Наследие микробов: митохондриальные заболевания - раздел История, Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней
Митохондрии Есть В Каждой Клетке Нашего Тела, И Везде Они Вып...
Митохондрии есть в каждой клетке нашего тела, и везде они выполняют ряд важнейших функций. Самая известная из этих их функций состоит в том, чтобы из кислорода и сахаров получать энергию в том виде, в котором ее используют наши клетки. Другие функции митохондрий включают разложение токсинов у нас в печени и регулировку различных процессов, проходящих в наших клетках. Мы осознаем присутствие митохондрий лишь тогда, когда что‑то в их работе разлаживается. К сожалению, заболевания, вызываемые неполадками в работе митохондрий, составляют длинный и сложный список. Когда нарушаются химические реакции, за счет которых наши клетки усваивают кислород, нарушается и обеспечиваемое этими реакциями производство энергии. Такого рода нарушения могут затрагивать лишь отдельные ткани, например глаза, а могут и все структуры организма. В зависимости от местоположения и серьезности нарушения оно может иметь разные последствия – от общей слабости до летального исхода.
Многие из процессов, которые обеспечивают нашу жизнедеятельность, отражают историю происхождения наших митохондрий. Цепь химических реакций, в ходе которых из Сахаров и кислорода получаются вода и углекислый газ и выделяется энергия в пригодном для использования виде, развилась миллиарды лет назад, и разные ее варианты по‑прежнему можно наблюдать у разных микробов. Митохондрии несут в себе наследие этого бактериального прошлого. Генетический аппарат и клеточная микроструктура митохондрий напоминают бактериальные. Согласно теории, которая в последнее время получила всеобщее признание, митохондрии развились из свободноживущих микробов – бактерий, живших более миллиарда лет назад. При этом вся система генерации энергии, имеющаяся у наших митохондрий, возникла еще у их далеких предков – древних бактерий.
Изучение нашего бактериального наследия помогает разобраться в митохондриальных заболеваниях человека. Более того, наилучшими экспериментальными моделями для изучения многих таких заболеваний служат именно бактерии. Использование в качестве модельных объектов свободноживущих бактерий дает возможность проводить множество экспериментов, которые были бы неосуществимы на материале человеческих клеток. Одно из самых продуктивных исследований такого рода было проведено недавно группой ученых из Италии и Германии. Заболевание, которое они изучали, неизменно приводит к смерти рождающихся с этим недугом младенцев. Это заболевание называют кардиоэнцефаломиопатией. Оно возникает в результате генетической мутации в митохондриях, которая нарушает нормальный обмен веществ в этих структурах. Изучая ДНК одного из пациентов, страдающих этим заболеванием, исследователи выявили мутантный участок, в котором они подозревали причину заболевания. Вооруженные знаниями об истории живых организмов, они затем обратились к микробу Paracoccus denitrificans , который нередко называют свободноживущей митохондрией – за сходство его генов и обмена веществ с митохондриальными. Проведенные затем эксперименты наглядно показали, насколько велико это сходство. Исследователи искусственно произвели в гене этой бактерии ту же мутацию, которую они выявили в соответствующем гене человеческой митохондрии. Полученный результат был вполне предсказуем, если знать, откуда произошли наши митохондрии. Митохондриальное заболевание человека удалось воспроизвести у мутантных бактерий, которые оказались подвержены тем же изменениям обмена веществ, что свойственны митохондриям пациентов. Изучению этой болезни помогли знания о событиях нашей истории, которые произошли более миллиарда лет назад!
Это далеко не единственный пример успешных исследований такого рода. Исходя из того, за какие открытия в последние тринадцать лет присуждали Нобелевские премии по физиологии и медицине, я мог бы озаглавить эту книгу «Внутренняя муха», «Внутренний червь», или даже «Внутренние дрожжи». Премию 1995 года присудили за новаторские исследования плодовых мух, в ходе которых был выявлен набор генов, определяющих план строения тела у людей и других животных. Нобелевки по физиологии и медицине 2002 и 2006 годов достались людям, которые сделали возможными ряд важнейших достижений генетики и медицины, изучая непримечательного на первый взгляд почвенного червя Caenorhabditis elegans (ценорабдитис изящная). Премией 2001 года были, в свою очередь, отмечены не менее изящные опыты на дрожжах (в том числе обычных пекарских) и морских ежах, позволившие открыть ряд фундаментальных свойств живых клеток. И все это – не какие‑то абстрактные эксперименты на странных существах. Подобные исследования дрожжей, мух, червей – и, конечно, рыб – многое говорят нам о том, как работают наши собственные тела, какие причины вызывают у нас болезни и какие новые методы мы можем использовать для продления нашей жизни и улучшения нашего здоровья.
Все темы данного раздела:
Добываем ископаемые – видим самих себя
Впервые я увидел одну из тех рыб, что сохранились внутри нас, снежным июльским днем, исследуя породы возрастом 375 миллионов лет на острове Элсмир, около 80° северной широты. Вместе
Обратимся к рыбам
Во времена Оуэна и Дарвина пропасть между плавниками рыб и конечностями наземных позвоночных казалась почти непреодолимой. Между этими органами нет никакого очевидного сходства. Сна
Открытие пальцев и запястий рыб
Как‑то раз в 1995 году мы с Тедом Дешлером вернулись домой в Филадельфию, после того как проехали по всей центральной Пенсильвании в поисках новых дорожно‑строительных р
Создавая руки
Наши конечности трехмерны – у них есть верх и низ, сторона мизинца и сторона большого пальца, основание и конец. Кости на конце конечности – в пальцах – отличаются от костей внутри
Рецепт на ДНК
Эту работу выполняло уже новое поколение ученых. До девяностых годов прошлого века, когда стали доступны новые молекулярные технологии, ученым не удавалось выяснить, какие гены упра
Дадим акуле руку
Рэнди Дан пришел в мою лабораторию с простой, но довольно изящной идеей: обработать эмбрионы скатов так же, как Кпифф Тейбин обрабатывал куриные яйца. Замысел Рэнди состоял в том, ч
Зубы и кости – что крепче?
Практически само собой разумеется, что зубы выделяются из других органов своей исключительной твердостью. Зубы должны быть крепче, чем кусочки пищи, которые с их помощью перемалываю
Зубы, железы и перья
Появление зубов не только знаменовало собой начало нового способа существования, но и открывало новый путь для развития органов. Зубы развиваются за счет взаимодействия двух слоев т
Беспорядок в головах
Анатомия головы не только сложна, но и труднодоступна для изучения, потому что ее ткани, в отличие от других частей нашего тела, заключены в костяную коробку черепа. Чтобы увидеть н
Суть в эмбрионах
В самом начале головы ни у кого из нас нет. Новый организм возникает, когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются, образуя новую клетку – оплодотворенную яйцеклетку (зиготу). В течени
Внутренняя акула
Есть немало анекдотов про адвокатов, суть которых в том, что адвокаты – это особо ненасытная разновидность акул. Когда я преподавал эмбриологию, был популярен один из таких анекдото
Гены жаберных дуг
В течение первых нескольких недель после зачатия в клетках жаберных дуг зародыша и во всех тканях, из которых впоследствии образуется наш мозг, последовательно включаются и выключаю
Идем по головам: от безголовых морских чудищ до наших головастых предков
Но почему мы так подробно останавливаемся на лягушках и акулах? Почему не сравниваем строение нашей головы со строением других животных, например насекомых или червей? Но стоит ли э
Общий план: сравним эмбрионы
Я поступил в магистратуру, собираясь изучать ископаемых млекопитающих, а через три года уже работал над диссертацией, посвященной рыбам и амфибиям. Я сбился с пути истинного, если м
Эксперименты с эмбрионами
Вначале XX века биологи задались фундаментальными вопросами о строении и развитии организмов. Где именно в эмбрионах хранится информация о пути их развития? Содержится ли она в кажд
О мухах и людях
Карл Бэр следил за развитием эмбрионов, сравнивал один вид с другим и выявлял фундаментальные черты строения живых организмов. Мангольд и Шпеман, чтобы узнать, как из тканей эмбрион
ДНК и организатор
В то время, когда Шпеману была присуждена Нобелевская премия, вокруг организатора был большой ажиотаж. Ученые искали загадочное вещество, действие которого могло бы определять в про
Внутренняя актиния
Одно дело – сравнивать наши тела с телами лягушек и рыб. Между нами есть немало черт вполне заметного сходства: у нас у всех есть позвоночник, конечности, голова и так далее. Но что
Поиск доказательств: где тело?
Далеко не каждый комок клеток заслуживает почетного звания тела. Бактериальный мат или группа клеток кожи – нечто совсем иное, чем объединение клеток, которое мы называем телом мног
В поисках тела
Мысль, которая не позволяет всем нам – червям, рыбам и людям – слишком возгордиться: большая часть истории жизни была историей одноклеточных организмов. Почти все, о чем мы говорили
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
Бодибилдинг для капель
Что общего между телом профессора и каплей? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим самых примитивных животных, обитающих сегодня на нашей планете.
Одно из них не
Молекулы – светоуловители
Самое главное для работы клеток‑светоуловителей – это процессы, происходящие в молекулах определенного вещества, которые, собственно, и улавливают свет. Когда свет попадает на
Среднее ухо – три слуховые косточки
Млекопитающие – существа особенные. Волосяной покров и молочные железы отличают нас, млекопитающих, от всех других живых организмов. Но многие, пожалуй, удивятся, если узнают, что с
Внутреннее ухо – движение желе и колебание волосков
Представьте себе, что мы заходим в слуховой проход, проходим сквозь барабанную перепонку, мимо трех косточек среднего уха и оказываемся глубоко внутри черепа. Здесь расположено внут
Медузы и происхождение глаз и ушей
Подобно ответственному за развитие глаз гену Pax 6, который мы уже обсуждали, Pax 2 , в свою очередь, – один из главных генов, необходимых для развития ушей. Примечате
Внутренний зоопарк
Я впервые приобщился к миру науки в 1980 году еще студентом колледжа, решив подработать волонтером в Американском музее естественной истории в Нью‑Йорке. Это была для меня зам
Еще одна прогулка по зоопарку – на сей раз подольше
Как мы с вами уже убедились, наши тела устроены далеко не случайно. Здесь я использую слово «случайно» в особом значении: я имею в виду, что строение нашего тела далеко не случайным
Как история нас достает
Однажды моя коленка раздулась до размеров грейпфрута, и одному из моих коллег из отделения хирургии пришлось долго мять и сгибать ее, чтобы понять, растяжение ли это, или разрыв одн
Наследие охотников и собирателей: ожирение, сердечные заболевания и геморрой
Наши далекие предки‑рыбы активно охотились в древних океанах и реках. Предки чуть менее дальние, амфибии, рептилии и млекопитающие, тоже были активными хищниками и добывали ра
Наследие приматов: речь достается недешево
Способность разговаривать досталась нам дорогой ценой. За эту способность мы расплачиваемся риском умереть от остановки дыхания во время сна или подавившись какой‑нибудь пищей
Наследие рыб и головастиков: икота
Икота – неприятность, восходящая корнями к истории, роднящей нас с рыбами и головастиками.
Если что‑то и может нас в связи с этим утешить, так это то, что наше несчас
Наследие акул: грыжи
Наша предрасположенность к грыжам, по крайней мере к тем из них, что возникают в области паха, вызвана тем, что наш организм представляет собой бывшее рыбье тело, превращенное в тел
Послесловие
У меня растут двое детей, и в последние годы я немало времени провожу с ними в музеях, зоопарках и океанариумах. Для меня это необычный опыт – приходить туда в качестве посетителя,
Интернет‑ресурсы
Дополнительные сведения по обсуждаемым в этой книге вопросам можно также найти на следующих сайтах, заслуживающих доверия и регулярно обновляющихся.
http://www.ucmp.berkele
Благодарности
Все иллюстрации, кроме отмеченных особо, выполнила Капи (Каллиопи) Монойос (www.kalliopimonoyios.com). Капи читала черновые варианты рукописи этой книги и не только помогла улучшить
Комментарии
О том, как результаты палеонтологических экспедиций позволяют судить о важнейших вопросах биологии и геологии, см.: М. Novacek, Dinosaurs of the Flaming Cliff
Новости и инфо для студентов