Молекулы жизни

В предыдущих главах мы пытались выяснить строение вещества. Мы изучали атомы, ядра и различные комбинации атомов в молекулы. Условия на Земле таковы, что большинство атомов находится в характерных для каждого атома низших квантовых состояниях и соединяется в молекулы. Поэтому мы и находим на Земле так много веществ с точно определенными свойствами: минералы, металлы, вода, воздух и т. д. Но таких условий нет на поверхности Солнца. Там температуры столь высоки, что молекулы не могут существовать. Они будут немедленно разорваны на атомы. Поэтому мы должны ожидать, что на Солнце есть только элементы и нет молекул и что все находится в виде горячих паров. Среда, окружающая нас на Земле, к счастью, значительно более разнообразна, так как мы живем среди самых различных веществ, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Природные материалы и химические вещества инертны и неактивны. Они изменяют свою форму и химический состав только под влиянием внешних причин: воздух движется в результате нагревания Солнцем, вода — под действием ветра или силы тяжести, твердые тела — под влиянием механических или химических воздействий, таких, как ветер и непогода, химические процессы инициируются нагреванием и охлаждением, вызванным Солнцем и атмосферными факторами, а также потоком тепла из земных недр. В качестве примера укажем на ущелье, покрытое валунами, по которому течет река (рис. 51).

Рис. 51. Покрытое валунами ущелье, по которому течет речка.

В ложе ущелья встречаются куски породы самых разных размеров — от малых зерен до больших валунов; форма их зависит от того, что с ними происходило, пока их нес поток с какой-нибудь разрушающейся горы. Каждый валун состоит из маленьких кристалликов, строение и твердость которых определяются свойствами двуокиси кремния — вещества, из которого состоит большинство горных пород. На поверхности кусков породы видны следы химических реакций с кислородом воздуха, с водой потока или с дождевой водой. Однако при всем разнообразии объектов, при всех свидетельствах изменений, смещений вверх и вниз, непрерывных химических воздействий именно покой есть то свойство открывающейся нам картины, которое производит на нас наибольшее впечатление. Ничто не движется, кроме журчащей воды, когда-то поднятой в атмосферу в результате испарения и теперь гонимой вниз в зеленую долину под действием силы тяжести. Порыв ветра может переместить крупинки песка или перекатить с места на место несколько камушков, но это чисто механическое движение, которое не затрагивает внутреннюю структуру материи.

Однако на Земле существует и нечто другое, что вызывает изменение и движение и представляет совсем иную форму проявления материи. Куда мы ни посмотрим, мы везде увидим жизнь. Явления жизни никак не укладываются в те рамки, в которых может существовать обычное вещество, состоящее из атомов и молекул. Живая материя не инертна и не пассивна. Она растет, размножается, движется по земле, в воде и в воздухе, ее активность, по-видимому, предопределяется внутренними, а не внешними причинами. Живые объекты обладают характерными формами, сильно отличающимися от форм всех объектов, состоящих из обычной материи. Формы и размеры живых объектов воспроизводятся и повторяются и очень мало зависят от случайных условий в окружающей их среде. Существует очевидная единица живой материи — отдельный организм. Имеет вполне определенный смысл говорить о 1000 бактерий, о 1000 розовых кустов, о 1000 львов; эти единицы значительно крупнее естественных единиц материи — молекул.

Химический анализ показал, и в этом нет ни тени сомнения, что живые объекты состоят из тех же атомов, что и неживые. В самом деле, живая материя состоит в основном из четырех элементов: углерода, кислорода, водорода и азота; она содержит также и следы других элементов: железа, фосфора и магния, Нет ни малейших указаний на то, что в живой материи присутствует какое-либо специфическое вещество или что в ней иные законы взаимодействия между атомами.

Таким образом, явления жизни должны быть результатом обычных взаимодействий между атомами и молекулами, конечно, весьма специфическими молекулами, которые отличаются своим сложным строением от молекул неживого.

Сейчас мы еще очень далеки от того, чтобы полностью понимать, как взаимодействие этих молекул может порождать жизнь. Однако в последние два десятилетия биологи выполнили столько новых исследований молекулярного строения живых систем, что мы и сейчас уже можем составить представление о том, что происходит в живом веществе. Современные успехи, достигнутые в понимании жизни, следует считать одним из крупнейших достижений науки, сравнимых с работами Ньютона и Максвелла и с тем, что дала квантовая механика. Живые структуры имеют для нас особый интерес не только потому, что наш организм состоит из живой материи, но и потому, что иные формы жизни составляют наиболее существенную часть окружающей нас среды.

Жизнь существует во многих формах. Рассмотрим сначала простую форму жизни — бактерию (фото VI).

Она имеет в длину около 25 стотысячных сантиметра, вытянута наподобие сосиски и состоит из оболочки со студнеобразным содержимым. Такая единица называется «клеткой». Для того чтобы понять существенные черты живого объекта, сравним его с неживым объектом примерно той же формы, например с пластмассовой оболочкой в форме колбаски, наполненной каким-то студнеобразным веществом, вроде желатина или жира. Стенки и содержимое такого макета должны быть однородными; они должны состоять из множества тождественных молекул одного сорта. Молекулы пластмассы образуют оболочку, молекулы желатина или жира — содержимое макета. Однако в клетке ситуация значительно сложнее, а дифференциация несравненно шире. Единицы, из которых построено вещество клетки, представляют собой сложные комбинации целого ряда молекул, так называемые макромолекулы. В одной клетке содержится не один и не два сорта таких макромолекул, а не менее пяти тысяч, причем каждый сорт имеет свою строго определенную специфическую структуру.

Но эта сложность еще не составляет основного различия между живым и неживым. Поместим оба объекта — пластмассовый мешочек с жиром или желатином и настоящую бактерию — в так называемый питательный раствор, т. е. в раствор сахара, фосфата и аммиака. Пластмассовый мешочек изменится очень незначительно. Немного содержимого мешочка может просочиться сквозь оболочку наружу, а немного раствора может попасть внутрь. Бактериальная же клетка изменится весьма сильно: она будет расти, внутри оболочки образуется больше макромолекул. Молекулы раствора просочатся в клетку сквозь ее оболочку, там они разложатся, и составляющие их атомы перестроятся в новые макромолекулы. Если этот процесс продолжится еще некоторое время, произойдут еще более странные вещи. Клетка разделится на две части, и каждая часть начнет расти сама по себе. В конце концов, когда израсходуется весь питательный материал, все сравнительно простые его молекулы — сахар, фосфат, аммиак — превратятся в сложные макромолекулы клеток. Это и есть процесс жизни.

В основном в клетке содержатся макромолекулы двух сортов — белки и нуклеиновые кислоты. Большая часть клетки состоит из белков; нуклеиновых кислот в ней значительно меньше, но они играют чрезвычайно важную роль.

Начнем с описания белков. Это большие единицы, макромолекулы, построенные из молекул аминокислот того же типа, что и описанные в гл. VI. Аминокислоты нанизаны, как бусины на струну, одна за другой; они как бы выстроились по прямой в ряд; число таких бусинок часто достигает 1000. Здесь мы встречаемся с типичным свойством жизни макромолекул. Они представляют собой цепи из более мелких единиц, расположенных во вполне определенном порядке, — длинные цепи, в которых одна молекула следует за другой.

Порядок чередования этих единиц очень важен. В белках мы находим 20 видов аминокислот. Они имеют свои названия, например глицин, аланин и т. д., но мы будем называть их просто буквами алфавита: а, 6, с и т. д.; всего нам понадобится 20 букв. Теперь мы можем описать белок, перечислив его аминокислоты в том порядке, в каком они расположены (рис. 52).

Рис. 52. Строение белка. а — упрощенная схема различных аминокислот; крючки с одной стороны символизируют карбоксильную группу, крючки с другой — аминогруппу; крючки зацепляются друг за друга и связывают аминокислоты; б — цепь аминокислот; в и г — эти цепи изображены линиями; в — волокнистый, или фибриллярный, белок; его цепи свиваются наподобие волокон веревки; г — глобулярный белок, его цепи свернуты в клубок.

Любое расположение букв, например с, f, m,u, a, d и т. д., определит некий белок. Для описания очень больших молекул белка понадобятся тысячи букв. Имеется бесчисленное множество способов расположения 20 различных видов аминокислот в ряд из 1000 членов. Каждому расположению соответствует один определенный белок. Мы можем получить представление о том, насколько велико число возможных белков, если напомним, что 1000 букв занимает около двух третей книжной страницы. Каждый способ заполнения этих страниц буквами, независимо от того, образуют ли они осмысленные и бессмысленные слова, отвечает другому белку.

Белки, находимые в живой материи, — это лишь малая часть всех возможных белков. Они содержат только «осмысленные» комбинации аминокислот, используемые в структуре и химии клетки. Они отвечают тексту, состоящему из содержательных фраз. Но все же число возможных белков огромно. Например, белки, входящие в состав кожи человека, различны у каждого индивидуума. Поэтому нельзя пересаживать кожу от одного человека другому, кроме тех случаев, когда они однояйцевые близнецы.

Бактериальная клетка — одна из простейших живых единиц, и поэтому она содержит значительно меньшее число белков. В ней «только» 5000 различных видов белков. Они во многих отношениях различны. Одни из них негибки и похожи на волокна; они служат материалом для клеточной стенки, для внутренних мембран и перегородок (эти белки похожи по своему строению на белки кожи человека). Другие белки гибки настолько, что длинные аминокислотные цепи спутаны в клубки. Они называются глобулярными белками и способны перемещаться; из них состоит почти все студнеобразное содержимое клетки.

Глобулярные белки химически активны; как мы увидим далее, они могут участвовать в химических реакциях, нужных для процесса роста. Для таких специальных целей нужны сложнейшие механизмы, вот почему некоторые белки являются такими сложными комбинациями молекул.

Перейдем теперь к макромолекулам второго типа — к нуклеиновым кислотам. Они представляют только малую, но, как мы увидим, наиболее существенную часть клетки. Важнейшая нуклеиновая кислота — это дезоксирибонуклеиновая, сокращенно ДНК (фото VII).

ДНК также представляет собой линейную последовательность отдельных единиц, расположенных одна за другой. Но эти единицы уже не аминокислоты, а молекулы, называемые нуклеотидами. Существует только четыре сорта таких молекул: цитозин, гуанин, тимин и аденин. Здесь нас не интересуют детали их строения; они содержат атомы углерода, азота, кислорода и фосфора. Назовем их просто Ц, Г, Т и А. Элементы, или единицы, цепи, образующие макромолекулу ДНК, на самом деле несколько сложнее. Это пары нуклеотидов. Звеньями такой цепи служат пары Ц с Г и А с Г.

Из-за расположения пар нуклеотидов лучше, быть может, описывать нуклеиновые кислоты как лестницы, а не как цепи (рис. 53).

Рис. 53. Схематическое изображение молекулы ДНК. а — четыре звена ее цепи; б — лестница без скручивания; е — истинная форма скрученной винтовой лестницы.

Каждая ступенька лестницы — это одна из пар. Небезразлично, какой из нуклеотидов пары находится с правой и какой с левой стороны ступеньки. Поэтому существует четыре сорта ступенек: ЦГ, ГЦ, ТА и АТ; они следуют друг за другом во вполне определенном порядке, характеризующем дезоксирибонуклеиновую лестницу. Кроме того, эта лестница закручена в спираль, так что вся молекула выглядит, как винтовая лестница, в которой каждой ступенькой является пара нуклеотидов. В живых клетках эти молекулы имеют огромную длину — они содержат от десяти до ста миллионов пар нуклеотидов в ряд. В клетке спирали все свиты в плотный клубок. Размотав клубок, мы увидим, что в бактериальной клетке полная длина винтовой лестницы достигает сантиметра, а в клетках человеческого тела — нескольких метров (фото VIII).

Здесь надо остановиться и подумать. Мы встретились с молекулярной структурой длиной в несколько сантиметров или метров, т. е. с объектом макроскопического размера, столь же большим, как и предметы на нашем письменном столе. А ведь это одна-единственная молекула. Конечно, она столь длинна, так как состоит из огромного числа нуклеотидов; каждая пара нуклеотидов очень мала, так же мала, как и обычная неживая молекула, длину которой мы считаем примерно равной 10-7 Но если выстроить в ряд 10 или 100 миллионов таких пар, то мы получим уже макроскопические размеры.

Есть известный смысл в том, что поддержание жизни требует столь длинных молекул. Мы покажем это в дальнейшем более подробно. Пока же удовлетворимся тем, что подчеркнем колоссальное число различных возможных вариантов расположения молекул в ДНК. Мы уже видели, каким огромным числом способов можно построить белковую цепь из 1000 бусинок (аминокислот), если имеется 20 типов бусинок.

В случае ДНК мы имеем только 4 типа звеньев, но всего их может быть 10—100 миллионов! Важно понять, что ограничение числа типов до 4 (вместо 20 у белков) уменьшает число возможных расположений, но не очень сильно. Это уменьшение с избытком перекрывается значительно большим числом звеньев. Вместо 20 букв мы теперь имеем только 4. Но можно записать текст, пользуясь только двумя буквами, как, например, в азбуке Морзе, где применяются только тире и точки. Конечно, для этого требуется в среднем по три или четыре знака на букву, и, следовательно 1000 сигналов будет отвечать только одной пятой части страницы. Однако в молекуле ДНК (помимо того, что имеются четыре, а не два символа) содержится от 107 до 108 ступенек, в несколько тысяч раз больше, чем в белке, что соответствует книге в 1000 или в 10 000 страниц. Поэтому число возможных способов построения молекулы ДНК так же велико, как и число возможных расположений букв (в осмысленном и бессмысленном порядке) в книге, состоящей не менее чем из 10 000 страниц!

Мы скоро увидим, что это разнообразие связано с разнообразием жизни, что расположение четырех типов пар в молекуле ДНК и есть та книга, которая говорит клетке, что ей делать и как развиваться. Остается только узнать, как прочесть эту книгу.

 

Химический процесс жизни

Вернемся теперь к тому, что мы назвали процессом жизни, — к росту бактериальной клетки и ее делению на две новые при погружении в питательный раствор сахара, фосфата и аммиака: Этот процесс наиболее интересен и загадочен.

Молекулы сахара и аммиака очень просты. Поэтому в бактериальной клетке должен существовать механизм, способный выполнять два процесса: во-первых, строить 20 видов аминокислот и 4 нуклеотида из сахара и аммиака и, во-вторых (этот второй этап значительно труднее), соединять аминокислоты в правильном порядке, обеспечивающем образование тысяч различных белков и точное повторение нуклеиновых кислот в процессе деления.

Первое задание — производство «бусинок» — выполняют, как мы уже упоминали, некоторые белки клетки. Эти белки обладают способностью разлагать молекулы питательного раствора после того, как они просочились сквозь оболочку, и переставлять образовавшиеся атомы так, чтобы они превратились в аминокислоты или нуклеотиды.

Второе задание — расположение бусинок в правильном порядке, обеспечивающем получение новых белков или новых нуклеиновых кислот, — выполняется при участии длинных цепей из нуклеиновых кислот.

Детали этого механизма известны не особенно хорошо. Он очень сложен и поэтому требует так много чрезвычайно сложных белков и нуклеиновых кислот. Основные принципы этого механизма были открыты только в последние два десятилетия. Мы попытаемся представить их в несколько упрощенном виде.

Для этого процесса необходимо одно — энергия. Когда образуются аминокислоты и когда они присоединяются друг к другу, нужна энергия, чтобы поставить их части на правильные места и связать их должным образом.

Рассмотрим процесс получения энергии. Молекулы сахара, находящиеся в питательном растворе, в который погружена бактерия, содержат энергию. Мы знаем, что при сжигании сахара может освободиться много энергии в виде тепла, если он превращается в углекислоту и воду. Но в данном случае тепловую энергию никак нельзя использовать, потому что она сводится к беспорядочному тепловому движению, которое нельзя применить для целеустремленного создания молекул. В гл. VI мы говорили, что специальным способом можно превратить энергию горения из тепла в энергетические квантовые состояния некоторых молекул. В клетке это осуществляют определенные специфические белки. Они способны притягивать молекулы сахара к своей поверхности. Здесь молекулу сахара вынуждают распасться на группы атомов, которые белки перестраивают так, чтобы получилась углекислота и вода. Этот процесс эквивалентен «горению». Что же происходит с энергией, освобождаемой при таком процессе? Белок притягивает к себе молекулы другого рода, которые держатся близ распадающегося сахара. Эти молекулы (всегда присутствующие в клетке) называются аденозинтрифосфатами или сокращенно АТФ. Они могут находиться в двух квантовых состояниях: одном с большей и другом с меньшей энергией — и поэтому служат хранилищами энергии, извлеченной из сахара. Как только сахар «сжигается» белком, молекулы АТФ переходят в высшее квантовое состояние. Если для молекулярного синтеза в клетке где-либо потребуется энергия, молекула АТФ направится туда и отдаст свою энергию, переходя обратно в состояние с более низкой энергией.

Носители энергии АТФ имеют еще одно преимущество. Они несут очень малые количества энергии. Энергия, освобождаемая при сгорании одной молекулы сахара, распределяется примерно между 40 молекулами АТФ. Энергия разменивается, так сказать, на мелкие монеты и легче распределяется между всеми нуждающимися в ней.

Теперь мы переходим к следующему вопросу: как молекулы и макромолекулы присоединяются друг к другу в клетке? Начнем с бусинок, образующих белковые цепи, т. е. с аминокислот. Все атомы, содержащиеся в аминокислотах, можно найти в питательном растворе; все они есть в молекулах солей, сахара и аммиака. Эти молекулы проникают в клетку через поры ее оболочки. Поэтому требуется только разложить простые молекулы питательного раствора и сложить их части так, чтобы образовались аминокислоты. Этот существенный шаг также осуществляют белки. Определенная группа специфических белков производит определенный тип аминокислоты, в результате чего получается весь набор требуемых аминокислот. Белки этой группы обладают свойством притягивать нужные молекулы питательных веществ и с помощью энергии, поставляемой АТФ, перетасовывать атомы до тех пор, пока из них не полупится должная аминокислота. Это получается следующим образом: когда белок встречает сахар и аммиак, атомы последних присоединяются к белку под известными углами. Эти углы таковы, что атомы, однажды присоединившись, вынуждены попадать в соответствующие места образующейся аминокислоты.

Есть и другие белки, которые таким же способом производят нуклеотиды из молекул питательной среды.

Все эти процессы иллюстрируют удивительные свойства белков. Последние могут осуществлять и направлять такие химические реакции, как перенос энергии от сгорающего сахара к АТФ или образование аминокислот и нуклеотидов. Белки, обладающие такой способностью, обычно называют ферментами. Они гораздо сложнее простых белков, которые не являются ферментами и служат только для создания определенной клеточной структуры и для регулировки потока веществ. Белки могут сами воспроизводить все свои компоненты, но они не способны соединять их. Белки делают буквы, но не могут складывать их в слова. Буквы есть, но где же автор, который составляет из них слова и предложения?

 

Генеральный план, управляющий жизнью

Теперь мы должны ответить на самый важный вопрос: как аминокислоты соединяются в белки? В этом этапе сосредоточены все секреты жизни бактерии, ибо, как мы уже видели, именно различные типы белков выполняют все важнейшие процессы в химической жизни клеток. Где же в клетке спрятан генеральный план построения каждого из многих тысяч белков, план, определяющий порядок чередования аминокислот вдоль ряда? Напомним, что каждый белок — это цепь примерно из 1000 аминокислот (иногда их больше, иногда меньше) и если мы приписываем каждой аминокислоте одну букву алфавита, то ряд аминокислот будет отвечать ряду из 1000 букв, занимающему около полустраницы нашей книги. Для того чтобы задать порядок аминокислот в 5000 белках потребуется несколько тысяч таких страниц. Где же находится эта информация в клетке? Надо только вспомнить, что макромолекулы нуклеиновых кислот несут в себе возможность передать содержание многих тысяч страниц книги. Такую информацию нам может дать порядок расположения четырех типов пар нуклеотидов вдоль витков спирали. Существует достаточно возможностей расположения ступеней в нуклеиновой кислоте длиной в несколько сантиметров для задания всех 5000 белков, входящих в состав бактерии.

Здесь сам собой возникает большой вопрос: каким же образом порядок нуклеотидов в нуклеиновой кислоте задает порядок аминокислот в белках? Как информация, заключенная в ступенях спирали, передается вновь образующимся белкам? Как может клетка «читать» эту книгу, насчитывающую много тысяч страниц, и следовать ее указаниям в процессах роста и деления?

Об этом немногое пока известно. Мы знаем только, что такая передача информации происходит. Очень упрощенно мы можем изобразить воспроизведение белков следующим образом. Определенная группа ступенек спиральной лестницы притягивает один сорт аминокислот, следующая группа — другой сорт и так далее. Ступеньки расположены так, что аминокислоты сами выстраиваются в том порядке, в котором, как предполагается, они должны находиться в белке. Белки образуются вдоль лестницы нуклеиновых кислот, которая достаточно длинна, чтобы на ней поместились все 5000 белков, необходимых бактерии. Это описание воспроизведения белков чрезвычайно упрощено. Мы знаем, что истинные процессы гораздо сложнее и что большинство их деталей еще неизвестно. Тем не менее нарисованная нами картина поможет читателю уяснить сущность того, что, по нашему мнению, является основными процессами в бактериальной клетке.

Подведем некоторые итоги. Клетка состоит из многих типов белков. Наиболее простые белки образуют оболочку и структурный остов клетки. Другие белки сжигают сахар и способствуют образованию несущих энергию молекул АТФ; наиболее сложные белки производят аминокислоты из веществ питательной среды. Клетка содержит также несколько крупных молекул нуклеиновых кислот, которые способны соединять аминокислоты в правильном порядке, что обеспечивает образование новых белков всех сортов, требуемых в процессе роста.

Когда клетка достигает определенных размеров, какие-то еще плохо известные факторы вызывают перегруппировку белков, и клетка делится на две одинаковые клетки меньших размеров. На этой стадии необходимо удвоить важные во всех отношениях нуклеиновые кислоты, так как все клетки нуждаются в определенном их наборе для дальнейшего роста. Удвоение такой длинной и строго упорядоченной молекулы — процесс нелегкий. Мы еще точно не знаем, как он происходит в природе, но можем представить себе возможный путь его осуществления. Вот простой механизм удвоения винтовой лестницы, воспроизводящей длинную молекулу ДНК.

Как мы помним, каждая ступенька лестницы это определенная пара нуклеотидов. При делении клетки лестница расщепляется в длину на две части в результате разрыва каждой ступеньки посередине (рис. 54).

Рис. 54. Воспроизведение ДНК. а — молекула ДНК, для ясности устранены спиральные витки; б — продольное расщепление ДНК; в — каждая половина ДНК «собирает» нужные нуклеотиды и образует новую полную молекулу ДНК, тождественную исходной.

Оба члена пары, составляющей ступеньку, просто разделяются, так что образуются две половинки лестницы. Вспомним теперь, что в это время клетка содержит свободно плавающие нуклеотиды, которые производятся особыми белками (ферментами). Поэтому каждая половинка ступеньки находит в клетке соответствующий нуклеотид и снова образует целую ступеньку. В результате этого процесса получаются две лестницы с точно одинаковым порядком ступенек; после деления каждая попадает в одну из вновь образовавшихся клеток.

Теперь мы получили некоторое представление о том, как растет и размножается клетка. Когда несколько бактерий помещены в питательный раствор, процессы жизни превращают простые, но богатые энергией молекулы растворов в более сложные молекулы все большего числа бактерий, и эти процессы продолжаются до тех пор, пока все питательные вещества не израсходуются. Такие процессы возможны только благодаря участию макромолекул ДНК, которые не только определяют схему построения белков, но и воспроизводятся при каждом делении клетки, так что «постройка» белков может идти все быстрее и быстрее.

 

Вирус и человек

До сих пор мы описывали строение бактерии и процесс ее развития. А что мы можем сказать о других формах жизни, от вируса до человека, включая сюда всех животных и все растения? Замечательно, что некоторые существенные черты одинаковы во всех проявлениях жизни, несмотря на огромное разнообразие ее форм и представителей.

Рассмотрим два противоположных конца этой шкалы — вирус (фото IX) и человека.

Вирус гораздо меньше бактерии. Он состоит из нуклеиновой кислоты, заключенной в оболочку, образованную простыми белками. В нем нет сложных белков, производящих аминокислоты, АТФ и нуклеотиды. Он в них не нуждается. Вирус ведет жизнь паразита. Он может жить и размножаться, только находясь в какой-нибудь другой клетке. Присоединяясь к оболочке клетки-хозяина, он впускает в клетку свои нуклеиновые кислоты и использует ее аминокислоты и нуклеотиды (а также ее энергетические ресурсы, т. е. АТФ) для собственного размножения и для построения своей новой оболочки. Он действует так быстро, что вскоре клетка заполняется вновь образующимися вирусами; тогда ее оболочка лопается, и сама она погибает (фото X).

Эти вирусы вызывают болезни. Они атакуют некоторые клетки нашего организма и убивают их, используя материал самих клеток для своего воспроизведения. Естественно, что нуклеиновая кислота вируса должна «знать» гораздо меньше нуклеиновой кислоты бактерии. Ей нужно лишь производить белки для своей оболочки и воспроизводиться. В других белках вирус не нуждается, потому что клетка-хозяин снабжает его всем остальным. Не удивительно, что у вируса нуклеиновая кислота гораздо короче, чем у бактерии. Винтовая лестница вируса имеет только 100 000 ступенек, что хорошо согласуется с нашим представлением о нуклеиновой кислоте как о носителе информации. Вирус — это простейшая единица живого, он обладает самой короткой цепью ДНК.

Перейдем теперь к наиболее сложному живому существу — человеку и сравним его с бактерией. Прежде всего, бактерия — это единственная клетка, а человек — совокупность колоссального множества самых различных клеток. Однако, несмотря на свое разнообразие, клетки человеческого тела во многих отношениях похожи на бактериальные. Они тоже состоят из белков — простых, имеющих форму волокна, в оболочке и структурных элементах, и сложных, глобулярных белков, обеспечивающих осуществление химических реакций. Они содержат молекулы АТФ, в которых запасена энергия. И наконец, каждая клетка содержит молекулы ДНК. Эти молекулы, как и следует ожидать, очень длинны, примерно в 100 раз длиннее бактериальной ДНК. Если распрямить винтовую лестницу ДНК, содержащуюся в теле человека, то ее длина составит около двух метров. Однако в действительности эти лестницы спутаны в клубки и занимают очень мало места в клетке. В них насчитывается несколько миллиардов ступенек! Огромное число их, конечно, связано с тем, что человек организован гораздо сложнее бактерии.

Хотя все клетки человека содержат одну и ту же ДНК, в других отношениях они весьма различны. Каждый тип клеток служит различным целям. Клетки кожи защищают тело, клетки желудка выделяют вещества, требуемые для пищеварения, клетки мышц способны сокращаться и производить физическую работу, клетки сетчатки в глазу чувствительны к свету, и, кроме того, есть и нервные клетки.

Нервная система — это, вероятно, важнейшая новая структура, образовавшаяся в процессе превращения бактерий в высшие формы. Нервы представляют собой длинные нити, состоящие из особых клеток, по которым, как по телефонным проводам, передаются сообщения из одного места в другое; но передача сообщения по нервам происходит медленнее и иным механизмом. Когда свет падает на сетчатку, раздражение передается мозгу, при возбуждении кожи оно передается в другие участки мозга. И наоборот, раздражение, возникающее в мозгу, передается по нервам к каждой мышце тела и вызывает ее сокращение. Сам мозг представляет собой сложный клубок колоссального множества нервных клеток, число которых достигает 10 миллиардов. Их расположение и связь между отдельными клетками пока непонятны. Но эта гигантская совокупность нервных клеток способна реагировать на раздражения, приходящие извне. Мы можем думать и чувствовать.

Между бактерией и человеком есть существенное биологическое различие. Когда бактерия растет и размножается, она производит все, что ей требуется, в одной-единственной клетке. При росте человеческого существа должны образовываться самые различные клетки: клетки кожи, мышц, костей, нервные клетки и т. д. Развитие каждой части организма должно происходить по своему генеральному плану.

Отсюда возникает наиболее важная и интересная проблема, которая все еще не решена. По нашим нынешним представлениям, каждая клетка содержит молекулу ДНК, обладающую всей информацией об организме; она способна производить все белки, из которых состоит этот организм. Но очевидно, что ни одна клетка не может сделать все белки. Откуда же клетка узнает, какая часть программы, заложенной в ДНК, относится к ее собственному росту? Как исключаются другие части программы и используются только те, которые нужны?

Рассмотрим проблему роста и развития индивидуума. Мы знаем, что в самом начале зародыш состоит из одной клетки, которая делится на несколько клеток, подобных друг другу. Однако вскоре возникает специализация, или дифференциация, клеток. Одни клетки, развиваясь, превращаются в позвоночник, другие — в конечности, третьи — в пищеварительный тракт, четвертые — в нервную систему. Хотя все они содержат ту же нуклеиновую кислоту, они развиваются по-разному. Как это происходит?

Мы отмечаем эту избирательную способность клеток, наблюдая заживление раны. Клетки, соседние с ней, каким-то образом «узнают», как расти и размножаться таким образом и в таком направлении, чтобы восстановилась первоначальная структура ткани. Производятся только такие белки, которые отвечают должному образцу и заставляют развиваться нужную структуру.

Очень возможно, что решение этой проблемы состоит в следующем. Нуклеиновая кислота молекулы устроена и расположена так, что эффективность разных ее участков зависит от окружающей среды. В начале развития зародыша эффективны только те участки ДНК, которые производят недифференцированные клетки. Затем присутствие вновь созданных белков так влияет на ДНК, что эффективными становятся другие ее участки и образуется ряд новых белков. Итак, мы видим, что на каждой стадии развития активными становятся разные участки ДНК. В каждой клетке организма человека работает только тот участок ДНК, который отвечает специфическим потребностям данной клетки. Остальные участки поддерживаются неактивными в результате особого химического воздействия окружающей среды; механизм этого воздействия пока очень мало нам известен. Опыты с различными зародышевыми клетками, например, показали, что при развитии клетки, расположенной там, где из нее должен был бы развиваться хвост, получится голова, если пересадить эту клетку в то место, где должна была бы развиться голова.

При образовании нового индивидуума порядок чередования нуклеотидов в ДНК не сохраняется в точности прежним. Цепь молекул в ДНК так велика, что небольшие отклонения в разных ее участках не приводят к фундаментальным изменениям в развитии индивидуума, могут возникать только небольшие модификации. Поэтому ни один индивидуум не тождествен другому. Вследствие полового размножения эти модификации смешиваются в каждом новом поколении. В основном дети подобны родителям, но отличаются от них в деталях. Их ДНК — это копия примерно половины ДНК отца и половины ДНК матери. В этом и заключается фундаментальное различие между живыми индивидуумами и атомами. Два атома одного сорта тождественны во всех отношениях — они полностью совпадают по всем своим свойствам. Но два живых существа одного вида никогда не бывают совершенно одинаковыми. Чрезвычайно длинная цепь ДНК дает много возможностей для видоизменений внутри данного вида, и именно это делает жизнь столь захватывающе интересной.

 

Источники питания

Откуда поступает материал, который образует организм человека и заставляет его расти? Для вируса эта задача решается очень просто. Он является паразитом, и его потомство развивается в клетке хозяина. Бактерия более независима; она образует свои аминокислоты и нуклеотиды при помощи специальных белков, но для этого ее нужно поместить в питательный раствор сахара и других веществ. Человек должен есть, чтобы жить и расти. Он ест ткани живых организмов, например овощи и мясо. В этом отношении человек и другие животные менее независимы, чем бактерия. Мы не могли бы жить, питаясь раствором сахара и аммиака, потому что клетки нашего организма не в состоянии синтезировать необходимые аминокислоты. В этом отношении мы паразиты. Мы должны получать наши аминокислоты и нуклеотиды из другого живого материала. Белки в нашей пище расщепляются в процессе пищеварения в аминокислоты, из которых они состоят. Клетки нашего организма используют их для создания белков, нужных для его роста и химической деятельности.

Что касается наших потребностей в энергии — для работы наших мышц и синтеза белков, — то здесь мы поступаем, как бактерии. В наших клетках тоже есть белки, которые могут использовать энергию, освобождаемую при «сгорании» сахара, и запасать ее малыми порциями в квантовых состояниях молекулы АТФ. Эти молекулы служат носителями энергии в организме человека; они поглощаются мышцами во время сокращения, когда производится работа, или клетками при синтезе новых белков.

Бактерии нуждаются в сахаре, мы нуждаемся в аминокислотах и сахаре. Откуда поступают все эти вещества? И мы, и все другие живые существа, включая бактерии, потребляем сахар, сжигая его в СO2 и воду. Мы потребляем и аминокислоты: после смерти наш организм разрушается, и содержащиеся в нем аминокислоты распадаются на углерод и другие простые вещества, из которых состоят аминокислоты. И молекулы сахара, и аминокислоты (и нуклеотиды) суть богатые энергией сочетания атомов, т. е. богатые энергией молекулы. Что же поставляет эти молекулы? Должны быть места, где синтезируется сахар, чтобы сделать возможной жизнь, и где создаются аминокислоты. Если бы таких мест не было, живые существа вскоре истощили бы все имеющиеся запасы.

Этот синтез происходит в растениях. Зеленый цвет растений обязан веществу, называемому хлорофиллом, который вместе с ДНК является важнейшей для существования жизни на Земле молекулой. Молекула хлорофилла не так велика, как молекула ДНК, но имеет сложное строение, благодаря которому она способна осуществлять свою важнейшую функцию. При воздействии солнечных лучей хлорофилл поглощает их энергию и восстанавливает, богатые энергией молекулы, такие, как сахар, из их «пепла», т. е. из углекислоты и воды. Солнечная энергия превращается в химическую.

Молекулы хлорофилла «работают» в клетках зеленых растений. Растение получает воду из почвы, двуокись углерода из воздуха и энергию от солнечных лучей, падающих на листья.

Сахар содержит меньше кислорода, чем СO2 и вода. Следовательно, в процессе образования сахара в виде побочного продукта получается кислород. Весь кислород атмосферы был произведен растениями, когда содержавшийся в них хлорофилл образовывал сахар. Мы не могли бы дышать, если бы растения не занимались непрерывно производством кислорода.

Молекулы хлорофилла всегда образуются при росте зеленых растений. Клетки растений подобны тем, которые мы здесь описывали, но они еще в большей степени независимы, чем бактерии. Они не только содержат белки, которые производят все необходимые аминокислоты, но создают и хлорофилл, который затем синтезирует сахар при помощи солнечного света. Таким образом, растения живут и развиваются, не нуждаясь в питательном растворе сахара и не «поедая» живой материи. Все, что им нужно, — это свет, двуокись углерода, вода и некоторые неорганические вещества, например аммиак, находящийся в почве. В этом отношении растения — идеальные живые системы. Действительно, растения — это единственная «производящая» живая материя; она сама производит при помощи света все необходимые ей материалы из простых неорганических веществ. Все другие формы жизни следует отнести к «разрушающим». Они нуждаются в богатых энергией веществах, производимых растениями, и используют их для создания собственных структур. Животные и человек наиболее расточительны. Для построения своих клеток они нуждаются не только в таком богатом энергией веществе, как сахар, но и в высокоорганизованном материале — аминокислотах. Человек и животные гораздо выше организованы, чем все другие формы жизни. Особенно мы должны гордиться своей нервной системой, которая координирует восприятие и движение и, наконец, делает возможным мышление.

Что такое жизнь? С нашей точки зрения, это проявление особых молекулярных структур, которые непрерывно воспроизводятся и заставляют другие молекулярные структуры укладываться в определенную схему, различную для каждого вида живого, но одинаковую в принципе. Атомы могут соединяться в живую материю только при совершенно особых условиях. Температура должна быть достаточно низкой, чтобы тепловое движение не разрушало сложные фабрики макромолекул. Однако она не должна быть и слишком низкой, потому что жизнь возможна только тогда, когда белки и нуклеиновые кислоты сохраняют способность производить химический синтез; для этой деятельности необходимо наличие некоторого теплового движения. Если клеточный материал замерзнет, вся химическая работа остановится. Для синтеза богатых энергией молекул необходим солнечный свет, но его не должно быть слишком много, так как температуры должны оставаться умеренными. У нас на Земле эти условия очевидно выполняются: поверхность нашей планеты богата зелеными растениями и различными странными комбинациями атомов, которые мы называем живыми организмами.

Хотя на многие вопросы развития человека и животных еще нельзя дать ответ, некоторые представления уже можно сформулировать вполне ясно. Каждый вид со всеми своими органами, нервами, костями и мозгом развивается по плану, заложенному в макромолекулах его нуклеиновых кислот. Здесь оказываются тесно связанными атомная физика и жизнь в ее наивысшей форме. Каждый нуклеотид в длинной цепи ДНК находится в точно определенном квантовом состоянии, характеризующем свойства нуклеотида. Специфические нуклеотиды связаны электронами в типичные конфигурации, достаточно устойчивые для поддержания соответствующего порядка в цепи, несмотря на тепловое движение и другие возмущающие эффекты в клетке. На этом порядке основано не только развитие данного индивидуума, но и размножение данного вида. Устойчивость квантовых состояний в ДНК служит гарантией того, что дети в основном повторяют своих родителей, т. е. гарантирует сохранение вида. Различие форм жизни отражает различие в способах расположения нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Постоянство этих форм, их воспроизведение в каждом поколении, отражает устойчивость атомов.