Отже, почнемо. Як ви знаєте, клітини є базовим елементом життя. Так? Перше, що потрібно пам’ятати, коли ми думаємо про клітини, – це те, що клітини є мініатюрними машинами, або, іншими словами, механізмами. Я віддаю перевагу і пропоную вам думати про них як про маленькі машини. Згадайте машину, яку ви знаєте, наприклад, двигун вашого автомобіля, або електромотор у пральній машині, пилососі, міксері чи будь-якій іншій машині. Усе, що вони роблять, – це працюють, виконуючи свою функцію. Клітина, по суті, робить те ж саме. Це все, що вона з себе представляє. Звісно, у неї набагато більше частин, і у неї немає шестерень чи ручок, як у звичних нам машин.
Давайте знову уявимо автомобіль. Подумайте про двигун. Можливо, хтось бачив автомобільний двигун насправді, але, думаю, всі мають уявлення про нього. Двигун запускається, починає шуміти і щось робити – він працює. Те ж саме відбувається з клітиною. Клітина працює за тим же загальним принципом. У неї є хімічні аналоги шестерень і ручок. У клітин є механізми, як у годинниках, міксерах, двигунах, як у всіх створених нами машинах. Одна «шестерня» у клітині обертає наступну, наступна тягне важіль, який натискає кнопку десь іще, і ось клітина рухається.
Ці клітинні машини потребують постійного середовища, стабільного субстрату. Уявіть клітину. Які образи приходять вам у голову? Щось схоже на пластикову модель, яку ви бачили в лабораторії чи ще десь? Мені часто згадується саме такий образ: пластикова модель або схематичний малюнок клітини, який я бачив раніше на заняттях з інших біологічних дисциплін, або картинки клітини з підручників. І, звісно, ці образи мають свою цінність, але, якщо чесно, вони жахливі. Адже якщо подумати, то клітини виглядають зовсім не так. Вони більше схожі на мильну бульбашку. Уявіть мильну бульбашку. Ми поговоримо про них детальніше трохи пізніше.
Вона застигла чи виглядає як пластик? У чому різниця між цією мильною бульбашкою та пластиковою моделлю клітини? Ви дивитеся на цю бульбашку і бачите, як вона змінює форму, правда? Вона переливається різними кольорами, ці кольори рухаються, змінюються, нагадуючи якусь рідину. Тому уявлення про клітину як про естетичну пластикову модель дуже спотворює реальність і формує досить дивний образ реальної клітини. Клітини більше схожі на мильні бульбашки, ніж на якусь пластикову сферу, і ця мильна бульбашка наповнена водою всередині. Уявіть бульбашку, наповнену водою. Вода також формує середовище навколо бульбашки. Вона плаває у цій воді. У деяких випадках ця водяна прошарок стає дуже тонкою, але загалом усі наші клітини – клітини серця, м’язові клітини, кісткові клітини, клітини кишечника – оточені великою кількістю води, і в цій воді плавають різні речовини.
У воді навколо клітини також розчинено багато матеріалів. Саме водне середовище, ці самі елементи, компоненти цієї води, її вміст, – все це має бути в відносно постійній концентрації. Ось клітина, я можу намалювати ядро всередині, щоб ви зрозуміли, що це клітина, а ось тут вода. Отже, ця клітина оточена водою, а ось матеріали, розчинені у воді. Коли я кажу «розчинений», ви можете це уявити. Якщо я кажу «в суспензії» або «у зваженому стані», то це означає, що зважений матеріал осідатиме, а я говорю саме про розчинені матеріали, і вони не осідають. Це як якщо б я взяв чашку кави, яка, по суті, є водою, потім насипав ложку цукру і ретельно перемішав. І ось ці молекули цукру тепер розподілилися по всій воді в чашці, вібруючи в цій воді. Ось саме про це я й кажу.
У воді навколо клітини плавають розчинені матеріали. Частина з них – це так звані поживні речовини. Якщо ми думаємо про матеріал як про поживну речовину, то потрібно думати про нього як про сировину, якої клітина постійно потребує. Клітинам потрібні ці матеріали. Адже клітина постійно руйнується. Чим складніше щось влаштовано, тим швидше воно зламається. До речі, я завжди згадую, як моя дружина купувала автомобілі. Одного разу вона купила два нових автомобілі в один день: новий Chevrolet Blazer у максимальній комплектації і Geo Metro – найдешевшу машину. Який з автомобілів постійно ламався? Blazer. Думаєте, він був низької якості? Ні, обидві машини виготовлені Chevrolet, і стандарти якості в них однакові. Суть у тому, що Blazer набагато складніше влаштований, у ньому набагато більше рухомих елементів, тому ймовірність поломки набагато вища. Просте служить вічно, складне руйнується.
Що ви думаєте про складність клітини? Що ви думаєте про рівень складності вашого тіла? Загалом це досить складна «машина». Якщо ми перекриємо доступ кисню до клітини і зупинимо клітинну «машину», вона почне руйнуватися за лічені секунди, дегенерувати, перетворюючись на місиво. Звісно, знадобиться трохи більше часу до повної дегенерації, адже одні елементи клітини простіші за інші, але ми можемо спостерігати ознаки клітинного розпаду через кілька секунд після блокування доступу кисню. Тому я не зовсім довіряю кріогенним компаніям. Як тільки людина помирає, все починає руйнуватися тієї ж миті, і на сьогодні немає способів звернути цей процес назад. Якби я заморозив вас, поки ви живі, тоді, можливо, я б зміг вас пізніше розморозити. Тобто я не можу цього зробити з цілою людиною зараз, але можу заморозити речі меншого розміру, наприклад, клітини, сперму, яйцеклітини, навіть ембріон на стадії кількох клітин.
Клітини – дуже складні механізми. Не можу повірити, що тіло може протриматися хоча б день із таким складним пристроєм. І, звісно, ця складність є результатом складності самих клітин, з яких складається наше тіло. Адже клітини – це функціональні елементи нашого тіла. Саме вони роблять усе те, що робить наше тіло. Тож клітини дуже складні, неймовірно складні, а тому вони постійно руйнуються. Щосекунди вони ремонтують свої частини, і, звісно, для цього ремонту їм потрібна сировина. Клітинам потрібні білки, а щоб створити білки, потрібні амінокислоти. Тож цей «суп» навколо клітини містить амінокислоти, з яких клітина створює білки.
Клітина також виробляє жирові матеріали, тому їй потрібні жирні кислоти. Їй потрібні всі базові елементи з нашого раціону, вся їжа, яку ви споживаєте, зокрема білки, жири й вуглеводи. Потім ваша травна система розщеплює ці матеріали на базові елементи: моносахариди, жирні кислоти, прості жири, амінокислоти. Ці продукти травлення плавають навколо клітини та забезпечують її, тож ці матеріали завжди доступні. Крім того, клітинам потрібні енергетичні субстрати, тобто матеріали, які можна спалити для отримання енергії.
Клітина – це «машина». Згадайте будь-яку машину з повсякденного життя – від простої викрутки до складних годинників, пилососів і найскладніших механізмів. Що спільного в усіх цих машин? Перш ніж вони зможуть виконувати свою функцію, їм потрібна енергія. Жоден електронний годинник не працюватиме без живлення від мережі чи батарейки, жоден автомобіль не поїде без джерела енергії: бензину, дизельного палива, пропану чи іншого. Машині потрібна енергія. Тому у рідині навколо клітини мають бути енергетичні субстрати, іншими словами – паливо.
Ще одна категорія матеріалів – це різні продукти, які виробляє клітина. Машини створюють продукти своєї роботи. Наприклад, у вашого автомобіля є вихлопні гази, що містять вуглекислий газ і воду. Коли ви спалюєте паливо, утворюється вуглекислий газ, вода та невелика кількість інших речовин. Якщо ви бачите автобус чи вантажівку з дизельним двигуном, перше, що впадає в очі, – це чорний дим із вихлопної труби. Це частково згоріле дизельне паливо, неокислені чи незгорілі вуглеводні. Ви заливаєте в бак дизельне паливо, і машина намагається отримати з нього енергію шляхом спалювання, але деякі речовини не можуть бути спалені, і саме вони виходять із вихлопної труби. Таким чином, ми виробляємо певні продукти, частина яких – відходи, а частина – ні.
Повертаючись до клітин. Клітини виробляють відходи у вигляді вуглекислого газу, води чи інших речовин, наприклад, сечовини, сечової кислоти та інших сполук, які потім виводяться нашими нирками й іншими частинами тіла. Клітини виробляють не лише відходи, але й інші корисні продукти. Вони споживають сировину та створюють нові матеріали. Наприклад, клітини виробляють гормони, які потім виділяють у навколишнє середовище. Гормони – це продукти різних клітин. Наприклад, щитоподібна залоза, розташована на шиї, її клітини виробляють матеріали та виділяють їх у рідинне середовище. Один із таких матеріалів – тироксин, гормон щитоподібної залози. Він є своєрідним посланням до інших клітин, спонукаючи їх виконувати певні функції. Гормони – це хімічні сигнали, які дозволяють клітинам в одному місці контролювати клітини в іншому.
Головний момент уявлення клітини, що перебуває в рідині з певною концентрацією розчинених речовин, – це те, що це середовище має бути постійним. У цій рідині повинна бути певна концентрація кисню. Якщо його буде замало, клітина не зможе виробляти енергію. Якщо ж кисню занадто багато, спалювання відбуватиметься надто швидко, і матеріали витрачатимуться передчасно. Тому концентрація кисню у середовищі навколо клітини має бути в межах певного діапазону. Якщо концентрація виходить за межі цього діапазону, клітина припиняє працювати.
Клітина нашого тіла не може функціонувати без кисню. Вона виробляє вуглекислий газ. Уявіть цей процес: клітина працює і виділяє вуглекислий газ у міру спалювання палива. Що буде, якщо дозволити вуглекислому газу накопичуватися всередині клітини? Це порушить її функції.
Тому потрібно підтримувати стабільне середовище навколо клітини, у межах допустимого діапазону концентрації кисню, глюкози, вуглекислого газу. Усе у міжклітинній рідині має залишатися збалансованим. Це називається гомеостазом – підтриманням внутрішньої рівноваги.
Гомеостаз є прикладом динамічної рівноваги. Це постійний рух, що підтримує стабільність у міжклітинній рідині.
Клітина також виробляє жирові матеріали, тому їй потрібні жирні кислоти. Їй потрібні всі базові елементи з нашого раціону, вся їжа, яку ви їсте, в основному білки, жири та вуглеводи. Потім ваша травна система розщеплює ці матеріали на базові елементи: моносахариди, жирні кислоти, прості жири, амінокислоти. Ці продукти травлення циркулюють навколо клітини та забезпечують її необхідними матеріалами, щоб вони завжди були під рукою. Крім того, клітинам потрібні енергетичні субстрати – матеріали, які можна спалити, щоб отримати енергію.
Клітина – це “машина”. Згадайте будь-яку машину з повсякденного життя, від простої викрутки до складних годинників, пилососів і найскладніших механізмів. Що спільного у всіх цих машин? Перш ніж вони зможуть виконувати свої функції, їм потрібно живлення. Жоден електронний годинник не запрацює без живлення від мережі або батарейок, жоден автомобіль не поїде без джерела енергії: бензину, дизельного пального, пропану чи іншого палива. Машині потрібна енергія. Тому у рідині навколо клітини повинні бути енергетичні субстрати, іншими словами – паливо.
Ще одна категорія матеріалів – це різноманітні продукти, які клітина виробляє, свого роду продукція. Машини створюють продукти своєї роботи. Наприклад, ваш автомобіль виробляє вихлопні гази, що містять вуглекислий газ і воду. Коли ви спалюєте пальне, утворюється вуглекислий газ, вода та невелика кількість інших речовин. Коли ви бачите автобус або дизельну вантажівку, перше, що впадає у вічі, – це чорний дим із вихлопної труби. Це частково згоріле дизельне пальне, неокиснені або незгорілі вуглеводні. Ви заправляєте бак дизельним пальним, і машина намагається отримати з нього енергію через спалювання, але залишаються речовини, які машина не може спалити, саме вони виходять через вихлопну трубу. Таким чином, ми створюємо певні продукти, частина з яких є відходами, а частина – ні.
Повернемося до клітин. Клітини виробляють відходи у вигляді вуглекислого газу, води чи інших матеріалів, таких як сечовина, сечова кислота та інші речовини, які потім виводяться нашими нирками та іншими органами. Клітини виробляють не тільки відходи, але й інші продукти. Клітини поглинають сировину та створюють інші матеріали. Наприклад, клітини виробляють гормони, які потім виділяються в навколишнє середовище. Гормони – це продукт роботи різних клітин. Наприклад, щитоподібна залоза, розташована на вашій шиї, її клітини виробляють матеріали та виділяють їх у рідке середовище. Один із цих матеріалів – тироксин, гормон щитоподібної залози. Це свого роду послання, яке спрямоване до інших клітин і змушує їх виконувати певні функції. Гормони – це клітинні послання, хімічні сигнали, які дозволяють клітинам в одному місці контролювати клітини в іншому місці. Іноді ці сигнали виступають як регулятори, а іноді як структурні компоненти. Тому, говорячи про продукти клітини, слід уявляти не лише відходи, а й корисні матеріали.
Головний момент, коли ви уявляєте клітину в оточенні води, яка містить різні концентрації розчинених речовин, – це те, що це середовище має бути стабільним. У цій рідині має бути певна концентрація кисню. Якщо його занадто мало, клітина не зможе виробляти енергію. Якщо ж кисню занадто багато, спалювання відбувається занадто швидко, і матеріали витрачаються передчасно. Тому концентрація кисню в середовищі навколо клітини має бути відповідною, в певному діапазоні. Якщо концентрація виходить за межі цього діапазону, клітина припинить функціонувати. Кисень – це один із видів сировини, який необхідний вашим клітинам. Клітина нашого тіла не може функціонувати без кисню. Клітина виробляє вуглекислий газ. Уявіть цей процес: клітина працює і виділяє вуглекислий газ у процесі спалювання палива. Пухирці вуглекислого газу виходять із клітини в навколишню водну середу.
Що буде, якщо дозволити вуглекислому газу накопичуватися всередині клітини? У машинах раніше був карбюратор, який змішував повітря та пальне у потрібних пропорціях і подавав цю суміш у двигун. Що станеться, якщо я закрию рукою вхідний отвір карбюратора, через який надходить повітря? Двигун заглохне. Або, якщо закрити вихлопну трубу, двигун трохи попрацює, виробляючи відходи, але у певний момент, коли відходів накопичиться достатньо, це створить зворотний тиск, і двигун зупиниться. Так само й у середовищі навколо клітини: якщо немає постійної концентрації кисню, енергетичних субстратів, сировини, матеріалів, необхідних клітині, або якщо відсутній постійний рівень концентрації відходів, які виробляє клітина, клітинна машина припинить працювати.
Тому необхідно підтримувати стабільне середовище навколо клітини в межах допустимого діапазону концентрацій кисню, вуглекислого газу, глюкози. Занадто мало не працюватиме, і занадто багато також. Все у міжклітинній рідині має бути в межах допустимого діапазону. Міжклітинна рідина – це рідина поза клітиною, зовні або навколо клітини. Виходячи з цього, можна виділити лише два типи рідин у нашому тілі: міжклітинну та внутрішньоклітинну. Внутрішньоклітинна рідина знаходиться всередині клітин, міжклітинна – зовні клітин. Склад міжклітинної рідини має бути постійним. Іншими словами, тіло повинно підтримувати так званий гомеостаз. Гомеостаз – це підтримання внутрішньої постійності. Більш відповідним терміном буде динамічна рівновага, яку можна спостерігати у міжклітинній рідині.
Динамічний означає змінний або рухливий, антонім – статичний, нерухомий або постійний. Рівновага означає сталість. Динамічна рівновага – це змінна сталість. Таке середовище навколо клітини, яке постійно змінюється, тому що матеріали постійно дифундують, тобто переміщуються всередину клітини. Наприклад, кисень, енергетичні субстрати, сировина та багато іншого постійно проникають у клітину. Проте підтримується сталість у зовнішньому середовищі: там завжди знаходиться однакова кількість кисню, глюкози, амінокислот чи вуглекислого газу. Саме тому це називають змінною сталістю або динамічною рівновагою.
Як ми цього досягаємо? У цьому й полягає роль нашого тіла. Воно підтримує цю внутрішню сталість, зберігає цю динамічну рівновагу. У нас є дихальна або респіраторна система, яка забезпечує надходження кисню та виведення вуглекислого газу. У нас є травна система, яка постачає поживні речовини та виводить відходи. У нас є сечовидільна система, яка виводить певний вид відходів і підтримує постійний склад рідини в організмі. Функції нашого тіла взаємопов’язані. Наприклад, нирки не працюють самі по собі. Ваша травна система забезпечує склад рідини в організмі, а серце забезпечує циркуляцію цієї рідини та матеріалів у ній. Є ще опорно-рухова система. Ваші м’язи прикріплені до кісток, щоб ви могли рухатися. А навіщо це вам? Для того, щоб підтримувати внутрішню сталість.
Наприклад, якщо я хочу їсти, мені потрібно підійти до холодильника, вийти на вулицю і зірвати яблуко з дерева або піти в ліс і вполювати дичину. Мені потрібно щось зробити, щоб отримати поживні речовини та доставити їх у стравохід. Метою кожного органа, кожної частини вашого тіла є підтримка внутрішньої сталості ваших клітин. Ви можете виконувати й інші дії: прибирати сніг, робити прибирання, будувати будинок, але всі ці дії зрештою зводяться саме до підтримання внутрішнього середовища ваших клітин. Цей процес лежить в основі життя всіх живих організмів. Це проста, але масштабна ідея, яку можна застосувати всюди. У процесі нашого подальшого вивчення ми будемо досліджувати, як усі частини нашого тіла підтримують цю внутрішню сталість. Ми розглянемо це явище у найдрібніших деталях.