Наука о живом. Современные концепции в биологии

Медавар Питер

Нуклеиновые кислоты — это гигантские полимеры, построенные из нуклеотидов: каждый нуклеотид представляет собой соединение азотистого основания, фосфорной кислоты и молекулы сахара. В зависимости от того, какой сахар входит в молекулу нуклеиновой кислоты — рибоза или дезоксирибоза, — эти кислоты распадаются на два главных класса: рибонуклеиновую {96} (РНК) и дезоксирибонуклеиновую (ДНК) кислоты. Азотистые основания в ДНК существуют четырех разных видов. Биологическое значение линейного расположения этих четырех нуклеотидов в высокополимерных нуклеиновых кислотах чрезвычайно велико (см. гл. 3 и 12).

И рибоза, и дезоксирибоза — пентозы, т. е. сахара, молекулы которых содержат пять атомов углерода. Первичными структурными элементами гигантских растительных и животных полисахаридов, таких, как крахмал, целлюлоза и гликоген, часто бывает простой сахар с шестью атомами углерода (гексоза) вроде глюкозы или фруктозы (фруктового сахара). Простые углеводы, считающиеся теми мономерами, из которых строятся большие полимеры, — это соединения, состоящие

из углерода и элементов, входящих в состав воды, т. е. водорода и кислорода, причем часто в той же пропорции, в какой они образуют воду*.

Растительные масла и жиры животного происхождения — соединения общего типа, так называемые сложные эфиры, слагающиеся из глицерина и высших жирных кислот. Они далеко не столь разнообразны, как белки и полисахариды. Многие из их физических свойств зависят от длины углеродной цепи жирной кислоты, которая участвует в их образовании. Их химические свойства определяются в первую очередь свойствами этой кислоты. Существует важное различие между ненасыщенными жирными кислотами, в которых комбинаторные способности атомов углерода полностью не использованы, и насыщенными жирными кислотами, где они использованы полностью. «Затвердение» растительных масел — это процесс насыщения, побочным результатом которого является повышение температуры плавления, так что они остаются твердыми или почти твердыми при комнатной температуре и их удобнее употреблять как заменители сливочного масла.

Соединения еще более сложные, чем описанные выше, строятся из комбинаций полимеров различных видов, например из комбинаций жиров с белками или {97} с углеводами или же с теми и другими. Хромосомы, заключенные в ядрах клеток, как правило, в подавляющей части состоят из нуклеопротеидов — солеподобных комбинаций ДНК с каким-нибудь белком, обладающим щелочными свойствами (например, гистоном), хотя сам белок, насколько известно, в способности хромосомы нести информацию никакой роли не играет. Возможно, его назначение — аккуратно упаковывать нуклеиновую кислоту в такую форму, чтобы не могла возникнуть случайная утечка ДНК, которая нарушила бы процесс передачи генетической информации, а значит, и процесс развития.

Динамическое состояние компонентов организма. Одним из важнейших открытий, сделанных благодаря использованию изотопов в биологических исследованиях, стало открытие обновления, т. е. постоянного замещения элементарных компонентов организма: принцип этот относится не только к тем тканям и составляющим их частям, о которых уже было известно, что в них происходит процесс постоянной регенерации (таким, например, как клетки наружного слоя кожи или слизистой оболочки кишечника), но и к структурам вроде костей и зубов, хотя мы обычно воспринимаем их как неизменные и практически вечные. Они тоже участвуют в непрерывном обновлении, из чего следует, что постоянной в теле является лишь его форма, т. е. система точек, предпочтительно занимаемых вновь появляющимися молекулами, когда они сменяют те, которые были там раньше. Скорость обновления различных тканей различна; в сухожилии, например, она очень низка.

Использование изотопов для открытия этого важного биологического явления стало возможным потому, что варианты химических элементов, отличающиеся радиоактивностью или атомным весом, воспринимаются организмом точно так же, как и их «обычные» формы. Неспособность организма различать изотопы элементов позволяет, кроме того, применять изотопы как метки и индикаторы в комплексных процессах обмена веществ в организме — она дает возможность очень точно проследить путь отдельной молекулы на протяжении самых различных преобразований. В современных биологических лабораториях приборы для определения радиоактивности столь же {98} обычны, как микроскоп: почти все биологические исследования строятся теперь так, что количественные оценки в них проводятся путем измерения уровня радиоактивности. Не будет преувеличением сказать, что использование радиоизотопов произвело в биологии техническую революцию, не менее важную, чем даже появление микроскопа.

Ферменты. Все превращения веществ в живом организме, сопровождающие питание, накопление и высвобождение энергии, а также расшифровку и передачу генетической информации, протекают при участии ферментов — белков того класса, который не просто ускоряет (хотя в целом эти белки можно назвать катализаторами), но и часто делает вообще возможным те или иные химические изменения. Ферменты нередко действуют взаимосвязано, один за другим, благодаря чему становятся возможными чрезвычайно сложные последовательные превращения, такие, например, как клеточное дыхание или картирование последовательности нуклеотидов ДНК в полипептидную цепь. Действие ферментов очень точно регулируется кофакторами и ингибиторами. Вещество, на которое воздействует фермент, называется его субстратом, и связь между ферментом и его субстратом зачастую весьма специфична. Активность фермента обычно зависит от того, насколько точно выдержаны в среде, где он действует, определенные уровни солености, кислотности и щелочности.

Контроль над ферментами и точное регулирование их синтеза осуществляет, естественно, ДНК, и, вероятно, именно через ферменты она оказывает свое воздействие на процессы развития, так как ферменты участвуют практически во всех химических превращениях, происходящих в организме.

Глава 11 Микробиология

Термин «микроб» специалистами больше не употребляется, а микробиологи (вопреки названию это вовсе не очень маленькие биологи) изучают бактерии, простейших и вирусы, которые действительно очень малы. Иногда их всех вместе называют микроорганизмами, хотя этот термин не подходит для вирусов, чья претензия считаться организмами уже была рассмотрена и отвергнута, да и включение в эту категорию простейших* тоже вызывает у нас некоторые сомнения.

Впрочем, микробиологов объединяет не столько объект исследований, сколько характер интересующих их проблем: строение клеточных стенок у бактерий, а также тех белковых оболочек, в которые завернута переносимая вирусами нежелательная информация. Кроме того, микробиологи усердно занимаются проблемами накопления и переноса информации у микроорганизмов, природой адаптации бактерий и изменениями, которые вызывает на поверхности клеток вирусная инфекция.

Бактерии обычно способны жить вне организма в подходящей питательной среде, где их рост ограничивается только практической невозможностью изымать его ядовитые побочные продукты с той же скоростью, с какой они вырабатываются. Некоторые организмы представляют собой исключение: так, возбудитель проказы Mycobacterium leprae — строго клеточный паразит, он отказывается размножаться в бесклеточной среде и размножается только в живых клетках. Бактериальные организмы обладают совершенно невероятной физиологической гибкостью. Популяции бактерий удается выращивать в самых неподходящих условиях**, и те из них, которые {100} приспособились расти при относительно высоких температурах, играют особо важную роль в производстве так называемых биологических детергентов. Кроме того, популяции бактерий быстро приобретают устойчивость к таким антибиотикам, как пенициллин и стрептомицин. Термин адаптация бактерий в применении к использованию ими новых источников питания и к устойчивости против новых антибиотиков прежде заменялся елевом «обучение», но оно очень неудачно, так как предполагает приспособительную реакцию со стороны отдельных организмов. Один очень видный английский специалист по физической химии даже пытался доказать, что такое «обучение» бактерий — это ламаркистский или инструктивный процесс, при котором новый источник питания или новый антибиотик пробуждает в каждом организме специфическую приспособительную реакцию, помогающую ему справиться с новой ситуацией. Но, как объяснено в гл. 5, теперь больше нет никаких сомнений, что эти процессы носят дарвинистский, а не ламаркистский характер, т. е. что необходимые генетические варианты уже присутствуют в данной популяции и в данном адаптивном процессе и что создавшиеся условия активно благоприятствуют размножению именно их обладателей, а потому при надлежащем ходе событий именно они и становятся численно преобладающим типом в популяции. Это явление прямо опровергает затасканный довод, будто процесс эволюции никогда в природе не наблюдался. Многие бактерии вырабатывают антибиотики — органические вещества, подавляющие либо совершенно прекращающие рост или размножение других бактерий. Кое-какие из них оказались весьма полезными для медицинских целей (пенициллин, стрептомицин), но их функция в обычной жизни бактерий точно не известна; можно, однако, предположить, что в чрезвычайно сложных бактериальных сообществах, вроде тех, которые существуют в почве или в рубце жвачных животных, антибиотики играют важную роль, поддерживая равновесие между различными видами бактерий. Антибиотики в большинстве своем очень ядовиты для людей и других млекопитающих, поскольку они влияют на процессы роста, которые у обычных делящихся клеток тела протекают так же, как у бактерий. Некоторые из них, однако, {101} относительно неядовиты — особенно пенициллин, — так как воздействуют на выработку веществ, специфических для бактерий, и потому не затрагивают обычных клеток тела.

Наличие мурамовой кислоты в таких организмах, как спирохеты, которых ранее относили к простейшим, теперь считается решающим доказательством того, что их вернее будет отнести к бактериям. Попытки распределить бактерий по линиям всеобъемлющей таксономической иерархии не вызвали особого сочувствия, однако очень полезна граница, которую принято проводить между бактериями, окрашивающимися (грамположительные) и не окрашивающимися (грамотрицательные) красителем генцианом фиолетовым*, который облегчает их наблюдение под микроскопом. Очень простой половой процесс бактерий не вносит ничего принципиально нового в наши представления о. том, как генетическая информация передается от поколения к поколению или как она переписывается с одной формы нуклеиновой кислоты на другую и в конечном счете переводится в определенную форму белка. Однако необходимо подчеркнуть, что система кодирования у бактерий вида Escherichia coli (кишечной палочки) в основных чертах совпадает с системой кодирования у высших организмов и что значительная часть наших сведений о записи и переводе информации (см. гл. 12) получена в результате исследований Е. coli, проводившихся, в частности, французскими учеными Жаком Моно, Франсуа Жакобом и Андре Львовым. Американский генетик Джошуа Ледерберг первым показал, что у бактерий существует половой процесс, т. е. система рекомбинации генов, но, кроме того, что они обладают и «парасексуальными» механизмами, с помощью которых информация может передаваться от организма к организму. Исторически наиболее важным из этих процессов является трансформация пневмококков, открытие которой лежит в основе величайших достижений современной молекулярной биологии, а потому заслуживает более подробного описания. {102}