в определенной последовательности. Особенно это относится к многоклеточным организмам, у которых в различных клетках вырабатываются разные белки и, следовательно, в разных клетках должны быть активированы разные гены. Активация тех или иных генов осуществляется с помощью особых ферментов. Именно ферменты помогают спирали ДНК раскрутиться и определяют, какая часть записанной в ней информации будет передана в РНК. Синтез молекул нуклеиновых кислот, как и синтез белковых молекул, зависит от активности множества ферментов, но сами эти ферменты синтезируются по программам, записанным в ДНК. Следовательно, нуклеиновые кислоты и белки образуют взаимосвязанную систему, определяющую функционирование живой клетки. Недаром земную жизнь называют
белково-нуклеиновой. Конечно, сами по себе белки и нуклеиновые кислоты еще не образуют живую систему. Для того чтобы клетка могла функционировать, чтобы могли протекать те множества реакций, которые характеризуют метаболизм клетки, процесс ее жизнедеятельности — необходимо иметь, помимо генетического аппарата, исходное сырье, растворитель и источник энергии. Исходное сырье доставляется в клетку в процессе питания. Растворителем служит вода, на долю которой приходится подавляющая часть вещества клетки (в теле человека 70% по массе). Поэтому земную жизнь называют также водно-углеродной. Источником энергии, как уже говорилось выше, являются углеводы.
Углеводы образуются в растительных клетках в процессе фотосинтеза. При этом в качестве сырья используются углекислый газ и вода, поступающие в клетку из окружающей среды. Под действием солнечного света из молекул углекислого газа и воды образуется молекула сахара гексозы и молекулы кислорода, которые выделяются в окружающую среду:
6СО2 + 6Н2О
С6Н12О6 + 6О2 .
Энергия солнечного света переходит в энергию химических связей образующейся молекулы углевода. Часть образующихся молекул гексозы используется в качестве исходного материала для биосинтеза других органических соединений в растениях, часть при соединении с кислородом (внутриклеточное дыхание) образует углекислый газ и воду:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + энергия.
Продукты дыхания (углекислый газ и вода) выводятся из клетки, а освобождающаяся энергия, содержавшаяся в химических связях гексозы, используется в протекающих в клетке биохимических реакциях. Таким образом, возникающие в процессе фотосинтеза углеводы являются одновременно и исходным сырьем, и источником энергии для дальнейшего биосинтеза. Так как только часть образующихся углеводов расходуется при дыхании, то общее количество кислорода, выделяемое растениями в процессе фотосинтеза, превышает количество кислорода, поглощаемого ими при дыхании. Избыток кислорода используют для своего дыхания животные. В клетки животных организмов и в те клетки растений, которые не участвуют в фотосинтезе, углеводы поступают в процессе питания. Избыток энергии, освобождающейся в клетке, аккумулируется в молекулах липидов и расходуется организмом по мере необходимости.
Существенную роль в жизнедеятельности клетки играют клеточные мембраны. Они не только индивидуализируют клетку, отделяя ее от окружающей среды, не только разделяют внутриклеточные структуры, но благодаря избирательной проницаемости регулируют в клетке концентрацию солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена.
Лишь в том случае, когда имеются все необходимые компоненты: исходное сырье, растворитель, источник энергии и управляющая система (генетический аппарат), локализованные во внутренней среде, — лишь в этом случае может начать функционировать живая система. При отсутствии одного из компонентов живая система не может быть реализована. Это хорошо иллюстрируется на примере вирусов. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот, окруженных белковой оболочкой. Они не могут самостоятельно жить и размножаться вне клетки. Только внедрившись в клетку и используя ее компоненты, ее внутреннюю среду, имеющееся в ней сырье и источники энергии, вирус получает способность размножаться, копируя собственную структуру, т. е. обретает черты живой системы. В цепочке, ведущей от предживого к живому, вирусы представляют собой системы, непосредственно примыкающие к живому. Тейяр де Шарден классифицировал их как субживые. Но это еще не жизнь! Жизнь, как уже отмечалось выше, начинается с клетки. Именно клетка образует простейшую живую систему, способную функционировать самостоятельно, поддерживая свою внутреннюю структуру, расти, размножаться и эволюционировать.
Возникает вопрос: каким образом информация, управляющая жизнедеятельностью клетей, записывается в генах? При образовании новых клеток, в процессе клеточного деления, каждая молекула ДНК разделяется на две половины по всей своей длине. Затем каждая половина формирует себе другую половину из имеющихся в окружающей среде молекул нуклеотидов. При этом, в силу взаимных связей, присущих азотистым основаниям (А—Т), (Г—Ц), новые основания присоединяются к старым в той же последовательности, которая была у недостающей половины. Таким образом, каждая половина молекулы ДНК точно воспроизводит вторую половину, так что возникают две двойные спирали, полностью идентичные родительской молекуле. При делении клетки одна из двух образовавшихся спиралей переходит к одной дочерней клетке, а другая —-к другой. В результате дочерние клетки получают генетический аппарат ДНК от родительской клетки, а вместе с ним — программу сборки белковых молекул, позволяющую поддерживать жизнедеятельность вновь образующихся клеток.
При формировании нового организма из зародыша источником генетической информации является ДНК оплодотворенной яйцеклетки, т. е. в конечном итоге — гены родителей. Зафиксированная в них программа жизнедеятельности клеток копируется и в готовом виде передается по наследству следующему поколению. Это очень важно, ибо, если бы каждому организму приходилось заново строить для себя программу синтеза необходимых ему белков, т. е. выбирать, в какой последовательности надо соединять аминокислоты, чтобы получить нужные белки, — он не смог бы выжить. Итак, генетическая информация переходит от родителей к потомкам на протяжении многих поколений. Естественно спросить: где же первоисточник этой информации, каким образом исходно возник действующий в живой клетке механизм матричного копирования? Но это уже относится к проблеме происхождения жизни.
Итак, генетическая информация на клеточном уровне состоит из закодированной в ДНК комбинации программ, управляющих синтезом большого числа ферментов и других белковых молекул. Но когда мы рассматриваем организм в целом, содержание генетической информации этим не исчерпывается. Полная программа развития организма из зародыша должна содержать не только программу жизнедеятельности каждой клетки, какие бы функции в организме она не выполняла, но и программу дифференциации клеток, построения различных тканей и органов. Как происходит дифференциация, каким образом строится целый организм — это пока не совсем понятно. Не известно даже, как строится отдельная клетка, ведь одно дело сформировать механизм синтеза белков, а другое дело — сконструировать сложную и тонкую структуру клетки с ее многочисленными органеллами. Тем более это относится к многоклеточному организму. Ясно, что программа его построения генетически закодирована, об этом свидетельствует тот факт, что любые изменения в структуре ДНК сказываются на строении организма во всех последующих поколениях. Известно также, что при реализации этой программы важную роль играют ферменты, которые запускают, активизируют или останавливают те или иные процессы.
