Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор (библиотека книг .txt) 📗
Рассмотрим проблему роста и развития индивидуума. Мы знаем, что в самом начале зародыш состоит из одной клетки, которая делится на несколько клеток, подобных друг другу. Однако вскоре возникает специализация, или дифференциация, клеток. Одни клетки, развиваясь, превращаются в позвоночник, другие — в конечности, третьи — в пищеварительный тракт, четвертые — в нервную систему. Хотя все они содержат ту же нуклеиновую кислоту, они развиваются по-разному. Как это происходит?
Мы отмечаем эту избирательную способность клеток, наблюдая заживление раны. Клетки, соседние с ней, каким-то образом «узнают», как расти и размножаться таким образом и в таком направлении, чтобы восстановилась первоначальная структура ткани. Производятся только такие белки, которые отвечают должному образцу и заставляют развиваться нужную структуру.
Очень возможно, что решение этой проблемы состоит в следующем. Нуклеиновая кислота молекулы устроена и расположена так, что эффективность разных ее участков зависит от окружающей среды. В начале развития зародыша эффективны только те участки ДНК, которые производят недифференцированные клетки. Затем присутствие вновь созданных белков так влияет на ДНК, что эффективными становятся другие ее участки и образуется ряд новых белков. Итак, мы видим, что на каждой стадии развития активными становятся разные участки ДНК. В каждой клетке организма человека работает только тот участок ДНК, который отвечает специфическим потребностям данной клетки. Остальные участки поддерживаются неактивными в результате особого химического воздействия окружающей среды; механизм этого воздействия пока очень мало нам известен. Опыты с различными зародышевыми клетками, например, показали, что при развитии клетки, расположенной там, где из нее должен был бы развиваться хвост, получится голова, если пересадить эту клетку в то место, где должна была бы развиться голова.
При образовании нового индивидуума порядок чередования нуклеотидов в ДНК не сохраняется в точности прежним. Цепь молекул в ДНК так велика, что небольшие отклонения в разных ее участках не приводят к фундаментальным изменениям в развитии индивидуума, могут возникать только небольшие модификации. Поэтому ни один индивидуум не тождествен другому. Вследствие полового размножения эти модификации смешиваются в каждом новом поколении. В основном дети подобны родителям, но отличаются от них в деталях. Их ДНК — это копия примерно половины ДНК отца и половины ДНК матери. В этом и заключается фундаментальное различие между живыми индивидуумами и атомами. Два атома одного сорта тождественны во всех отношениях — они полностью совпадают по всем своим свойствам. Но два живых существа одного вида никогда не бывают совершенно одинаковыми. Чрезвычайно длинная цепь ДНК дает много возможностей для видоизменений внутри данного вида, и именно это делает жизнь столь захватывающе интересной.
Источники питания
Откуда поступает материал, который образует организм человека и заставляет его расти? Для вируса эта задача решается очень просто. Он является паразитом, и его потомство развивается в клетке хозяина. Бактерия более независима; она образует свои аминокислоты и нуклеотиды при помощи специальных белков, но для этого ее нужно поместить в питательный раствор сахара и других веществ. Человек должен есть, чтобы жить и расти. Он ест ткани живых организмов, например овощи и мясо. В этом отношении человек и другие животные менее независимы, чем бактерия. Мы не могли бы жить, питаясь раствором сахара и аммиака, потому что клетки нашего организма не в состоянии синтезировать необходимые аминокислоты. В этом отношении мы паразиты. Мы должны получать наши аминокислоты и нуклеотиды из другого живого материала. Белки в нашей пище расщепляются в процессе пищеварения в аминокислоты, из которых они состоят. Клетки нашего организма используют их для создания белков, нужных для его роста и химической деятельности.
Что касается наших потребностей в энергии — для работы наших мышц и синтеза белков, — то здесь мы поступаем, как бактерии. В наших клетках тоже есть белки, которые могут использовать энергию, освобождаемую при «сгорании» сахара, и запасать ее малыми порциями в квантовых состояниях молекулы АТФ. Эти молекулы служат носителями энергии в организме человека; они поглощаются мышцами во время сокращения, когда производится работа, или клетками при синтезе новых белков.
Бактерии нуждаются в сахаре, мы нуждаемся в аминокислотах и сахаре. Откуда поступают все эти вещества? И мы, и все другие живые существа, включая бактерии, потребляем сахар, сжигая его в СO2 и воду. Мы потребляем и аминокислоты: после смерти наш организм разрушается, и содержащиеся в нем аминокислоты распадаются на углерод и другие простые вещества, из которых состоят аминокислоты. И молекулы сахара, и аминокислоты (и нуклеотиды) суть богатые энергией сочетания атомов, т. е. богатые энергией молекулы. Что же поставляет эти молекулы? Должны быть места, где синтезируется сахар, чтобы сделать возможной жизнь, и где создаются аминокислоты. Если бы таких мест не было, живые существа вскоре истощили бы все имеющиеся запасы.
Этот синтез происходит в растениях. Зеленый цвет растений обязан веществу, называемому хлорофиллом, который вместе с ДНК является важнейшей для существования жизни на Земле молекулой. Молекула хлорофилла не так велика, как молекула ДНК, но имеет сложное строение, благодаря которому она способна осуществлять свою важнейшую функцию. При воздействии солнечных лучей хлорофилл поглощает их энергию и восстанавливает, богатые энергией молекулы, такие, как сахар, из их «пепла», т. е. из углекислоты и воды. Солнечная энергия превращается в химическую.
Молекулы хлорофилла «работают» в клетках зеленых растений. Растение получает воду из почвы, двуокись углерода из воздуха и энергию от солнечных лучей, падающих на листья.
Сахар содержит меньше кислорода, чем СO2 и вода. Следовательно, в процессе образования сахара в виде побочного продукта получается кислород. Весь кислород атмосферы был произведен растениями, когда содержавшийся в них хлорофилл образовывал сахар. Мы не могли бы дышать, если бы растения не занимались непрерывно производством кислорода.
Молекулы хлорофилла всегда образуются при росте зеленых растений. Клетки растений подобны тем, которые мы здесь описывали, но они еще в большей степени независимы, чем бактерии. Они не только содержат белки, которые производят все необходимые аминокислоты, но создают и хлорофилл, который затем синтезирует сахар при помощи солнечного света. Таким образом, растения живут и развиваются, не нуждаясь в питательном растворе сахара и не «поедая» живой материи. Все, что им нужно, — это свет, двуокись углерода, вода и некоторые неорганические вещества, например аммиак, находящийся в почве. В этом отношении растения — идеальные живые системы. Действительно, растения — это единственная «производящая» живая материя; она сама производит при помощи света все необходимые ей материалы из простых неорганических веществ. Все другие формы жизни следует отнести к «разрушающим». Они нуждаются в богатых энергией веществах, производимых растениями, и используют их для создания собственных структур. Животные и человек наиболее расточительны. Для построения своих клеток они нуждаются не только в таком богатом энергией веществе, как сахар, но и в высокоорганизованном материале — аминокислотах. Человек и животные гораздо выше организованы, чем все другие формы жизни. Особенно мы должны гордиться своей нервной системой, которая координирует восприятие и движение и, наконец, делает возможным мышление.
Что такое жизнь? С нашей точки зрения, это проявление особых молекулярных структур, которые непрерывно воспроизводятся и заставляют другие молекулярные структуры укладываться в определенную схему, различную для каждого вида живого, но одинаковую в принципе. Атомы могут соединяться в живую материю только при совершенно особых условиях. Температура должна быть достаточно низкой, чтобы тепловое движение не разрушало сложные фабрики макромолекул. Однако она не должна быть и слишком низкой, потому что жизнь возможна только тогда, когда белки и нуклеиновые кислоты сохраняют способность производить химический синтез; для этой деятельности необходимо наличие некоторого теплового движения. Если клеточный материал замерзнет, вся химическая работа остановится. Для синтеза богатых энергией молекул необходим солнечный свет, но его не должно быть слишком много, так как температуры должны оставаться умеренными. У нас на Земле эти условия очевидно выполняются: поверхность нашей планеты богата зелеными растениями и различными странными комбинациями атомов, которые мы называем живыми организмами.
