Глава 3. Единообразие биохимии
В сущности, проблема возникновения жизни — это проблема органической химии, химии соединений углерода, но органической химии в необычной плоскости. Особый характер живых существ, как мы убедимся, с невероятной тонкостью и точностью подробно определен уже на уровне атомов и молекул. В начале, должно быть, именно молекулы развились таким образом, что образовалась первая живая система. Поскольку жизнь зародилась на Земле настолько давно, возможно, даже четыре миллиарда лет назад, то нам очень трудно узнать, как выглядели первые живые существа. В основе всех живых существ на Земле, без исключения, лежит органическая химия, а подобные химические соединения обычно неустойчивы в течение длительных периодов времени при том колебании температур, что существует на поверхности Земли. Постоянные сотрясения, вызванные тепловым движением в течение сотен миллионов лет, в конце концов, разрушают сильные химические связи, прочно удерживающие вместе атомы органической молекулы в течение более коротких периодов времени, например, в течение нашей собственной жизни. По этой причине почти невозможно найти «молекулярные ископаемые» из тех очень давних времен.
Минералы могут быть намного устойчивее, по крайней мере, на отчасти менее обработанном уровне, в основном потому что в их атомах для образования регулярных трехмерных структур используются прочные связи. Разрыв одинарной связи значительно не разрушит форму минерала. Ископаемые можно в изобилии наблюдать в горных породах, сформировавшихся немногим более миллиарда лет назад, к тому времени, когда организмы уже достаточно развились, и у них появились костные ткани. Обычно подобные ископаемые состоят не из первичных тканей тех организмов, а из неорганических отложений, которые просочились в них и приобрели их форму. Форма мягких тканей обычно не сохраняется, хотя иногда присутствуют следы типа червоточин — отпечатки на горных породах времени.
Существуют ли вообще ископаемые намного древнее этих? Тщательное микроскопическое исследование очень древних пород доказало, что они содержат небольшие вкрапления, которые выглядят как окаменелые остатки очень простых организмов, несколько напоминающих некоторые одноклеточные организмы, обитающие сегодня на Земле. Это имеет большое значение. Мы склонны предполагать, что в процессе эволюции многоклеточные существа развились из этих древних организмов, которые имели только одну клетку. Хотя некоторые обстоятельства здесь все еще спорны, первые организмы такого типа появились примерно 2 1/2 — 3 1/2 миллиарда лет назад. Возраст Земли примерно 4 1/2 миллиарда лет. После того как утих хаос ее первоначального формирования, наступил период длиною около миллиарда лет, в течение которого могла бы развиться жизнь на основе сложного химического состава земной поверхности, особенно в океанах, озерах и заводях. Мы совсем не располагаем ископаемыми останками того периода, потому что все еще не обнаружены сохранившиеся фрагменты осадочных пород того времени.
У нас есть только два способа подойти к этой проблеме. Мы можем попытаться смоделировать те древние условия в лаборатории. Поскольку жизнь — это, вероятно, счастливая случайность, которой даже для появления в расширенной лаборатории на поверхности планеты могло понадобиться много миллионов лет, то не слишком удивительно, что подобные исследования до сих пор далеко не продвинулись, хотя здесь есть и некоторые успехи. Кроме того, мы можем тщательно изучить все живые организмы, существующие сегодня. Так как все они произошли от какого-нибудь из тех первых простых организмов, то можно надеяться, что они все еще несут в себе некоторые следы тех самых древних живых существ.
На первый взгляд, подобная надежда представляется абсурдной. Неужели что-то может объединять лилию и жирафа? Неужели человек может иметь что-то общее с бактериями, живущими в его кишечнике? Циник мог бы заявить, что поскольку, так или иначе, все живые существа едят или их съедают, то это, по крайней мере, говорит о том, что у них есть нечто общее. Удивительно, но оказывается, что это действительно так. Единство биохимии намного глубже и полнее, чем предполагали всего лишь сто лет назад. Огромное разнообразие природы: человек, животные, растения, микроорганизмы, даже вирусы — на химическом уровне все создано по общему основному плану. Именно фантастическое совершенствование этого основного плана, развившееся в ходе естественного отбора за бесчисленные поколения, создает для нас трудности в нашей повседневной жизни при проникновении под его внешнюю форму и постижении единства изнутри. Несмотря на все различия, мы все пользуемся единым химическим языком, или, точнее, как мы увидим, двумя такими языками, близко связанными друг с другом.
Для понимания единства биохимии мы должны сначала уяснить в самых общих чертах, какие химические реакции происходят внутри организма. Живую клетку можно представить как довольно сложную, хорошо организованную химическую фабрику, которая принимает один набор органических молекул — свое питание, — расщепляет их при необходимости на более мелкие единицы, а затем вновь сортирует и соединяет эти более мелкие единицы, часто за несколько осторожных шагов, в целях создания многих других мелких молекул, некоторые из которых она выделяет, а другие использует для дальнейшего синтеза. В частности, она собирает особые наборы этих мелких молекул в длинные цепи, обычно без ответвлений, чтобы образовать жизненно важные макромолекулы клетки, три больших семейства гигантских молекул: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды.
Первый уровень организации, который мы должны рассмотреть, самый низший из всех, — это тот уровень, на котором атомы связываются один с другим для образования мелких молекул. Итак, один атом является довольно симметричным объектом. Его форма приближается к сферической, и если мы посмотрим на него в зеркало, то его зеркальное отражение окажется точно таким же, именно так выглядел бы и бильярдный шар. Более сложные структуры могут оказаться «разветвленными» — наши собственные руки отличный тому пример[3]. Если мы посмотрим на правую руку в зеркало, то увидим левую руку, и наоборот. Мы можем сложить обе наши руки, как в молитве, и кажется, что между ними мы держим зеркало. Способа, с помощью которого мы можем точно наложить одну руку на другую, даже мысленно, не существует.
У некоторых простых органических молекул, таких как спирт, «разветвленность» отсутствует; они и их зеркальные отображения одинаковы, так же, как кубок. Но большинству органических молекул это не свойственно. Сахар на обеденном столе, если взглянуть на него в зеркало, становится совершенно другим собранием атомов. Эта разница имеет значение не для всех типов химических реакций. Если бы мы нагрели такую молекулу и могли наблюдать, как увеличиваются молекулярные колебания до тех пор, пока не нарушится одна из связей, то увидели бы, что в случае, когда мы представили бы этот процесс в зеркальном изображении, относительные перемещения всех атомов оказались бы идентичными. Основные реакции в химии симметричны в условиях отражения с очень высокой степенью приближения. Разветвленность становится важной, только если две молекулы должны точно соответствовать друг другу. Мы можем увидеть это при изготовлении перчатки. Все детали перчатки: ткань, нить, даже пуговицы — каждая по отдельности, зеркально-симметричны, но их можно соединить двумя похожими, но различными способами, чтобы сшить перчатку как на правую руку, так и на левую. Очевидно, что нам нужны обе, потому что у нас две разные руки, хорошая перчатка на левую руку не подойдет на правую.
Простейшая форма асимметричной молекулы этого типа образуется, когда один атом углерода связан одинарными связями с четырьмя другими разными атомами или группами атомов. Это происходит потому, что все четыре связи атома углерода не лежат в одной и той же плоскости, а расположены с равными промежутками во всех трех измерениях и направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.
Распределение в пространстве четырех связей вокруг одного атома углерода.
Таким образом, органические молекулы (молекулы, содержащие атомы углерода) часто могут быть разветвленными, даже когда они могут оказаться мелкими, но нам нужно понять, какое значение все это имеет для клетки. Основная причина заключается в том, что биохимическая молекула не изолирована от других. Она вступает в реакцию с другими молекулами. Почти любая биологическая реакция ускоряется с помощью свойственного только ей особого катализатора. Мелкая молекула, для того чтобы прореагировать подобным образом, должна плотно прилегать к поверхности катализатора, и поскольку у мелкой молекулы есть вздутие, то оно должно быть и у катализатора. Как в случае с перчаткой, реакция не будет происходить должным образом, если мы попытаемся приспособить левостороннюю молекулу во впадину, соответствующую правосторонней.
