12.4.4. Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс запасания солнечной энергии пу­тем образования новых связей в молекулах синтезируемых ве­ществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода и диоксид углерода. Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные, богатые энергией питательные веще­ства. В качестве побочного, но очень важного продукта образу­ется молекулярный кислород. Согласно реакции:

Av

6С0₂ + 6Н₂0 ► С₆Н₁₂ О_б + 60₂f

Хлорофилл

Эта реакция идет за счет поглощения квантов света (М>) и при условии присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.

В результате получается одна молекула глюкозы С₆Н₁₂0₆ и шесть молекул кислорода. Процесс идет постадийно; сначала на стадии фотолиза при расщеплении воды образуются водород и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, об­разует углевод — глюкозу С₆ Н₁₂ 0₆.

Фотосинтез — преобразование энергии излучения Солнца в энер­гию химических связей возникающих органических веществ.

Фотосинтез, производящий на свету кислород, является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые орга­низмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Оба эти процесса могут идти по следующей цепочке:

С0₂ + Н₂ О + солнечная энергия

фотосинтез питательные вещества + 0₂ дыхание

С0₂ + Н₂ О + энергия химических связей

Конечные продукты дыхания служат исходными соединения­ми для фотосинтеза. Процессы фотосинтеза и дыхания участву­ют в круговороте веществ в природе. Часть солнечного излуче­ния поглощается растениями и некоторыми организмами, кото­рые являются автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них — солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза ав­тотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя до 150 млрд тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд тонн С0₂, и выделяют около 200 млрд тонн свободного кисло­рода ежегодно.

Полученные органические вещества употребляют в качестве пищи человек и травоядные животные, которыми, в свою оче­редь, питаются другие гетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде С0₂ и Н₂0 в фотосин­тезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в ви­де ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окру­жающую среду. Поэтому процесс фотосинтеза благодаря обеспе­чению им необходимой энергии и кислорода является на опре­деленном этапе развития биосферы Земли «катализатором» эволюции живого.

12.4.5. Деление клеток и образование организма

Строением и изучением клеток биологи занимаются уже бо­лее 150 лет, и в первую очередь это немецкие ученые — ботаник М. Шлейден (1804 — 1881), физиолог Т. Швами (1810 — 1882), биолог Я. Пуркине (1787—1869) и патологоанатом Р. Вирхов (1821—1902), который в 1855 г. установил механизм роста кле­ток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться, и в ре­зультате этого образуется множество клеток, заметно отличаю­щихся друг от друга. Поскольку развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизнен­ного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным однокле­точным предком, и в шутку можно сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.

Из клеток формируются органы, и у системы клеток появля­ются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором бел­ков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные (эритроциты), эпителиальные и другие — в зависимости от своей функциональности. Дифференцирование клеток происходит постепенно в процессе развития организма. В процессе деления клеток (рис. 12.15), их жизни и гибели вклеточный цикл

Длинный I " цикл j

ГУ

[ясооооос!

\ /s

Точки . инициации

Новые точки j инициации

Короткий i цик

л

НАЧАЛО 1-го цикла

Переменный

период, предшествую­щий инициации, 20 —220 мин

Постоянный период репликации ДНК, 40 мин

Постоянный период клеточного деления, 20 мин

НАЧАЛО 2-го цикл

а

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ У ПРОКАРИОТ

ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК

клеточный цикл у эукарио

т

S-фаза

9) О

-фаза

_ч 0,-фаза

л^итоз %

Ядра ^ч_ч

Ядро

Ядерная мембрана

Центриоль

Микротрубочки, образующие «митотическое веретено»

\

Хромосомы/'

Дочерняя центриоль

Рис. 12.15. Клеточный цикл.

ПРОФАЗА

ИНТЕРФАЗА

интерфаз

атечение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток.

Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разруша­ются и заменяются другими более или менее идентичными мо­лекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, оста­ется в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов. Причем это не замена от­дельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С. Роуз [159], — тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за дру­гим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяет­ся». Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером может служить сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной ин­формации осуществляются с помощью клеточного ядра.

В клетке каждого типа синтезируются только те белки, кото­рые ей нужны. Многие гены в клетке не работают, только часть из них участвует в синтезе соответствующих белков. По совре­менным представлениям клеточной биологии только 3% молекул ДНК участвует, так сказать, в «программном обеспечении» построения белков, а 97% не являются источниками информа­ции, они выполняют роль матричной копировальной машины. По выражению российского биолога B.C. Репина, «вся биологиче­ская информация разбросана крошечными островками смысла, вкрапленными в океаны бессмыслицы и информационной пустоты материнских и отцовских хромосом». Возникает два вопроса. К че­му такая избыточность ДНК, не несущей непосредственно ин­формации для конкретной клетки? Зачем так настойчиво хранит­ся и материализуется этот огромный резерв ДНК, который участ­вует в функционирований клетки, особенно если учесть всеобщие для природы принципы оптимальности расходования энергии, требуемой для укладки огромного количества ДНК в объем клеточного ядра? Но, как сказал В. В. Маяковский, «если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно». Ответы на эти вопросы должны дать специалисты по молекулярной биологии.

Интересен еще один вопрос: почему малое количество генов обеспечивает почти бесконечное функциональное разнообразие клеток? Предполагают, что одна и та же молекула мРНК дает от 5 до 20 разных белков за счет перестановки элементов матрицы — заготовки ДНК. В мире белков клетка действует как архитектор, создавая по двумерным чертежам трехмерные, объемные конст­рукции. Плазматическую мембрану клеток можно' сравнить с клавиатурой рояля или дисплеем ЭВМ, которые сортируют всю поступающую информацию от случайных сигналов для приня­тия решений. Мембрана выступает в качестве своеобразного биочипа.

Если же продолжить сравнения, то клетку можно представить как высокоспециализированный завод, выпускающий биомоле­кулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции, фабрикой по производству жизни, где каждый элемент клетки имеет свое функциональное предназначение. Мембрана — это пропускные ворота, куда подается полуфабрикат, а вывозится «готовый продукт». Белки — ферменты, которые регулируют выполнение плана, выполняют роль заводоуправления. Главным «технологом» является ДНК, которые осуществляют через моле­кулы РНК план реализации технологии биосинтеза белков с участием ферментов и нуклеиновых кислот, следят за технологи­ческими условиями водной среды клеток, температурой, давле­нием, электрическим потенциалом. А самоорганизация выступа­ет в роли сбалансированного общего технологического процесса.

Жизнь любого организма поддерживается энергетическим по­тенциалом клеток и их взаимодействием, а благодаря информа­ции живая система сохраняет целостность и гармонию своих элементов в процессе своей жизнедеятельности. Клетки, как элементарные самоорганизующиеся системы, функционируют по принципу достижения оптимальных результатов в условиях жизнедеятельности. Механизмы целесообразного саморегулиро­вания жизнедеятельности клетки формируются в процессе ее развития и изменяются под влиянием более высоких уровней организации со стороны тканей, органов и всего организма.

Генетиками был разработан метод, с помощью которого мож­но определить биологический возраст человека, зная энергетиче­ский заряд клеток. Оказалось, что наши клетки могут подсказать каждому человеку, как себя вести, чтобы прожить более актив­ную и долгую жизнь, поскольку их энергонасыщенность меняет­ся в ответ на повреждающие или стимулирующие факторы, на­пример алкоголь, кофе, спорт, закаливание. Воздействие этих факторов обусловлено изменением электропотенциала ядер — клеток так называемого буккального эпителия. Этим методом можно также определить на клеточном уровне влияние режима труда, отдыха, связи болезней с лечением, воздействия внешних физических полей. Открытие биофизических свойств ядер кле­ток позволяет на микроуровне изучать связь живого с энергией.