Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Лейн Ник

Слово “свободная” здесь имеет специфическое значение, которое мы обсудим в следующей главе. Сейчас скажу лишь, что энергия – это как раз то, чего не хватает в этой главе и, как верно заметил Шредингер, в его книге. Ее знаменитое заглавие представляет собой неправильно поставленный вопрос. Если учесть, что жизнь – это процесс, требующий активного участия, то есть энергии, вопрос станет гораздо содержательнее: “Что значит жить?” Но оставим Шредингера в покое. Когда он писал свою книгу, о биологическом потоке энергии было известно очень мало. Сейчас мы знаем, как это устроено, вплоть до атомного уровня. Оказывается, сложные механизмы получения энергии являются общими для всех организмов – так же, как является общим для всех генетический код. Этими механизмами определяются действующие на клетки фундаментальные структурные ограничения. Но мы не знаем ни того, как они возникли, ни того, как именно биологическая энергия ограничивала и направляла развитие жизни. Это и есть вопрос, которому посвящена книга.

Глава 2

Что значит жить?

Они хладнокровные и расчетливые убийцы. Они совершенствовали свои навыки много миллионов поколений. Они перемещаются по организму, с легкостью обманывая иммунную систему.

Распознавая и связывая белки на поверхности клеток, они силой или обманом получают доступ к сокровенному содержимому. Они могут безнаказанно угнездиться в ядре клетки, даже в клеточном геноме, и таиться там долгие годы. В других случаях они приступают сразу к делу: подчиняют себе биохимические процессы клетки, заставляя ее производить тысячи таких же убийц, облаченных в маскировочные костюмы из белков и липидов. Когда множество убийц-клонов выходит наружу, каждый из них готов внедриться в новую клетку и запустить цикл разрушения. Они способны убить человека, разрушая одну клетку тела за другой; могут вызывать эпидемии; способны в одночасье сделать безжизненными сотни миль океанских вод. При этом большинство биологов даже не считает их живыми. Впрочем, вирусам нет дела до того, как именно их классифицируют.

Почему вирусы можно считать неживыми? Потому что у них нет собственного метаболизма, их единственный источник энергии – ресурсы клетки-хозяина. Является ли метаболическая активность неотъемлемым признаком жизни? [16] Принято считать, что да. Но почему? Среда обитания вируса – это внутреннее содержимое клетки, он пользуется ее ресурсами для самовоспроизведения. Но ведь мы и сами, по сути, делаем то же самое – поедаем других животных и растения, дышим кислородом. Если человек отгородится от окружающей среды – например надев на голову полиэтиленовый пакет, – то через несколько минут погибнет. Так что мы паразитируем, как и вирусы. То же самое относится к растениям. Растения необходимы нам так же, как и мы – им. Чтобы фотосинтезировать и расти, им нужны солнечный свет, вода и углекислый газ (CO₂). Растения не способны расти в отсутствие CO₂, в темных пещерах и безводных пустынях. Они не испытывают недостатка в CO₂ благодаря животным, грибам и бактериям, которые непрерывно разлагают органику, в конечном счете превращая ее в атмосферный CO₂. Кроме того, мы обогащаем атмосферу углекислым газом, сжигая ископаемое топливо. Хотя это может привести к ужасным последствиям для планеты, для растений это благо: чем больше СО₂, тем быстрее они растут. Так что растения паразитируют, как и мы, на окружающей среде.

16

Вирусологи склоняются к тому, что вирусы живые, что вирусная частица – покоящаяся стадия их жизненного цикла, а активной стадией является зараженная клетка (“вироклетка”), находящаяся под контролем вирусного генома и производящая новые вирусы. – Прим. науч. ред.

Увиденные с этой точки зрения растения и животные отличаются от вирусов лишь тем, что живут в несколько менее питательной среде. Вирусы кормятся внутренностями клеток, а в клетке сытнее и уютнее, чем в утробе матери: там есть почти все, что только можно пожелать. Поэтому вирусы могут позволить себе вступить на путь радикального упрощения и стать тем, что Питер Медавар назвал “дурной вестью в белковом конверте” (именно из-за того, что среда обитания вирусов настолько удобна). Другая крайность – это растения, способные жить почти везде, где есть вода, свет и воздух. Им пришлось приобрести чрезвычайно сложное внутреннее строение для того, чтобы выживать в столь суровых условиях. С точки зрения биохимии, растения в прямом смысле способны добыть из воздуха все, что им нужно [17] . Мы с вами где-то посередине. Кроме питательных веществ, в нашей пище должны присутствовать некоторые витамины, без которых у нас развиваются опасные болезни, например цинга. Мы не способны самостоятельно производить витамины из их простых предшественников, поскольку утратили соответствующие предковые биохимические процессы. Без внешнего источника витаминов мы оказались бы в положении вируса, который не нашел клетку-хозяина.

17

Кроме того, растениям необходимы минеральные вещества, например нитраты и фосфаты. Многие цианобактерии (бактериальные предки хлоропластов – фотосинтетических органелл растений) способны к азотфиксации – превращению инертного атмосферного азота (N₂) в активный, пригодный для метаболизма аммиак. Растения утратили эту способность: они получают активные формы азота из окружающей среды, в некоторых случаях – от симбиотических бактерий, живущих в корневых клубеньках (например у бобовых). Без биохимической помощи других организмов растения, как и вирусы, не смогли бы расти и размножаться. Паразиты – что с них взять!

Так что все организмы зависимы от среды обитания. Вопрос лишь в том, насколько сильна эта зависимость. Даже самые простые вирусы превосходят по сложности мобильные генетические элементы, например ретротранспозоны – “прыгающие гены”. Мобильные генетические элементы лишь распространяют свои копии по всему геному, никогда не покидая клетки-хозяина. Некоторые плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК, кодирующие небольшое число генов, независимые от остального генома, – способны непосредственно передаваться от одной бактерии к другой через специальные межклеточные контакты, не соприкасаясь с внешней средой. Вирусы, ретротранспозоны и плазмиды объединяет способность направлять ресурсы среды обитания на создание собственных копий. Так являются ли они живыми? Правильнее всего ответить так: пытаться провести границу между живым и неживым – бессмысленно. Они плавно переходят друг в друга. Большинство определений жизни относится к живым организмам и не учитывает их паразитов. Вот определение, которое дает НАСА: жизнь – это “самоподдерживающаяся химическая система, способная к

дарвиновской эволюции”. Соответствуют ли вирусы этому определению? Скорее нет – хотя это зависит от того, что мы понимаем под “самоподдерживающаяся”. В любом случае это определение не подчеркивает неразрывность жизни и среды обитания. Среда воспринимается априори как нечто отдельное от жизни, но мы увидим, что это не так: жизненные формы и среда их обитания всегда связаны.

Что происходит с живыми организмами, отрезанными от среды обитания? Например, мы умираем, поскольку другого выбора у нас нет. Но это не единственно возможное развитие событий. Вирусы не разрушаются и не “умирают”, будучи отрезанными от ресурсов клетки-хозяина – для них это естественное положение вещей. В миллилитре морской воды на каждую бактерию приходится по десятку вирусов, готовых в любой момент “ожить”. По своей устойчивости вирусы напоминают бактериальные споры, которые способны на долгие годы впадать в анабиоз. Споры сохраняют жизнеспособность, пролежав тысячи лет в вечной мерзлоте, они выживают даже в открытом космосе. При этом у них останавливается метаболизм. Семена растений и некоторые животные, например тихоходки, также способны (без пищи и воды) выдерживать экстремальные условия – и полное высушивание, и радиацию, в тысячи раз превышающую летальную дозу для человека, и давление в океанских глубинах, и космический вакуум.

Почему споры бактерий, тела вирусов и тихоходок не рассыпаются в прах, как предписывает им второе начало термодинамики? Конечно, если прицельно выжечь их космическими лучами или переехать автобусом, им придет конец – но в целом они очень устойчивы, когда впадают в анабиоз. Это может прояснить для нас разницу между “жизнью” и тем, что значит “жить”. Хотя споры фактически не проявляют признаков жизни, большинство ученых все же относит их к живым организмам, поскольку они способны оживать. Буквально так: они могут ожить, следовательно, они не мертвы. Тогда я не вижу причин, почему мы не можем сказать то же самое о вирусах: попадая в подходящую среду, они также оживают. То же самое относится к тихоходкам. Термин “жизнь” относится к структуре организма (которая в основном определяется генами и эволюционным процессом), а “жить” – к взаимодействию организма со средой обитания. Мы знаем чрезвычайно много о том, как гены кодируют клеточные компоненты, но почти ничего – о том, как физические ограничения определяют структуру и ход эволюции клеток.

О структуре, энергии и энтропии

Второе начало термодинамики гласит, что энтропия – мера хаоса – всегда возрастает. Поэтому, на первый взгляд, странно, что вирусы и бактериальные споры так устойчивы. У энтропии, в отличие от жизни, есть строгое определение, и ее даже можно измерить – в Дж/(моль·К). Проведем мысленный эксперимент: возьмем спору, раздробим ее на молекулы и посмотрим, как изменится энтропия. Мы, конечно, ожидаем, что она должна возрасти. То, что было прекрасной упорядоченной системой, способной вернуться к жизни, попав в подходящие условия, превратилось в случайный нефункциональный набор обломков, энтропия которого по определению высока. Но все не так! Согласно измерениям биофизика Теда Бэттли, энтропия почти не изменится. Это объясняется тем, что мы должны учитывать не только изменение энтропии самой споры, но и изменение энтропии окружающей среды.

Спора состоит из взаимодействующих частиц, плотно прилегающих друг к другу. Энергия межмолекулярных взаимодействий отделяет липидные (то есть жировые) мембраны от воды. Если приготовить смесь липидов с водой, хорошенько ее потрясти и дать отстояться, липиды начнут самопроизвольно собираться в тонкие двухслойные мембраны, а те, в свою очередь, будут формировать пузырьки: наиболее стабильное состояние системы (рис. 7). По той же причине нефть в океане образует тонкую пленку, способную затянуть сотни квадратных километров водной поверхности и вызвать экологическую катастрофу. Нефть не смешивается с водой: из-за сил притяжения и отталкивания молекулы нефти и воды предпочитают взаимодействовать с себе подобными, а не друг с другом. Белки ведут себя похоже. Белки с большим количеством электрических зарядов хорошо растворяются в воде, а незаряженные белки гораздо легче взаимодействуют с жирами: такие белки называют гидрофобными, “боящимися воды”. При слипании молекул масла и при растворении заряженных белков в воде выделяется энергия: так система приходит в наиболее стабильное низкоэнергетическое состояние. Энергия выделяется в форме тепла, а оно не что иное, как беспорядочное движение молекул. Чем больше выделяется тепла, тем быстрее движутся молекулы, тем менее они упорядочены и тем выше энтропия. Следовательно, при разделении смеси воды и масла энтропия увеличивается – за счет выделяющегося тепла. Поэтому, если рассматривать общую энтропию системы, энтропия упорядоченной липидной мембраны, покрывающей клетку, выше энтропии случайной смеси молекул, хоть первая и выглядит более упорядоченной [18] .

18

Нечто подобное можно наблюдать при рождении звезд. За счет гравитационных взаимодействий происходит локальное упорядочивание системы, но общая энтропия Вселенной возрастает за счет выделения колоссального количества энергии в ходе термоядерного синтеза.

Рис. 7. Строение липидной мембраны.

Оригинальная жидкостно-мозаичная модель липидного бислоя, предложенная Сингером и Николсоном в 1972. Белки плавают в липидном море. Некоторые погружены частично, другие пронизывают мембрану насквозь. Липиды состоят из гидрофильных головок (обычно это фосфоглицерат) и гидрофобных хвостов. У бактерий и эукариот хвосты образованы жирными кислотами. Мембрана организована в виде бислоя: гидрофильные головки взаимодействуют с водным содержимым цитоплазмы и с внешней средой, а гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и соприкасаются лишь друг с другом. Это низкоэнергетическое, “комфортное” состояние: несмотря на то, что эта структура выглядит упорядоченной, формирование липидного бислоя повышает общую энтропию за счет выделения в окружающую среду энергии в виде тепла.