Мы часто употребляем словосочетание «обмен веществ», но правильнее говорить об обмене веществ и энергии, потому что одно неразрывно связано с другим – для выработки веществ нужна энергия, которая, в свою очередь, добывается при расщеплении веществ.
Смотрите, какой получается «парадокс». Известно, что при образовании химической связи между атомами происходит выделение определенного количества энергии, а для того, чтобы эту связь разорвать, нужно столько же энергии затратить. Но, в то же время, мы знаем, что белки, жиры и углеводы выделяют энергию при распаде. При распаде, когда рвутся химические связи, а не при образовании крупных молекул из мелких!
Вот как это прикажете понимать? По логике, процесс распада молекул питательных веществ должно отбирать энергию у организма, а не давать ее. Связи-то рвутся… Или химики что-то напутали и разрыв химических связей на самом деле протекает с выделением энергии?
Нет, никто ничего не напутал. Энергия действительно высвобождается в процессе образования химических связей и поглощается при их разрыве. Но при этом расщепление молекул жиров, белков и углеводов, осуществляемое в процессе пищеварения, дает организму энергию, а не отбирает ее. И слово «парадокс», если вы обратили внимание, взято в кавычки. Дело в том, что молекула любого вещества обладает определенной внутренней энергией. Когда молекула распадается на несколько частей, на более мелкие молекулы, суммарная внутренняя энергия этих частей не обязательно будет равняться внутренней энергии исходной молекулы. Суммарная энергия может оказаться меньше и тогда часть энергии выделится в виде тепла в окружающую среду, или же больше, и тогда во время реакции расщепления вещества произойдет поглощение тепла из окружающей среды. При превращениях одних веществ в другие энергия может выделяться или поглощаться и это не столько зависит от того, образуются или разрываются химические связи, сколько от «энергоемкости» исходных и конечных продуктов химической реакции. Дело не в химических связях, а во внутренней энергии молекул исходных и конечных продуктов химической реакции!
Почему дерево или бумагу, керосин или бензин, или какой-то горючий газ нужно поджигать, поскольку без такого постороннего вмешательства горение не начнется? Потому что для расщепления сложных веществ на более простые при участии кислорода воздуха (а именно это и происходит в процессе горения) нужна энергия. Без нее химические связи разрываться не начнут. Дерево, к слову будь сказано, можно не поджигать, а нагреть посредством трения. Но молекулы простых веществ, образующихся в процессе горения, имеют гораздо меньшую суммарную энергию, чем молекулы горючих веществ. Излишек энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла и света. Малая толика его уходит на продолжающийся разрыв химических связей, но на общую энергетическую характеристику процесса эти затраты существенно не влияют, ведь в результате распада молекул горючих веществ выделяется гораздо больше энергии, чем тратится на разрыв связей. Примерно то же самое происходит при расщеплении молекул белков, жиров и углеводов в организме.
Свойство шестое – открытость вытекает из пятого. Живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществами и энергией с окружающей средой. В полной изоляции от окружающей среды живой организм существовать не может. И если кто-то из читателей сейчас подумал о криоконсервации – способе глубокого замораживания в жидком азоте при температуре -196°С, то имейте в виду, что при таком замораживании, являющимся примером полной изоляции от окружающей среды, могут сохранять свои биологические функции лишь половые клетки, клетки крови и эмбрионы, находящиеся на ранней стадии развития (возрастом до 1 недели). Недавно был проведен успешный опыт по восстановлению функций сердца лягушки после криоконсервации. Но на сегодняшний день, после криоконсервации невозможно вернуть к жизни отдельные органы теплокровных животных, не говоря уже о целых организмах. Известно около трехсот случаев криоконсервации людей, но все они были «заморожены» только после констатации смерти мозга. Все эти люди страдали какими-то неизлечимыми болезнями и смысл криоконсервации их тел состоит в надежде на технологии будущего – вдруг когда-то станет возможным восстановить жизнедеятельность организма после «заморозки» и излечить болезни, считающиеся неизлечимыми в наше время.
Свойство седьмое – раздражимость. Не путайте раздражимость с раздражительностью, это совершенно разные понятия. Под раздражимостью понимают способность организма воспринимать раздражения – внешние и внутренние воздействия – и отвечать на них определенным образом. Это свойство можно было бы поставить в самом начале перечня, потому что его наличие является классическим отличительным критерием живого. Все, что не обладает раздражимостью, живым считаться не может. Раздражимость лежит в основе приспособления организмов к изменяющимся условиям окружающей среды, например, растения поворачивают листья к свету, а человек отдергивает руку от раскаленного предмета.
Свойство восьмое – движение. Этой способностью в той или иной степени обладают все живые организмы. Даже растения, которые считаются неподвижными, способны поворачивать листья к свету, а у неподвижных одноклеточных микроорганизмов, например – у дрожжей, может двигаться клеточная оболочка, при размножении она выпячивается и формирует новую клетку.
Свойство девятое – ритмичность. Деятельность всех живых организмов определяется ритмами. Ритмы бывают суточными, например – чередование периодов сна и бодрствования, и сезонными, примером которых может служить зимняя спячка у некоторых животных или же весеннее цветение растений.
Свойство десятое – размножение, способность организмов воспроизводить себе подобных на основе информации, заложенной в определенных структурах. Размножение обеспечивает непрерывность жизни на нашей планете и преемственность поколений. Разнообразные способы размножения подразделяются на два основных типа – бесполое, являющееся более древним, и половое. В основе всех форм размножения организмов, имеющих клеточное строение, лежит деление клеток. У вирусов свой, особый способ размножения, но и он тесно связан с клетками. В следующей главе мы поговорим и об этом.
Свойство одиннадцатое – наследственность и изменчивость. Эти два качества, которые рассматриваются вместе по причине своей общности, тесно связаны с размножением. Наследственностью называется способность организмов передавать свои признаки из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается генетической информацией, «записанной» в молекулах вещества, называемого дезоксирибонуклеиновой кислотой или, сокращенно, ДНК. Участок молекулы ДНК, определяющий один отдельный признак, называется геном. В генах могут происходить спонтанные изменения, а еще при половом размножении могут создаваться новые комбинации генов в результате сочетания генов, полученных от отца и от матери. Эти процессы приводят к появлению новых признаков, а способность живых организмов приобретать новые признаки называется изменчивостью.
Изменчивость – основа эволюционного процесса, благодаря ей появляются новые виды живых организмов. Если бы изменчивости не было, то на нашей планете жил бы только один-единственный вид одноклеточных – потомки первой клетки-праматери, с которой началась жизнь.
Свойство двенадцатое тоже двойное-взаимосвязанное – рост и развитие. Развитие представляет собой количественные и качественные изменения в организме на протяжении его жизни, а ростом называется увеличение размеров развивающегося организма в целом и отдельных его органов в частности.
Рост может осуществляться за счет увеличения количества клеток или же за счет увеличения клеток в размерах при их неизменном количестве. Первый процесс называется гиперплазией, а второй – гипертрофией. Обратите внимание на то, что термин «гипертрофия» применяется не только к клеткам, но и органам, а гипертрофия органа может быть вызвана гиперплазией клеток, из которых этот орган состоит.
Вот и вся «золотая дюжина» свойств, характерных для живых организмов. Эти свойства неразрывны, их следует рассматривать совокупно. Нельзя оперировать отдельными свойствами, такой подход может привести к ошибкам, поскольку отдельными признаками живого могут обладать объекты неживой природы. Так, например, минеральные образования сталактиты и сталагмиты способны расти, вода в природе движется, совершая бесконечный круговорот, а приливы ритмично чередуются с отливами. Но мы же не считаем сталактиты живыми, верно?
Примите поздравления! Вы дочитали до конца первую главу и теперь можете объяснить всем желающим, что такое жизнь и какими признаками должны обладать живые организмы. Понятие жизни и ее признаков является основополагающим в биологии, потому что эта наука изучает только живые объекты. Впрочем, биологи изучают и прионы… Но об этом мы с вами поговорим в следующей главе, которая будет посвящена клетке и ее «антагонистам».
Глава вторая. Клетка и ее антагонисты
Одной из основных биологических теорий является клеточная теория, которая рассматривает клетку как единый структурный элемент всех живых организмов. Эта теория была создана в 1839 году немецкими учеными Матиасом Шлейденом и Теодором Шванном. Первоначально она включала в себя три положения:
1. Все животные и растения состоят из клеток.
2. Растения и животные растут и развиваются путем возникновения новых клеток.
3. Клетка является самой маленькой единицей живого, а целый организм представляет собой это совокупность клеток.
Вообще-то клетки были открыты в 1665 году английским естествоиспытателем Робертом Гуком, который обнаружил упорядоченно расположенные пустоты при изучении тонких срезов коры пробкового дерева. Именно Гук и придумал название «клетка». Несколькими годами позднее итальянец Марчелло Мальпиги и англичанин Неемия Грю независимо друг от друга описали в разных органах растений «мешочки» или «пузырьки». Вывод о клеточном строении растений напрашивался сам собой, но увеличительные приборы того времени были примитивными и не давали возможности хорошо разглядеть клетки, поэтому их сочли пустотами в растительных тканях. Известный голландский натуралист и конструктор микроскопов Антони ван Левенгук,[4] рассматривавший в свои микроскопы растительные клетки, клетки крови, инфузории и бактерии, не нашел единства между ними. Мог создать клеточную теорию немецкий ученый Каспар Фридрих Вольф, опубликовавший в 1759 году трактат «Теория зарождения», но вместо вывода о том, что все живое развивается из клеток и из них же состоит, Вольф говорил о некоей первоначально однородной субстанции, в которой вследствие движения соков образуются сосуды и «пузырьки».
В 1855 году другой немецкий ученый – Рудольф Вирхов дополнил клеточную теорию четвертым и очень важным положением, согласно которому всякая клетка происходит от другой клетки. В наше время к четырем положениям добавили еще несколько, наиболее важное из которых устанавливает единое происхождение всего живого на основании клеточного строения всех живых организмов.
Надо особо оговорить, что клетка представляет собой не только элементарную структурную и функциональную единицу строения всего живого, но и определенный (начальный) этап эволюции, ведь именно с клетки началась жизнь на нашей планеты. Самые далекие наши предки были одноклеточными.
Схема строения животной клетки
У любой клетки, растительной или животной, непременно должны быть оболочка, ядерное вещество, содержащее генетическую информацию, и полужидкая цитоплазма, внутренняя среда клетки, в которой расположены органоиды или органеллы – специализированные клеточные структуры, выполняющие определенные функции, а также включения различных веществ – кристаллы солей, капельки жира, зерна крахмала.
Ядерное вещество может быть оформленным в ядро со своей оболочкой или неоформленным, свободно «плавающим» в цитоплазме. Клетки подразделяются на прокариотов, не имеющих оформленного ядра и обладающих относительно простым строением, и эукариотов, имеющих оформленное ядро и более сложное строение. В эволюционном отношении прокариоты считаются более древними, чем эукариоты. Чем проще строение организма, тем он древнее – это общее эволюционное правило.
Содержимое клетки – цитоплазму и ядро – называют протоплазмой. Протоплазма окружена оболочкой, которую называют поверхностным комплексом клетки.
Клеточная мембрана, ограничивает содержимое клетки и отделяет клетку от внешней среды. Но не надо думать, что на этом функции клеточной мембраны исчерпываются.
Во-первых, это «умная» оболочка, которая пропускает в клетку нужные вещества и не пропускает ненужные и вредные. По-научному это явление называется избирательной проницаемостью.
Во-вторых, мембраны связывают клетки друг с другом.
В-третьих, на мембранах находятся рецепторы – белковые молекулы, способные связываться с молекулами определенных веществ. Связываясь с рецепторами, эти вещества оказывают на клетку определенное воздействие. Существуют особые рецепторы, называемые маркерами. Они представляют собой нечто вроде «паспорта» клетки, то есть служат для распознавания, для отделения своих клеток от чужих. Таким распознаванием занимаются клетки иммунной системы, борющиеся с чужаками, внедрившимися в организм. Но иногда в работе системы «свой-чужой» происходит сбой и тогда иммунные клетки принимают клетки организма за чужеродные и начинают с ними бороться, что приводит к развитию аутоимунных заболеваний («аутоиммунный» можно перевести как «самоиммунный»).
В-четвертых, посредством перераспределения ионов[5] калия и натрия в клеточной мембране может вырабатываться электричество, может изменяться электрический потенциал поверхности клетки.
А еще клеточная мембрана участвует в процессах фагоцитоза, пиноцитоза и экзоцитоза. Фагоцитоз представляет собой поглощение целых клеток или крупных частиц, а пиноцитоз – поглощение капель жидкости. Суть обоих процессов едина – поглощаемые вещества окружаются впячивающейся клеточной мембраной с образованием полости, которая затем перемещается вглубь цитоплазмы.
Фаго и пиноцитоз
Экзоцитоз – это процесс выведения ненужных веществ за пределы клетки, обратный фагоцитозу и пиноцитозу.
Экзоцитоз
У клеток-прокариот, не имеющих оформленного ядра, клеточная мембрана является единственной мембраной, а у «ядерных» эукариот свои «персональные» мембраны также имеют клеточное ядро и органеллы.
Помните ли вы из курса химии, что такое жиры, что такое липиды и что такое фосфолипиды? Жиры – это органические вещества, образующиеся при взаимодействии трехатомного спирта глицерина и карбоновых кислот, также называемых жирными кислотами. Липиды – это более широкое понятие, включающее в себя жиры и жироподобные вещества. Молекулы большинства жироподобных веществ состоят из остатков спиртов (но не глицерина) и жирных кислот. Но есть среди жироподобных веществ и такие, в молекулах которых остатков жирных кислот нет. Тем не менее, эти вещества способны растворяться в жирах и потому относятся к липидам. А фосфолипидами называются липиды, молекулы которых содержат остатки фосфорной кислоты.