 |
 |
 |
 |
Богдан Рудый, "Кризис эволюционизма" 1.2. Происхождение живой материи, клетки Для описания перехода неживой материи в живую эволюционисты пользуются понятием абиогенеза или химической эволюции. Эволюционисты считают, что "живые клетки, скорее всего, возникли 3-3,5 млрд. лет тому назад вследствие спонтанной агрегации [объединения] молекул." [Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. - Т. 1, М.: Мир, 1994. - С. 21-22] Первые простые органические молекулы на Земле появилась в так называемом первобытном бульоне в условиях безкислородной атмосферы и электрических разрядов (молний). Первоначальный бульон представлял собой систему несоленых водоемов. Атмосфера над водоемами состояла из аммиака, метана и водного пара. Молнии, пронизывавшие эту газовую смесь, производили аминокислоты, нуклеотиди, сахара и жирные кислоты, являющиеся конструктивными блоками для всех форм жизни. Атмосфера обязательно не содержала кислорода, присутствие которого немедленно уничтожило бы все аминокислоты. В определенных участках первобытного бульона достиглась высокая плотность простых органических молекул. Здесь происходил спонтанный синтез длинноцепочечных (полимерных) молекул. Для синтеза таких молекул необходимо присутствие специальных белков-катализаторов (ферментов). Поскольку бульон не мог их содержать, то вместо них в роли катализаторов синтеза (очень медленного) могли выступать кристаллы и ионы металлов. При условии существования "примитивного естественного отбора" среди этих длинноцепочечных молекул (полинуклеотидов и полипептидов), из них выделялись все более сложные молекулярные структуры. Это, как считают, создает все необходимые условия для случайной формации (самосборки) первых клеток. Последовательность гипотетической химической эволюции такая [Там же, с. 12-21]: Формирование простых органических молекул → Формирование полинуклеотидов → Полинуклеотиди обретают способность направлять собственный синтез → Действие естественного отбора на саморепликантные (самовоспроизводящиеся) молекулы → Специальные молекулы РНК катализуют биохимические реакции → Передача информации от полинуклеотидов к полипептидам → Клетка окружает себя мембраной → Появление двухцепочечной молекулы ДНК.
Все живые существа строятся из клеток, а центром клеток является закрученная двухцепочечная молекула ДНК - генный код. Иногда мы называем клетку наименьшей и простейшей единицей жизни. Наименьшая - это правда; но простейшая ли, если из одной оплодотворенной клетки разворачивается все тело, будто дерево из маленького зернышка? Амеба, являющаяся возбудителем дизентерии, ассоциируется со словом простая. Впрочем, у нее есть внутренний каркас (цитоскелет), который она демонтирует и перестраивает в зависимости от ситуации (как вообще можно перестраивать собственный скелет?). А система вакуольного пищеварения - почему амеба переваривает другие организмы, но не переваривает себя? Амеба не является простой. Одна клетка может состоять из миллионов молекулярных блоков. Одноклеточных животных можно считать своеобразными многоклеточными организмами [Shapiro J.A. Bacteria as Multicellular Organisms // Scient. American - Vol. 258, No. 6 (June 1988) - P. 82]. Основанием для взгляда на клетку как на отдельный организм, есть то, что она содержит в себе отдельные аппараты, которые подобно органам обмениваются между собой химическими (полу)продуктами. Клеточные "органы" называются органеллами. Сходство между органеллами клетки и органами больших животных проиллюстрируем на синтезе белков - механизме, которым обладают все типы клеток [Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. - Т. 1, М.: Мир, 1994. - С. 134-135]. Сначала о структуре белка и его роли в биологической системе. Белок является длинной цепью аминокислот, соединенных пептидной связью. Одна такая цепь может иметь много тысяч звеньев. В процессе роста, цепь может закручиваться сложным образом (способ закручивания определяется самой последовательностью звеньев, то есть, аминокислот.) Часто лабиринт настолько сложен, что не удается идентифицировать его структуру. Например, в организме человека, свыше 30 тыс. различных белков, и структура лишь 3% из них была описано. Структура белковой цепи усложняется тем, что в определенных местах к ней присоединяются атомы фосфора и серы (см. ниже). Отсюда, между прочим, и сероводород во время гниения белков. Белки являются как бы кирпичинами второго уровня. Кирпичики второго уровня состоят из аминокислот - кирпичиков первого уровня. Если кирпичики первого уровня во всех организмах одинаковые (20 разновидностей), то кирпичики второго уровня от вида к виду отличаются. Аналогично, они являются и "органо-специфичными", то есть, в одном и том же организме отличаются у разных органов. По этой причине, невозможно (за немногими исключениями) непосредственное усвоение организмом "чужевидовых" и "чужеорганных" белков - белок можно только разложить на составляющие (аминокислоты) и перенабрать составляющие в другой (правильной для данного организма) последовательности. Один вид организмов, итак, отличается от другого способом организации одних и тех же составных частей. Сколько теоретически может существовать белков? Если принять, что средний белок содержит 500 аминокислот, то из 20 типов аминокислот можно составить 20500 различных белков (цифра 3,27 и 650 нулей за ней). Не в последнюю очередь этим объясняется тот факт, что количество известных соединений углерода (органическая химия) в десятки раз превышает количество известных соединений всех остальных элементов вместе взятых (неорганическая химия). Белковые молекулы чрезвычайно универсальны во многих отношениях. Достаточно сказать, что спектр их прочности простирается от прочности стали до высокой нежности. Форма белковой молекулы - от прямой до спиральной и клубковой (глобулярной). Химическая активность - от высокой пассивности, как у фиброзных белков, до высокой активности, как в ферментных. Учитывая преимущества белковых молекул в плане структурного разнообразия и свойств, можно сказать, что избрание белка главной функциональной составляющей живых организмов - очень правильное решение. Остается лишь одно - иметь какой-то надежный механизм "выпечки" кирпичей второго уровня из первоуровневых кирпичей, т.е. собирания белков из аминокислот: "...В состав живых организмов входят белковые молекулы строго определенного типа, поэтому необходимы некие високонадежные системы, отвечающие за формирование связей в точно определенном порядке."[ Кемпбел Дж. Современная общая химия. - М.: Мир, 1975. - С. 160] Этими високонадежными системами оказываются "РНК-рибосомные" системы. Посмотрим теперь, как конкретно функционирует система "молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) + рибосомы". Центральную роль в процессе синтеза белка играет, конечно, кодированная молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). С отдельных участков (называемых генами) этой макромолекулы делаются копии в виде командных/сигнальных РНК-молекул (сРНК). Рибосомы последовательно одна за другой "нанизываются" на сРНК‑ рельс и двигаются вдоль него. Одна рибосома способна производить несколько белковых молекул в секунду. По одному рельсу может одновременно двигаться много рибосом (в клетке их как правило тысячи). сРНК-рельс представляет собой кодированную последовательность "букв". При своем движении рибосома оказывается на все новой комбинации из трех "букв", которая имеет смысл, то есть является командой. Столкнувшись, например, с комбинацией "AUG", рибосома распознает ее как команду начать строительство определенного вида белка. Рибосома очень маленькая и имеет еще более миниатюрные два специальных места для "приземления" коротких транспортных РНК-молекул (тРНК): А- и Р-"посадочные площадки". Представим себе А-площадку по левую сторону, а Р-площадку - по правую. К Р‑площадке подплывает и приземляется первая тРНК с определенной аминокислотой на хвосте. Тогда на А-площадке приземляется другая тРНК со своей аминокислотой. Посадка тРНК с какой именно аминокислотой на хвосте разрешена, диктуется кодом под посадочной площадкой (то есть, конкретными тремя буквами на сРНК, открытыми в данный момент под А- или Р-местом). Две аминокислоты, оказавшись рядом, немедленно соединяются пептидной связью. После этого первая тРНК высвобождается и отплывает от Р-места "за новым пассажиром". Вторая тРНК держит теперь две аминокислоты. Поскольку площадки находятся одна от другой на расстоянии одной буквы, то вторая тРНК, держа цепь из двух аминокислот, "пересаживается" с А-места на свободное Р-место (слева направо). К освободившемуся А-месту подплывает следующая тРНК с аминокислотой на хвосте и садится. Как только новая аминокислота химически присоединилась к аминокислотной цепочке, схема повторяется. тРНК-такси подъезжают, высаживают пассажиров, перепарковываются с левого места на правое и отъезжают за новыми пассажирами. Циклический процесс длится, пока рибосома не "увидит" на сРНК сигнал "стоп" (например, комбинацию "UGG") - законченная цепочка, являющаяся недоделанным белком, немедленно открепляется. Каков характерный размер белково-сборочного инструмента под названием рибосома? - Оказывается, всего ~20 нм, то есть в поперечнике рибосомы вкладывается всего 30-40 атомов! Итак, клетка собирает белки специальными наноинструментами [Нанос = "карлик" (греч.)], будто маленькими ручками. Узнавая о "ручном" изготовлении белков в клетке, начинаем понимать, почему методы традиционной "колбовой" химии беспомощны перед синтезом абсолютного большинства белков. (А между тем, "фабричное" изготовление белков было бы очень экономически выгодным.) Недоделанный белок транспортируется к комплексу Гольджи - аппарату по "доработке" белков. Аппарат Гольджи наполнен ферментами - специальными белками. Функция ферментов может состоять, например, в добавлении к определенным участкам недоделанного белка атомов S или P или же в отрубывании небольших конечных участков белка. Покидая аппарат Гольджи, готовый белок несет на себе молекулярную "бирку", гарантирующую его транспортирование к нужному "потребителю". Такой потребитель может находиться как внутри, так и вовне клетки . Рибосома и комплекс Гольджи - это лишь два органа клетки. Есть еще такой аппарат, как лизосома [Люз-, лиз- = "разлагать" (греч., сравни: катализ, анализ)] - органелла для утилизации отработанных "деталей". Лизосомы содержат в себе очень химически активные белки, разлагающие изношенные органеллы на составляющие и отправляющие их к месту собирания новых органелл. Митохондрия - следующая органелла клетки. Она имеет внешнюю и внутреннюю мембраны. Внутренняя мембрана сложена подобно материи со множеством складок, так что внутренняя поверхность становится очень развитой. В каждом отделении ("складке") митохондрии специальные ферменты образовывают конвейер по внедрению энергии, получаемой от окисления глюкозы и других веществ, в молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ-молекулы являются энергетической "валютой" для клеток организма и служат топливом/батарейками во множестве процессов: в метаболических реакциях, транспортировании веществ сквозь мембраны, выполнении механической работы (например, движение мускул) и др. Производительность работы митохондрии - тысячи батареек в секунду. Как представить себе транспортирование веществ сквозь мембраны с помощью энергии фосфатной связи молекулы АТФ? В чем именно состоит эта "помощь"? Это же не живые существа, с собственным мозгом, а "нанодетали". - Насколько же тонкой должна быть механика всех этих молекулярных деталей и "пружин"! Положение митохондрии в растительных клетках занимает хлоропласт - органелла, ответственная за фотосинтез. Если митохондрии владеют "ноу-хау" на изготовление АТФ-батареек, то хлоропласты наделены в добавок еще и уникальной способностью "ловить солнечные лучи и вплетать их в химические соединения". После органелл обычно перечисляют ткже клеточную мембрану (оболочку). Она состоит из двух пластов жирных молекул. Клетка должна иметь возможность обмена веществами с внешним миром. Но как обеспечить вход/выход лишь строго определенных микрообъектов? - Для этого клеточная мембрана наделена отверстиями со специальными "контрольно-пропускными" белками на них. Мембранные белки обеспечивают чрезвычайную селективность: в клетку попадает очень ограниченный круг объектов. Среди этих "разрешенных" объектов значатся, конечно, и белки. Как упоминалось, они строго определенны для каждого типа клеток - а различных типов клеток в животном организме в среднем около ста. Набор белков строго определенен еще и для различных типов (видов) организмов - а их очень много. Значит, специфических наборов - целое море. Четкая настроенность определенного типа клеток на конкреный набор микрообъектов среди большого разнообразия наборов очень усложняет эволюционную модель происхождения клетки. Еще один интересный момент. Клетка производит много чего, но всегда столько, сколько нужно. Потребители продукции клетки могут находиться возвне (другие клетки/органы) либо внутри. Внутренние потребности, кроме выработки АТФ, могут состоять в ... изготовлении самой себя! Вспомним, что клетка растет (если на это есть инструкция "свыше"), и может даже разделиться на две идентичные клетки, то есть удвоить количество своих составных частей. Интересно, что клетка точно и адекватно оценивает ситуацию - темп роста мембраны не опережает темп продуцирования рибосом или других компонентов. Имеет место "многозадачность клеточного процессора" - везде прибавляется понемногу, так что в целом создается впечатление одновременности роста всех частей. В клетке много тонких организационных нюансов. Клетка является, по сути, автономным организмом. Удивительная мысль - наш организм состоит из миллиардов отдельных организмов. Изучением устройства клеток и клеточных процессов занимается отдельная наука - цитология. Нет сомнения, что книгу "Один день из жизни Клетки", если бы такая была, многие с удовлетворением прочитали бы. Изучение клетки в живом состоянии стало возможным лишь после появления фазоконтрастной микроскопии и других высоких технологий. Поэтому, не следует думать, будто о клетке уже все известно. Известно очень мало. Иначе можно было бы синтезировать белки в лаборатории или разобрать клетку на отдельные молекулы и снова собрать (не говоря уже о создании новых типов клеток). Неужели такого описания клетки недостаточно для качественной оценки возможности самосборки этой наименьшей единицы жизни? Самосборка клетки невозможна. |
 |
 |
 |
 |
