Николай Печуркин - Энергия и жизнь

• Название: Энергия и жизнь
• Автор: Николай Печуркин
• Издательство: Наука, сибирское отделение
• Жанр: Биофизика
• Год: 1988

Что движет эволюцию жизни на нашей планете? В каком направлении развивается жизнь? Отчего «процветают» примитивные паразиты? Может ли разум человека влиять на судьбы Вселенной? На эти (и близкие им) вопросы делает попытку ответить автор, развивая энергетический подход к изучению живой природы.

Книга будет интересна для биологов, физиков, химиков, биофизиков, а также всех интересующихся общими вопросами развития.

---

Давая краткое описание работы клетки, подчеркнем важнейшую особенность жизни. «Поразительным открытием молекулярной биологии за последние три десятилетия» назвала обнаруженную всеобщность фундаментальных химических процессов в живой клетке известная исследовательница эволюции жизни, профессор Бостонского университета Л. Маргелис, [1983]. Действительно, функциональное единство самых существенных биологических феноменов не может не поражать. Так, генетический код, определяющий соотношение между последовательностями нуклеотидов и аминокислот в белке, универсален. По существу, он одинаков у всех изученных организмов — от древнейших бактерий до человека.

Связывание информационных РНК, комплементарных генной ДНК, с рибосомами при синтезе белков, по-видимому, тоже универсально. Наконец, энергетическая валюта — АТФ — также едина для представителей всех царств живого мира.

Остановимся еще на одной немаловажной особенности клеточной организации. Это — энергетическая экономичность генетического кода. Одним из ее проявлений может служить корреляция между распространенностью аминокислоты в белках и энергетической стоимостью ее синтеза. Из статистического анализа более 600 белков вирусов, микроорганизмов, растений и животных удалось достоверно установить, что чем выше затраты АТФ на биосинтез данной аминокислоты, тем реже входит она в состав белков. С этой точки зрения становится понятным явление незаменимости аминокислот, т. е. неспособности некоторых из них синтезироваться в организмах высших животных и человека. (Поэтому нам и требуется животный белок, содержащий эти аминокислоты, в свою очередь полученные от растений.) Оказывается, что энергетическая эффективность биосинтеза белка у организмов, не синтезирующих, а потребляющих извне эти аминокислоты, на целых 20 % выше, чем у организмов, которые синтезируют все необходимые аминокислоты. Кроме того, для синтеза незаменимых аминокислот требуется гораздо большее число ферментов, чем для синтеза заменимых, что также связано с дополнительными тратами вещества и энергии.

Рис. 5. Сравнение структур прокариотной (а) и эукариотной (б) клеток [Маргелис, 1983].

а: 1 — жгутик, 2 — клеточная мембрана, 3 — нуилеоид (генофор), 4 — малые рибосомы, 5 — нецеллюлозная стенка; б: 1 — пластида, 2 — ядерная мембрана, 3 — большие рибосомы, 4 — кинетохор, 5 — хромосома, 6 — эндоплазматический ретикулум, 7 — ундулиподия 9 + 2 (микротрубочки), 8 — кинетосома 9 + 0, 9 — клеточная мембрана, 10 — клеточная стенка, 11 — митохондрии.

Выделяют две главные таксономические единицы — надцарства: прокариоты и эукариоты.

Название «прокариоты» происходит от латинского слова pro (вперед, вместо) и греческого káryon (ядро) (рис. 5). Клетки прокариот не содержат ядра с мембраной, их кольцевая ДНК располагается в клетке свободно. Слабо выражено деление пространства клетки на отдельные части. Ограничено количество клеточных компонентов — органелл. Отсутствуют пластиды и митохондрии, отвечающие за энергетические превращения в более высокоорганизованных клетках. Клеточная стенка состоит из гетерополимерного вещества — муреина, которое не встречается у других групп организмов. Аппараты движения (жгутики) либо отсутствуют, либо относительно просто устроены. Наконец, размеры прокариотных клеток очень малы, в среднем единицы микрометров (мкм), что находится на грани разрешающей способности светового микроскопа.

Простота структуры у прокариот компенсируется высокой лабильностью и многообразием метаболических процессов. Способ питания может быть как автотрофным, так и гетеротрофным. Прокариоты питаются путем всасывания, или абсорбции, питательных веществ через клеточную стенку. Обычный тип размножения бесполый, простое деление пополам, однако обмен генетическим материалом иногда происходит при слиянии клеток за счет парасексуальных процессов.

Если прокариоты справедливо считаются первичными формами, возникшими в начале эволюционного пути, то развившиеся из них эукариоты представляют собой следующую ступень эволюции (см. рис. 5).

Клетки эукариот имеют выраженное ядро, окруженное мембраной. Генетический материал (ДНК) связан с белком в отдельных образованиях — хромосомах. Имеется целый набор органелл клетки: вакуоли, гранулы, нитевидные и палочковидные структуры. Энергетические процессы локализованы в митохондриях. Хорошо развита эндоплазматическая мембранная система, несущая множество пузырьков и цистерн. Мелкие нуклеопротеидные частицы — рибосомы, в которых производится синтез белков, либо связаны с мембранами эндоплазматической сети, либо взвешены в цитоплазме. Обычный тип размножения — через половой процесс с чередованием слияния ядра в зиготе и редукционного деления с образованием половых клеток — гамет. Возможны и неполовые способы размножения: простым делением, как у прокариот, почкованием, образованием спор и т. д., что наиболее часто встречается у микроорганизмов. Жгутики, или реснички, если они есть, имеют более сложное, чем у прокариот, строение. Питание эукариот может быть автотрофным и гетеротрофным: абсорбционным, как у прокариот, или голозойным, при котором пища заглатывается и перерабатывается внутри организма.

Размеры эукариотных клеток намного превышают размеры прокариотных, к примеру, митохондрии сопоставимы по величине с отдельными прокариотными клетками.

Подводя итог краткому описанию структуры и функции основной единицы живого — клетки, выделим «три кита» биологической организации: биохимическое единство, экономия материала и энергетическая эффективность.

5.2. Биологический взрыв и нехватка вещества

Одной из важных черт жизни является способность к рождению себе подобных, которые также могут размножаться, давая новые единицы, способные к размножению, и т. д. Это и есть известное явление автокатализа в физике, химии, при механических переносах: это — лавины, сели, реакции возгорания и взрыва (от простого пожара до атомного и термоядерного взрывов). Математически такому процессу соответствует уравнение экспоненты. Если размножение идет простым удвоением, типа бактериального деления пополам один родитель дает два потомка и т. д.), то формула для числа потомков Х имеет вид

Х = Х0 · 2t/g = X0 · 2n,

где g — длительность одного поколения, т. е. время от рождения до следующего рождения; n — число поколений; Х0 — начальное число размножающихся единиц (клеток, организмов).

Первое представление об экспоненте и ее стремительном росте во времени связывают со старинной восточной легендой о появлении шахмат. Правитель решил отблагодарить мудреца-изобретателя и предложил ему самому назначить награду, гарантируя исполнение. Мудрец попросил, казалось бы, немного: дать ему одно зернышко — на первый квадратик шахматной доски, два — на второй, четыре — на третий и т. д., удваивая каждый раз цифру (вплоть до 263, так как 20 = 1 на первой клетке). Правитель был вначале поражен скромностью просьбы, а потом... оказалось, что она невыполнима. Чтобы заполнить все клетки доски, потребовалось бы по весу около 100 млрд т зерна, т. е. многократный мировой урожай!

В живой природе такая способность к быстрому возрастанию, автокаталитическому размножению была не только отмечена около тысячи лет назад, но уже и сформулирована в начало XIII в. (1202 г.) в виде математической модели итальянским математиком Леонардо Пизанским (он был родом из той самой Пизы, где находится знаменитая падающая, но до сих пор не упавшая башня). Этот Леонардо более известен под именем Фибоначчи. Рассуждая о числе потомков, появляющихся в последовательных поколениях, от единственной пары кроликов, Леонардо получил растущую последовательность чисел: 1; 1; 2; 3; 5; 8; 13; 21 и т.д., где каждое последующее число — сумма двух предыдущих (это и есть знаменитый ряд чисел Фибоначчи). Таким образом, численность популяции очень резко возрастает с числом поколений; так, если к десятому поколению общее число потомков приблизится к 100 особям, то уже к шестнадцатому будет свыше 1500 особей.

Великий классификатор и систематик живой природы К. Линней в середине XVIII в. вычислил, что «если бы однолетнее растение производило только пару семян („Нет ни одного растения, которое было бы так неплодовито“, — отмечает Ч. Дарвин, который приводит эти вычисления Линнея), его потомки на следующий год снова по паре семян и т.д., то в 20 лет было бы миллион растений» (цит. по: [Дарвин, 1912, с. 56]).