19.3 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:
Эта реакция идет за счет поглощения квантов света (hv) и при условии присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.
В результате получается одна молекула глюкозы C6H12O6 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 C6H12O6.
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:
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 млрд. тонн СO2, 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 СO2 и Н2O 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.
Принципы воспроизводства и развития живых систем
20.1 Информационные молекулы наследственности
Клетка представляет собой сложную и высокоупорядоченную структуру и является элементарной организованной частью живой материи. Она способна усваивать и преобразовывать энергию, и в ней происходят процессы, необходимые для возникновения, развития и существования живого вещества. Извне в клетку поступают органические вещества, которые служат «строительным материалом» для элементов клетки и источником химической энергии. При расщеплении питательных веществ в клетке освобождается энергия для совершения различной работы по поддержанию ее жизнедеятельности. Для развития живых организмов необходимы три основных условия:
• возможность оплодотворения (слияние половых клеток) при половом размножении,
• возможность деления клеток,
• возможность воспроизводства в них определенных веществ и структур.
Во всех этих процессах участвуют клетки, как элементарные частицы живого, и молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК, управляющие этими процессами.
На молекулярно-генетическом уровне организации живого элементарной единицей является ген. Этот термин как фактор наследственности ввел в биологию в 1909 г. датский ученый В. Л. Иогансен (1857—1927). На самом деле ген — это участок молекул ДНК и РНК со специфичным набором нуклеотидов, в последовательности которых закодирована генетическая информация. Ген состоит из 450 нуклеотидов, объединенных в 150 кодонов длиной около 150 нм, в то время как межатомные расстояния, например, в неорганических кристаллах, составляют около 0,1 — 0,2 нм. Следовательно, генная структура содержит порядка 1000 — 1500 атомов.
Обычно в клетках растений и животных молекулы ДНК присутствуют в виде некоторых структур ядра клетки, которые называются хромосомами. Хромосомы состоят из большого числа генов, которые расположены на ней в линейном порядке, а гены являются кусками молекулы ДНК. Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке, и их число может достигать многих миллиардов. Можно в шутку сказать, что по своей роли гены представляют собой «мозговой центр» клеток.
Собственно исходная генетическая информация заключена в последовательности аминокислот в различных пептидных цепях. Поэтому можно считать, что на молекулярно-генетическом уровне элементарными единицами, несущими в себе коды генетической информации, являются молекулы ДНК. В клетке человека молекула ДНК содержит около 1 млрд пар оснований, длина ее около 1 м. Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она может протянуться через всю Солнечную систему. В ДНК даже простейшего организма содержится информация, объем которой эквивалентен информации во всех томах Российской государственной библиотеки.
Наш соотечественник Г.А.Гамов предложил вариант описания структуры генетического кода. Ход его рассуждений был таков. Было уже известно, что белки строятся из 20 аминокислот, а индивидуальные свойства белка определяются тем, из каких аминокислот и в какой последовательности он образован. Способ записи этой информации с помощью четырехбуквенного алфавита (азотсодержащих оснований — цитонин, тимин, аденин и гуанин) универсален и одинаков для всего живого. Гамов предположил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание трех нуклеотидов, и такая элементарная единица получила название кодона. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемой этим геном. На основании такой модели Ф. Криком и Дж. Уотсоном в 1953 г. были интерпретированы результаты рентгеноструктурного анализа молекул ДНК. Это был триумф генетики и большой личный успех Г. А. Гамова. Он считал, что разработка генетического кода — его самая сильная работа.
Впоследствии выяснилось, что генетический код, связывающий последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК с последовательностью аминокислот в молекулах белка, должен быть триплетным. Образно говоря, кодоны, как ключевые слова, должны состоять из трех букв, и их определенная комбинация и последовательность в ДНК кодируется в необходимую генетическую информацию. Поскольку молекула ДНК содержит четыре азотистых основания: аденин (А), цитонин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т), — то подсчет возможных сочетаний из четырех этих букв А, Ц, Г и Τ показывает, что сочетание по два обеспечивает лишь 16 возможностей, а по три — 4 · 4 · 4 = 64 кодона. Оказалось, что только сочетания из трех элементов обеспечат построение тех 20 аминокислот, которые необходимы для образования молекул белка. Поэтому «наименьшая длина» таких слов, определяющих аминокислоты, должна состоять из трех нуклеотидов.
Таким образом, ДНК можно представить как последовательность букв — нуклеотидов, образующих текст из огромного числа знаков. Расположение нуклеотидов не случайное, и, например, первые два основания кодонов, определяющих какую-либо аминокислоту (или аминокислотный остаток), одинаковы, а третье может быть в разных кодонах разным.
Было также установлено, что сама структура генетического кода для всего живого одинакова. Понятно, однако, что количество нуклеотидов, а значит, по существу, и молекул ДНК, разное и механизм реализации кода разный, отсюда различия в наборе синтезирующихся белков и в сложности строения различных организмов. Одинаковость кода для всех живых организмов указывает на единство происхождения всего живого. Чем ближе родство между организмами, тем больше похожи последовательности их молекул ДНК. Даже у растений, животных и бактерий можно обнаружить частичное сходство молекул ДНК. Сходство аминокислотного состава всех белков также свидетельствует о биохимическом единстве жизни и позволяет считать, что все живые организмы генетически родственны и происходят от общего предка.
Таким образом, признаки и свойства живых организмов, зафиксированные в молекулах ДНК, генах и хромосомах, хранятся и передаются химическим путем комбинацией соответствующих органических молекул. Ген выступает как неделимая единица наследственности и в различных мутациях изменяется как целое. Его можно назвать квантом наследственности. Шрёдингер называл его атомом наследственности. В настоящее время считается установленным, что признаки передаются дискретным образом как раз через эти дискретные образования — гены, что позволяет ввести в биохимическую генетику квантово-механические представления физического микромира. Так как наследственность по своей природе дискретна, то для изучения ее могут быть использованы математические и физические модели.