Скрытые связи - Капра Фритьоф

С экологической точки зрения простейшими из бактерий являются предки сине-зеленых водорослей цианобактерии, которые также отличаются почтенным возрастом: их химические следы обнаруживаются в древнейших окаменелостях. Некоторые из этих сине-зеленых бактерий способны строить свои органические компоненты исключительно из углекислоты, воды, азота и чисто минеральных веществ. Интересно, что их удивительная экологическая простота, как оказывается, требует некоторой внутренней биохимической сложности.

Связь между внутренней и экологической простотой пока что весьма мало изучена — отчасти потому, что большинство биологов не привыкли смотреть на вещи под экологическим углом зрения. Как разъясняет Моровиц:

Устойчивая жизнедеятельность — это свойство экосистемы, а не отдельного организма или вида. Традиционная биология привыкла ограничиваться рассмотрением отдельных организмов, а не биологического континуума, поэтому происхождение жизни видится ей уникальным событием, в котором некий организм возникает из окружающей его среды. Напротив, экологически сбалансированный подход предполагает изучение протоэкологических циклов и соответствующих химических систем, которые должны были развиваться и устойчиво существовать одновременно с возникновением объектов, сходных с биологическими организмами |7].

Ни один организм не способен существовать в изоляции. Животные в своих энергетических потребностях зависят от фотосинтеза растений; растения зависят от производимой животными углекислоты, равно как и от азота, связываемого почвенными бактериями. Взятые же вместе, растения, животные и микроорганизмы регулируют биосферу в целом и поддерживают условия, благоприятные для жизни. Согласно выдвинутой Джеймсом Лавлоком и Линн Маргулис [8] теории Геи, эволюция первых живых организмов шла рука об руку с превращением поверхности планеты из неорганической среды в саморегулирующуюся биосферу [11]. «В этом смысле, — пишет Гарольд Моровиц, — жизнь есть свойство скорее планет, нежели отдельных организмов» [9].

Давайте теперь вернемся к вопросу «Что есть жизнь?» и спросим: как работает бактериальная клетка? Каковы ее определяющие характеристики? Взглянув на клетку в электронный микроскоп, мы заметим, что в ее метаболических процессах принимают участие особые макромолекулы — громадные образования, представляющие собой длинные цепи из сотен атомов. Во всех клетках обнаруживаются два рода таких макромолекул — белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК [12]).

В бактериальной клетке имеется два основных типа белков — ферменты, действующие как катализаторы различных метаболических процессов, и структурные белки, являющиеся ее строительным материалом. В клетках высших организмов имеется также множество других типов белков, выполняющих специальные функции, — например, антитела иммунной системы и гормоны.

Поскольку большинство метаболических процессов катализируются ферментами, а выработка ферментов определяется генами, клеточные процессы являются генетически управляемыми, что придает им чрезвычайную устойчивость. Молекулы РНК служат «посыльными», перенося от ДНК необходимую для синтеза ферментов информацию и устанавливая тем самым ключевую связь между генетическими и метаболическими характеристиками клетки.

ДНК также ответственна за самовоспроизводство клетки, представляющее собой важнейшее свойство живого организма. Не будь этого свойства, любые случайно возникшие структуры, погибнув, исчезли бы с лица земли и жизнь не смогла бы развиться. Эта ключевая роль ДНК наводит на мысль, что ее следовало бы считать единственной определяющей характеристикой живого. Нельзя ли просто сказать: «Живые системы — это химические системы, которые содержат ДНК»?

Дело, однако, в том, что ДНК содержится и в мертвых клетках. Ее молекулы способны сохраняться сотни и даже тысячи лет после смерти организма. Впечатляющим примером здесь может послужить сделанное несколько лет назад сообщение немецких ученых, которым удалось определить точную последовательность генов в ДНК, извлеченной из черепа неандертальца — костей, которые мертвы уже более 100 тысяч лет [10]! Таким образом, самого по себе наличия ДНК для определения жизни недостаточно. Нам также не обойтись без описания метаболических процессов клетки — иначе говоря, способов взаимодействия макромолекул. По словам специализирующегося на молекулярной эволюции и происхождении жизни биохимика Пьера Луиджи Луизи, эти два подхода — «аминокислотный» и «клеточный» — представляют собой два основных философских и экспериментальных направления в современной науке о живом [11].

Давайте теперь взглянем на клетку как на некую целостную систему. Прежде всего, клетка характеризуется наличием границы (клеточной мембраны), отделяющей собственно систему от окружающей ее среды. В области, очерченной этой границей, происходят сложные химические реакции (клеточный метаболизм), при помощи которых система обеспечивает собственную жизнедеятельность.

Большинство клеток кроме мембран имеют также и жесткую клеточную стенку, или оболочку. Это характерно для многих разновидностей клеток, но только мембраны могут считаться универсальной отличительной чертой клеточной жизни. С самого своего зарождения жизнь на Земле была связана с водой. Бактерии движутся в воде, и метаболизм внутри их мембранных оболочек также происходит в водной среде. В таких условиях клетка не может сохраняться как отдельная сущность без физического барьера, препятствующего свободной диффузии. Существование мембран, таким образом, — необходимое условие жизни клетки. Они не только универсальная черта живого; они также проявляют неизменность организационной модели во всем живом мире.

Ниже мы увидим, что особенности ее молекулярного строения содержат важные сведения о происхождении жизни [12].

Мембрана и клеточная стенка — далеко не одно и то же. В то время как последняя представляет собой жесткую структуру, мембрана всегда активна, постоянно открывается и закрывается, впуская одни вещества внутрь и выпуская другие наружу. В метаболических реакциях клетки участвует множество различных ионов [13], и мембрана, будучи полупроницаемой, контролирует и поддерживает должное их соотношение. Другая важнейшая роль мембраны состоит в постоянном откачивании избыточного кальция и поддержании таким образом необходимой для клеточного метаболизма строго определенной и очень низкой концентрации этого элемента. Вся эта деятельность направлена на то, чтобы сохранить клетку как отдельную сущность и защитить ее от вредных воздействий извне. Собственно говоря, первое, что делает бактерия, подвергшись атаке со стороны другого организма, — это выстраивает мембраны [13].

Все ядерные клетки, и даже большинство бактерий, обладают также внутренними мембранами. В учебниках растительную или животную клетку обычно изображают в виде большого диска, окруженного клеточной мембраной, внутри которого присутствуют диски меньшего размера (органеллы), каждый из которых в свою очередь окружен мембраной [14]. В действительности эта картина не совсем точна. В клетке нет отдельных мембран; в ней имеется единая взаимосвязанная мембранная структура. Эта так называемая «эндомембранная система» все время находится в движении, обволакивая собой все органеллы и располагаясь вдоль клеточной стенки. Это движущаяся «конвейерная лента», которая постоянно формируется, разрушается и формируется вновь [15].

Посредством своей многообразной деятельности мембрана регулирует молекулярный состав клетки и тем самым поддерживает ее индивидуальность. Здесь можно провести интересную параллель с современными иммунологическими представлениями. Некоторые иммунологи считают, что ключевая роль иммунной системы состоит в регулировании молекулярного состава организма как целого для поддержания его «молекулярного своеобразия» [16]. На клеточном уровне ту же роль играет мембрана. Регулируя молекулярный состав клетки, она сохраняет ее своеобразие.