Жизнь как она есть: её зарождение и сущность - Фрэнсис Крик

В чем заключается разница между ними? Если говорить в самых общих чертах, эукариоты имеют высокоразвитые хромосомы, которые после репликации делятся в ходе процесса, известного как митоз, который требует особого митотического аппарата. «Хромосомы» прокариот намного проще, и у них отсутствуют молекулы для создания митотического веретена. Эукариоты имеют в своей цитоплазме множество особых компонентов, включая сложные мембранные системы (которые обычно отсутствуют у прокариот) и особые маленькие органеллы, такие как митохондрии. У них есть своя собственная ДНК и свой собственный аппарат для синтеза белка, и широко распространена точка зрения, что они произошли от не паразитирующего прокариота, который проник в клетку и, в конечном итоге, выродился настолько, что мог существовать только в симбиозе с клеткой-хозяином. Митохондрию обычно называют «электростанцией клетки», поскольку она включает молекулярный аппарат для эффективного сжигания пищи с использованием молекулярного кислорода. Каждая из наших собственных клеток насчитывает сотни, если не тысячи, таких митохондрий.

Возможно, что более существенное различие между эукариотами и прокариотами касается способа проникновения веществ в клетку и выхода из нее. У эукариот есть специальные механизмы для поглощения крупных частиц (процесс называется фагоцитоз) и специальные внутренние структуры для их переваривания. У прокариот такие молекулярные механизмы полностью отсутствуют. Через их мембраны могут проникать лишь объекты величиной с молекулу.

У нас нет необходимости вдаваться во все детали. В общих чертах, прокариоты проще, у них отсутствуют специальные молекулы, которые позволяют более совершенным эукариотам осуществлять сложные процессы. Эти процессы позволяют эукариотам нести намного больше генетической информации (разрешая иметь набор хромосом вместо лишь одного отрезка ДНК), жить в других организмах и перемещать молекулы повсюду внутри самих себя с определенной целью. Если есть одно свойство, которое ставит эукариот выше прокариот, так это молекулярный аппарат для генерации и управления движением внутри клетки. Именно он привел к образованию мышц, весьма важных для животных, и допускает сложный танец хромосом, который мы наблюдаем в виде митоза.

Тогда почему, если бактерии находятся в таком невыгодном положении, нам следует их рассматривать в качестве возможных пассажиров нашей ракеты? Ключ к ответу заключается в одном слове: кислород. Вполне вероятно, что в пребиотическом мире в атмосфере было мало кислорода. Следовательно, мы должны исследовать организмы, которые существуют сегодня на Земле, чтобы понять, каковы их потребности в кислороде.

Большое преимущество кислорода заключается в том, что он позволяет клетке получить намного больше энергии при метаболическом усвоении своей пищи. Этот процесс обычно называется респирацией. Немногие бактерии могут использовать определенные неорганические соединения, такие как углекислые соли, нитраты или сульфаты, вместо кислорода, но это именно те соединения, которые вряд ли можно было найти в каком-либо количестве на первозданной Земле вследствие нехватки кислорода в атмосфере. В отсутствии неорганического акцептора электронов, как называются такие соединения, клетка должна пользоваться намного менее эффективным способом, называемым ферментацией. Значение ферментации заключается в том, что она может развиваться при полном отсутствии кислорода, но она создает значительно меньше молекул АТФ (аденозинтрифосфата), энергетической валюты клетки, чем респирация.

Молекулярный кислород мощное, но опасное соединение. Потенциально, он является высокотоксичным веществом для клетки, потому что клеточные процессы могут создавать несколько его смертельных производных, таких как перекись водорода (H2O2) или даже еще более опасное соединение — свободно радикальный супероксид (O2-). Многие клетки имеют особые ферменты, которые поглощают эти угрожающие жизни соединения. У некоторых видов бактерий отсутствуют такие ферменты. Для них кислород — яд, и они могут жить только в тех местах, где его нет, таких как глубокая грязь, но на первозданной Земле они не оказались бы в особо невыгодном положении.

Кислород, который, как следует напомнить, создается сегодня как побочный продукт фотосинтеза, настолько полезен для большинства организмов, что они могут жить без него не больше, чем мы с вами. Именно по этой причине нам не нужно рассматривать большинство более развитых клеток в качестве кандидатов на заселение космоса. Это требование исключает всех претендентов, за исключением некоторых бактерий и немногих простейших, таких как дрожжи. Некоторые из них могут использовать кислород, если он доступен, и снова примером являются дрожжи, тогда как другие совсем не могут пользоваться кислородом. Некоторые анаэробы могут выдерживать кислород, но других он убивает.

После этого вступления давайте посмотрим, что представляют из себя бактерии. Существует такое множество различных видов бактерий, что любое краткое описание обязательно должно быть довольно поверхностным. Обычно они довольно малы, что может быть не слишком удивительно, поскольку они имеют одну из самых небольших величин ДНК, не превышающую миллион пар оснований. Типичный размер, хотя существует большой разброс размеров, обычно составляет около одного или нескольких микрон (микрон — это одна тысячная миллиметра), поэтому обычно они немного больше, чем длины волн видимого света, диапазон которых около половины микрона. По этой причине, хотя их и можно увидеть в мощный оптический микроскоп, так что можно наблюдать их приблизительный размер и форму (сферическую, палочковидную или соединенные в длинные цепочки), для того, чтобы проникнуть в их тайны, нужны другие методы. К счастью, некоторые бактерии оказались идеальными для современных биохимических методов, поэтому на них выполнено огромное количество исследований, особенно в последние тридцать-сорок лет. Они выявили, что бактерии являются действительно удивительными существами.

Можно подумать, что поскольку они такие маленькие, то им будет недоставать химической универсальности, но дело обстоит далеко не так. Многие из них могут жить в очень простой химической среде, содержащей всего лишь один источник углерода, один источник азота (такой как аммиак NH4+) и некое соединение, обычно, но не всегда, органическое, которое они могут использовать для получения энергии. Многим из них не нужна большая часть витаминов, поскольку они могут скорее синтезировать их для себя сами, чем получать их с пищей, как это делаем мы. Не нужны им также «незаменимые» аминокислоты, которые мы получаем путем расщепления белка в нашей пище, поскольку они также могут их для себя вырабатывать. Многие из них подвижны. Они могут передвигаться с помощью своих достаточно простых жгутиков и могут обнаруживать скопление молекул пищи, и с помощью простых приемов они могут плыть в этом общем направлении. Аналогичным образом они могут избегать определенных токсичных веществ. В благоприятных условиях они могут расти и очень быстро делиться. В густом отваре с множеством кислорода они могут разделиться надвое всего лишь за двадцать минут. В менее благоприятных условиях удвоение их числа может занять полдня, но даже с такой скоростью они располагают возможностью быстро увеличить свое количество при условии, что сохраняется запас питания. У них есть эффективные механизмы управления своим метаболическим аппаратом, поэтому ферменты, которые временно не нужны (из-за богатого запаса пищи), отключаются и больше не вырабатываются до тех пор, пока клетка вновь не почувствует в них необходимости. Метаболически они, по-видимому, настроены на быстрый рост, поскольку во многих обстоятельствах выигрывают именно самые быстрые клетки, и с помощью естественного отбора производят последующие поколения. Их половая активность очень незначительна. Большую часть времени одна клетка просто делится на две дочерние клетки, не прибегая к какому-либо половому процессу, но время от времени, с помощью специального механизма, две бактерии могут спариваться, при этом одна («мужская») передает некоторое количество своей ДНК другой («женской»). Процесс может быть относительно медленным, акт передачи занимать до двух часов или несколько обычных жизненных циклов.

Благодаря тому, что половое размножение не существенно, колония бактерий может вырасти лишь из одной особи. Более того, поскольку у них нет необходимости искать себе партнера для размножения, они могут расти очень далеко друг от друга.

У бактерий обычно очень жесткие стенки клетки за пределами нежной плазматической оболочки, что образует на молекулярном уровне эффективный барьер между внутренней и внешней сторонами клетки. Эта стенка защищает плазматическую оболочку от разрушения и особенно от осмотического разбухания, которое, в противном случае, возникнет, если клетка окажется в слишком водянистом растворе. Таким образом, многие бактерии не слишком боятся концентрации солей и органических соединений в окружающей их среде. Еще одно преимущество заключается в том, что они обычно могут подвергаться «лиофилизации», процессу, в ходе которого бактерии сначала охлаждаются, а затем из них извлекается вода таким образом, чтобы нанести минимальный ущерб клеточным структурам.