Фолсом - Происхождение жизни - 1982 (947300), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Таково наследство, которое оставила нам первичная экологнческаа обстановка. Понятие «сопряженная циркуляция биозлементовэ требует некоторого пояснения. И на Земле, и в друпьх местах Вселенной существуют пебиологические цпкличесиюе превращения материи, движимые энергией излучения. Например, кислород может образовываться благодаря фотодис- ОПРВДИЛЕГГИК ЖИЗНИ 77 ОИОГГия иылучепия Ойсаламслий сппарпй — (3 Г ~ Нюяюлакслай РЖИ Осцюана лсслай Опвааактнм () Лсвяаламслая Ораяачавай Ивпввалинслай Нммаяавтлай ласяпрпй рнс. Осй Онаагеровсние сопри)конные круговороты биозлемептов. Энергия излучения является движущей силой круговорота фосфора. Все остальные круговороты биозлементов подключены к этому круговороту и благодаря этому работают с присущими им скоростями.
социацни воды и затем реагировать с водородом вулканического происхождения, вновь появляясь в составе воды. В биологических системах также происходят циклические превращения вещества, но опи отличаются от аналогичных превращений в небиологических системах тем, что все оип сопряжены друг с другом. Это можно наблюдать в процессе роста организмов — закономерного, упорядоченного возрастания пх размеров и количества всех компонентов. Такое же сопряжение биоэлев|еитон имеет место и в экологических процессах в масштабе всей планеты (рис.
6Л). Цикл фосфора приводится в движение энергией излучении. С каждым оборотом этого цикла во всех ос- 78 глава « тальных циклах также происходят превращения с присущими им скоростями. «Движимая энергией излучения» означает, что в конечном счете всеми биологическими системами движет энергия видимого излучения Солнца. Ни биологический круговорот фосфора, ни какой-либо другой круговорот не совершается самопроизвольно; нх движущей силой является солнечная энергия, которая участвует в этих процессах либо непосредственно, как в случае фотосинтеза, либо косвенно, как в случае поедания растений травоядными животными. Энергия, подобно времени, — сложное понятие, которое поддается измерению только в ходе его взаимодействия с веществом: оно ускользает от нас, как только мы стремимся проникнуть в его сущность.
Фактом остается то, что энергия вызывает превращения состояний вещества. Когда эти превращения сопряжены, как они сопряжены для биоэлементов, мы имеем дело с биологической системой — так говорит наш опыт. Вероятно, наиболее существенный, интуитивно очевидный и запутанный аспект данного нами определения жизни заключен в словосочетании «по пути увеличения сложности». Слову «сложность» было отдано предпочтение перед словом «информация» потому, что последний термин имеет слишком много различных значенцй. Как показал Дарвин, при естественном отборе из любой популяции выбирается только то подмножество, которое наиболее способно к максимальноиу увеличению численности в своей экологической нише.
Действие такого отбора основано на генетической изменчивости, присущей популяции, а также на том, что каждая популяция потенциально способна к воспроизведению себя в огромном избытке. Руководствуясь только этими представлениями, можно было бы прийти к тому, что мир должен быть населен сверхразвившимися микробами, способными быстро и эффективно заполнить любую потенциально доступную нишу и подавить всю остальную жизнь. И тем не менее на Земле существуют не только микробы, существуют люди, растения, насекомые и т.
д., которые представляют собой удпвительно сложпые организмы, По-видимому, имеются в большом количестве пиши, недоступные для микробов, в которых находят прfбеж»пце слолгные формы — многоклеточные организмы. В будущем в биологических теориях опгвдвлкнив жизни 70 необходимо как можно полнее учесть свойства ниш и справиться с проблемой сложности. В настоящее время это невозможно: сейчас еще не решена задача даже измерения количества информации в ДНК какого-либо организма. Но среди свойств ниши выделяется одно: объедипение характеристик, связанных с размерами и временем, яа биологической шкале. Клетки микроорганизмов малы; их размеры ограничиваются в основном дяффузвей необходимых органических соединений из окружающей среды, так как объем клетки возрастает пропорционально кубу линейных размеров, а поверхность, через которую осуществляется диффузия,— лишь квадрату.
Отметим также, что для процесса диффузии требуется определенное время. Более сложные и крупные эукариотические клетки развялись из агрегатов микробных клеток. Критическое зпачение в агрегатах примитивных бактериеподобных клеток имело увеличение внутренней поверхности благодаря использованию множества мембранных систем. Следствием этого явилось возрастание времени деления клетки. Новые, более сложные клетки были способны быстрее обрабатывать поступающее сырье и заиималя другую временную нишу: внутри более сложной клетки за меньшее время могло происходить больше молекулярных событий. Для занятия новых ниш было недостаточно возрастающей сложности развивающихся биологических систем. Необходимы были также флуктуации окружающей среды, которые влияли на воспроизведение биологических систем в избыточном количестве и тем самым приводили к отбору наиболее приспособленных.
Свободный кислород стал доступен главным образом благодаря метаболиэму фотосинтезирующих сяве-зеленых водорослей. В ответ яа присутствие свободного кислорода развились сложные эукариотические клетки, поскольку они могли использовать кислород, для того чтобы во много раэ увеличить скорости биологического производства энергии, Вероятно, это было самое важное достижение в эволюции ло направлению к мпогоклеточпым формам жизни. Хотя в настоящее время биологическая теория не может, исходя из первичных принципов, адекватно объяснить, почему сложность систем, движимых эяергией, зе глАВА « должна возрастать, простыми физическими экспериментами доказано, что это действительно так. Классический умозрительный эксперимент состоит в следующем: если подвергнуть одну из сторон замкнутого сосуда воздействию точечного источника тепла, что аналогично потоку энергии излучения, то концентрация молекул газа в сосуде вблизи источника тепла понизится, а вдали от него — повысится.
Упорядоченность системы, таким образом, возрастет, поскольку, по мере поступления энергии, концентрация молекул газа в сосуде будет становиться все более упорядоченной. Вследствие неадекватного характера существующей биологической теории весьма трудно оценить такого рода упорядоченность в биологических системах.
Пока примем гипотезу, что любая биологическая система характеризуется определенной упорядоченностью (пли информацией, или сложностью, нли неслучайным характером). Допустим также, что, когда через биологическую либо небиологическую сястему течот мощный поток «высококачественной» энергии излучения, небольшая часть его тратится на создание упорядоченности, а остальная переходит в «низкокачественный» вид энергии — тепло.
Под сопряжением циклических превращений биоэлементов подразумевают, что все биологичдские системы используют общие материалы, и это действительно так. Во всех живых организмах осуществляются сходные биохимические превращения, основанные на удивительно малом числе органических соединений. Из сотен тысяч органических соединений, которые можно получить, в биохимических процессах повсеместно используются лишь около 120, К пим относятся 20 аминокислот, 4 липнда, 5 оснований нуклеиновых кислот, 20 витаминов и разнородная группа малых молекул, таких, как органические кислоты, фосфат и вода. Небольшой набор главных органических соединений, общий для всех живых систем, позволяет экоснстемам действовать эффективно на различных трофических уровнях.
Этот небольшой набор соединений составляет основную массу сухого остатка всех организмов. Число различных классов полимеров ещо меньше. Основу сухой массы любой функционирующей биологической системы составляют белки, полисахарпды, липяды н нуклеиновые кислоты. опгеделение жизни 81 И здесь простота и универсальность полимерных структур в биологических системах отражают необходимость общего трофического уровня в экосистеме.
Необычайно сложная вычислительная машина состоит из наборов основных единиц. Аналогичным образом все биологические системы имеют основную единицу — клетку, ограниченную мембраной. Диапазон размеров живых клеток очень узок. Размер бактериальных, или прокариотических, клеток очень мал, от '/г до 2 мкм в поперечнике (1 мкм=1 ° 10» и). Вукариотическке клетки, имеющие ядро и органеллы, более крупные и устроены сложнее; их размеры лежат в диапазоне от 5 до 20 мкм. Клетка отграничивает часть водной среды фазовой границей— мембраной, чтобы приспособить эту среду для биосивтеза.
Физические законы диффузии малых молекул в воде резко ограничивают тот максимальный размер, который может иметь клетка. Минимальный размер клетки ограничен количеством функций, которые она должна осуществлять для воспроизведения. Вирус — это нефункциоппрующая биологическая система: согласно нашему определению, его нельзя назвать живым, он представляет собой покрытый белками «шприц для подкожных инъекций», заполненный нуклеиновой кислотой. Скорее он продукт клетки. Все клетки имеют одинаковые генетический и белок- синтезирующий аппараты, описание которых мы дадим в гл.
9. Объяснение того, как возникли подобные аппараты, — один из наиболее трудных аспектов вопроса о происхождении жиаки. В гл. 10 мы попытаемся дать такое объяснение. Во всех биологических системах белки являются теми молекулярными машинами, которые обусловливают точность биосинтеза полимеров и быстроту превран1ения веществ и энергии.
Очень небольшое число белков (если такие вообще существуют) действуют сами по себе, чаще всего они функционируют в комплексе с ионами металлов иле другими ионами. Особо выделим два примера — наличие магния в хлорофилле и железа в гемоглобине. Эти металлы жпзиеепо пеобходимы для функционирования биологических систем, хотя опи пе являются бнозлемептами, причем ионы металлов чаще связаны ионными, а пе ковалентными связями. Не являясь участниками бяо- аэ РЛАВА В логической структуры, ионы металлов имеют решающее еначение для функционирования биологической системы. Даже столь краткий обзор основных особенностей биологических систем ясно демонстрирует, что граничные условия для раамеров и функциональной природы клеток эаданы физическими и химическими законами и процессами.
Кроме того, накладываемое экологической системой ограничение, свяэанное с общностью трофических уровней, приводит к универсальности биохимических процессов, происходящих во всех биологических системах. Протобионты А Органические микроструктуры, полученные в эксперименте с искровым разрядом над поверхностью воды. На этой микрофотографии вы видите каплю воды, взятую прямо иг экспериментальной колбы; Х10000.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
