Текст книги "Телесный разум. Как тело влияет на наши мысли, чувства и воспоминания"

Роберт Х. Йолкен и его команда из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса сосредоточились на исследовании мании[196]196
  Отметим, что понятие мании / маниакального синдрома включает в себя достаточно широкий спектр ситуаций различного происхождения. Предположу, что здесь имелся в виду маниакальный синдром в рамках биполярного расстройства.


[Закрыть][197]197
  Исследовании мании: Dickerson, F., Adamos, M., Yolken, R. H., et al. (2018). «Adjunctive probiotic microorganisms to prevent rehospitalization in patients with acute mania: a randomized controlled trial.» Bipolar Disorders, 20(7), 614–621.


[Закрыть]. Они заметили, что во время маниакальных эпизодов у многих пациентов регистрируется повышенный уровень цитокинов – молекул, секретируемых иммунными клетками. Он назначил пробиотики для профилактики 33 пациентам, у которых ранее диагностировали маниакальные эпизоды, и у них оказалось на 75 % меньше шансов развития еще одного маниакального приступа по сравнению с пациентами, которые не принимали пробиотики. Исследование является предварительным, но предполагает, что нацеливание на иммунную функцию может улучшить результаты в области психического здоровья и что поддержка микробиоты (мы подробно обсудим ее в следующей главе) может быть практичным и экономически эффективным способом достижения этой цели.

По меньшей мере 500 000 женщин в Соединенных Штатах ежегодно страдают от послеродовой депрессии[198]198
  Послеродовой депрессией: Ohio State University. (2018). «Immune system and postpartum depression linked? Research in rats shows inflammation in brain region after stress during pregnancy.» ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181106161323.htm.


[Закрыть], причем эта оценка, вероятно, занижена. Удивительно, как мало мы знаем об этом серьезном заболевании. Предыдущие исследования сосредотачивались в основном на потенциальной гормональной этиологии, хотя некоторые более ранние работы посвящались исключительно иммунной системе. В этих исследованиях изучались признаки воспаления в крови и результаты оказались неоднозначными. В эксперименте, проведенном в Университете штата Огайо, использовался другой подход: ученые подвергали крыс стрессу во время беременности. Эти животные демонстрировали поведение, сходное с поведением матерей, страдающих от послеродовой депрессии: у них наблюдались пониженная внимательность к своим детенышам, депрессия и беспокойство. В отличие от животных из контрольной группы, крысы, подвергнутые стрессу, имели более высокие уровни маркеров воспаления в тканях головного мозга. Кроме того, исследователи нашли доказательства того, что стресс приводит к изменениям в функционировании микроглии.

Примечательно, что исследователи не смогли обнаружить признаков усиления воспаления в крови, но нашли их в медиальной префронтальной коре – области мозга, связанной с настроением. Ранее ученые выяснили, что именно она отвечает за послеродовую депрессию. Соавтор исследования Кэтрин Ленц сказала, что результаты терапии депрессии могут улучшиться за счет лечения воспаления мозга и реакции иммунной системы на воспаление в дополнение к нынешнему акценту на медикаментозную терапию, питание и снижение стресса.

Какую роль играет иммунная система в том, как мы реагируем на стресс? Мы знаем, что стресс увеличивает выработку кортизона в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе. Повышенный уровень кортизона подавляет иммунную систему, и именно поэтому, когда люди находятся в состоянии стресса, депрессии или испытывают тревогу, у них больше шансов подцепить инфекцию. С другой стороны, когда надпочечники истощаются и больше не могут вырабатывать достаточное количество кортизона, иммунная система переходит в режим перегрузки и может обратить силы против организма. В идеале то, что вам нужно, – это зона Златовласки[199]199
  Златовласка и три медведя – это сказка XIX века. Маленькая девочка по имени Златовласка отправляется на прогулку в лес и натыкается на дом, в котором находит, к своему удовольствию, три миски каши. Первое блюдо, что она пробует, слишком горячее, следующее – слишком холодное, но третье – в самый раз, и она съедает всю миску. Источник: Википедия. См.: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Goldilocks_and_the_Three_Bears amp;oldid=786195942).


[Закрыть] – не слишком много и не слишком мало кортизона, как раз в меру. Биологи называют равновесие системы состоянием гомеостаза.

Хорошие новости

Как мы противодействуем влиянию стресса на наше существование на молекулярном уровне? Что конкретно мы можем сделать, чтобы поддерживать более благоприятную экспрессию генов, особенно в иммунной системе? Один из ответов – психофизические практики, такие как медитация[200]200
  Психофизические практики, такие как медитация: Fredrickson, B. L., Grewen, K. M., Cole, S. W., et al. (2013). «A functional genomic perspective on human well-being.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(33), 13684-13689.


[Закрыть], которые, по словам Стивена Коула (которого я упоминал ранее), способствуют развитию позитивных и счастливых иммунных клеток. Исследования связывают медитацию с более высокой выработкой антител[201]201
  Более высокой выработкой антител: Davidson, R. J., Kabat-Zinn, J., Sheridan, J. F., et al. (2003). «Alterations in brain and immune function produced by mindfulness meditation.» Psychosomatic Medicine, 65(4), 564–570.


[Закрыть], снижением негативной воспалительной активности[202]202
  Снижением негативной воспалительной активности: Pace, T. W., Cole, S. P., Raison, C. L., et al. (2009). «Effect of compassion meditation on neuroendocrine, innate immune and behavioral responses to psychosocial stress.» Psychoneuroendocrinology, 34(1), 87–98.


[Закрыть], повышением положительного противовирусного ответа[203]203
  Положительного противовирусного ответа: Morgan, N., Irwin, M. R., Chung, M., and Wang, C. (2014). «The effects of mind-body therapies on the immune system: meta-analysis.» PLoS One, 9(7), e100903.


[Закрыть] и улучшением функции специфических штаммов иммунных клеток[204]204
  Функции специфических штаммов иммунных клеток: Fang, C. Y., Reibel, D. K., Longacre, M. L., Douglas, S. D., et al. (2010). «Enhanced psychosocial well-being following participation in a mindfulness-based stress reduction program is associated with increased natural killer cell activity.» The Journal of Alternative and Complementary Medicine, 16(5), 531–538.


[Закрыть].

В последние годы появилась новая область исследований, известная как психосоматическая геномика. В ходе серии исследований лауреат Нобелевской премии Элизабет Блэкберн, биохимик из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, и ее коллега психиатр Элисса Эпель обнаружили, что медитация может влиять на концы ДНК, известные как теломеры[205]205
  Концы ДНК, известные как теломеры: Epel, E., Daubenmier, J., Moskowitz, J. T., Folkman, S., and Blackburn, E. (2009). «Can meditation slow rate of cellular aging? Cognitive stress, mindfulness, and telomeres.» Annals of the New York Academy of Sciences, 1172(1), 34–53.


[Закрыть], которые действуют как защитные «колпачки» для хромосом. Как только хромосома теряет свои теломеры, клетка больше не может делиться и умирает, а массовая гибель клеток приводит к ускоренному клеточному старению. Теломеры, как и иммунные клетки, реагируют на эмоции: негативные эмоции укорачивают их, а позитивные – помогают поддерживать структуру.

Более века назад ученые продемонстрировали, что сон способствует сохранению информации о фактах и событиях нашей жизни, а недавние исследования – что медленный сон, часто называемый глубоким сном, важен для преобразования хрупких свежих воспоминаний в стабильные и долговременные. Теперь исследователи предполагают, что глубокий сон может также усиливать и иммунную память[206]206
  Глубокий сон может также усиливать иммунную память: Westermann, J., Lange, T., Textor, J., and Born, J. (2015). «System consolidation during sleep – A common principle underlying psychological and immunological memory formation.» Trends in Neurosciences, 38(10), 585–597.


[Закрыть] о ранее встреченных патогенах.

ГЛУБОКИЙ СОН ДОСТАТОЧНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ВНОСИТ ЗНАЧИТЕЛЬНЫЙ ВКЛАД В ОБЩЕЕ САМОЧУВСТВИЕ.

Цинк также очень важен для иммунитета[207]207
  Цинк также очень важен для иммунитета: Rao, G. and Rowland, K. (2011). «Zinc for the common cold – not if, but when.» The Journal of Family Practice, 60(11), 669.


[Закрыть]. Низкий уровень цинка пагубно влияет на количество иммунных клеток, которые доступны для борьбы с захватчиками. Изучив 13 рандомизированных плацебо-контролируемых исследований связи цинка с простудой, исследователи обнаружили, что прием цинка в течение 24 часов после появления первых признаков простуды может сократить ее продолжительность и помочь избежать серьезных симптомов.

Во многих культурах для борьбы с инфекционными заболеваниями использовался чеснок[208]208
  Чеснок: Bayan, L., Koulivand, P. H., and Gorji, A. (2014). «Garlic: A review of potential therapeutic effects.» Avicenna Journal of Phytomedicine, 4(1), 1-14.


[Закрыть], и это не случайно: он обладает антимикробными, противогрибковыми и противовирусными свойствами. Современные исследования показали, что включение чеснока в рацион человека может фактически активировать гены иммунитета и снизить тяжесть и частоту простудных заболеваний[209]209
  Отметим, что вопрос о применении пищевых добавок, витаминов и микроэлементов для стимуляции иммунного ответа по-прежнему активно обсуждается – с точки зрения доказанности результатов, спектра состояний, при которых это нужно и оправданно, с точки зрения безопасности.


[Закрыть].

Резюме

В-клетки памяти, Т-клетки памяти и фолликулярные Т-хелперы иммунной системы играют решающую роль в защите нашего организма от потенциально вредных захватчиков. Иммунные клетки, обитающие в мозге, особенно микроглия, выполняют ключевую функцию, обеспечивая правильное функционирование центральной нервной системы. Кроме того, лимфатические узлы обладают специфичной для их местоположения памятью, которая, как предполагается, закодирована в их клеточной мембране. Эти клетки иммунной системы развиваются в долговременную «популяцию памяти»[210]210
  Долговременную «популяцию памяти»: Ataide, Marco A., Komander, Karl, Kastenmüller, Wolfgang, et al. (2020). «BATF3 programs CD8 T cell memory.» Nature Immunology, 21(11), 1397–1407.


[Закрыть], которая защитит организм от инфекций в будущем. Все свидетельства указывают на существование сложной петли обратной связи между иммунной системой и мозгом.

Все это – прямолинейные, абсолютно неоспоримые, общепринятые научные факты. Тем не менее нейробиологи старой школы все еще придерживаются убеждения, что только нейроны коры головного мозга и их синапсы хранят воспоминания, а то, как работает иммунная система, противоречит этой точке зрения. В дополнение к нейронам, четыре типа иммунных клеток, упомянутых выше, также способны как хранить данные, так и обмениваться информацией друг с другом. Это похоже на званый ужин: присутствующие слышат, что говорит один из них, и вместе реагируют на сказанное.

Иммунная система с ее переизбытком клеток памяти[211]211
  После развития иммунного ответа только часть клеток-участниц преобразуются в клетки памяти, остальные же клетки гибнут. На мой взгляд, слова о переизбытке представляют собой художественное преувеличение.


[Закрыть] и лимфатических узлов, обладающих разной памятью в зависимости от расположения, представляет собой микрокосм воплощенного мозга: невидимый, безмолвный, но постоянно воздействующий на телесный разум, создавая сознание.

Клетки памяти иммунной системы собирают сокровищницу информации о вредителях, с которыми они сталкиваются на протяжении всей жизни. Разве не имеет смысла, по крайней мере, рассмотреть возможность того, что иммунные клетки могут, как и нейроны, содержать фрагменты жизненных воспоминаний? Я надеюсь, что следующая глава, посвященная клетке, прольет больше света на этот вопрос.

Ключевые выводы

♦ При первом намеке на вторжение чужеродных захватчиков иммунная система начинает организованную атаку, обычно уничтожая и истребляя их;

♦ иммунная система запоминает патоген после заражения, а при повторном столкновении распознает его и уничтожает;

♦ в общей сложности воспоминания хранят три разных типа клеток иммунной системы: В-клетки памяти, Т-клетки памяти и фолликулярные Т-хелперы;

♦ иммунные клетки реагируют на эмоции;

♦ глубокий сон помогает мозгу и клеткам иммунной системы формировать воспоминания;

♦ для нормальной работы мозга необходима хорошо отрегулированная иммунная система.

Глава четвертая
Тайны человеческой клетки

Тело взрослого человека содержит около 50-100 триллионов клеток (100 000 000 000 000!), которые находятся в состоянии покоя; некоторые из них создаются, в то время как другие разрушаются. Каждую минуту умирают 300 миллионов клеток! Единственная из них, видимая без использования микроскопа, – это яйцеклетка. Несмотря на свои крошечные размеры, эти маленькие биологические машины удивительно умны.

Мы привыкли считать, что соматические клетки неразумны и не хранят данные, в отличие от тех, что имеют отношение к функциям. Однако когда эти клетки образуют сети, как это происходит в наших телах, у них формируется коллективный разум. Эти способности генетически закодированы в каждой живой клетке. В этом смысле они сравнимы с компьютерами, управляемыми с помощью программного обеспечения: точно так же, как компьютеры, оснащенные искусственным интеллектом, меняются и учатся на основе обратной связи, меняются и наши клетки.

Некоторые биологи начали применять концепции электротехники к живым клеткам, буквально программируя их для хранения и вычисления данных. Результаты этих поистине революционных исследований помогают понять, как биологические клетки архивируют информацию, работают в сборках, подобных нейронным сетям, и как подключаются к последним.

Клеточная Вселенная

В нашем организме насчитывается более 200 типов клеток, которые имеют различные размеры – от маленьких эритроцитов размером 0,00076 мм до клеток печени, которые могут быть в 10 раз больше. У каждой из их есть своя функция. Около 10 000 человеческих клеток среднего размера могут поместиться в булавочной головке. В клетках млекопитающих два микрона линейной ДНК упакованы в ядро диаметром примерно 10 мкм (10 мкм = ширина хлопкового волокна).

Существует два типа ДНК: так называемая ядерная ДНК, которую мы наследуем от обоих родителей, и митохондриальная ДНК (та, что мы несем в митохондриях; см. ниже), которую мы наследуем только от матери. Причина этого заключается в том, что во время оплодотворения сперма отца разрушает свою митохондриальную ДНК. Похожие физиологические процессы, которые осуществляются такими органами, как легкие, сердце или почки, выполняются в наших клетках 37 миниатюрными системами органов, называемыми органеллами.

Двумя наиболее важными органеллами являются митохондрия и цитоскелет. Митохондрии регулируют выживание и метаболизм клеток. Их часто называют источником энергии клетки, потому что внутри них поглощаются кислород и питательные вещества, они же расщепляются и создаются богатые энергией молекулы – это необходимо для правильной работы клеток и тканей. Дефекты функций и уменьшение количества митохондрий связаны, в свою очередь, со старением и хроническими заболеваниями, такими как рак, ожирение, диабет второго типа и неврологические расстройства. В дополнение к поставке клеточной энергии митохондрии контролируют клеточную дифференцировку, клеточный цикл и рост клеток.

В последнее время все чаще признается, что митохондрии играют важную роль в процессе старения. Исследователи из Бостонского университета идентифицировали белок – G-белок супрессор сигнального пути 2 (GPS2)[212]212
  G-белок супрессор сигнального пути 2 (GPS2): Cardamone, M. D., Tanasa, B., Perissi, V., et al. (2018). «Mitochondrial retrograde signaling in mammals is mediated by the transcriptional cofactor GPS2 via direct mitochondria-to-nucleus translocation.» Molecular Cell, 69(5), 757–772.


[Закрыть], который перемещается из митохондрий клетки в ее ядро в ответ на стресс и во время дифференцировки жировых клеток. Это открытие демонстрирует, что осуществляется взаимодействие по крайней мере одной органеллы с ядром, а не только ядра с остальной частью клетки, как считалось в прошлом. Таким образом, становится ясно, что внутри клетки и, как мы вскоре увидим, между клетками происходит активная коммуникация.

Цитоскелет представляет собой клеточные каркасы или скелет внутри цитоплазмы клетки. Он состоит из микротрубочек, собранных из белка тубулина в трубчатые сети. Некоторые исследования подтверждают, что именно микротрубочки внутри цитоскелета хранят воспоминания. Нэнси Вулф из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе[213]213
  Нэнси Вулф из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе: Tuszynski, Jack A. The Emerging Physics of Consciousness. (Berlin: Springer-Verlag, 2006).


[Закрыть] в книге «Зарождающаяся физика сознания» пришла к выводу, что между микротрубочками, памятью и сознанием существуют определенные связи. К этому вопросу мы вернемся в последней главе.

Скорее всего, именно цитоскелет отвечает за механизмы, лежащие в основе обработки информации на одноклеточном уровне. Он обладает всеми необходимыми для этого свойствами: цитоскелет – это большая сложная органелла, которая легко модифицируется различными молекулярными путями (запись данных), интерпретируется многочисленными моторными белками и другими механизмами (считывание данных) и реализует широкий спектр дискретных переходных состояний, в которых может выполнять вычислительные операции.

Другие органеллы – это лизосомы, которые среди всего прочего являются критически важными центрами удаления и переработки отходов; они представляют собой жгутик – похожий на плеть придаток, который выступает из тела клетки (все сперматозоиды млекопитающих передвигаются с его помощью[214]214
  Помимо этих органелл существуют и другие не менее важные. Жгутик же характерен для относительно небольшой группы половых клеток.


[Закрыть]).

Практически все гены клетки находятся в самой большой ее органелле – ядре.

Органеллы содержат белки, являющиеся продуктами генов. Они – рабочие лошадки клеток. Когда клетка получает сигнал, например о росте, делении или изменении формы, для выполнения этой задачи внутри клетки создаются новые белки или перемещаются старые. Исследователи Центра Доннелли Торонтского университета создали карты примерно 3000 белков в дрожжевых клетках[215]215
  Карты примерно 3000 белков в дрожжевых клетках: Chong, Yolanda, Moffat, Jason, Andrews, Brenda J., et al. (2015), «Yeast Proteome Dynamics from Single Cell Imaging and Automated Analysis.» Cell, 161, 1413-1424


[Закрыть]. Клетки человека выполняют задачи, аналогичные дрожжевым, за исключением того, что в них присутствует в четыре раза больше белков. Это означает, что человеческая клетка содержит 12 000 белков, что составляет 42 миллиона белковых молекул[216]216
  42 миллиона белковых молекул: Ho, B., Baryshnikova, A., and Brown, G. W. (2017). «Comparative analysis of protein abundance studies to quantify the Saccharomyces cerevisiae proteome.» bioRxiv. doi: 10.1101/ 104919.


[Закрыть] в пространстве настолько крошечном, что оно невидимо невооруженным глазом.

Как могло столько всего оказаться внутри чего-то размером не больше песчинки? Следующая аналогия может оказаться полезной в этом отношении. Наблюдателю из далекой Вселенной наша планета показалась бы крошечной пылинкой в Галактике, окруженной другими галактиками в бесконечных просторах космоса. Этот астроном никак не мог бы представить себе миллионы растений, животных и разумных форм жизни, существующих в таком крошечном пространстве. Тем не менее из представленных доказательств следует, что в биологической клетке по меньшей мере столько же места, разнообразия элементов и возможностей для хранения памяти, сколько и в нашем мире. То, что видит человек, во многом зависит от точки обзора и остроты зрения.

А теперь немного разовьем идею с точкой зрения на примере атома. Атом – это наименьшая составная единица обычной материи, обладающая свойствами химического элемента. Размеры атомов составляют около 100 пикометров[217]217
  Размеры атомов составляют около ста пикометров: Статья «Атом». Википедия. https://en.wikipedia.org/wiki/Atom.


[Закрыть], что равно одной десятимиллиардной части метра. Внутри атома есть старые резервные элементы – протоны, нейтроны и электроны, – а также новое поколение субатомных частиц со странными названиями, такими как мюон (большой короткоживущий двоюродный брат электрона), кварк, глюон, и недавно открытых частиц, которые называют пионами, каонами, таусами, лямбдами, сигмами и кси-частицами.

Существуют частицы материи и силовые частицы[218]218
  Частицы материи и силовые частицы: Johnson, George (2016). «Physicists Recover from a Summer’s Particle ‘Hangover’.» The New York Times. https://www.nytimes.com/2016/10/18/science/physics-particles-cern.html.


[Закрыть] с массами в диапазоне от нуля (фотоны и глюоны) и близкого к нулю (нейтрино) до кварка, который весит как целый атом вольфрама – элемента, название которого (англ. tungsten) в переводе со шведского означает «тяжелый камень». По сравнению с атомами биологические клетки огромны.

Язык клеток

Долгое время ученые задавались вопросом, как клетки воспринимают свет, тепло, передают нервные сигналы или реагируют на изменения в окружающей среде. Физики из Университета штата Орегон и Университета Пердью показали, что, когда клетки встречаются, между ними образуется небольшой канал, называемый щелевым соединением.

На индивидуальном уровне клетка в ответ на аденозинтрифосфат[219]219
  Аденозинтрифосфат (АТФ) – нуклеозидтрифосфат, представляющий собой небольшую молекулу, используемую в клетках в качестве кофермента. АТФ часто называют молекулярной единицей обмена внутриклеточной передачи энергии. Источник: Knowles, J. R. (1980). «Enzyme-catalysed phosphoryl transfer reactions.» Annual Review of Biochemistry, 49(1), 877–919.


[Закрыть] начинает колебаться, что является частью ее призыва к действию. Благодаря коммуникациям, опосредованным щелевыми соединениями, большинство клеток в конечном счете решают, каков правильный сенсорный вход – приток сенсорных импульсов, – и передаваемый сигнал становится довольно точным. «Дело в том, что отдельные клетки не всегда правильно воспринимают сообщение, так как их сенсорный процесс может быть запутанным, а потому они совершают ошибки, – сказал Бо Сун, доцент физики в Университете штата Орегон. – Но в цифрах есть сила, и коллективная сенсорная работа многих клеток обычно дает правильный ответ. Это взаимодействие необходимо для жизни»[220]220
  Это взаимодействие необходимо для жизни: Potter, G. D., Byrd, T. A., Mugler, Andrew, and Sun, Bo (2016). «Communication shapes sensory response in multicellular networks.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(37), 10334-10339.


[Закрыть].

Существует множество ситуаций, в которых нашим клеткам приходится двигаться[221]221
  Нашим клеткам приходится двигаться: Nordenfelt, P., Elliott, H. L., and Springer, T. A. (2016). «Coordinated integrin activation by actin-dependent force during T-cell migration.» Nature Communications, 7, 13119; Marston, D. J., Anderson, K. L., Hanein, D., et al. (2019). «High Rac1 activity is functionally translated into cytosolic structures with unique nanoscale cytoskeletal architecture.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(4), 1267–1272.


[Закрыть]: например, когда иммунные клетки охотятся за «злоумышленниками», а заживляющие клетки (фибробласты) мигрируют, чтобы залечить раны. Конечно, не всякое движение желательно: когда раковые клетки метастазируют, возникают проблемы. При движении клетка преобразует химическую энергию в механическую работу, и мы научились ее измерять.

В исследовании, проведенном Институтом медицинских открытий Сэнфорда Бернема Пребиса и группой изучения биосенсоров из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле, ученые использовали криоэлектронный микроскоп, искусственный интеллект и специально разработанные методы вычислительной и клеточной визуализации, чтобы сравнить наноразмерные изображения мышиных фибробластов со световыми изображениями флуоресцентного Rac1 – белка, который регулирует движение клеток, реакцию на силу, а также напряжение и инвазию патогенов. С этим технически сложным рабочим процессом, масштаб которого составлял пять порядков (от десятков микрон до нанометров), ученым потребовались годы, чтобы достичь нынешнего уровня надежности и точности. Исследователи пришли к выводу, что, когда клетки не путешествуют, они не просто работают бок о бок со своими соседями, не «разговаривая» с ними. Скорее, они контактируют, образуя связи разного размера, силы и продолжительности.

Одним из средств, с помощью которых клетки взаимодействуют друг с другом[222]222
  Клетки взаимодействуют друг с другом: Barone, V., Lang, M., Heisenberg, C. P., et al. (2017). «An effective feedback loop between cell-cell contact duration and morphogen signaling determines cell fate.» Developmental Cell, 43(2), 198–211.


[Закрыть], является передача везикул – «транспортных капсул», которые перемещаются из одного клеточного отсека и сливаются с другим. Эти пузырьки транспортируют молекулы между различными отделениями внутри и между клетками, перенося материал в аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулум[223]223
  Эндоплазматический ретикулум – область клетки, где производятся и модифицируются белки при подготовке к транспортировке на поверхность клетки. Источник: Dodonova, S. O., Diestelkoetter-Bachert, P., Beck, R., Beck, M., et al. (2015). «A structure of the COPI coat and the role of coat proteins in membrane vesicle assembly.» Science; 349(6244), 195.


[Закрыть].

Формирование и поддержание межклеточной связи облегчается образованием щелевых соединений между физически прикрепленными клетками, а также секрецией сигнальных молекул. Они состоят в основном из внеклеточной РНК (exRNA). Прежде считалось, что молекулы РНК существуют только внутри клеток, но ученые обнаружили, что они также встречаются вне клеток и участвуют в системе межклеточной коммуникации.

Недавно в дополнение к сигнальным молекулам был обнаружен новый механизм: мембранные нанотрубки, или туннельные нанотрубки[224]224
  Мембранные нанотрубки, или туннельные нанотрубки: Carvalho, R. N. and Gerdes, H. H. (2008). «Cellular Nanotubes: Membrane Channels for Intercellular Communication.» В книге Medicinal Chemistry and Pharmacological Potential of Fullerenes and Carbon Nanotubes (Dordrecht, Netherlands: Springer, 2008), 363–372; Callier, Viviane (2018). «Cells Talk and Help One Another via Tiny Tube Networks.» Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/cells-talk-and-help-one-another-via-tiny-tube-networks-20180423/.


[Закрыть] (ТНТ). ТНТ представляют собой проходящие между клетками полупрозрачные нити шириной около 50 нанометров и длиной 150–200 микрон. Они действуют как каналы для обмена микроРНК, РНК-мессенджерами, белками, вирусами и даже целыми органеллами, такими как лизосомы и митохондрии.

Здоровые взрослые клетки обычно не вырабатывают ТНТ, если только они не подвержены стрессу или не больны. Проблемные же клетки посылают химические сигналы SOS здоровым, и те в ответ расширяют ТНТ, через которые передают целебные вещества, белки и микроРНК. Кто бы мог подумать о человеческих клетках как о добрых самаритянах? Тем не менее это – еще одно наглядное доказательство наличия у них интеллекта[225]225
  В то же время это может быть объяснено простым наличием регуляторных взаимодействий по принципам прямой и обратной связи.


[Закрыть].

Около 10 лет назад ученые начали изучать новую систему связи[226]226
  Новую систему связи: Murillo, O. D., Thistlethwaite, W., Kitchen, R. R., et al. (2019). «exRNA atlas analysis reveals distinct extracellular RNA cargo types and their carriers present across human biofluids.» Cell, 177(2), 463–477.


[Закрыть] между клетками, которая опосредуется внеклеточной РНК (exRNA). Исследователи из Медицинского колледжа Бейлора обнаружили шесть основных типов груза РНК в жидкостях организма, включая сыворотку, плазму, спинномозговую жидкость, слюну и мочу. Эта система, по-видимому, работает как в нормальных, так и в болезненных состояниях.

Продолжая изучать межклеточную коммуникацию, исследователи из Института физико-химических исследований в Токио систематически анализировали взаимосвязь между лигандами – передающими сообщения веществами, такими как инсулин и интерферон, – и рецепторами – белками на поверхности клеток, получающими эти сообщения. Им удалось прояснить и количественно оценить репертуар сигнальных путей между различными типами клеток. Основываясь на этом анализе, авторы получили новое представление о том, как взаимодействуют клетки[227]227
  Новое представление о том, как взаимодействуют клетки: Ramilowski, J. A., Goldberg, T., Forrest, A. R., et al. (2015). «A draft network of ligand-receptor-mediated multicellular signaling in human.» Nature Communications, 6, 7866.


[Закрыть]. По словам Джордана Рамиловски, главного автора исследования, «интригующий вывод заключается в том, что сигналы между клетками одного и того же типа удивительно распространены».

Клетки в наших телах могут делиться раз в 24 часа, создавая идентичные копии самих себя. Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, называемые факторами транскрипции (этильные и метильные группы, которые мы в первой главе называли просто переключателями[228]228
  Белки – это сложные молекулы, состоящие из аминокислот, а этильные и метильные группы – всего лишь небольшие химические группы, которые могут присоединяться к различным молекулам.


[Закрыть]), необходимы для поддержания идентичности клетки. Они гарантируют, что дочерние клетки будут выполнять ту же функцию, что и материнские.

Каждый тип клеток можно отличить на основе его эпигенома. В процессе клеточного деления факторы транскрипции удаляются из ДНК и должны найти путь в нужное место в новорожденной клетке. Юсси Тайпале, профессор из Каролинского института и Хельсинкского университета, и его исследовательская группа, возможно, обнаружили механизм того, как это происходит. Похоже, что большой белковый комплекс, называемый когезином, окружает нить ДНК, тем самым помогая факторам транскрипции найти исходную область[229]229
  Помогая факторам транскрипции найти исходную область: Yan, Jian, Enge, Martin, Taipale, Minna, Taipale, Jussi, et al. (2013). «Transcription Factor Binding in Human. Cells Occurs in Dense Clusters Formed around Cohesin Anchor Sites.» Cell, 154(4), 801.


[Закрыть] связывания на обеих цепях ДНК.

«Мы нашли возможный механизм того, как работает клеточная память и как она помогает клетке запоминать порядок, существовавший до того, как клетка разделилась», – объяснил Юсси Тайпале. Это его слова, не мои.

Используя метод анализа частоты адгезии в микропипетке (micropipette adhesion frequency assay), ученые из Технологического института Джорджии и Эморийского университета обнаружили, что молекулярные взаимодействия на поверхности клеток могут формировать память, которая влияет на их будущие взаимодействия. До сих пор исследователи, которые использовали повторяющиеся тесты для получения статистических выборок молекулярных свойств, предполагали, что каждый тест уникален и независим от других в последовательности. Ченг Чжу, ведущий исследователь, привел примеры, в которых взаимодействие, наблюдаемое в одном тесте, влияло на результат следующего. То есть в зависимости от биологической системы эффект может либо увеличить, либо уменьшить вероятность будущего взаимодействия.

Поддержанное Национальными институтами здравоохранения США исследование демонстрирует, что определенные клетки могут запоминать более ранние встречи с патогенами[230]230
  Определенные клетки могут запоминать более ранние встречи с патогенами: Zarnitsyna, V. I., Huang, J., Zhu, C., et al. (2007). «Memory in receptor-ligand-mediated cell adhesion.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(46), 18037-18042.


[Закрыть] благодаря специфическим взаимодействиям рецепторов – лигандов. Чжу сказал: «Возможно, это – способ клеток регулировать свою адгезию и передачу сигналов. Для Т-клеток способность запоминать даже краткое взаимодействие с патогеном может быть связана с их умением отличать „злоумышленника“ от своих молекул, что имеет большое значение для работы иммунной системы».

Амит Патхак, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Вашингтонского университета в Сент-Луисе, создал устройство, которое может измерять, как долго сохраняется клеточная память[231]231
  Как долго сохраняется клеточная память: Nasrollahi, S., Walter, C., Pathak, A., et al. (2017). «Past matrix stiffness primes epithelial cells and regulates their future collective migration through a mechanical memory.» Biomaterials, 146, 146–155.


[Закрыть] при переносе из одной среды в другую. Он обнаружил, что клетки продолжают помнить свойства, которые имели в первоначальной среде, в течение нескольких дней после перехода в другую. Этот процесс называется механической памятью.

Открытие стволовых клеток, сделанное Рамешем Шивдасани из Гарвардского института, помогло заглянуть еще дальше в прошлое. Он обнаружил, что ткани взрослого человека сохраняют записанную в ДНК память об эмбриональных клетках, из которых возникли. Исследование привело к еще более интригующему выводу о том, что память клеток полностью восстанавливается[232]232
  Память клеток полностью восстанавливается: Jadhav, U., Cavazza, A., Shivdasani, R. A., et al. (2019). «Extensive recovery of embryonic enhancer and gene memory stored in hypomethylated enhancer DNA.» Molecular Cell, 74(3), 542–554.


[Закрыть]. Они могут воспроизвести историю своего развития в обратном порядке, чтобы включить гены, которые были активны в эмбриональном состоянии. Шивдасани сказал: «Мы были удивлены, обнаружив, помимо самого существования этого архива, то, что он не остается запертым навсегда, а доступен клеткам при определенных условиях. Последствия этого открытия для понимания возможностей клеток и будущего лечения дегенеративных и других заболеваний потенциально очень значительны». Другими словами, когда клетки вырастают, они вспоминают свое детство. Это представляет собой одно из практических применений моего предположения о клеточной памяти.

Стволовые клетки – это недифференцированные клетки, которые могут превращаться в специфические, когда тело в них нуждается. Стволовые клетки происходят из двух основных источников: тканей взрослого организма и эмбрионов[233]233
  Здесь идет речь о том, что есть собственно эмбриональные клетки со свойствами стволовых, а также клетки в тканях, обладающие частью свойств истинно стволовых клеток.


[Закрыть]. Большинство тканей имеют небольшие резервуары стволовых клеток, которые могут заменять другие по мере их старения или отмирания – они могут стать практически любой клеткой, которая требуется телу.

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ПОМОГАЮТ ТКАНЯМ ВОССТАНАВЛИВАТЬСЯ ПОСЛЕ ТРАВМ[234]234
  К сожалению, возможности этого восстановления очень ограниченны.


[Закрыть].

Стволовые клетки традиционно считались tabula rasa, однако сейчас ученые предполагают, что вместо этого они могут хранить воспоминания о прошлых ранах или воспалениях, чтобы способствовать более эффективному заживлению в подобных ситуациях в будущем. Новые исследования кожи[235]235
  Новые исследования кожи: Peterson, Eric (2018). «Stem Cells Remember Tissues’ Past Injuries.» Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/stem-cells-remember-tissues-past-injuries-20181112/.


[Закрыть], кишечника и дыхательных путей показывают, что стволовые клетки, часто в партнерстве с иммунной системой, могут использовать эти воспоминания для улучшения реакции тканей на более поздние травмы и нападения патогенов. Например, было обнаружено, что воспаленная кожа мышей[236]236
  Воспаленная кожа мышей: Evolution News & Science Today (EN) (2018). «Memory – New Research Reveals Cells Have It, Too.» https://evolutionnews.org/2018/11/memory-new-research-reveals-cells-have-it-too/.


[Закрыть], прошедшая через процесс регенерации, заживала в 2,5 раза быстрее, если в следующий раз рану наносили на то же место.

Шрути Найк[237]237
  Шрути Найк: Naik, S., Larsen, S. B., Cowley, C. J., and Fuchs, E. (2018). «Two to tango: dialog between immunity and stem cells in health and disease.» Cell, 175(4), 908–920.


[Закрыть], иммунолог из Нью-Йоркского университета, который изучал эффект памяти в коже и других тканях, прокомментировал превосходную способность стволовых клеток ощущать окружающую среду и реагировать на нее. Они взаимодействуют с иммунной системой, чтобы работать в команде, а также, что самое главное, передают свою память будущим поколениям клеток.

Я подумал, что это самый далекий момент в прошлом, куда мы можем заглянуть в истории клеток, но новое исследование, проведенное в Рокфеллеровском университете, доказало, что я ошибался. Оно вернуло нас к зачатию, когда все мы являлись лишь скоплением идентичных клеток. По мере того как эти клетки делятся и размножаются, они постепенно дифференцируются и становятся предшественниками мышечных и костных клеток, а также нейронов и т. д. Ранее было показано, что сеть сигнальных белков, в том числе так называемый Wnt-путь, активирует эмбриональные стволовые клетки человека для формирования начальных кластеров, а затем другой сигнал, называемый активином, говорит клеткам специализироваться для формирования двух внутренних зародышевых слоев.

В экспериментах, в которых применялся только сигнал активина, скопление эмбриональных клеток продолжало делиться, производя новые стволовые клетки вместо дифференцировки. Ученые повторили эксперименты на клетках, которые ранее подвергались воздействию сигнальных белков Wnt, и в них клетки вели себя обычным образом, специализируясь и формируя два внутренних зародышевых слоя. Это говорит о том, что клетки каким-то образом запомнили сигнал Wnt[238]238
  Клетки каким-то образом запомнили сигнал WNT: Yoney, A., Etoc, F., Brivanlou, A. H., et al. (2018). «WNT signaling memory is required for ACTIVIN to function as a morphogen in human gastruloids.» eLife, 7, e38279.


[Закрыть] и эта память изменила то, как они реагировали на активин. Следующий шаг – понять, как клетки хранят память о сигнале Wnt.

Как мы уже видели при изучении иммунной системы, нейронные сети не обладают монополией[239]239
  Нейронные сети не обладают монополией: Blackiston, D. J., Silva, Casey E., and Weiss, M. R. (2008) «Retention of memory through metamorphosis: can a moth remember what it learned as a caterpillar?» PLoS One, 3(3), e1736.


[Закрыть] на такие функции, как вычитание, сложение, контроль, насыщение, усиление, умножение и установление порога. Отдельные соматические клетки способны выполнять одни и те же или очень похожие функции. Кроме того, нейроподобные вычисления, принятие решений и память наблюдались в широком спектре систем, выходящих далеко за рамки традиционной ЦНС, включая сперму[240]240
  Сперма: Alvarez, L., Friedrich, B. M., Gompper, G. and Kaupp, U. B. (2014). «The computational sperm cell.» Trends in Cell Biology, 24, 198–207.


[Закрыть], амебы[241]241
  Амебы: Zhu, L., Aono, M., Kim, S.-J. and Hara, M. (2013). «Amoeba-based computing for traveling salesman problem: Long-term correlations between spatially separated individual cells of Physarum polycephalum.» BioSystems, 112, 1-10.


[Закрыть], дрожжи[242]242
  Дрожжи: Caudron, F. and Barral, Y. (2013). «A super-assembly of Whi3 encodes memory of deceptive encounters by single cells during yeast courtship.» Cell, 155, 1244–1257.


[Закрыть], растения[243]243
  Растения: Grémiaux, A., Yokawa, K., Mancuso, S. and Baluška, F. (2014). «Plant anesthesia supports similarities between animals and plants: Claude Bernard’s forgotten studies». Plant Signaling and Behavior, 9, e27886.


[Закрыть], кости[244]244
  Кости: Turner, C. H., Robling, A. G., Duncan, R. L., and Burr, D. B. (2002). «Do bone cells behave like a neuronal network?» Calcified Tissue International, 70, 435–442.


[Закрыть] и сердце[245]245
  Сердце: Zoghi, M. (2004). «Cardiac memory: Do the heart and the brain remember the same?» Journal of Interventional Cardiac Electrophysiology, 11, 177–182.


[Закрыть]. Обо всем этом мы узнаем в следующих главах.

Все основные механизмы, с помощью которых функционируют нервы, – ионные каналы, нейромедиаторы и электрические сигналы – существуют в соматических клетках. Интересная работа о биоэлектричестве в соматических клетках[246]246
  Биоэлектричестве в соматических клетках: McCaig, C. D., Rajnicek, A. M., Song, B., and Zhao, M. (2005). «Controlling cell behavior electrically: Current views and future potential.» Physiological Reviews, 85(3), 943–978; Chakravarthy, S. V. and Ghosh, J. (1997). «On Hebbian-like adaptation in heart muscle: a proposal for ‘cardiac memory’.» Biological Cybernetics, 76(3), 207–215; Inoue, J. (2008). «A simple Hopfield-like cellular network model of plant intelligence.» Progress in Brain Research, 168, 169-См. также: Allen, K., Fuchs, E. C., Jaschonek, H., Bannerman, D. M., and Monyer, H. (2011). «Gap Junctions between Interneurons Are Required for Normal Spatial Coding in the Hippocampus and Short-Term Spatial Memory.» Journal of Neuroscience, 31(17), 6542–6552; Bissiere, S., Zelikowsky, M., Fanselow, M. S., et al. (2011) «Electrical synapses control hippocampal contributions to fear learning and memory.» Science, 331(6013), 87–91; Wu, C. L., Shih, M. F., Chiang, A. S., et al. (2011). «Heterotypic Gap Junctions between Two Neurons in the Drosophila Brain Are Critical for Memory.» Current Biology, 21(10), 848–854; Tseng, A. and Levin, M. (2013). «Cracking the bioelectric code: Probing endogenous ionic controls of pattern formation.» Communicative & Integrative Biology, 6(1), 1–8.


[Закрыть] привела Майкла Левина, профессора биологии из Тафтского университета, к предположению, что память может быть распределена по всему телу[247]247
  Память может быть распределена по всему телу: Levin, Mike (2013). «Remembrance of Brains Past.» The Node. http://thenode.biologists.com/remembrance-of-brains-past/research/.


[Закрыть] с помощью соматических клеток, биоэлектрически взаимодействующих друг с другом через щелевые соединения (синапсы), образуя таким образом сеть, подобную нейронным сетям, способным кодировать информацию и направлять клеточную активность.

Если пойти еще дальше, то долгое время считалось, что мозг управляет всеми аспектами сна, однако новое исследование Джозефа С. Такахаши, заведующего кафедрой неврологии Юго-Западного медицинского центра Техасского университета, доказало, что это предположение неверно. Его исследования были сосредоточены на белке циркадных ритмов, обнаруженном в мышцах мышей, – BMALОн выяснил, что мыши с более высоким уровнем BMAL1 в мышцах восстанавливаются после лишения сна быстрее, чем контрольная группа. Не менее показательно и то, что удаление BMAL1 из мышечной ткани серьезно нарушило нормальный сон и привело к снижению способности к восстановлению. «Это открытие совершенно неожиданно меняет наше представление о том, как контролируется сон[248]248
  «Наше представление о том, как контролируется сон»: Ehlen, J. C., Brager, A. J., Joseph S., Takahashi, J., et al. (2017). «Bmal1 function in skeletal muscle regulates sleep.» eLife, 6, e26557.


[Закрыть]», – сказал Такахаши. Демонстрируя, что содержащиеся в мышцах белки могут достигать мозга и таким образом влиять на сон, это исследование приводит к еще одному убедительному доказательству тесного взаимодействия клеток всего организма. Другими словами, мозг не управляет организмом в одиночку.

ДНК – наш личный iCloud

Генетические исследования показывают, что химические реакции в первичном бульоне создавали сложные молекулы РНК, из которых эволюционировали вирусы[249]249
  Гипотеза мира РНК – это хоть и наиболее удачная, но не единственная гипотеза, объясняющая появление жизни. И говорит она не столько о вирусах, сколько о вкладе РНК в формирование жизни. Были ли при этом вирусы первыми структурами – вопрос открытый.


[Закрыть]. Вирусы были не только вероятными предшественниками первых клеток, но и основным фактором их эволюции[250]250
  Основным фактором их эволюции: Moelling, Karin (2012). «Are viruses our oldest ancestors?» EMBO Reports, 13(12), 1033.


[Закрыть]. Мы вглядываемся в прошлое, в момент зарождения человечества, но можем применить ту же технику и к более насущным вопросам. Я имею в виду рост числа тестов ДНК непосредственно для потребителей.