Как уже было сказано в начале этого раздела, наша задача — узнать, когда, как и почему возникли многоклеточные тела. Докембрийские ископаемые отвечают на вопрос "когда?". Чтобы узнать, как и, наконец, почему, мы должны пойти немного другим путем.
Тело как улика
По фотографиям докембрийских дисков, пальмовых листьев и лент никак нельзя понять, как много в этих организмах уже было от наших собственных тел. Казалось бы, что может быть общего у нас, так сложно устроенных людей, с какими-то отпечатками на камнях, которые больше всего похожи на помятых медуз и раздавленные катушки кинопленки?
Однако на этот вопрос есть вполне определенный и, если вдуматься, закономерный ответ: то, что соединяет вместе все наши клетки — и тем самым делает возможным существование наших тел, — мало чем отличается от того, что соединяло вместе клетки древних организмов, отпечатки которых нашли Гюрих и Спригг. Более того, строительные леса, которые позволили сформировать наши тела, возникли еще раньше, чем первые многоклеточные, — у одноклеточных организмов (простейших, которых прежде называли одноклеточными животными).
Что соединяет вместе клетки — те, из которых состоит медуза, или клетки человеческого глаза? У таких существ, как мы, этот биологический клей поразительно сложен: он не только скрепляет наши клетки, но и позволяет им взаимодействовать друг с другом, обеспечивая работу разных структур нашего тела. Этот клей не представляет собой одно какое-то вещество — он состоит из многих веществ, соединяющих клетки и заполняющих промежутки между ними. На микроскопическом уровне он придает всем нашим тканям и органам характерные для них облик, строение и функции. Наши глаза очевидно не похожи на кости наших ног, но значительная часть разницы между глазами и костями ног состоит в том, как именно в них располагаются и соединяются друг с другом клетки и межклеточные вещества.
На протяжении последних нескольких лет каждую осень я сводил с ума студентов-медиков, излагая им эти идеи. Задача, которую я ставил перед издерганными первокурсниками, состояла в том, чтобы, рассматривая препараты под микроскопом, научиться определять органы по идущим в произвольном порядке срезам их тканей. Как же это сделать?
Эта задача во многом похожа на другую: понять, в какой стране вы находитесь, глядя на карту маленькой деревни. Обе эти задачи выполнимы, но для их решения нужно принимать во внимание некоторые детали. В случае с органами это прежде всего форма клеток и характер их соединения друг с другом, а также тип вещества, лежащего между ними. Любая ткань характеризуется определенным набором клеток, определенным образом соединенных друг с другом. В одних участках организма мы видим ленты или столбики из клеток, в других клетки беспорядочно разбросаны и соединены не жестко. Участки последнего типа, где клетки не жестко соединены, нередко заполнены тем или иным материалом, который придает ткани характерные для нее физические свойства. Например, минеральные вещества, лежащие между клетками кости, делают костную ткань твердой, в то время как нетвердая белковая основа ткани, заключенной внутри наших глаз, делает глаз намного более мягким, чем кость.
Студентам, чтобы научиться определять органы по препаратам, которые они рассматривают под микроскопом, необходимо знать, как выглядят и как расположены клетки в разных тканях и что находится между ними. Для нас эти знания имеют более глубокий смысл. Те вещества, которые делают возможными те или иные объединения клеток, делают возможными и само существование наших тел. Если бы в природе не было способа соединять клетки друг с другом или между клетками не было бы никакого материала, на Земле не возникло бы многоклеточных тел, а были бы только отдельные клетки и группы клеток. Значит, чтобы разобраться в том, как и почему возникли наши тела, нам нужно для начала изучить вещества, заполняющие пространство между клетками, позволяющие соединять клетки друг с другом, а самим клеткам — взаимодействовать между собой.
Чтобы понять, какое отношение имеет характер этих веществ к устройству наших тел, давайте рассмотрим подробно одну из частей нашего тела — скелет. Наш скелет — прекрасный пример того, как крошечные молекулы межклеточных веществ могут играть определяющую роль в построении организма, а также прекрасный пример того, как работают общие принципы, лежащие в основе функционирования всех частей нашего тела. Без скелета наше тело представляло бы собой какую-то бесформенную массу. Жизнь на суше была бы для нас нелегка и даже невозможна. Скелет настолько необходим для наших жизнедеятельности и поведения, что мы нередко забываем о его значении и воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Между тем возможностью ходить, играть на фортепиано, дышать и питаться мы обязаны своему скелету.
Прекрасной аналогией, позволяющей понять, как работает скелет, может служить мост. Прочность моста зависит от размеров, формы и пропорций балок и тросов, на которых держатся его пролеты. Но, кроме того, и это особенно важно, прочность моста зависит от микроскопических особенностей материалов, из которых этот мост построен. Химический состав и атомарное строение стали определяют, насколько эта сталь прочна и как сильно она способна согнуться, прежде чем сломается. Точно также и прочность нашего скелета зависит, с одной стороны, от размеров, формы и пропорций костей, а с другой стороны — от химического состава и мельчайших особенностей строения веществ, из которых состоят наши кости.
Давайте теперь попробуем разобраться, как именно это происходит. Когда мы совершаем пробежку, наши мышцы сокращаются, позвоночник, руки и ноги движутся, а ступни отталкиваются от земли, перемещая наше тело вперед. Наши кости и суставы функционируют при этом как гигантский комплекс рычагов и блоков, которые и делают возможными все эти движения. Движения нашего тела подчиняются простым физическим законам. Наша способность бегать во многом определяется размером, формой и пропорциями нашего скелета, а также устройством наших суставов. На этом уровне наш организм представляет собой что-то вроде гигантской машины. Как и положено машине, его устройство соответствует его функциям. У чемпиона по прыжкам в высоту скелет имеет иные пропорции, чем у борца сумо. Еще сильнее отличаются друг от друга пропорции скелета конечностей лягушки, приспособленные для прыжков, и лошади, приспособленные для бега.
Теперь давайте посмотрим на микроскопическое строение. Если взять срез бедренной кости и рассмотреть его под микроскопом, мы сразу увидим, что придает костям их особые механические свойства. Клетки костной ткани расположены очень упорядоченно, особенно вблизи наружной поверхности кости. Некоторые из этих клеток соединены друг с другом, другие изолированы. Между изолированными клетками и группами клеток располагаются материалы, которые и определяют прочность кости. Один из этих материалов — минерал вроде камня, называемый гидроксиапатитом (мы уже говорили о нем в четвертой главе). Гидроксиапатит — вещество твердое в том же смысле, в каком тверд бетон: он устойчив к сжатию, но менее устойчив к сгибанию. Поэтому, точно так же, как сложенные из кирпичей или бетонных блоков дома, кости имеют строение, при котором их материал больше подвергается сжатию и меньше — сгибанию. Галилей понял это уже в XVII веке.
Еще одно вещество в промежутках между клетками кости есть самый обычный белок во всем человеческом организме. Если мы рассмотрим препарат кости под электронным микроскопом при увеличении в 10 тысяч раз, мы увидим что-то вроде канатов, сплетенных из пучков белковых волокон. Это вещество называется коллагеном, и не только строение, но и механические свойства делают его похожим на канат. Канат относительно прочен на растяжение, но легко поддается сжатию и сгибанию (представьте себе, что случится, если две команды, перетягивающие канат, побегут друг навстречу другу). Подобно канату, коллаген оказывается прочным, если его растягивать, но податливым, если сгибать.
Кости состоят из клеток, окруженных морем гидроксиапатита, коллагена и некоторых других веществ, присутствующих в меньшем количестве. Некоторые из клеток соединены друг с другом, другие целиком окружены этими материалами. Прочность кости на растяжение определяется коллагеном, а прочность на сжатие — гидроксиапатитом.
Хрящи — еще одна составляющая наших скелетов — ведут себя несколько иначе. Именно хрящи образуют те гладкие поверхности, которые позволяют соединенным костям во время пробежки скользить друг относительно друга. Безупречная работа коленного сустава, как и большинства других суставов, которыми мы пользуемся, совершая пробежку, зависит от относительной мягкости и упругости хрящевой ткани в этих суставах. Если сжать здоровый хрящ, а затем отпустить, он вновь вернется к своей первоначальной форме, подобно губке для мытья посуды. Каждый раз, когда мы во время пробежки касаемся ступней земли, вся масса нашего тела на некоторой скорости врезается в землю. Если бы кости у нас в суставах не были защищены хрящевыми колпачками, они с силой терлись бы друг о друга. Именно это происходит при некоторых формах артрита: хрящи в суставах атрофируются, и движения оказываются затруднены.
