Podstawy biologii komórki. Część 1 - ebook

O AUTORACH

BRUCE ALBERTS uzyskał stopień doktora w Harvard University. Jest profesorem w Department of Biochemistry and Biophysics University of California w San Francisco. Był redaktorem naczelnym Science w latach 2008–2013, a także prezydentem U.S. National Academy of Sciences w latach 1993–2005.

REBECCA HEALD otrzymała stopień doktora w Harvard University. Jest profesorem w Department of Molecular and Cell Biology w University of California w Berkeley i jego współkierownikiem.

KAREN HOPKIN otrzymała stopień doktora w Albert Einstein College of Medicine. Jest pisarką zajmującą się tematyką naukową. Jej prace ukazały się w wielu czasopismach naukowych, w tym w Science, Proceedings of the National Academy of Sciences i w The Scientist. Regularnie dostarcza materiały do codziennej audycji Scientific American zatytułowanej „60-Second Science”.

ALEXANDER JOHNSON uzyskał stopień doktora w Harvard University. Jest profesorem w Department of Microbiology and Immunology w University of California w San Francisco.

DAVID MORGAN uzyskał stopień doktora w University of California w San Francisco. Obecnie jest tam profesorem w Department of Physiology oraz prodziekanem ds. nauki w School of Medicine.

KEITH ROBERTS uzyskał stopień doktora w University of Cambridge. Był zastępcą dyrektora John Innes Centre. Jest emerytowanym profesorem University of East Anglia.

PETER WALTER uzyskał stopień doktora w The Rockefeller University w Nowym Jorku. Jest emerytowanym profesorem w Department of Biochemistry and Biophysics w University of California w San Francisco. Był również badaczem w Howard Hughes Medical Institute, a obecnie jest starszym wiceprezesem i dyrektorem instytutu w Altos Labs w Redwood City.PRZEDMOWA

Komórkę po raz pierwszy uznano za podstawową jednostkę życia w XIX wieku. Można by więc pomyśleć, że obecnie wiemy wszystko, co trzeba wiedzieć o komórkach. Jednak z każdym wydaniem Podstaw biologii komórki autorzy ponownie doświadczają radości z dowiadywania się czegoś nowego i zaskakującego o komórkach. Istotnie, praca nad podręcznikiem skłania do pokory – przypomina nam, że wiele z najbardziej fascynujących pytań w dziedzinie biologii komórki pozostaje bez odpowiedzi. W jaki sposób powstały komórki i w jaki sposób miliardy lat ewolucji pozwoliły im zasiedlić każdą dostępną do zasiedlenia niszę ekologiczną – od gorącego kwasu ze źródeł wulkanicznych po lodowe baseny pod powierzchnią Antarktydy? Jak komórki reagują na stale zmieniające się środowisko i jak ich funkcjonowanie zmieniło naszą planetę, torując ostatecznie drogę naszemu pojawieniu się? Jak to możliwe, że miliardy komórek współdziałają ze sobą tak harmonijnie i tworzą duże organizmy wielokomórkowe, takie jak my sami?

Pytania te pozostają przykładami wyzwań dla przyszłych pokoleń biologów komórki. Być może niektórzy z nich wraz z tym podręcznikiem rozpoczną swoją wspaniałą podróż po świecie komórek. Równocześnie mamy nadzieję, że zrozumienie komórek – i planety, którą dzielimy z innymi żywymi organizmami – sprawi, że będziemy, jako obywatele i osoby zarządzające globalnym społeczeństwem, lepiej przygotowani do podejmowania opartych na wiedzy decyzji dotyczących spraw coraz bardziej skomplikowanych, od zmian klimatu i bezpieczeństwa żywnościowego do technologii biomedycznych i pojawiających się zagrożeń epidemicznych.

W Podstawach biologii komórki wprowadzamy czytelników w najważniejsze zagadnienia biologii komórki. Szóste wydanie zostało uaktualnione i uwzględnia wiele ważnych nowych odkryć. Omawiamy niezwykłego archeona, znalezionego w kominie hydrotermalnym na dnie oceanu, w którego przypadku sugeruje się wejście w symbiozę z innymi komórkami. Ta nieoczekiwana współpraca daje możliwość wglądu w proces ewolucji komórek eukariotycznych takich jak nasze. Przedstawiamy nowe szczegóły dotyczące upakowania naszej informacji genetycznej w chromosomach i wiele uwagi poświęcamy – w kilku rozdziałach – omówieniu SARS-CoV-2, wirusa odpowiedzialnego za pandemię COVID-19. Oprócz przeglądu struktury tego wirusa i jego cyklu replikacyjnego opisujemy szczepionki i leki wyprodukowane w celu walki z tym wirusem. Na koniec, jak to robimy przy każdym nowym wydaniu, przedstawiamy nowe, potężne techniki, które pozwalają nam badać komórki i ich składniki z niespotykaną dotąd precyzją, takie jak superrozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna i mikroskopia krioelektronowa, jak również najnowsze metody sekwencjonowania DNA, przewidywania struktury białka i edytowania genów. Materiał ilustracyjny został głęboko zweryfikowany i zaktualizowany i włączono do niego wiele nowych rycin i mikrofotografii.

Czytelników chcących dowiedzieć się, w jaki sposób ciekawość naukowa może stać się siłą napędową przełomów w zrozumieniu biologii komórki, zainteresują historie odkryć prezentowane w każdym rozdziale w panelach „Skąd to wiemy?”. Prezentują one informacje o eksperymentach i ich planowaniu, pokazują, w jaki sposób biologowie radzą sobie z ważnymi pytaniami i jak uzyskane wyniki eksperymentów kształtują przyszłe idee.

Podobnie jak w poprzednich wydaniach na marginesach oraz na końcu każdego rozdziału umieszczone zostały pytania, by pomóc sprawdzić zrozumienie tekstu oraz by zachęcić do samodzielnego myślenia i wykorzystywania nowo uzyskanych informacji w znacznie szerszym kontekście biologicznym. Niektóre pytania mają więcej niż jedną prawidłową odpowiedź. Inne zachęcają do kreatywnego myślenia. Odpowiedzi na wszystkie pytania umieszczono na końcu podręcznika, a wiele z nich zawiera dodatkowe informacje lub przedstawia perspektywę odmienną od tej, która znalazła się w głównej części tekstu.

Każdy rozdział Podstaw biologii komórki jest wytworem wspólnego działania. Tekst oraz ryciny były wiele razy poprawiane i udoskonalane, wędrując od jednego autora do drugiego, i to w obie strony! Liczne grono osób, które pomogły doprowadzić nasze dzieło do końca, jest wymienione w Podziękowaniach. Mimo naszych największych wysiłków na pewno znajdą się w podręczniku błędy. Zachęcamy czytelników, którzy takowe znajdą, aby zawiadomili nas o tym, dzięki czemu będziemy mogli je poprawić we wznowieniu.

Podziękowania

Autorzy przyjmują z wdzięcznością wkład wielu profesorów i studentów z całego świata w stworzenie szóstego wydania Podstaw biologii komórki. W szczególności chcielibyśmy docenić wymienionych poniżej nauczycieli akademickich i podziękować im za informacje zwrotne, które pozwalają nam na dalsze udoskonalanie tego podręcznika:

Douglas Briant, University of Victoria

Marion Brodhagen, Western Washington University

Ron Dubreuil, University of Illinois w Chicago

Lisa Farmer, University of Houston

Valerie Haywood, Case Western Reserve University

Paul Himes, University of Louisville

Julie Hollien, University of Utah

Todd Kostman, University of Wisconsin, Oshkosh

Michael Misamore, Texas Christian University

Edmund Rucker, University of Kentucky

Shannon Stevenson, University of Minnesota Duluth

Richard Walker, Virginia Tech

Robin Young, University of British Columbia, Okanagan Campus

Amanda Zeigler, University of South Carolina, Columbia

Chcielibyśmy także podziękować recenzentom, których uwagi pomogły ukształtować piąte wydanie tego podręcznika i których wkład jest nadal istotny dla szóstego wydania:

Delbert Abi Abdallah, Thiel College, Pensylwania

Ann Aguanno, Marymount Manhattan College

David W. Barnes, Georgia Gwinnett College

Manfred Beilharz, The University of Western Australia

Christopher Brandl, Western University, Ontario

David Casso, San Francisco State University

Shazia S. Chaudhry, The University of Manchaster, Wielka Brytania

Heidi Engelhardt, University of Waterloo, Kanada

Sarah Ennis, University of Southampton, Wielka Brytania

David Featherstone, The University of Illinois w Chicago

Yen Kang France, Georgia College

Barbara Frank, Idaho State University

Daniel E. Frigo, University of Houston

Marcos Garcia-Ojeda, University of California, Merced

David L. Gard, University of Utah

Adam Gromley, Lincoln Memorial University, Tennessee

P. Elly Holthuizen, University Medical Center Utrecht, Holandia

Harold Hoops, State University of New York, Geneseo

Bruce Jensen, University of Jamestown, Północna Dakota

Andor Kiss, Miami University, Ohio

Annette Koenders, Edith Cowan University, Australia

Arthur W. Lambert, Whitehead Institute for Biomedical Research

Denis Larochelle, Clark University, Massachusetts

David Leaf, Western Washington University

Esther Leise, University of North Carolina at Greensboro

Bernhard Lieb, University of Mainz, Niemcy

Julie Lively, Louisiana State University

Caroline Mackintosh, University of Saint Mary, Kansas

John Mason, University of Edinburgh, Szkocja

Craig Milgrim, Grossmont College, Kalifornia

Arkadeep Mitra, City College, Kolkata, Indie

Niels Erik Møllegaard, University of Copenhagen, Dania

Javier Naval, University of Zaragoza, Hiszpania

Marianna Patrauchan, Oklahoma State University

George Risinger, Oklahoma City Community College

Laura Romberg, Oberlin College, Ohio

Sandra Schulze, Western Washington University

Isaac Skromne, University of Richmond, Wirginia

Anna Slusarz, Stephens College, Missouri

Richard Smith, University of Tennessee Health Science Center

Alison Snape, King’s College, London, Wielka Brytania

Maria Tipping, Providence College, Rhode Island

Jim Tokuhisa, Virginia Polytechnic Institute and State University

Guillamme van Eys, Maastricht University, Holandia

Barbara Vertel, Rosalind Franklin University of Medicine and Science, Illinois

Jennifer Waby, University of Bradford, Wielka Brytania

Dianne Watters, Griffith University, Australia

Allison Wiedermeier, University of Louisiana at Monroe

Elizabeth Wurdak, Saint. John’s University, Minnesota

Kwok-Ming Yao, The University of Hong Kong

Foong May Yeong, National University of Singapore

Jesteśmy również wdzięczni wszystkim czytelnikom z całego świata, którzy zawiadomili nas o błędach w poprzednich wydaniach.

Praca nad tym podręcznikiem była przyjemnością, po części dzięki wielu ludziom, którzy przyczynili się do jej powstania. Nigel Orme ponownie pracował wraz z jednym z autorów, Keithem Robertsem, nad całą stroną ilustracyjną podręcznika, którą przygotował ze zręcznością i troską o jakość. Nigel zaprojektował obie strony okładki oraz czołówkę każdego rozdziału; Natalia Orme zrealizowała te projekty, stosując starą technikę nazywaną quillingiem z papieru. Szczególnie wdzięczni jesteśmy Denise Schanck, naszej redaktorce od 1998 roku, która nadzorowała znaczną część procesu korekty od 2018 roku aż do przejścia na emeryturę pod koniec roku 2021. Denise nadzorowała wstępne recenzje, ściśle współpracowała z autorami poszczególnych rozdziałów, troszczyła się o nas podczas naszych ćwiczeń pisarskich i zapewniała inspirację, motywację i przestrzeganie harmonogramu.

Za doprowadzenie tego wydania do druku dziękujemy także redaktorowi Jake’owi Schindelowi; za jego bystre oko, życzliwość i zdolności organizacyjne. Todd Pearson zaaranżował bogactwo materiałów internetowych, w tym wszystkie klipy wideo i animacje, przy wsparciu Jasmine Ribeaux, Lindsey Heale i Mandy Lin. Ich koordynacja rozrastających się materiałów internetowych zaowocowała niezrównanym zestawem materiałów z zakresu biologii komórki zarówno dla studentów, jak i nauczycieli. Te z kolei zostały zasadniczo udoskonalone dzięki pracy Johna Wilsona i Tima Hunta, których nieustający wysiłek, aby The Problem Book związany z Molecular Biology of the Cell uczynić bardziej wymagającym i wciągającym, stanowił inspirację dla programu Smartwork związanego z Podstawami biologii komórki, jak i źródło zawartych w nich przykładów.

Clare Lewis zasługuje na podziękowania za pomoc przy kolejnych etapach przejścia podręcznika przez produkcję. Jesteśmy wdzięczni Holly Plank za ogromny entuzjazm i poparcie dla naszego podręcznika. Megan Schindel, Ted Szczepański i Patricia Wong zasługują na nasze wyrazy wdzięczności za przeprowadzenie procesu uzyskiwania zgód i pozwoleń do tego wydania. Profesjonalne zarządzanie produkcją przez Jane Searle i niezwykła dbałość o szczegóły Laury Dragonette oraz ich talent do radzenia sobie z problemami uczyniły podręcznik, który trzymacie w swoich rękach, rzeczywistością.

Jako ostatnie, co nie znaczy, że mniej ważne, umieszczamy, po raz kolejny, podziękowania dla naszych rodzin i dla naszych kolegów za niesłabnące wsparcie i tolerancję. Dziękujemy wszystkim bez wyjątku.

Materiały dla nauczycieli i studentów

Panele „Skąd to wiemy?” znajdujące się we wszystkich rozdziałach wyjaśniają, jak badacze planują i przeprowadzają eksperymenty, które umożliwiają im lepsze zrozumienie funkcjonowania systemów biologicznych. Ale w jaki sposób wyniki setek tysięcy eksperymentów są łączone przez naukowców w celu uzyskania konsensusu naukowego niezbędnego do pisania podręczników?

Terminologia

W całym podręczniku do wyróżnienia kluczowych terminów zastosowano pogrubioną czcionkę w tym miejscu rozdziału, w którym toczy się główna dyskusja. Kursywą zaznaczono ważne terminy o mniejszym znaczeniu. Na końcu podręcznika znajduje się rozbudowany słowniczek obejmujący najważniejsze terminy w biologii komórki; powinien być pierwszą deską ratunku dla czytelnika, który napotyka nieznany termin.PRZEDMOWA DO WYDANIA POLSKIEGO

Biologia jest nauką o życiu, zatem najważniejszym jej zadaniem jest odpowiedź na pytanie: „Czym jest życie?”. Gdy w połowie XIX wieku Rudolf Virchow ogłaszał swą słynną sentencję „Omnis cellula e cellula”, pewnie nie przypuszczał, że w środku trzeciej dekady XXI wieku. będziemy tak wyraźnie widzieć jej prawdziwość i znaczenie. To właśnie w komórce skupiają się wszystkie te zjawiska, które sprawiają, że dany układ nazywamy żywym. Obecnie, po latach rozdzielenia, wiele dyscyplin nauk biologicznych zbliża się coraz bardziej do siebie, by połączonymi siłami badać komórkę – najmniejszą jednostkę życia, poczynając od molekularnych oddziaływań między jej składnikami, po oddziaływania z innymi komórkami i środowiskiem.

Pierwsze dwie dekady XXI wieku to okres gwałtownego przyspieszenia badań biologicznych. Dynamicznie rozwijają się bioinformatyka i ściśle związane z nią dyscypliny naukowe, takie jak genomika, transkryptomika, proteomika, metabolomika, interaktomika i wiele innych, w przypadku których nowe i wydajne narzędzia bioinformatyczne, w tym metody analizy wielkoskalowej, umożliwiają interpretację pełnych zestawów cząsteczek budujących komórki i organizmy oraz zmian zachodzących w nich w określonych warunkach środowiska, jak i w toku ewolucji. Dzięki wydajnym metodom szybkiego, taniego i masowego sekwencjonowania DNA poznano nie tylko pełne sekwencje genomów wielu organizmów, ale także występujące w nich różnice. Rozwijane są metody skutecznej edycji DNA, umożliwiające precyzyjną modyfikację materiału genetycznego. Wprowadzono także nowe narzędzia badawcze, takie jak superrozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna czy mikroskopia krioelektronowa oraz wydajne sposoby przewidywania struktury białek i ich oddziaływań z innymi cząsteczkami. Te wszystkie osiągnięcia stwarzają nadzieję na poznanie molekularnych podstaw chorób, przyspieszone opracowywanie nowych leków i skuteczne zapobieganie pandemiom. Jednocześnie, stykając się z niezwykle szybko rosnącymi zasobami danych, naukowcy zaczynają zdawać sobie sprawę z konieczności opracowania nowych modeli oraz wydajnych metod masowej analizy danych, które pozwolą nam prawidłowo interpretować uzyskiwane wyniki i zapobiegną „utonięciu” w morzu danych.

Fascynacja zadziwiającym światem zjawisk biologicznych przebija prawie z każdej karty podręcznika, który udostępniamy czytelnikowi. Jest to już czwarte polskie wydanie Podstaw biologii komórki, oparte na szóstym wydaniu amerykańskim. Od poprzedniego wydania minęło pięć lat, co w biologii komórki może oznaczać całą epokę. W porównaniu z trzecim wydanie to zostało zaktualizowane i w wielu miejscach zmienione, w tym w sposobie przedstawiania skomplikowanych zagadnień. Zespół autorów książki postawił sobie bowiem za cel stworzenie podręcznika, który znajdzie czytelników nie tylko wśród studentów kierunków biologicznych, medycznych czy rolniczych, ale również wśród studentów innych kierunków i uczniów szkół średnich. Jako tłumacze i redaktorzy polskiego wydania staraliśmy się sprostać tym założeniom, pomimo niezwykłego tempa pracy, z uwagi na fakt, że podręcznik ukazuje się na polskim rynku tylko rok po wydaniu oryginału. Przepraszamy czytelników za ewentualne pomyłki i prosimy o nadsyłanie uwag.

Podstawy biologii komórki ukazują się w Polsce w dwóch częściach. Zachowujemy jednak pełną zgodność tekstu z wydaniem oryginalnym. Szczególnej uwadze czytelników chcielibyśmy polecić panele „Skąd to wiemy?”, które wzbogacają treść każdego z rozdziałów. W tych panelach autorzy spróbowali uchylić drzwi do niedostępnych zwykle laboratoriów badawczych, by pokazać, jak złożonej pracy wymagają odkrycia naukowe, z jakich należy korzystać metod i ile czasu zajmuje udowodnienie różnych śmiałych koncepcji. Bogaty materiał ilustracyjny ułatwia zrozumienie opisywanych zagadnień i w niektórych przypadkach jest ilustracją tezy, że badania naukowe dostarczają nie tylko nowych informacji, ale mogą być również najzwyczajniej w świecie źródłem piękna i wrażeń estetycznych.

Czytelnicy, którzy zetknęli się z pierwszym wydaniem Podstaw biologii komórki, zauważyli zapewne, że wśród tłumaczy nie ma już obu redaktorów naukowych – profesorów Jana Michejdy i Jacka Augustyniaka, naszych nauczycieli, którym tak wiele zawdzięczmy. Dzięki ich pracy powstał podstawowy zrąb podręcznika. W pracy nad jej drugim i trzecim wydaniem staraliśmy się sprostać standardom, jakie stworzyli.

W przygotowaniu czwartego wydania Podstaw biologii komórki uczestniczyli tłumacze przygotowujący trzecie wydanie, z dwoma wyjątkami: profesor Joannę Decker zastąpił profesor Andrzej Lesicki, a profesora Adama Woźnego zastąpiła profesor Magdalena Krzesłowska. Profesor Joannie Deckert i profesorowi Adamowi Woźnemu bardzo dziękujemy za czas poświęcony temu podręcznikowi i stworzenie podstaw do jego kolejnych wydań.

Hanna Kmita

Przemysław Wojtaszek

Poznań, lipiec 2024