[no_toc]
Быть может, ученые-биологи будущего узнают, что жизнь может развиваться на соединениях кремния, мышьяка, сурьмы или даже состоять из комбинаций атомов металлов? Реально ли это? Ученый, конечно, должен не гадать, а исследовать, теоретические соображения помогут нам выяснить, насколько вероятно возникновение жизни на иной основе, а опыт недалекого будущего поможет проверить теорию. Мы будем исходить из предположения, что, какова бы ни была химическая форма жизни, она обязательно должна удовлетворять некоторым общим требованиям. Выясним суть этих требований, а затем посмотрим, какие же элементы наилучшим образом отвечают им.
Обратим внимание прежде всего на динамичность всего живого. Соединения в клетке все время обмениваются: разрушаются и создаются вновь — это «текущие» формы, и недаром еще Гераклит сравнивал жизнь с пламенем, постоянно изменяющимся и все-таки сохраняющим общую форму.
Именно динамичность и придает формам жизни такую устойчивость, что это их свойство следует считать одним из наиболее важных. Со временем любой материал должен изнашиваться, и машины, работающие на заводах, подвергаются истиранию, коррозии, постепенно выходят из строя. Но в биологических машинах идет непрерывная смена частей, это динамические организации, и поэтому их износ хотя, к сожалению, и происходит, но протекает гораздо медленнее. Довольно трудно найти машину, способную непрерывно работать, например, 80 и 90 лет, а ведь органы человека выполняют именно такую работу.
Динамичность форм жизни накладывает определенные oграничения на выбор соединений, участвующих в круговороте обмена веществ. Уже при умеренной температуре реакции должны протекать достаточно быстро; соединения, которые реагируют только при сильном нагревании, не годятся. Сильное нагревание разрушит другие молекулы, уменьшит разнообразие сложных молекулярных структур. Сложные структуры необходимы, как мы увидим дальше, для создания аппарата восстановления и регулирования, без которого немыслима жизнь. Важно также изменять скорости в известных пределах с помощью, например, катализаторов или незначительного варьирования структуры молекулы. Реакции в организмах не всегда протекают с одной и той же быстротой. Организм, какой бы он ни был, всегда связан со средой и вынужден приспосабливать характер и темп всех своих жизненных процессов к ее условиям. Итак, первое требование: химическая активность при умеренных температурах и возможность изменять скорости процессов в широких пределах.
Второе требование обусловлено тем, что атомы и простые молекулы (СО2, Н2О) очень маленькие частицы и притом в обычных условиях беспорядочно движущиеся. Но даже самый примитивный организм (одноклеточный) состоит из компонентов, гораздо больших по размерам, чем молекулы воды или аммиака. Внутри клетки размещаются молекулы, принимающие участие в обмене веществ; эти молекулы не должны двигаться хаотически— в клетке существует порядок как в расположении молекул, так и в последовательности реакций. Жизнь — это динамическая организация и веществ и процессов. Формы жизни неотделимы от определенных структур, и, следовательно, развитие жизни обязательно требует наличия больших молекул, и притом таких, которые способны организовываться в еще более сложные, как говорят, надмолекулярные структуры. Роль малых молекул в этих гигантских структурах, как мы увидим далее, очень интересна и отнюдь не второстепенна.
Что же еще необходимо для жизни? Конечно, приток энергии. Запас энергии в пище и кислороде, которым мы дышим, больше, чем в продуктах жизнедеятельности. Если выразиться точнее, то следует сказать, что организм — это инструмент, обеспечивающий целенаправленное использование энергии, заключенной в пищевых веществах. Энергия окисления сахара, жира, белка могла бы рассеяться без совершения работы, если бы мы просто привели эти вещества в соприкосновение с кислородом при подходящих условиях. Но, протекая в организмах, реакции окисления совершают разнообразную работу. Разность в запасах энергии исходных и конечных соединений используется для постоянного возобновления структур, необходимых организму.
Превращая различные исходные молекулы, например молекулы жиров, углеводов белков, в молекулы конечных продуктов обмена — оксид углерода (IV), воду, аммиак или мочевину, мы получим работу в той или иной форме; иногда ее можно получить в форме энергии тока, а в иных случаях в форме теплоты или механической работы. Организм обладает приспособлениями для превращения химической энергии, скрытой в молекулах пищевых веществ, в разнообразные формы. Биологические машины совершают работу не только за счет электрических сил, но и в результате мышечного сокращения; в некоторых организмах энергия окисления пищевых веществ частично выделяется в виде света. Важной статьей расхода энергии является создание специфических белков организма, синтез которых требует затраты энергии.
Любой организм должен обладать каким-то приспособлением для хранения энергии ваккумулированной форме. Ведь иначе мы могли бы жить, лишь непрерывно принимая пищу. Такие аккумуляторы должны быть до известной степени универсальными— их энергия должна легко превращаться в разнообразные формы. Необходимость иметь молекулы-аккумуляторы составляет третье по счету требование.
Чем сложнее организм, чем больше разнообразных клеток входит в его состав, тем, казалось бы, он должен быть менее устойчивым, тем опаснее для него действие всевозможных внешних факторов, способных нарушить гармоничную согласованную деятельность клетки. На деле это не так. Организмы проявляют очень большую устойчивость. Термин «устойчивость» не означает механическую прочность. Речь идет о том, что клетка и организм отвечают на внешние раздражения такими явлениями, которые ослабляют или устраняют угрозу: клетка и организм в целом должны обязательно иметь аппарат регулирования. Регулирование необходимо. Если оно отсутствует, то организм неизбежно погибает. Какая-либо одна или несколько реакций, протекая неудержимо в одну сторону с нерегулируемой скоростью, так же быстро нарушают слаженную работу клетки, как прекращение работы регулировщика — уличное движение. Отсюда следует четвертое требование — надо иметь средства связи и аппарат регулирования, дающий возможность ускорить образование одного вещества или выключить синтез другого.
Но придется выдвинуть и еще одно — пятое требование. В машине должно быть приспособление, позволяющее воспроизводить эту машину. В самом деле, в процессе размножения организмы и клетки воспроизводятся с поразительной точностью. Жизнь удивляет нас не только бесконечным потоком ее форм, но и тем, с каким постоянством эти формы создаются из предшествующих им.
Значит, что химический состав организма среди химических процессов в клетке должны быть такие, которые обеспечивают повторение данной структуры— что-то вроде матрицы, с которой печатают миллионы экземпляров газеты. Соединения такого типа известными их действительно часто называют матрицами. Очевидно, и сами матрицы тоже должны как-то воспроизводиться, например получаться на первичной матрице, обладающей способностью к самовоспроизведению. Все это кажется довольно сложным, и трудно найти в биохимии более сложную проблему, чем та, о которой мы говорим. Наибольшим успехом биологической науки в первой половине этого века, конечно, надо считать именно решение проблемы матриц.
Пока, однако, ограничимся тем, что, не вникая в детали, потребуем обеспечить нас матрицами.
Но как избавиться от побочных реакций, которые, наверное, будут мешать биохимической машине производить только вещества данного состава и только матрицы, нужные для этого производства? Вещества жизни вообще довольно активны, и требование быть активными мы выдвинули в первую очередь.
Отсюда вытекает, что определенные реакции надо ускорять, и притом в такой мере, чтобы они стали преобладающими; это шестое требование. Для этой цели необходимо ввести в машину катализаторы (ускорители), ну и, разумеется обеспечить машину еще и механизмом, позволяющим воспроизводить и сами катализаторы. Проще всего, кажется, для создания катализатора использовать, если возможно, те самые вещества, которые синтезируются на матрицах. Тогда не надо будет заготовлять еще специальные аппараты для получения катализаторов. Как видно, требования к материалам для биохимических машин все усложняются и все строже делается отбор элементов и соединений.
Биологическая машина имеет особые свойства, отсутствующие у ее составных частей. Эта особенность проявляется уже при образовании молекулы из атомов и при увеличении длины полимерной молекулы и т. д. Действительно, длинная цепеобразная молекула может изгибаться и таким образом приводить в контакт группы атомов, находящиеся на разных участках цепи, — это ее специфическое свойство, зависящее и от природы самой молекулы, от ее длины и характера связей. Но биологическая машина приобретает дополнительную устойчивость, если все новые свойства, возникающие по мере усложнения ее частей, будут целесообразно использованы. И вот, забегая вперед, надо заметить, что фактически в природе новые свойства используются сразу для нескольких целей и обычно очень эффективно. Большие молекулы, например молекулы белков, выполняют множество функций, связанных с их конструкцией, — они образуют прочные мембраны, они действуют как катализаторы, выполняют функции гормонов, антител и т. д. Очень немного остается у биологического материала лишних свойств, которые мешают жизни, даже такой, казалось бы, неизбежный бич всех машин, связанных с движением, как трение, практически полностью обезврежен в машинах биологических. Это условие можно рассматривать как седьмое и, вероятно, наиболее серьезное требование.
Читатель, возможно, найдет и еще ряд условий, которым должны удовлетворять материалы, пригодные для создания форм жизни; мы назвали лишь главные, и их вполне достаточно, чтобы сразу отказаться от известных в технике и химии материалов.
Так, например, кремний, для выполнения функций основного материала жизни не подходит потому, что его соединения активны лишь при очень высоких температурах или вообще нестойки (силаны). Организация жизни на основе силикатов маловероятна еще и потому, что число соединений кремния, активных при температурах порядка тысяч градусов, невелико.
Металлы отпадают, так как они неспособны сами по себе образовывать гибкие и разнообразные структуры, соединения их с кислородом, как правило, прочны, а поэтому непригодны для воспроизведения металлов. Электропроводность чисто металлических систем велика, и поток электронов в массе металла трудно регулировать. Однако способность ионов металлов (переходных металлов) обратимо изменять свой заряд делает ионы ценным средством регулируемой передачи электронов, а потому эти ионы наряду с основными элементами жизни вошли в жизненный круговорот.
Углерод имеет определенные преимущества перед остальными элементами с точки зрения указанных требований.
Число соединений этого элемента исчисляется десятками миллионов. Следовательно, выбор очень широк. Органические вещества активны при умеренных температурах. Их активность можно изменять и посредством незначительных перестроек молекулы и посредством катализаторов. Атомы углерода могут образовывать цепи большой длины, содержащие ковалентные связи. Некоторые виды связей объединяют сразу большое число электронов, так что возникает молекула-проводник, содержащая сопряженные системы электронов. Это позволяет регулировать активность в отдельных точках молекулы. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и фосфором также проявляют ценнейшие свойства с точки зрения сформулированных нами требований.
Макромолекулы, образованные остатками аминокислот, — это белки. Именно из них и получаются системы со многими функциями: и строительными, и каталитическими, и гормональными.
Соединения с азотом и фосфором содержат кратные связи, на которых повышена электронная плотность. Способность образовывать кратные связи, присущая азоту, фосфору, сере, углероду, делает эти элементы необходимыми при создании молекул-аккумуляторов, молекул-переносчиков, так как наличие кратных связей допускает изменение запаса энергии в больших пределах при сохранении общего каркаса молекулы. Наконец, органические соединения, содержащие азот и фосфор, могут выполнять функции матриц, следовательно, и воспроизводить самих себя. На матрицах можно формировать молекулы определенных белков и таким образом сохранять общий план строения всего организма.
По всем данным, ни один набор веществ, кроме названного, не может обеспечить развитие жизни, и, каковы бы ни были ее бесконечно разнообразные формы, в основе химических аппаратов клеток и организма должны будут лежать реакции все тех же соединений углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и др. Перейдем теперь к рассмотрению конкретных соединений, ставших фундаментальными в развитии жизни. Читателю будет полезно обратить внимание на то, с каким совершенством выполняют свои функции различные органические молекулы в биологических системах и в какой мере их свойства удовлетворяют нашим требованиям. Одним из интереснейших вопросов является вопрос о естественных путях образования биологически ценных молекул.
Статья на тему Химический состав организма