О бессмертии популяций. Колонка в КомпьютерреOnline #9

"- Вольвокс <…> цікавить нас тому, що це він винайшов смерть. <…> Амеби ніколи не вмирають. І чоловічі статеві клітини, що досягають мети, кладуть початок новому життю, у якому батько продовжує існувати. Але вольвокс, ця рухлива, перекочувана куля водоростей, що складається з вегетативних та репродуктивних клітин, щось середнє між рослиною та твариною - під мікроскопом він кружляє, як танцюристи на різдвяному балу, - уперше здійснивши ідею співробітництва, увів життя в царство неминучої - на відміну від випадкової - смерті. Тому що - потерпіть, діти, страждати залишилося всього сім хвилин - хоча потенційно кожна клітина окремо безсмертна, але, добровільно прийнявши на себе диференційовану функцію всередині організованої співдружності клітин <…> вона зношується та гине. Вона жертвує собою заради блага всього організму."

Джон Апдайк («Кентавр»)

З легкої руки Апдайка в мемосфері поширилася байка про вольвокс, який винайшов смерть, та про безсмертні одноклітинні організми. Чи так це?

Живе собі амеба і, якщо їй пощастить уникнути загибелі, вона з часом розділиться. «Половинки» (дочірні клітини) почнуть жити самостійно, і якщо їм пощастить уникнути смерті, з часом поділяться самі. Чи відповідає ця картина нашим уявленням про безсмертя? Не дуже. По-перше, смерть підстерігає ці організми на кожному кроці. По-друге, після поділу клітини життя продовжує не вона, а її нащадки. Поділ амеби - смерть старої клітини та народження двох нових!

У багатоклітинних ситуація складніша. У типовому випадку (як у людини) запліднена яйцеклітина багаторазово ділиться, формуючи більш-менш численний клон своїх нащадків. Майже всі клітини в тілах більшості з нас - клони (генетичні копії) тієї першої нашої клітини, яка вийшла від злиття материнської яйцеклітини та батьківського сперматозоїда. Сукупність таких клональних нащадків заплідненої яйцеклітини й складає більшу частину нашого тіла - сому.

Але вже в ранніх зародках спеціалізуються клітини-родоначальниці статевих клітин. У людини їх можна розпізнати навіть на шістнадцятиклітинній стадії. Іноді вони поводяться досить дивно. Наприклад, у нашого виду, як і в інших ссавців, вони під час формування більшості органів перебувають поза тілом зародка - в оболонках жовткового мішка. Статеві залози формуються із соматичних клітин. «Перечекавши» ключові перебудови, первинні статеві клітини приповзають (завдяки амебоїдному руху) у вже готові статеві залози та заселяють їх. Саме нащадки цих клітин дадуть початок яйцеклітинам, сперматозоїдам і, зрештою, наступним поколінням організмів.

Важливо не те, що вольвокс складається з багатьох клітин, а те, що наступні колонії здатні породжувати лише деякі з них (Ілюстрація: exploratorium.edu)

Так, початок розділенню соми та зародкової лінії поклали перші, ще примітивні багатоклітинні. У школі їх прикладом слугує зелена водорість вольвокс. Не забудьте, що вольвокс - сучасний вид, а ті істоти, які вперше пішли цим шляхом близько мільярда років тому, були, ймовірно, дещо іншими.

Отже, і вольвокс, і людина складаються з двох типів клітин. Соматичні клітини з часом помруть, і лінія їхніх нащадків неминуче перерветься. Клітини зародкового шляху теж помруть, але, з невеликою ймовірністю, послідовність їхніх нащадків простягнеться в необмежене майбутнє.

Тож, безсмертя не існує, адже клітини зародкового шляху можна вважати безсмертними лише умовно, як і амеб? Існує, просто шукати його потрібно не на рівні клітин та організмів!

Багато курсів біології будуються відповідно до концепції структурних рівнів біосистем. Пам'ятаєте? Молекули - клітини - тканини - органи - організми - популяції - екосистеми - біосфера…

Як не дивно, досі сперечаються, який набір рівнів організації правильніше виділяти. Відповідь проста. Виділяти окремий рівень організації слід у тому випадку, якщо на ньому при об'єднанні підсистем у ціле виникає нова якість.

Можна наведу приклад, який колись розробив для шкільного підручника? Кожна система має дві групи властивостей. Адитивні властивості системи (лат. additio - додавання) є сумою властивостей її частин. Якісно нові властивості системи називаються емергентними (лат. emergere - спливати, з'являтися). Англійський прикметник «emergent» часто українською передають як «емерджентний», що не відповідає усталеній традиції передачі літери «g» у термінах: ми ж говоримо й пишемо «ген», а не «джен», незважаючи на англійське «gen»!

Вага є адитивною властивістю ручки: вага цілого дорівнює сумі ваги частин

Придатність для письма - емергентна властивість ручки, вона відсутня на рівні її розрізнених компонентів

Так ось, для кожного з рівнів біосистем можна вказати його емергентні властивості. Феномен життя емергентно виникає на рівні клітини. Нижче неї - більш або менш складні молекулярні автомати, а клітина - хоч бактеріальна, хоч людська - уже носій життя.

При вивченні деяких фізіологічних проблем корисно, крім організменного рівня, виділяти рівні функціональних систем, органний, тканинний та клітинний. При вирішенні інших питань достатньо обійтися рівнями організму та клітини.

Ви вже зрозуміли, куди я хилю? Безсмертя (потенційне безсмертя) - емергентна властивість популяцій.

Ми асоціюємо себе з біосистемами організменного рівня. Усі організми, і одноклітинні, і багатоклітинні, смертні. І клітини зародкового шляху теж смертні: у кожному поділі попередня клітина зникає. А безсмертя можливе лише на популяційному рівні (і вищих; наприклад, потенційно безсмертною є біосфера).

Розглядаючи різні рівні біосистем, ми можемо зрозуміти, які властивості роблять їх єдиним цілим. Наприклад, біогеоценоз інтегрується кругообігом речовин. Органи виконують певні функції… А які емергентні властивості характерні для організму?

Відповісти на це питання складніше, ніж на інші: ми самі є організмами і нам складно побачити специфіку власного існування збоку. Можливо, я погано шукав, але в літературі я цієї відповіді не знайшов. У всякому разі, вона не є загальновизнаною.

Так ось. Організм - це біосистема, яка виживає або гине, а також бере участь у розмноженні або усувається від нього як єдине ціле. Організм - одиниця природного добору!

Сказане пояснює багато особливостей організмів. Саме на цьому рівні біосистеми бувають відділені одна від одної найчіткішими межами. На їхнє виживання та розмноження «працюють» усі їхні компоненти, і саме тому ми ототожнюємо себе з цими системами. І саме смертність будь-яких організмів є запорукою біологічної еволюції.

Апдайк захоплюється «альтруїзмом» соматичних клітин, проводячи аналогію між клітинами в організмі та організмами в популяції. Ця аналогія досить кульгава. Загибель організму означає й загибель його клітин. Якщо, паче сподівання, клітини в організмі почнуть конкурувати одна з одною за виживання та розмноження, цілісність організму буде порушена. Що таке рак? Клон клітин, що розмножуються та розселяються без контролю організменних систем. Успішний розвиток такої частини означає загибель цілого.

Популяція влаштована принципово інакше. Кожен з її компонентів прагне вижити та розмножитися, збільшити свій внесок у майбутнє цілого. І саме завдяки цьому популяція потенційно безсмертна і може набувати нових властивостей.

Існують і загальнопопуляційні регуляторні механізми, але вони працюють зовсім інакше, ніж організменні. Зазвичай вони не виключають особин з розмноження, а, навпаки, реалізуються завдяки їхній конкуренції. Винятком, більш схожим на організми, є сім'ї еусоціальних організмів - бджіл, мурах, термітів, голих землекопів. Однак ці сім'ї не безсмертні, а безсмертні лише відносно «м'які» популяції, що їх включають.

Побачте історію земного життя як гіллясте дерево потенційно безсмертних популяцій. «Стовбури» цього дерева розділяються та відходять один від одного. Вони утворені безліччю «гілочок». Ці «гілочки» здатні розділятися та зливатися наново. Величезна їх більшість гине, але впродовж усієї історії біосфери їхня кількість неухильно збільшується. Катастрофи планетарного масштабу часом скорочують їх число, але вони швидко надолужують втрачене. Ми, людство, одна група з таких тісно переплетених «гілочок», потенційно безсмертних, як і інші.

Це вони, популяції, населяють Землю, а не ми, організми!