Глава 24.Белки

В основе жизнедеятельности лежат достаточно простые химические процессы. Совокупность тысяч однотипных реакций, каждую секунду происходящих внутри вас, определяет вашу индивидуальность. Однако, для образования устойчивых химических связей только лишь самой способности молекул к взаимодействию недостаточно. Здесь на арену выходят белки.

Белки имеют различные размеры и формы. Каждый из них выполняет в организме строго регламентированную задачу.

Белок строится из аминокислот. Молекула аминокислоты представляет собой цепочку атомов. На одном её конце находится положительно заряженный ион водорода, на другом – отрицательно заряженная гидроксильная группа, состоящая из кислорода и водорода. От основной цепочки ответвляются боковые группы, отличные для разных типов аминокислот.

Всего в организме насчитывается двадцать одна аминокислота.

Когда две аминокислоты сближаются друг с другом, ион водорода одной соединяется с гидроксильной группой другой. Две аминокислоты связываются между собой, а образовавшаяся вода высвобождается. Процесс напоминает нанизывание бусинок на нить.

Последовательность аминокислот в «бусах» называется первичной структурой белка.

«Бусиной» может быть каждая из двадцати одной аминокислоты. Возможны самые различные их сочетания, поэтому существуют триллионы способов сборки белка. Теоретически по первичной структуре можно просчитать, какую форму примет молекула, и предсказать химическую реакцию, в которой будет участвовать белок. Но пока что не создан столь мощный компьютер, который был бы способен провести такое вычисление.

После определения первичной структуры под действием электростатических взаимодействий между различными группами аминокислот и окружающей их водой, белок сворачивается в сложную трёхмерную сферическую форму. Это принципиально важно для химических процессов, происходящих в живом организме. Две молекулы должны сблизиться таким образом, чтобы их атомы могли состыковаться. Для этого процесса витое трёхмерное строение является оптимальным.

Молекулы располагаются не случайным образом, а так, чтобы стало возможным их взаимодействие. На помощь приходят особые белки, называемые ферментами.

Фермент притягивает молекулы к себе и организует их взаимодействие. После того, как оно произошло, фермент, выполнивший свою работу, высвобождается. В дальнейшем он повторяет эту операцию со следующей парой молекул.

Глава 25. Клетки

Клетка является основной структурной и функциональной ячейкой органического мира.

Жизнь каждого из нас начинается всего с одной оплодотворённой клетки. По мере развития организма число клеток возрастает за счёт деления. Каждая из них получает свою специализацию.

Во взрослом теле содержится примерно 50 млрд. клеток двухсот пятидесяти различных типов. Все вместе они образуют сложную систему тканей и органов.

Продолжительность жизни у разных клеток своя – от нескольких часов до нескольких лет. Ежедневно человеческий организм теряет их около миллиарда. Но благодаря стволовым клеткам, которые образуются в спинном мозге, наш клеточный материал постоянно возобновляется. К сожалению, в пожилом возрасте запас стволовых клеток практически исчерпывается.

Клетка заполнена цитоплазмой и триллионами различных молекул и отделена от внешнего мира мембраной. Снаружи через неё проникают питательные вещества и отфильтровываются вредные примеси, а изнутри выпускаются молекулы отходов.

Клетки являются строительным материалом для структур, обеспечивающих цепочки биохимических реакций.

Все живые организмы разделены на два вида. Первый из них, прокариоты, состоят всего из одной клетки, которая не имеет внутреннего ядра. Многоклеточные организмы называются эукариотами. Мы относимся именно к ним.

Есть ещё особая разновидность клеток – археи. Это самые древние клетки, предшественники прокариот и эукариот. У архей нет ядра, но есть собственный, присущий только им генетический материал.

Главная внутренняя часть клетки эукариот – ядро. Оно содержит хромосомы и несёт в себе программу развития клетки. У каждого человека 23 пары хромосом.

Ядро является своеобразным координационным центром управления и включает в себя молекулы ДНК, на которых записана вся генетическая информация организма.

Внутри клеточного мира происходит зарождение новой жизни. Половое размножение – уникальное изобретение Природы, один из самых сложных процессов на планете. Тайна наследственности раскрылась учёным, когда они выяснили, что представляют собой митоз и мейоз.

Митозом называется процесс деления клеток. 90% времени своей жизни клетка посвящает приготовлению веществ, необходимых для копирования. В это время все 23 пары наших хромосом вытянуты и распределены по ядру клетки.

Когда процесс деления стартует, хромосомы образуют спирали, начинают двигаться в разных направлениях и напоминают вытянутую букву Х. Правильнее сказать, что в этот момент хромосомы состоят из двух одинаковых хроматид.

Постепенно оболочка ядра клетки расходится, хроматиды разделяются в стороны. Вокруг каждой из копий образуется новая ядерная мембрана. Спирали хромосом разворачиваются, и на месте одной появляются две клетки.

Особый вид редукционного деления, приводящий к образованию половых клеток, называется мейозом.

В начале этого процесса две отцовских и две материнских хроматиды начинают совместное сближение. Они формируют объект, напоминающий застёжку-молнию. Пока две удвоенные хромосомы располагаются вместе, отцовское вещество в хроматиде заменяется на материнское и наоборот. То есть, пары сопряжённых хроматид обмениваются генетическим материалом.

В отличии от митоза, при котором сохраняется число хромосом, получаемых дочерними клетками, при мейозе оно уменьшается вдвое. Если бы не происходило уменьшения числа хромосом, то в каждом следующем поколении при слиянии ядер яйцеклетки и сперматозоида число хромосом увеличивалось бы бесконечно. Природа предусмотрительно выступила в качестве регулятора.

В результате мейоза образуются четыре клетки с одиночными хромосомами, представляющими собой генетическую смесь двух хромосом клеток родителей. Так происходит акт сотворения живого, в результате которого через девять месяцев на Земле рождается новый человек.

Глава 26. Происхождение жизни на Земле

Земля сформировалась около 4.6 млрд. лет назад. На раннем этапе эволюции Солнечной системы планеты земной группы постоянно сталкивались с кометами и метеоритами. Космос тогда существенно отличался от современного, и был переполнен многочисленными остатками вещества протопланетного диска.

Столь динамичную стадию развития Солнечной системы часто называют эпохой тяжёлой бомбардировки. Это был период непрерывной климатической катастрофы. Но именно благодаря описанному апокалипсису, мы существуем на Земле.

Бомбардировка кометами и метеоритами способствовала насыщению планеты органикой. По некоторым оценкам, таким путём на Землю выпадало до 100 млн. тонн органических молекул в год.

Кроме того, на планете оказалось огромное количество углерода, занесённого из космоса – не менее 1 000 000 000 000 000 тонн.

То есть, уже тогда, в столь древнюю эпоху, сформировались огромные запасы ключевых компонентов, необходимые для возникновения аминокислот, протеинов и нуклеинов – базовых «кирпичиков» жизни. Поэтому, можно смело утверждать, что появление жизни на Земле стало возможным благодаря космической бомбардировке.

Обстановка на планете стабилизировалась 3.9 млрд. лет назад. И как раз где-то в это время, согласно последним научным исследованиям, появилась первая жизнь.

В ту эпоху Земля была очень суровым местом. Практически полное отсутствие кислорода, плотная атмосфера, почти не пропускающая солнечного света, насыщенная едкими парами соляной и серной кислоты, кромешная темнота, озаряемая отдельными вспышками огромных молний – таким был тот древний мир. Согласитесь, в нашем привычном понимании на ранней Земле сложились весьма специфические условия для зарождения живого организма. Тем не менее, именно так и случилось.

По всей видимости, до появления жизни на планете должна возникнуть хоть какая-то химическая активность. Чтобы процесс стартовал, необходимо единовременное совпадение, по меньшей мере, пяти факторов:

1.Наличие подходящего растворителя, в котором могут происходить химические реакции. Это обязательно должна быть жидкость, лучше всего – вода.

2.Наличие химических элементов – базовых «кирпичиков» жизни. Как минимум, шести – углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора.

3.Наличие источника энергии. Здесь вариантов больше. Теоретически источником энергии может быть солнечный свет, разряд молнии, ультрафиолетовое излучение, перепад температуры, радиация, вулканизм.

4.Комфортная температура. Для появления жизни нашего типа должно быть не слишком холодно и не слишком жарко.

5.Запас времени. Вопрос неоднозначный, потому что трудно понять, что такое быстро, а что такое долго в космологическом масштабе. Но, вероятно, для зарождения жизни необходимо минимум сто миллионов лет.

Сегодня считается, что как только на Земле заплескался первый крупный водоём, указанные выше требования реализовались чуть ли не автоматически. В принципе, это действительно так. Первобытный океан представлял собой некое подобие крепкого бульона, обогащённого азотом и насыщенного различными органическими соединениями.

Когда температура первичной атмосферы Земли упала ниже 100°С, и вода перешла из газообразного состояния в жидкое, на поверхность планеты пролились гигантские горячие ливни. Условия стали относительно приемлемыми. В достаточном количестве присутствовали водяной пар, метан, аммиак и водород. Молнии и ультрафиолетовое излучение служили необходимыми источниками энергии. Дефицита ингредиентов для создания жизни не было.

Сегодня точно доказано, что аминокислоты могут образовываться спонтанно естественным образом. Все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли появиться на ранней Земле в ходе естественных химических реакций.

Основная гипотеза происхождения жизни состоит в том, что органика образовалась из неорганической материи путём постепенного синтеза и отбора более сложных молекул из более простых. Впервые такой подход был предложен Александром Опариным²⁷ и Джоном Холдейном²⁸.

Мы точно знаем, что сложные молекулы действительно могут образовываться в результате естественных процессов, когда органические компоненты случайно контактируют друг с другом на протяжении длительного времени. На суше, в водоёмах и в атмосфере ранней Земли постоянно смешивались разнообразные вещества. Они непрерывно вступали друг с другом в химические реакции, образуя новые соединения. Постепенно возникали всё более сложные молекулы. В какой-то момент произошло качественное изменение – система достигла стадии жизни, то есть автономности, самовоспроизводства и извлечения энергии из окружающей среды.

В принципе современные знания подтверждают эту теорию.

Например, на океаническом дне исследователи обнаружили места, где из недр земли фонтанируют горячие вулканические источники, обогащённые серой и железом. Они известны как «чёрные курильщики». Могли ли подобные источники энергии породить жизнь на Земле?

Теоретически, да.

Вблизи «чёрных курильщиков» осаждается серный колчедан, поверхность которого является электрически положительно заряженной. Отрицательно заряженные органические молекулы притягиваются к подобным кристаллам самым естественным образом. Получается своеобразный прообраз клетки: минеральное ядро с органической оболочкой и обменом веществ. Подобные «серно-железные протоклетки» даже смогли вырастить в лаборатории.

Проблема в том, что совершенно непонятно, как они научились размножаться. Можно предположить, что протоклетки испытывали внутреннее давление от содержавшихся в них растворов и, чтобы не порваться, вынуждены были отдавать часть накопленных ими соединений в автономное дочернее семечко. Идея очень здравая, поскольку напоминает известное биологам размножение почкованием.

Есть другой способ.

В подводных вулканических источниках могут происходить химические реакции с участием угарного газа и цианистого водорода, в результате которых из неорганических соединений могут образовываться органические молекулы. Катализатором реакций являются железо и никель.

Лабораторные опыты, имитирующие процесс, также были удачными. Можно утверждать, что наука практически доказала, что геотермальные источники могли быть эффективными производителями разнообразных органических соединений, включая аминокислоты. Ионный состав таких водоёмов хорошо подходит для зарождения жизни.

Вроде бы всё сходится, но наш опыт подсказывает, что совершенно недостаточно положить в чан с подходящей жидкостью кости, мясо, шерсть и ждать сто миллионов лет появления барана. Так можно прождать вечность.

Если все предположения, о которых я рассказал, верны, всё равно по астрономическим понятиям жизнь возникла «неприлично» рано, практически сразу, как только появилась такая возможность.

Если всё так просто и для зарождения живого необходимо соблюсти лишь пять базовых условий, то окружающая нас Вселенная должна фонтанировать разнообразием жизненных структур. Жизнь должна быть везде, причём часто проявляться в весьма экзотических формах. Но почему-то её нет нигде, кроме Земли.

Будь всё настолько типично, то возникновение жизни должно быть не особым, а, наоборот, неизбежным событием в любом подходящем месте. А относительно подходящих мест около десятка только в одной Солнечной системе. Где же внеземная жизнь, пускай хоть самая примитивная?

Мы никак не можем её обнаружить, хотя современные астрономические приборы и межпланетные аппараты поражают своими фантастическими возможностями заглядывать в самые глубины космоса и исследовать чужие миры.

Более того, все современные научные данные буквально вопиют о том, что жизнь, особенно разумная, если не уникальное, то чрезвычайно редкое явление.

Предположим, что Солнечная система в силу каких-то странных обстоятельств – просто по факту неблагоприятное для жизни место. Этим можно объяснить, почему в окрестностях нашей звезды жизнь наблюдается исключительно на Земле. Но в Млечном Пути сотни миллиардов «солнц». А во Вселенной сотни миллиардов «млечных путей». И нигде нет никаких признаков жизни. Полная тишина и полная пустота. Так, может быть, существует какая-то более глубинная причина повсеместного отсутствия малейших признаков живого?

Наиболее распространённое объяснение этого печального факта таково.