Происхождение жизни: маленький теплый водоем - Фолсом К.
Скачать (прямая ссылка):
Свободный кислород стал доступен главным образом благодаря метаболизму фотосинтезирующих сине-зелепых водорослей. В ответ на присутствие свободного кислорода развились сложные эукариотические клетки, поскольку они могли использовать кислород, для того чтобы во много раз увеличить скорости биологического производства энергии. Вероятно, это было самое важное достижение в эволюции по направлению к мпогоклеточиым формам жизни.
Хотя в настоящее время биологическая теория не может, исходя из первичных принципов, адекватно объяснить, почему сложность систем, движимых энергией,
должна возрастать, простыми физическими экспериментами доказано, что это действительно так.
Классический умозрительный эксперимент состоит в следующем: если подвергнуть одну из сторон замкнутого сосуда воздействию точечного источника тепла, что аналогично потоку энергии излучения, то концентрация молекул газа в сосуде вблизи источника тепла понизится, а вдали от него — повысится. Упорядоченность системы, таким образом, возрастет, поскольку, по мере поступления энергии, концентрация молекул газа в сосуде будет становиться все более упорядоченной.
Вследствие неадекватного характера существующей биологической теории весьма трудно оценить такого рода упорядоченность в биологических системах. Пока примем гипотезу, что любая биологическая система характеризуется определенной упорядоченностью (или информацией, или сложностью, или неслучайным характером). Допустим также, что, когда через биологическую либо небиологическую систему течет мощный поток «высококачественной» энергии излучения, небольшая часть его тратится на создание упорядоченности, а остальная переходит в «низкокачественный» вид энергии — тепло.
Под сопряжением циклических превращений биоэлементов подразумевают, что все биологические системы используют общие материалы, и это действительно так. Во всех живых организмах осуществляются сходные биохимические превращения, основанные на удивительно малом числе органических соединений. Из сотен тысяч органических соединений, которые можно получить, в биохимических процессах повсеместно используются лишь около 120. К ним относятся 20 аминокислот, 4 липида, 5 оснований нуклеиновых кислот, 20 витаминов и разнородная группа малых молекул, таких, как органические кислоты, фосфат и вода. Небольшой набор главных органических соединений, общий для всех живых систем, позволяет экосистемам действовать эффективно на различных трофических уровнях.
Этот небольшой набор соединений составляет основную массу сухого остатка всех организмов. Число различных классов полимеров еще меньше. Основу сухой массы любой функционирующей биологической системы составляют белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты.
И здесь простота и универсальность полимерных структур в биологических системах отражают необходимость общего трофического уровня в экосистеме.
Необычайно сложная вычислительная машина состоит из наборов основных единиц. Аналогичным образом все биологические системы имеют основную единицу — клетку, ограниченную мембраной. Диапазон размеров живых клеток очень узок. Размер бактериальных, или прокариотических, клеток очень мал, от '/г до 2 мкм в поперечнике (1 мкм = 1'10~6 м). Эукариотические клетки, имеющие ядро и органеллы, более крупные и устроены сложнее; их размеры лежат в диапазоне от 5 до 20 мкм. Клетка отграничивает часть водной среды фазовой границей — мембраной, чтобы приспособить эту среду для биосинтеза.
Физические законы диффузии малых молекул в воде резко ограничивают тот максимальный размер, который может иметь клетка. Минимальный размер клетки ограничен количеством функций, которые она должна осуществлять для воспроизведения. Вирус — это нефункционн-рующая биологическая система: согласно нашему определению, его нельзя назвать живым, он представляет собой покрытый белками «шприц для подкожных инъекций», заполненный нуклеиновой кислотой. Скорее он продукт клетки.
Все клетки имеют одинаковые генетический и белок-синтезирующий аппараты, описание которых мы дадим в гл. 9. Объяснение того, как возникли подобные аппараты, — один из наиболее трудных аспектов вопроса о происхождении жизни. В гл. 10 мы попытаемся дать такое объяснение.
Во всех биологических системах белки являются теми молекулярными машинами, которые обусловливают точность биосинтеза полимеров и быстроту превращения веществ и энергии. Очень небольшое число белков (если такие вообще существуют) действуют сами по себе, чаще всего они функционируют в комплексе с ионами металлов или другими ионами. Особо выделим два примера — наличие магния в хлорофилле и железа в гемоглобине. Эти металлы жизненно необходимы для функционирования биологических систем, хотя они пе являются биоэлемеп-тами, причем ионы металлов чаще связаны ионными, а пе ковалентными связями. Не являясь участниками био-
логической структуры, ионы металлов имеют решающее значение для функционирования биологической системы.
Даже столь краткий обзор основных особенностей биологических систем ясно демонстрирует, что граничные условия для размеров и функциональной природы клеток заданы физическими и химическими законами и процессами. Кроме того, накладываемое экологической системой ограничение, связанное с общностью трофических уровней, приводит к универсальности биохимических процессов, происходящих во всех биологических системах.
