Планеты и жизнь

В 1667 году английский врач и ботаник Р. Гук, рассматривая в микроскоп срез пробки, с удивлением обнаружил, что ее внутренняя, не видимая невооруженным глазом структура напоминает пчелиные соты. Утверждение, что клетки представляют собой основные единицы, из которых построено все живое, может показаться сегодня очевидным (тривиальным), но впервые клеточная теория была сформулирована лишь в 1839 году ботаником М. Шлейденом и зоологом Т. Шванном. Эти исследователи пришли к открытию новой теории независимо, изучая растительные и животные ткани.

Наконец, в 1859 году Р. Вирхов сформулировал знаменитый принцип omne cellula e cellula (каждая клетка из клетки).

В течение последующих ста с лишним лет ученые продолжали дело Левенгука и выяснили внутреннюю структуру единицы живого -- клетки. Вместо старого представления о капле протоплазмы сформировалась новая точка зрения, согласно которой каждая клетка -- эго крохотная фантастически сложная и сбалансированная машина, даже скорее не машина, а целая "молекулярная фабрика" с отдельными цехами. Если бы настоящая фабрика и завод работали с такой же точностью и экономичностью, как неповрежденная клетка, вопрос о невыполнении плана просто никогда бы не возникал.

Отдельные "цехи" клетки биологи называют органелламн. Каждая органелла выполняет специальную функцию

Что же представляет собой эта "молекулярная фабрика"?

Рассмотрим некий "синтетический" образ клетки, так как в природе не существует клетки, которую можно было бы считать типичной Итак, от внешней среды клетку отделяет очень тонкая оболочка толщиной каких-нибудь 100 ангстрем (ангстрем - десятимиллионная часть миллиметра). Клетки, принадлежащие к одному и том же типу и сходные друг с другом, могут объединяться, образуя ткань, в которую нет доступа клеткам других типов.

В этом взаимном притяжении и отталкивании клеток центральная роль принадлежит клеточной оболочке - мембране. Мембраны кровяных телец, эритроцитов, выполняют другую, не менее интересную работу. Они способны отличать ионы натрия от ионов калия. Ионы калия проникают в клетку, а ионы натрия мембрана "не пускает" внутрь. Иными словами, осуществляется активный перенос ионов. Кроме того, мембрана умеет механически втягивать в клетку большие молекулы и микроскопические частицы.

Внутри клетки, как мы уже говорили, находятся органеллы. Наиболее важные из них - хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии, встречающиеся как у животных, так и у растений. Эти органеллы - силовые станции всего живого на Земле. Именно в хлоропластах происходит связывание энергии солнечного света в процессе фотосинтеза. В митохондриях же извлекается энергия, заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ.

Для аккумуляции химической энергии в клетке природа выбрала только одно универсальное соединение с длинным и труднопроизносимым названием "аденозинтрифосфат", или, как его сокращенно принято называть, АТФ. Молекула АТФ - универсальное депо, распределяющее химическую энергию для самых различных нужд живой клетки.

Итак, митохондрии, хлоропласты, мембраны. Что еще есть внутри клетки7" Органеллы, которые называются лизосомами. Как всякое живое существо, клетка должна питаться и переваривать поступающую в нее пищу.

Роль желудка в клетке и выполняют лизосомы, а роль желудочного сока специальные белки - ферменты, разрушающие большие молекулы - пищу клетки.

Интересно, что лизосома, в свою очередь, окружена тонкой мембраной. Для чего это нужно? Если бы не было мембраны, клетка быстро "съела" бы себя, поскольку ферменты лизосом очень активны. Разрыв мембраны лизосом и освобождение ферментов приводит к лизису (растворению) клеток.

Заметим, что почти все реакции в клетке происходят в жидкой фазе. Жидкость, заполняющая внутренность клетки, называется цитоплазмой.

В клетке существуют также небольшие гранулы, на которых происходит синтез белка, Они называются рибосомами.

И, наконец, клеточное ядро, хранилище генетической информации, генофонда, клеточной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Именно здесь и начинаются процессы деления клетки. Естественно, что ядро также имеет свою мембрану.

Создание современной картины строения клетки потребовало развития сложнейшей аппаратуры. Чтобы закончить описание анатомии клетки, нужно сказать несколько слов и о ее размерах. Такое простейшее, как, скажем, амеба, имеет размер в одну сотую часть сантиметра, то есть представляет собой довольно крупную и поэтому очень удобную для изучения клетку. Амеба в десять раз крупнее клетки ткани млекопитающего и в сто раз больше бактерии. Размер обычной бактерии составляет несколько микрон. А самые маленькие живые существа? Не будем сейчас говорить о вирусах, так как самостоятельной жизни они вести не могут. Известно, что только внутри клетки-хозяина вирусы проявляют свою активность. Поговорим о самых мелких живых системах - бактериях.

Еще в конце XIX века великий французский химик и микробиолог Л. Пастер, изучая плевропневмонию, воспаление легких крупного рогатого скота, пришел к выводу, что некие микроорганизмы являются возбудителями этой болезни. Но выделить их Пастеру не удалось. Только в 1931 году, когда в распоряжении бактериологов оказались фильтры, диаметры отверстий которых точно известны, было установлено, что возбудители плевропневмонии - крохотные бактерии, размером с вирус. Их диаметр всего одна десятая микрона.

Шли долгие споры, бактерия это или вирус. Сравнительно недавно, в 1962 году, были получены доказательства того, что это бактерии. Исследования показали, что микоплазмы, так были названы эти мельчайшие организмы, растут на специальных питательных средах и порождают копии самих себя, а значит, это не вирус, а бактерия.

Микоплазма в миллиард раз легче амебы. Для наглядности напомним, что амеба в миллиард раз легче небольшой крысы. Микоплазма даже меньше вируса коровьей оспы. И тем не менее микоплазма, этот самый маленький из известных на Земле живых организмов, умеет делать все, что делают более крупные клетки!

Существование таких крохотных и притом свободно функционирующих живых систем вызывает вполне естественный вопрос: а может быть, на Земле есть до сих пор не обнаруженные другие, еще более мелкие, чем микоплазмы, клетки? Это вопрос очень серьезный, потому что должны существовать какие-то теоретические ограничения на минимальный размер клеток. Точно так же, как звезды не могут быть меньше определенной величины, и клетка должна иметь какой-то минимальный диаметр.

Подумаем, каким образом можно оценить этот диаметр. Клетка обязательно должна иметь мембрану, хотя бы для сохранения своей собственной целостности.

Толщина известных сегодня мембран около 100 ангстрем (0,01 микрона). Именно поэтому "минимальная" клетка не может иметь диаметр менее 200-300 ангстрем, что составляет одну десятую часть диаметра микоплазмы.

Биохимики считают, что подобная механическая оценка неудовлетворительна, потому что такая клетка просто не сможет вместить всех молекул, необходимых для ее существования, и "требуют" 400 ангстрем. Биофизики "просят" 500 ангстрем, считая, что при меньшем диаметре тепловое движение молекул может разрушать клетку.

Согласимся с биофизиками и будем считать, что минимальная гипотетическая клетка, которая "все умеет делать", всего вдвое меньше микоплазмы. Если эту клетку высушить, то в ней останется полтора миллиона атомов. Эти полтора миллиона и создают то чудо, которое называется жизнью.

Сразу же возникает еще один серьезный вопрос: можно ли микоплазмы считать самыми простыми образцами жизни или же, наоборот, эволюция за долгое время создала такие удивительные инструменты? К сожалению, сегодня этот вопрос остается нерешенным.

Итак, полтора миллиона атомов и совершенно новое свойство материи жизнь. Обмен веществ, движение, размножение, раздражимость, превращение солнечного света в химическую энергию и так далее.

Одним из наиболее удивительных свойств жизни является то, что природа очень экономно использует находящиеся в ее распоряжении полтора миллиона атомов.