Наши представления о жизни меняются.
Животные рождаются, размножаются и умирают. Растения растут и цветут в вегетационный период. Даже крошечные создания — невидимые одноклеточные микробы, способны размножаться в подходящих условиях и заполнить все доступное им жизненное пространство. У неодушевленных предметов нет этих способностей. Раньше считали, что неживой предмет может ожить, если получит «жизненную силу» — vis vitae, а в момент смерти эта сила должна покидать его. Теория «витализма» была широко распространена несколько столетий. Потребовалось сделать множество открытий, прежде чем от нее отказались и стали рассматривать жизнь как особый физико-химический процесс. Разносторонний естествоиспытатель Роберт Гук (см. главы 8 и 10, рис. 28.1) увидел в свой микроскоп клетки растений в 1665 году и впервые для их описания использовал слово «клетка». С того момента до начала полноценных исследований клетки прошло много времени. Шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) заметил в 1831 году темный объект внутри клетки. Это было ядро.
Рис. 28.1. Микроскоп Роберта Гука; рисунок из его книги «Микрография». Он автор термина «клетка».
Отцами теории клетки считаются немцы Маттиас Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882). Шлейден изучал право и стал адвокатом. Позже он заинтересовался биологией и в 1838 году выдвинул идею, что рост и развитие живых существ обусловлены рождением клеток. Он предугадал, что клетки растут вокруг ядер. В том же году Шванн предположил, что растения и животные обла-дают одной и той же основной единицей — клеткой. Таким образом, он разрушил барьер между миром растений и миром животных. Более поздние исследования показали, что основными частями клетки являются цитоплазма (род жидкости), ядро и огромное количество маленьких органелл.
Немец Оскар Гертвиг в 1876 году описал процесс оплодотворения как слияние сперматозоида с яйцеклеткой. В 1882 году (в этом десятилетии астрономы начали фотографировать туманности) Вальтер Флемминг продемонстрировал первые фотографии деления клетки и ее ядра. После этого клетку стали считать «атомом» жизни — не только структурной, но и операционной единицей. Особо выделенной оказалась роль ядра.
Основные структуры и функции живого.
Жизнь на Земле очень разнообразна: она охватывает диапазон от гигантских секвой и китов до одноклеточных бактерий и от активно самовоспроизводящихся клеток до неподвижных или даже спящих стадий. Но при всем этом разнообразии формы земной жизни имеют в своей основе очень схожие химические структуры и реакции, управляющие их функциями. Клеточные функции даже простейших созданий чрезвычайно сложны и включают в себя множество химических реакций. Мы опишем только те особенности жизни, которые присущи всем ее формам, то есть основные признаки земной жизни. Единообразие этих особенностей указывает, что у них было общее происхождение — последний всеобщий предок (Last Universal Common Ancestor, LUCA) всех форм жизни.
Основная единица жизни — клетка (рис. 28.2). У нее могут быть разные формы, но в большинстве случаев она микроскопическая. Клетку можно рассматривать как мельчайшую фабрику, где постоянно происходит множество сложнейших действий. Клетка окружена полупроницаемой мембраной с «воротами» и «насосами», через которые снаружи в нее поступают питательные вещества и прочие молекулы. Эта мембрана работает и в обратную сторону, выпуская наружу молекулы отходов.
Внутренности клетки заполнены водным раствором — цитоплазмой и множеством различных макромолекул (крупные молекулы, которые фактически заполняют все пространство). В простейших клетках объем, огороженный мембраной, представляет собой единую ячейку.
Рис. 28.2. Два типа клеток. (а) Эукариотическая клетка (содержащая ядро); (б) прокариотическая клетка (без ядра).
У более развитых видов клетка имеет отдельный координационный центр — ядро. Те одноклеточные организмы, у которых нет ядра, называются прокариотами, а те, у которых есть ядро, — эукариотами. Прокариоты делятся на бактерии и археи. Археи (они часто процветают в экстремальных условиях, например при высокой температуре) до 1970-х годов не рассматривались отдельно от бактерий.
К эукариотам относятся многие одноклеточные животные и растения, а также многоклеточные существа (как мы с вами), состоящие из систем клеток. Вместе эукариоты, бактерии и археи образуют три известных домена жизни.
Химия жизни.
Белки — основная рабочая сила и структурный материал клетки. Они имеют различную форму и размер, и каждый из них выполняет в клетке свою задачу.
Некоторые белки формируют основные клеточные структуры, такие как нитевидный цитоскелет — каркас клетки, а также компоненты клеточных стенок и разнообразные «ворота» и «насосы» в клеточной мембране.
Другой важнейшей функцией различных белков является их работа в качестве химических сигналов и регуляция работы других белков. Например, экспрессия каждой единицы наследованной информации (гена) осуществляется через посредничество и под управлением многих других белков, так же как и активация или инактивация продуктов генов.
Среди важнейших задач белков — их работа в качестве ферментативных катализаторов. Эти катализаторы участвуют во всех биохимических реакциях, связывая вступающие в реакцию молекулы (субстраты) и удерживая их вместе в оптимальном положении, так чтобы они могли реагировать легко и эффективно. Присутствие ферментативных катализаторов может повысить скорость реакции на много порядков и заставить реакции протекать эффективно в умеренных условиях и при низкой концентрации вступающих в реакцию веществ, субстратов. Ферменты заботятся также о том, чтобы происходили правильные реакции и тормозились неправильные. Эти катализаторы действительно главные «помощники», необходимые для того, чтобы в клетке протекали биохимические реакции, большая часть которых просто остановилась бы при отсутствии ферментов (рис. 28.3). Пытаясь представить себе самые ранние формы жизни, мы сталкиваемся с проблемой: как они могли осуществлять любую из необходимых для своего размножения и выживания функций, если еще не были способны производить необходимые для этого ферменты?
Живой клетке требуется множество разных белков для осуществления всевозможных структурных, регуляторных и каталитических функций. Человеческая клетка производит более 40 000 разных белков, причем многие из них могут существовать в различных формах (например, активной и неактивной). Но откуда берутся или как производятся белки?
