В принципе можно представить себе простой способ замены изношенных клеток – это пролиферации идентичных им соседних клеток. Назовем это «заменой равных равными». Такая замена может быть связана с определенными трудностями, например, клеткам, чтобы делиться, придется «впасть в детство», то есть отказаться от сложной формы и особого метаболизма, характерных для зрелого состояния. Тем не менее эти трудности, вероятно, преодолимы. В конце концов, клетке нужно всего лишь заменить себе подобную, и сложные механизмы дифференцировки, характерные для эмбрионального развития, ей не понадобятся. Все, что нужно, – это механизм, с помощью которого клетки могли бы понять, что соседние клетки нуждаются в замене.
При всей внешней простоте поддержание организма только за счет «замены равных равными» привело бы к серьезными проблемам у долгоживущих животных. Многие клетки находятся в агрессивной среде, где постоянно подвергаются воздействию повреждающих агентов. Слизистая кишечника, например, контактирует с желудочным соком, созданным специально для переваривания клеточных компонентов, а наружные слои кожи подвержены воздействию сухого воздуха, ультрафиолетового излучения, ветра и бактерий. Все клетки в органах, по сути, находятся «в одной лодке», и если вредное воздействие достигает такого уровня, что клетка умирает, то велика вероятность того, что и соседняя клетка сильно повреждена. После смены нескольких поколений отмерших клеток за счет пролиферации поврежденных «соседей» здоровой ткани останется немного.
Есть два способа, с помощью которых животное может справиться с этой проблемой, не отказываясь от идеи «замены равных равными». Один способ – это жить недолго и избегать вредных воздействий. Не исключено, что многие мелкие животные взяли на вооружение именно эту стратегию (хотя, насколько мне известно, вопрос о том, используют ли они только метод «замены равных равными», остается открытым). Второй способ – вложить много затрат в контроль за повреждениями и ремонтные механизмы в клетках. Такие механизмы, безусловно, существуют. Есть набор ферментов и других белков, которые могут обнаружить повреждения ДНК и восстановить ее; есть мембранные насосы, которые могут выводить небольшие количества токсинов из клеток; есть разрушающие белки ферменты, которые быстро разрушают клеточные белки, чтобы их можно было тут же заменить новыми. Если клетка вложит много энергии и ресурсов в эти системы, она останется здоровой в агрессивной среде, и «замена равными равных» будет более реальна. Проблема в том, что такие вложения потребуют слишком значительных (пищевых) ресурсов и могут оказаться не по средствам организму. И даже если ресурсов хватит, такие затраты на клеточную защиту, скорее всего, приведут к непозволительному снижению ресурсов, которые животное сможет направить на рост и развитие.
Ключевой особенностью системы «замены равных равными» является то, что, если все клетки равны, их следует беречь в равной степени, а значит, с равными затратами. Если бы животное защищало лишь некоторые клетки и использовало бы их для замены обычных поврежденных клеток, это позволило бы существенно сократить расходы. В идеале хорошо защищенные клетки должны располагаться в каком-то безопасном месте. И уже совсем хорошо с точки зрения экономии ресурсов было бы, если бы малочисленные клетки с высоким уровнем защиты могли давать начало любым типам клеток в ткани. Такие клетки, расположенные на стволе генеалогического древа различных типов клеток, называются «стволовыми». Поддержание ткани за счет стволовых клеток имеет значительные преимущества по сравнению с системой «замены равных равными». Если «замена равных равными» используется для быстрого залечивания небольших ран, обновление тканей за счет стволовых клеток у больших животных, например мышей и людей, позволяет тканям существовать на протяжении многих месяцев и лет.
Одним из наиболее изученных примеров обновления тканей за счет стволовых клеток является слизистая кишечника. Ее внутренняя поверхность подвергается химическому воздействию целого коктейля пищеварительных ферментов и солей желчных кислот, а также физическому воздействию частично переваренной пищи. Поэтому не приходится удивляться, что, несмотря на то что эти клетки в какой-то степени защищены слизью, большинство из них живет недолго. У мышей, хорошо изученных в отношении клеточной биологии кишечника, большая часть поверхностных клеток живет только пять дней. Скорее всего, у человека они живут примерно столько же. В подобной ситуации маловероятно, что поврежденные клетки в принципе могут заменяться за счет соседей неопределенно долгий срок. И действительно, они заменяются за счет популяции кишечных стволовых клеток, спрятанных в относительно безопасном месте. Чтобы понять, как кишечные стволовые клетки выполняют свою работу, необходимо сначала рассмотреть строение кишечной стенки.
