Планеты и жизнь

Клетки автотрофных организмов умеют делать две вещи. Они, во-первых, аккумулируют (опять же в форме фосфатных связей АТФ) энергию солнечного света, используя ее для своих целей. А во-вторых, добывают углерод для построения глюкозы из углекислого газа. Из глюкозы они создают более сложные молекулы, и поэтому все живое на Земле в конечном счете получает энергию от Солнца, причем растительные клетки берут эту энергию непосредственно, а животные — косвенным, но простым путем, поедая растения или других животных.

Фотосинтез, а именно так называется процесс, характерный только для растительного царства, происходит в клеточных органеллах — хлоропластах. Эффективность этого миниатюрного цеха нашей молекулярной фабрики-клетки необычайна. В лабораторных условиях удалось превратить 75 процентов энергии солнечного света в энергию фосфатных связей АТФ. Энергетические установки клетки по своей эффективности оставляют далеко позади не только классическую энергетику, но и самые последние достижения атомной.

Сбалансированность всех химических и энергетических процессов в клетке не может не вызвать восхищения. Электроника достигла впечатляющих успехов в создании микросхем и миниатюрных ЭВМ. Но все это не идет ни в какое сравнение с миниатюризацией механизмов превращения энергии в органическом мире.

А сейчас, прежде чем перейти к обсуждению наиболее интригующих событий и процессов, происходящих в живой клетке, полезно будет подвести некоторые итоги экспериментов в области предбиологической химии.

За последние годы появилось много работ, в которых продемонстрирована возможность образования из различных полимеров обособленных структурных единиц, обладающих некоторыми свойствами живого. Эти маленькие сферические частицы можно в известном смысле рассматривать как предшественников бактериальных клеток.

Здесь в первую очередь нужно указать на исследования коацерватных капель школы А. Опарина и работы американского биохимика С. Фокса по протеиноидным микросферам.

Отметим, что морфологические структуры, во многом похожие на протеиноидные микросферы Фокса, были получены фотохимическим путем индийским ученым К. Бахадуром и С. Ранганаяки. Они использовали в качестве исходного материала формальдегид и минеральный водный раствор, содержащий различные соли, который освещался ультрафиолетом. Раствор предварительно стерилизовали и пропускали через бактериальные фильтры. Образовавшиеся микрочастицы имели размеры 0,5 микрона и в течение 48 часов увеличивались до 2,5 микрона, демонстрируя таким образом способность к росту.

Бахадур и Ранганаяки назвали эти частицы «Дживану», что в переводе с санскрита означает «частица жизни». Несомненно, что самым интересным свойством этих структур является ферментативноподобная активность. В частности, они обладали свойствами, присущими двум ферментам — каталазе и пероксидазе.

Действие фермента каталазы проявляется в разложении перекиси водорода — одного из вредных для организма соединений, которое образуется в процессах обмена веществ. Его нужно или удалять из клетки, или уничтожать химически. Природа выбрала второй путь, приспособив для этой цели один из внутриклеточных белков — каталазу, разлагающую перекись водорода. Фермент пероксидаза участвует в окислении аскорбиновой кислоты.

Наибольшего успеха в моделировании протоклеток добился американский биохимик Фокс. В его опытах для получения модели клетки использовалась лишь полимеры аминокислот и вода. При взаимодействии полиаминокислот с водой и получались частицы сферической формы, похожие, но только внешне, по размеру, на бактериальные клетки. Фокс назвал их протеиноидными микросферами.

Они иногда образуют нечто вроде колоний стрептококков. Размер частиц колеблется от 0,7 до 7 микрон. Максимальная величина достигается при взаимодействии полиаминокислот с однопроцентным раствором поваренной соли. Из одного грамма полимера получается до миллиарда микросфер, которые очень стабильны и не разрушаются при центрифугировании. Заметим, что коацерватные капли Опарина, например, полученные из желатина, гораздо менее устойчивы.

В некоторых микросферах удается обнаружить нечто вроде мембраны. Так же как и «Дживану», микросферы Фокса обладают слабой каталитической активностью. Кроме того, при изменении параметров среды они способны делиться пополам, расти и почковаться. Одним словом, результаты получены весьма впечатляющие.

Отметим, что моделирование протоклеток было начато еще в начале XX века мексиканским химиком А. Эррерой, который назвал свои модели сульфобами. Он изучил 6 тысяч разновидностей сульфобов.

Результаты работ Эрреры, Опарина, Фокса и других ученых приводят нас к выводу о том, что многие важные свойства (катализ, деление), играющие первостепенную роль в современных живых системах, могли возникнуть до появления самой жизни.