Против методологического принуждения!
Рецензия на книгу Гильберта Линга
«Физическая теория живой клетки (незамеченная революция)»,
Санкт-Петербург, «Наука», 2008.
Перевод на русский язык монографии Г. Линга (Life at the сеll and below-cell level, the hiddеn history of fundamental revolution in biology, Pacific Press, NY, 2001), осуществленный недавно издательством «Наука», является знаменательным событием по ряду соображений. Во-первых, эта книга для автора является в определенном смысле итоговой — в ней в завершенном виде представлена критика некоторых распространенных физических концепций, которые автор считает устаревшими или несостоятельными. Во-вторых, в процессе перевода авторского издания 2001 года текст был существенно дополнен последними данными автора и его коллег, так что фактически оказалась опубликованной еще одна оригинальная книга автора, которая не имеет англоязычного оригинала. B этом издании нашло свое выражение современное авторское изложение концепции Г. Линга, выросшей из его предыдyщих (более частных) теорий, — так называемая теория ассоциации- индукции. Наконец, в-третьих, неожиданным образом автор находит среди своих единомышленников ряд отечественных исследователей, имена которых в настоящее время известны современным ученым (по крайней мере, молодым) в гораздо большей степени, чем их вклад в науку или суть теорий, развитию которых они посвятили свою научную карьеру — Д.Н. Насонова, A.C. Трошина и их последователей.
Теория ассоциации-индукции выросла из ранней концепции фиксированных зарядов (1951-1962), дополненной позже представлениями о структурированном состоянии внутриклеточной воды (1965-1984). Линг является автором большого количества англоязычных монографий, и настоящее издание ценно для русскоязычного читателя тем, что позволяет познакомиться с оригинальной позицией автора о роли клеточной мембраны в жизни клетки и об участии цитоплазмы в этом процессе.
Коротко говоря, теория ассоциации-индукции заключается в стремлении автора перенести «центр тяжести» в понимании жизненных функций клетки с клеточной мембраны на цитоплазму, рассматривая изменение электронной плотности в макромолекулах, вызываемое внешними сигналами, как основной механизм регуляции клеточных функций. Эти представления опираются на тесную взаимосвязь в цитоплазме клетки трех основных «игроков» — белков, структурированной воды и неорганических ионов.
Чтобы вникнуть в суть этих представлений автора, конечно, надо прочитать саму книгу, но я не уверен, что она будет полезна тем, кому автор ее адресует (в предисловии Г. Линг говорит, что она предназначена для преподавателей биологии в школах и институтах, а также... для исследователей, как начинающих, так и опытных, которые удручены постоянным наблюдением явлений, не укладывающихся в заученные каноны). Я полагаю, что особенную пользу эта книга принесет тем читателям, которые встретят ее с тем же внимательным критицизмом, который использует автор для ревизии современных классических теорий.
В настоящей краткой рецензии я только выскажу несколько соображений, которые, на мой взгляд, обратят внимание на рецензируемое издание даже в большей степени, чем если бы я выражал полное согласие с точкой зрения автора.
Во-первых, Г Линг полагает, что классическая мембранная теория, даже модифицированная внесением идеи мембранных ионных насосов (автор почему-то называет их гипотетическими), отжила свое и должна быть ЗАМЕНЕНА представлениями o главенстве цитоплазмы в создании тех свойств клетки, которые определяются неравновесным распределением ионов. Но зачем нам возвращаться во времена Д.H. Насонова, который в полемическом азарте вообще не признавал никакой роли (да едва ли и существования!) клеточной мембраны — тот период отличается от нашего времени накоплением нового фактического материала, который (что естественно) и противоречив, и не позволяет дать полного описания картины возбудимости. Истина, как кажется, будет в руках тех исследователей, которые учтут вклад в процессы возбудимости и цитоплазмы, и клеточной мембраны, особенно ее липидной компоненты, которая также вносит вклад в создание ионной асимметрии.
Во-вторых, относительно ионных насосов, в частности Na/K-насоса, ни у когорты современных исследователей, ни у Нобелевского комитета (не подозревающего, в каком «неловком положении они оказались, присудив Нобелевскую премию первооткрывателю этой молекулярной машины Йенсу Скоу» — см. с. 130), не должно быть никаких сомнений — эти насосы не гипотетичны, как полагает автор (с. 266), а вполне реальны. Они изолированы и реконструированы в липосомы, и с помощью изящных экспериментов Беатрис Аннер еще в 70-e гг. прошлого века продемонстрировала, что они способны, гидролизуя АТР, переносить ионы натрия и калия через мембрану против ионного градиента. И этот процесс подавляется уабаином, который является высоко специфичным ингибитором Na/K-ATPазы (Кi около 10-7 M). Других сенсоров уабаина (белковых или липидных) в клетках животных до сих пор не обнаружено. Что же тут удивляться, когда именно такая (столь ничтожная, по выражению автора — стр. 290) концентрация при 72-часовой инкубации может оказать влияние на перераспределение ионов натрия и калия между средой и живой тканью? Однако автор предлагает другое объяснение, в котором ведущую роль в связывании калия играют карбоксильные группы белков цитоплазмы, а действие уабаина направлено на десенситизацию цитоплазматических белков (с. 292). Расчет показывает, что одна молекула уабаина должна вызвать изменение селективности к калию более, чем 1000 карбоксильных групп белка. Является ли это объяснение более приемлемым?
И в третьих, надо отметить, что часто в полемическом запале автор стучится в открытую дверь. Конечно, для доходчивости изложения многие преподаватели говорят студентам, что, исходя из концентрации содержащихся в цитоплазме неорганических ионов, клетки представляют собой довольно «разбавленные растворы». Но уже давно за этой формулой не стоит представление о том, что цитоплазма не структурирована и что скорость перемещения ионов в цитоплазме такая же, как и в простых водных растворах. Понятие о структурированной воде в клетке — не просто принятая концепция, а признанный наукой постулат. То же самое относится и к понятию о «макроэргичности АТР». Хотя величина энергии терминального фосфата в этой молекуле сильно варьирует в зависимости от условий и в разных компартментах клетки может быть существенно различной, в современной биоэнергетике ее основная функция остается связанной с энергетическим обеспечением существенных проявлений жизни, хотя представления о механизмах передачи энергии с участием АТР существенно изменились. Об этом можно узнать подробнее в трудах исследователей, развивающих представление о мембранных преобразователях энергии молекулярных машинах (например, у Л.A. Блюменфельда).
Вообще, полемический стиль изложения делает книгу особенно ценной и интересной для чтения — она дает пищу и для размышлений, и для сопоставлений, и для вопросов. Выискивая уязвимые точки в современных (иногда, общепринятых) теориях, автор сам допускает высказывания, которые также могут вызывать возражения. И это является существенным стимулом для дальнейшего развития науки, которое продолжается и в котором мы все безусловно заинтересованы.
Единственным недостатком книги я считаю злоупотребление сокращениями и трудновоспринимаемыми терминами (например, термин «кардинальный адсорбат»!).
Текст содержит 15 глав, систематизирующих критические представления автора о существующих теориях, описывающих живую клетку с точки зрения физической химии, а также 16-ю главу, носящую название «Итоги» и содержащую описание модельных экспериментов автора и его учеников, ставших основой для создания авторской концепции, и саму эту концепцию.
Заканчивается книга эпилогом. B нем автор сравнивает работу ученого с разгадыванием кроссворда, у которого может быть только один ответ — правильный. Он отмечает, что все революционные преобразования в науке связаны с отказом от груза ошибок прошлых, устаревших теорий, со сменой парадигмы. Но это и так, и не так! Куда деваются «старые факты», накопленные с помощью «устаревших теорий»? — Они встраиваются в новые теории, получая более глубокое объяснение. Думается, что смена научной парадигмы не должна лишать науку ценностей прошлых научных откровений. Зачастую у загадок Природы, в отличие от кроссворда, имеется несколько равноценных разгадок, часто различные теории не враждуют, а сосуществуют друг с другом (как в приводимом по другому поводу авторском примере о волновой и корпускулярной природе электромагнитного излучения).
Линг обращает внимание на кардинальные недостатки современной науки — финансирование на основе грантов, выдаваемых с помощью «экспертных оценок», фрагментация исследований, приводящая к утрате целостного взгляда на проблему, поощряемое преобладание факта над размышлением. Сможем ли мы выработать более совершенные критерии? Современная наука требует затрат не только времени и жизни исследователя, но и огромного финансирования, зачастую недоступного государству и привлекаемого частными фондами. Одновременно, она отнюдь не гарантирует практического успеха...
Тем не менее, в отличие от цитируемого автором Д. Хоргана c его книгой «Конец науки», мы согласимся с Лингом в том, что «предел науки — бесконечность».
Комментарий научного редактора издания
Прежде всего, я хочу выразить благодарность рецензенту за использование самого вольного жанра научной литературы (рецензии) в мирных целях — для привлечения читательского внимания к книге. Позволю себе несколько замечаний.
Вопреки мнению рецензента, во времена Д.Н. Насонова нам вернуться надо бы, но не для того, чтобы узнать, что Д.Н. Насонов не признавал роль мембран, а для того, чтобы понять, почему он это делал. Действительно, Д.Н. Насонов отрицал существование мембраны как структуры, пока ему не прислали из Англии электронные микрофотографии плазматической мембраны с трехслойным строением (теперь уже классическим). Можно не сомневаться, что это явилось для него ударом. Но в истории науки часто случается, что «убойное» доказательство вдруг превращается в рядовое явление, все еще ждущее своего объяснения. Так произошло и в этом случае. Только спустя 20 лет были получены точно такие же снимки «мембран» микросфер Фокса, состоявших, как известно, только из полипептидов. Получается, что липидов нет, а мембрана есть. Стало ясно: чтобы увидеть внутренний «липидный» слой трехслойной мембраны, липиды не нужны. Но если нет липидов, то как быть с барьерной функцией, которую они осуществляют, согласно общепринятому представлению?
Мы забываем о том, что поверхностно-активные свойства белков хорошо известны. И в их молекулах есть гидрофильные, и гидрофобные группы. Они и без липидов способны формировать упорядоченные структуры на поверхности раздела фаз (актомиозиновые нити Хаяши тому пример). Кроме того, доказано, что гидрофобные области белков ничем не отличаются от гидрофобной фазы липидов в физическом отношении. Тем не менее, чисто белковые мембраны почему-то не укладываются в головах мембранологов. Им обязательно нужны липиды. Почему? Ведь при чисто белковом подходе удалось бы, наконец, понять, почему есть мембраны с очень высоким содержанием липидов, и мембраны, в которых липиды — примесь. Дарю идею любознательным: чисто белковая мембрана с классическим «липидным» строением.
Теперь о функциях мембран. Проклятием общепринятых представлений были и будут данные Д.Н. Насонова, А.С. Трошина и Г. Линга по распределению веществ между клеткой и средой в условиях диффузионного равновесия. Зависимость этого распределения от концентрации вещества в среде одинакова для (1) клеток, (2) коацерватов и (3) диализных мешков с растворами полимеров. Но если между коацерватами и клетками нет принципиальных различий, то спрашивается, зачем нужны насосы и каналы клетке, если модельные системы обходятся без них?
Для понимания такого рода распределений вполне достаточно двух явлений: сорбции (или ее отсутствие) веществ на внутриклеточных структурах и наличие в клетке связанной воды, которая является плохим растворителем по сравнению с водой объемной. Именно этими явлениями объясняется накопление в клетке ионов калия, а не работой насоса. Поэтому, если говорить точнее, Линг и его предшественники говорили не о том, что мембран нет, а о том, что они не выполняют тех функций, которые им приписывают. Чтобы опровергнуть Линга, нужно всего лишь иначе объяснить поразительное сходство между живыми клетками и модельными системами в распределении веществ в условиях диффузионного равновесия.
Молекулярная машина Скоу — существенное препятствие на пути к признанию теории Линга. Но и здесь назрела интересная интрига. Все встраивают в липосомы только Na/K-ATPазу. Это понятно — так велит теория. Встраивать что-то другое бессмысленно. Но с точки зрения теории Линга — смысл есть. Согласно цитоплазматической теории (точнее – фазовой), любая ATPаза, встроенная в липосому, даст тот же результат, что и Na/K-ATPаза. Проверьте, это важно! Дарю любознательным и эту идею.
В формулу «цитоплазма — разбавленный раствор ионов калия, натрия и хлора» каждый из нас может, конечно, вкладывать свое собственное содержание, но вопрос вовсе не в личных предпочтениях. Современная электрофизиология, в основе которой лежат известные работы Ходжкина и Хаксли, не мыслит своего существования без свободы этих ионов во внутриклеточной среде. Но если эти ионы связаны, то тогда для расчета электропотенциалов нужно использовать уравнение Линга, исходящее из связанного состояния потенциалообразующих ионов. В основе этих двух подходов (классического и линговского) лежат разные физические механизмы, а не вкусы.
Рядом с этим вопросом рецензент поставил и вопрос о состоянии внутриклеточной воды. Действительно, связывание воды полимерами, включая белки, — общее место в соответствующих разделах физической химии. Но Линг не просто констатирует это обстоятельство. Лет 50 тому назад он сделал то, чего не сделали ни физхимики, ни биофизики до сих пор — связал состояние внутриклеточной воды с фундаментальными свойствами клетки. Именно связанная вода в сочетании с сорбционными процессами делают машину Скоу излишней, надуманной и потому ненужной. Благодаря Лингу, банальности физики обернулись радикальными выводами для физиологии.
Если вернуться ко вкусам, то мне в этой рецензии не хватает другого. Рецензент предложил нашему вниманию только то из теории Линга, что общепринятые представления способны объяснить по-своему. А где то, что оно не способно объяснить? У Линга есть такие крепкие орешки. Доказывая реальность мембранных насосов, все «мучаются» с микроскопическими объектами, таким как тени эритроцитов или липосомы. А зачем, если есть перфузируемый гигантский аксон кальмара? Идеальный объект для исследования мембранных насосов! Однако то, что так легко удалось показать на микроскопических липосомах (со встроенной Na/K-ATPазой), почему-то не удалось показать на тенях аксонов, гигантских настолько, что ими впору заниматься на студенческих лабораторных практикумах. Вопросы в науке бывают важнее ответов.
Разумеется, рецензия не может быть всеохватывающей, как не может быть всеохватывающим и комментарий к ней.
Семинары, посвященные теории Линга
11 ноября 2009 г. Санкт-Петербург, Колтуши. Матвеев В.В. Физическая теория живой клетки Гильберта Линга. Дата предварительная. Справки у Соломатина Виктора Фитисовича (эл. почта: salam-vik @ yandex.ru).
