Мир клеток невидим невооруженным глазом. Он оставался полностью неизведанным до середины XVII столетия, пока люди с пытливым умом и искусными руками не научились шлифовать линзы и использовать их для расширения возможностей зрения. Одним из первых создателей микроскопа был англичанин Роберт Гук — физик, метеоролог, биолог, инженер, архитектор, один из самых замечательных представителей своего времени. В 1665 г. он опубликовал прекрасный альбом рисунков под названием «Микрография», изображающих его наблюдения под микроскопом. Среди них был и тонкий срез пробковой ткани дерева, структура которого напоминала соты, четкое и правильное расположение «микроскопических пор», или «клеток». Гук использовал слово «клетки» в его подлинном смысле, имея в виду маленькие камеры наподобие помещений, в которых сидят заключенные, или монашеских келий. Это слово закрепилось в науке, но теперь оно означает не мелкие дырочки, которые видел Гук в мертвой коре дерева, а «зернышки» вещества, заполняющего поры живого дерева.

К тому времени, когда микроскописты трудились над усовершенствованием своих приборов, относится второй этап изучения клетки — начало ему положили открытия таких ученых, как француз Антуан де Лавуазье, англичанин Джозеф Пристли и другие; в конце XVIII в. они создали новую науку — химию. В отличие от морфологии, которая развивается от сложного к простому, химия продвигается от простого к сложному. Начиналась химия с идентификации элементов, атомов и затем про-двигалась по пути изучения некоторых их более простых комбинаций молекул. Исторической вехой проникновения химии в живой мир является впервые проведенный немецким ученым Фридрихом Вёлером в 1828 г. синтез биологической молекулы — мочевины. Это позволило пересечь границу между неорганической и органической химией, которая, по мнению многих, могла быть преодолена только с помощью «жизненной силы».
Следующие сто лет отмечены значительными успехами в наших представлениях о химическом составе живых клеток. Были открыты, очищены, структурно изучены и получены синтетическим путем аминокислоты, сахара, жиры, пурины, пиримиднны и другие небольшие существующие в природе молекулы. Ученым удалось в известной мере составить представление о метаболизме этих веществ в организме и путях образования из них основных биологических молекул: белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот. Но тут опять возникли труднопреодолимые препятствия на пути к прогрессу. Перед сложностями структурной комплексности, обнаруженными в этих крупных молекулах, классическая химия оказалась почти бессильной.

В течение длительного времени клетки изучали в основном путем наблюдения за ними. Но по мере развития экспериментального метода в естественных науках к нему начали прибегать и при исследовании живых организмов. Это в значительной степени облегчалось мощным взрывом биомедицинских изысканий, проводимых во второй половине прошлого столетия. Физиология, фармакология, генетика, бактериология, иммунология, экспериментальная эмбриология, сравнительная и эволюционная биология — все эти науки во многом помогли проникнуть в мир живой клетки и лучше узнать его. Наиболее важное событие, относящееся к началу нашего века, связано с именами американца Росса Гаррисона и француза Алексиса Карреля, которые установили, что клетки животных можно культивировать в пробирке наподобие одноклеточных организмов. Тем самым они продемонстрировали способность клеток к независимой жизни и создали метод культивирования, который и по сей день оказывает значительную помощь исследователям.
Вместе с тем эти достижения, по сути революционные, по-прежнему были основаны на методах, которые волей-неволей оставались непрямыми, а клетки продолжали существовать сами по себе, будучи практически закрытыми «черными ящиками». Вот почему, несмотря на значительный прогресс во всех областях науки, все еще существовала неисследованная область между наименьшей различимой в световом микроскопе частицей и наиболее крупной молекулой, доступной химическому исследованию. На карте знаний о живой клетке эта область охватывала (широкое пространство, превышающее два порядка увеличения, оставаясь tегга incognitа. Ученые сознавали, что в этой таинственной, казалось бы, недоступной территории скрыты принципиально важные понятия и концепции, без знания которых жизнь клеток навсегда останется нераскрытой, но могли только с огорчением взирать на нее. Однако кое-кто из них не сдавался. Идя по стопам своих предшественников, они призвали изобретательность на помощь пытливости в надежде осуществить единственно возможное: улучшить методы исследования.

Длительные непрерывные усилия внезапно принесли желанные результаты в конце второй мировой войны; именно тогда благодаря удивительному стечению обстоятельств почти в одно и то же время ученые обогатились целым рядом новых мощных инструментов и методов исследования. В морфологии таким инструментом стал электронный микроскоп. Созданный еще в 30-е гг., он обладал достаточной разрешающей способностью, позволяющей про' никнуть в дотоле неизвестное пространство клетки вплоть до структур размером в нанометр. Вместе с тем слабая проникающая способность электронного пучка требовала приготовления очень тонких образцов материала — не более нескольких миллионных долей дюйма — и высокого вакуума. Столь жесткие требования создавали значительные технические трудности, которые многих обескуражили. Но некоторые исследователи упорствовали, воодушевленные перспективами прогресса, открывающимися при применении новой техники.

Вторым методом, радикально изменившим .химическое исследование живых клеток, явился метод изотопного мечейия. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся по атомной массе. Некоторые изотопы существуют в природе, а многие могут быть получены искусственным путем в процессе ядерных реакций. Так, помимо атома водорода 'Н с атомной массой 1, наиболее распространенного в природе, существуют тяжелый природный изотоп 2Н (дейтерий) и еще более тяжелый искусственный изотоп 3Н (тритий). Все три разновидности водорода имеют весьма схожие химические свойства: они соединяются с кислородом с образованием воды, с углеродом — с образованием углеводородов и т. д. Но они отличаются друг от друга по масс-спектрографии, которая, как явствует из самого названия, разделяет атомы в соответствии с их массой. Особенно легко выявляется тритий, так как в дополнение ко всему он радиоактивен, как и большинство изотопов, используемых для мечения.

Это событие происходило параллельно с массированным вторжением в эукариотическую клетку, но на самой границе живого мира. А началось оно с попытки проанализировать с помощью генетики особенности некоторых простых вирусов, инфицирующих бактерии и названных бактериофагами—пожирателями бактерий. Это скромное исследование оказалось верным подходом к проблеме генетической организации, которая даже у этих простейших организмов была необыкновенно сложной. Длительное время новая дисциплина, известная сегодня как молекулярная биология, ограничивалась изучением вирусов и бактерий. Но затем она буквально ворвалась во владения эукариотов и обогатила исследователей новыми тонкими методами, с помощью которых теперь изучаются самые укромные уголки клетки. Молекулярная биология также породила новый мощный метод рекомбинации ДНК, который может оказать глубокое влияние на будущее человечества.
Из нашего краткого исторического обзора следует важный вывод: решающая роль в развитии и прогрессе науки принадлежит новым приборам и методам. Это,разумеется, не означает отрицания решающей роли творческих возможностей интеллекта, интуиции, воображения, порой даже гениальности ученых на каких-то этапах. Но они пропадут втуне без средств технического прогресса, обеспечивающих контакт с реальным миром. В свое время Клод сказал: «В истории цитологии зачастую обнаруживалось, что прогресс невозможен до случайного появления новых технических средств». Много таких «случайностей» накопилось с той поры, как Роберт Гук впервые направил зеркальце микроскопа на срез пробки. Далеко идущие последствия этих «случайностей» вылились в основные открытия последних десятилетий. И хотя всегда трудно оценить в историческом аспекте эпоху, в которой ты живешь, мне кажется, что вторая половина текущего столетия запомнится людям благодаря величайшим открытиям в области человеческого знания — возможно, наиважнейшим сегодня, так как они касаются основных механизмов жизни.

Как говорят, ученые не читают книгу о Природе. Они ее пишут. Это, разумеется, не означает, что занятия наукой сродни занятию литературой. Напротив, исследователи делают все возможное, чтобы остаться верными фактам, а коллективный процесс, при помощи которого факты получают и обобщают, способствует объективности.
Однако, как ни старайся, достичь идеальной объективности невозможно. Нет такого понятия, как факт сам по себе. Существуют только регистрации и интерпретации фактов отдельными личностями. Даже простейшие наблюдения мы получаем через наши органы чувств, которые действуют как высоко избирательные, но весьма субъективные фильтры, пропускающие только некоторые ограниченные сигналы из окружающего нас мира. Мы значительно расширили возможности наших органов чувств благодаря аппаратуре, однако только за счет введения дополнительных фильтров. Линза позволяет выявить более мелкие детали, чем глаз, но не без искажения. Мы можем проникнуть еще глубже при помощи электронного микроскопа, достичь атомов методом рентгеновской дифракции.выявить субатомарные частицы, пользуясь ускорителем высокой энергии. Но получаемая при этом картина все в большей степени будет зависеть от тщательно разработанных теорий, сложных приборов и тонких манипуляций.

Прежде чем отправиться в путешествие по клетке, взглянем на ее карту, чтобы разобраться, куда следует держать путь, что нас ожидает и как лучше организовать само путешествие. Сейчас мы только назовем основные части клетки и их функции. Со временем, в ходе путешествия мы познакомимся с ними поближе.
Наиболее типичным свойством любой эукариотической клетки, известным уже ранним цитологам, было различие между находящимся в центральной части клетки ядром и окружающей его цитоплазмой. Эти две части соотносятся друг с другом примерно так же, как косточка вишни с ее мякотью (слово «ядро» произошло от латинского пис1еиз — орех). Подобно вишне, клетка покрыта кожицей, или мембраной — плазмалеммой или плазматической мембраной.
Ядро — это хранилище генетической информации клетки, размещенной в химически закодированном виде в определенных единицах -(структурах), хромосомах. Как правило, они настолько тесно переплетены, что кажется, будто они образуют, единую массу — хроматин, неравномерно разделенный на более плотные (гетерохроматин) и менее плотные (эухроматин) участки. В хроматине имеются одна или несколько структур специального назначения — ядрышки. Вся эта масса полностью заключена в мембрану и пропитана жидкостью — нуклеоплазмой.

Начнем с кровеносного сосуда и приблизимся к клетке настолько, чтобы можно было увидеть некоторые, внеклеточные структуры. Постепенно приближаясь к клетке, внимательно изучим ее поверхность и перейдем к изучению вакуома, проникнув в него при помощи эндоцитоза и выйдя из него при помощи экзоцитоза. Во время пребывания в вакуоме воспользуемся местной системой массовых перевозок, чтобы побывать во всех частях этого комплекса. Мы сможем не только непосредственно наблюдать за ходом внутриклеточных перевозок, но и участвовать в процессах внутриклеточных перемещений и изменений веществ, которые либо импортируются в клетку, либо синтезируются в ней для экспорта. В этой части нашего путешествия мы сможем также познакомиться с основными составными компонентами клетки: белками, полисахаридами и липидами, а также с некоторыми создаваемыми из них структурами.

Второй маршрут позволит нам направиться прямо в цитозоль, из которого мы последовательно посетим все основные органеллы, связанные с ним. Это даст нам возможность поближе познакомиться с метаболизмом и основными принципами, управляющими преобразованием энергии и биосинтезом. К тому времени, когда мы достигнем рибосом, мы сможем познакомиться с передачей биологической информации и переносящими ее молекулами, т. е. с нуклеиновыми кислотами.