определенной частоты, причем другие растения реагируют на эти звуки, ускоряя или замедляя свой рост в зависимости от полученного звукового сигнала. В ее опыте базилик рос быстрее по соседству с чили, но замедлил рост, будучи высажен рядом со сладким укропом, хотя и в том и в другом случае все возможности других видов физического или химического контакта, кроме звукового, были надежно исключены.

А недавно, в начале 2014 года, почти через сто лет после первых ботанических экспериментов сэра Боше, та же Моника Гальяно со своими коллегами поставила еще одну интереснейшую серию опытов, которая показала, что и мысль Боше о способности растений «страдать, запоминать и обучаться» вроде бы не так уж фантастична. Опыты эти, описанные в журнале Oecologia, проводились на мимозе – растении, известном тем, что оно при прикосновении сворачивает свои листья (это один из распространенных механизмов защиты от хищников, которые применяют различные растения). Горшок с мимозой укрепляли с помощью специального захвата на вертикальном металлическом рельсе. После освобождения захвата горшок соскальзывал вниз по рельсу с высоты 15 сантиметров и приземлялся на пружинистую подставку. Понятно, что такое падение и удар были для растения изрядным физическим шоком, на который мимоза реагировала своим обычным способом, торопливо сворачивая листья. А цель такого эксперимента состояла в том, чтобы выяснить, можно ли «научить» растение игнорировать такой шок и способно ли оно запомнить уроки такого болезненного обучения.

Подопытные растения были разделены на две группы: те, которые росли в условиях достаточно сильного освещения, и те, рост которых происходил при слабом свете. На слабом свету растения больше нуждаются в том, чтобы их листья были всегда и как можно шире развернуты, и потому можно было ожидать, что «слабосветные» растения быстрее оправятся от шока, то есть быстрее развернут свои листья после удара.

Как же протекал эксперимент? Прежде всего было установлено, что при одноразовом ударе растения быстро сворачивали листья, и если удар повторялся через несколько часов, они сворачивали их снова, тем самым показывая, что удар воспринимается как угроза. Убедившись в этом, экспериментаторы подвергли каждое растение серии из шестидесяти последовательных падений с ударом, повторяя удары через каждые несколько секунд и повторяя такие серии семь раз в день. Обнаружилось, что растения действительно привыкают к ударам. Уже после 4-6 первых падений они начинают все быстрее открывать закрытые было листья, а в конце дневного «сеанса обучения» перестают закрывать их вообще. И как ожидалось, «слабосветные» быстрее обучаются раскрывать листья, чем «сильносветные». Чтобы проверить, что все это не является просто результатом усталости, экспериментаторы завершили сеанс обучения шоком другого вида – сильной тряской горшка (с частотой 250 потряхиваний в минуту). Растения тотчас начинали закрывать листья.

Затем та же серия из 60 быстро следующих друг за другом падений и ударов была повторена через 6 дней. При таком «повторении пройденного» некоторые мимозы уже при первом же ударе не закрывали листья, а другие, хотя поначалу и закрыли, но через 2-3 удара тоже перестали закрывать. Это означало, что они запомнили уроки прошлого. Экспериментаторы поменяли их местами: дали «слабосветным» 28 дней расти при сильном свете, а «сильносветным» наоборот, а затем повторили полнодневное обучение. При таком повторном обучении обе группы усвоили уроки заметно быстрее, чем в первый раз, причем каждое растение вело себя соответственно тому, сколько света оно получало в последний месяц. Это означало, что сама способность к обучаемости и запоминанию уроков прошлого имеет место при любом уровне предшествующего освещения, от этого уровня зависит только скорость обучения и его припоминания.

Увы, в отличие от экспериментов с общением растений, эти опыты Гальяно не дают указаний на то, каков физический или биохимический механизм обучаемости и памяти у растений. Сама Гальяно выдвигает предположение, что в основе этого механизма может лежать так называемое кальциевое сигнализирование. Ионы кальция, входя в клетки из межклеточного пространства, дают клеткам сигналы начать определенные биохимические процессы, ведущие в конце концов к определенным действиям организма как целого. Возможно, думает Гальяно, по мере повторения ударных шоков поток таких ионов внутри растения постепенно снижается до некого уровня терпимости к шоку и затем длительное время остается таким, лишь слегка повышаясь при повторной серии шоков. Но все это, конечно, гадания, и последователям Боше еще придется немало поработать, чтобы найти ответ на ими же открытые загадки жизни растений.

*********************************************************************************

Танго для троих

В школе нас учили, что клетки – это такие полые шарики, наполненные особой жидкостью - протоплазмой, и в этой жидкости плавают всякие белки, жиры и даже углеводы. Став постарше, мы удостоились узнать, что в клетке есть еще и некое ядро, в котором скрыты всесильные ДНК, содержащие «инструкции» для производства этих самых белков. И многие с этими знаниями доживают до глубокой старости. Но те, которые более любознательны, вроде читателей данной рубрики, достойны узнать большее. Например, что отнюдь не все клетки – это шарики. Скажем, красные кровяные клетки, или эритроциты, скорее напоминают толстые лепешки, тромбоциты похожи на крабов, палочки и колбочки в сетчатке глаза выглядят, как огурцы, а нейроны – чистой воды осьминоги с одним щупальцем-переростком.

Как видите, форма той или иной клетки явно связана с ее функциями в организме. Форма помогает клетке выполнять ее функции. Щупальца нейрона принимают и передают нервные сигналы, вытянутые тела колбочек и палочек – это световоды для фотонов, а овальные лепешки эритроцитов, наполняясь молекулами гемоглобина, становятся округлыми, но сохраняют способность сжиматься, чтобы протиснуться в самые узкие капилляры и донести этот гемоглобин в самые дальние уголки тела.

Но не только форма помогает клеткам выполнять их функции. Мембрана тоже помогает. На ее поверхности есть приемники (рецепторы) для разного рода сигнальных молекул, которые приходят от других клеток, чтобы побудить клетку сделать что-то специальное. В ней есть поры (каналы), через которые входят те химические группы, из которых клетка будет делать себе белки и жиры, и выходит то, что она посылает наружу, а также входят и выходят разные ионы, влияющие на эти процессы. А некоторые частицы, которые не могут войти или выйти через каналы, протискиваются через мембрану снаружи или изнутри, спрятанные в особых пузырьках (везикулах). Бурная жизнь у клеточной мембраны! А ведь она еще, кроме того, является своего рода помостом, к которому изнутри крепится весь клеточный скелет - длинные волокна специальных белков, которые позволяют клетке сохранять ее специфическую форму.

И наконец, еще один вид важных помощников клетки составляют ее органеллы (то есть маленькие органы), каждая из которых делает порученную ей часть работы, «тянет свою мелодию», как инструмент в том клеточном оркестре, который исполняет всю эту грандиозную по сложности симфонию жизни. О двух таких органеллах мне хочется сегодня рассказать подробнее, потому что не так давно группа ученых выявила, что они в ходе своей работы совершают некий изящный танец, этакое «танго для двоих», благодаря которому клетка может дышать (и в процессе этого дыхания производить нужную ей энергию), а мембрана, о которой мы только что говорили, может оставаться цельной, со всем своими рецепторами и порами. Эти две органеллы имеют сложные названия: митохондрия (будем сокращенно называть ее МТ) и эндоплазматический ретикулум (сокращенно ЭР). Вот они оба на схеме, которая изображает все основные части клетки: цифра 5 означает «грубый» ЭР, цифра 8 – «гладкий» ЭР, а цифры 9 – две МТ.

На самом деле митохондрий бывает куда больше, чем две. В некоторых клетках – по много сотен. Причина этого проста – именно в МТ происходит тот процесс «клеточного дыхания», который дает клетке всю нужную ей энергию. И вот что интересно: когда клетка почему-либо нуждается в усиленном производстве энергии, митохондрии начинают делиться, так что их становится больше. А когда надобность в повышенной энергии исчезает, лишние митохондрии начинают сливаться.

Этот процесс деления МТ давно интересовал ученых (как, впрочем, интересуют их и все другие бесчисленные загадки клеточной жизни). Им было непонятно, как именно он происходит, кто им управляет. Дело выглядит так. У митохондрии есть своя собственная мембрана, даже две - наружная и внутренняя, и тому есть крайне интересная причина: оказывается, МТ – это бывшая бактерия, когда-то вступившая в вечный симбиоз с нашими клетками. Так вот, в начале деления МТ на ее внешней мембране, примерно посередине, появляется тоненький перехват, словно она перетянута узким пояском, потом эта «талия» начинает утоньшаться, пока не станет совершенно ничтожной толщины, и тогда этот перехват обнимает снаружи молекула какого-то белка и перерезает его, так что из одной МТ получаются две.

Ну, насчет белковой молекулы, выполняющей функцию «гильотины», было уже раньше известно, что это специальный белок, именуемый Drp. Его молекула имеет форму спирали. Эта-то спираль охватывает талию МТ и сжимает ее так, что в перехвате прекращаются все биохимические процессы, и он рвется как бы сам собой из-за недостатка жизни. Но штука в том, что в своем исходном состоянии, до сжатия, спираль Drp имеет очень узкий диаметр и митохондрию в ее исходной толщине охватить не может. Кто-то должен сначала, как мы уже сказали выше, набросить на митохондрию поясок и, стянув его, создать у нее достаточно тонкую «талию», точно по мерке спирали Drp. Кто же этот поясок накидывает и бедную митохондрию душит (впрочем, для ее же блага)?

Шерлок Холмс тут наверняка начнет придумывать сложные дедуктивные конструкции, но наш деревенский Анискин сразу подумает на соседей через забор. Посмотрим и мы, кто там соседствует с МТ в клетке. Оказывается, ЭР! А что это за штука такая, давайте разберемся. ЭР – это крайне важная клеточная органелла. Конечно, в клетке все органеллы важны, но посудите сами: в ЭР, в его отсеках, совершается фантастической тонкости и важности процесс – создание белковых и жировых молекул (из того сырья, которое поступило в клетку снаружи). Белки потом выполняют все биохимические процессы в клетке, а частично, в соединении с жирами (по-научному – с липидами), образуют ту двухслойную оболочку клетки, которую я выше называл мембраной. Как раз для того, чтобы ЭР мог эффективно выполнять эту работу, он и имеет все эти свои отсеки. Они, кстати, соединены такими переходами, по которым в подземных гаражах спускаются с одного этажа на другой. И все эти повороты, изгибы и спирали вдоль длинной ленты ЭР создают специальные белковые молекулы, которые любят изогнутые поверхности, потому что, когда эти молекулы лежат вдоль изгиба, их энергия меньше, чем когда они лежат на плоском, вот они и любят изгибы и повсюду, где можно, их делают. В ЭР, в частности. И что интересно: когда ЭР работает на полную мощность, а какого-нибудь белка все равно не хватает, в клетке включается механизм обратной связи, ведущий к росту числа изгибающих молекул, и тогда в ЭР появляются новые рабочие отсеки. Это особенно часто происходит в тех клетках, где производится много белка «на вынос» (для секреции), например, в клетках поджелудочной железы.

Итак, ЭР – сосед МТ. Природа сделала это нарочно. Оказывается, часть сделанных им жировых молекул ЭР посылает «на доработку» в МТ. Он посылает их внутри везикул, а чтобы дело шло быстрее, наружная его часть, «гладкий» ЭР, почти прижимается к поверхности МТ. Если вы видели когда-нибудь, как один котенок во сне трогательно обнимает другого лапкой, то вот так гладкий ЭР почти обнимает соседнюю МТ.

И вот недавно этот структурный факт навел биолога Колорадского университета Гию Вёльц на мысль: а не для того ли «гладкий» ЭР так прижимается к МТ, что хочет с ней что-то сделать? И, руководствуясь этой мыслью, Вёльц придумала способ ее проверить. Она пометила белки, образующие поверхность ЭР и МТ, светящимися (флуоресцирующими) метками разных цветов и стала наблюдать за этими метками в специальный микроскоп. Это позволило ей напрямую увидеть, как меняется взаимное положение ЭР и МТ во время загадочного деления МТ. Выявилась, как потом сказали комментаторы работы Вёльц, «необыкновенно элегантная» картина.

Оказалось, что именно ЭР, пользуясь своим соседством с МТ, осуществляет ее предварительную подготовку к делению. Происходит это так. Недостаток энергии в клетке включает некий биохимический механизм, по сигналу которого в «гладком» ЭР образуется дополнительный отросток. Этот отросток начинает удлиняться и удлиняться, пока не охватит, точно кошачьей лапой, всю МТ. Сдавив ее, как поясом, он создает на ней ту самую «талию», или перехват, который наблюдали предыдущие исследователи. Продолжая расти, он в конце концов сдавливает эту талию в точности до той толщины, когда белок Drp уже может окружить ее своей спиралью и завершить процесс ее деления.
Такое вот трагическое танго для троих. И не думайте, пожалуйста, что я все это рассказал с какой-то дальней целью. Нет, я просто хотел, пользуясь случаем, еще раз показать, какой фантастической красоты процессы происходят в наших крохотных клетках.

Рафаил Нудельман
"Окна", 31.7.2014