Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Шрифт:
Тогда почему, если бактерии находятся в таком невыгодном положении, нам следует их рассматривать в качестве возможных пассажиров нашей ракеты? Ключ к ответу заключается в одном слове: кислород. Вполне вероятно, что в пребиотическом мире в атмосфере было мало кислорода. Следовательно, мы должны исследовать организмы, которые существуют сегодня на Земле, чтобы понять, каковы их потребности в кислороде.
Большое преимущество кислорода заключается в том, что он позволяет клетке получить намного больше энергии при метаболическом усвоении своей пищи. Этот процесс обычно называется респирацией. Немногие бактерии могут использовать определенные неорганические соединения, такие как углекислые соли, нитраты или сульфаты, вместо кислорода, но это именно те соединения, которые вряд ли можно было найти в каком-либо количестве на первозданной Земле вследствие нехватки кислорода в атмосфере. В отсутствии неорганического акцептора электронов, как называются такие соединения, клетка должна пользоваться намного менее эффективным способом,
Молекулярный кислород мощное, но опасное соединение. Потенциально, он является высокотоксичным веществом для клетки, потому что клеточные процессы могут создавать несколько его смертельных производных, таких как перекись водорода (H2O2) или даже еще более опасное соединение — свободно радикальный супероксид (O2-). Многие клетки имеют особые ферменты, которые поглощают эти угрожающие жизни соединения. У некоторых видов бактерий отсутствуют такие ферменты. Для них кислород — яд, и они могут жить только в тех местах, где его нет, таких как глубокая грязь, но на первозданной Земле они не оказались бы в особо невыгодном положении.
Кислород, который, как следует напомнить, создается сегодня как побочный продукт фотосинтеза, настолько полезен для большинства организмов, что они могут жить без него не больше, чем мы с вами. Именно по этой причине нам не нужно рассматривать большинство более развитых клеток в качестве кандидатов на заселение космоса. Это требование исключает всех претендентов, за исключением некоторых бактерий и немногих простейших, таких как дрожжи. Некоторые из них могут использовать кислород, если он доступен, и снова примером являются дрожжи, тогда как другие совсем не могут пользоваться кислородом. Некоторые анаэробы могут выдерживать кислород, но других он убивает.
После этого вступления давайте посмотрим, что представляют из себя бактерии. Существует такое множество различных видов бактерий, что любое краткое описание обязательно должно быть довольно поверхностным. Обычно они довольно малы, что может быть не слишком удивительно, поскольку они имеют одну из самых небольших величин ДНК, не превышающую миллион пар оснований. Типичный размер, хотя существует большой разброс размеров, обычно составляет около одного или нескольких микрон (микрон — это одна тысячная миллиметра), поэтому обычно они немного больше, чем длины волн видимого света, диапазон которых около половины микрона. По этой причине, хотя их и можно увидеть в мощный оптический микроскоп, так что можно наблюдать их приблизительный размер и форму (сферическую, палочковидную или соединенные в длинные цепочки), для того, чтобы проникнуть в их тайны, нужны другие методы. К счастью, некоторые бактерии оказались идеальными для современных биохимических методов, поэтому на них выполнено огромное количество исследований, особенно в последние тридцать-сорок лет. Они выявили, что бактерии являются действительно удивительными существами.
Можно подумать, что поскольку они такие маленькие, то им будет недоставать химической универсальности, но дело обстоит далеко не так. Многие из них могут жить в очень простой химической среде, содержащей всего лишь один источник углерода, один источник азота (такой как аммиак NH4+) и некое соединение, обычно, но не всегда, органическое, которое они могут использовать для получения энергии. Многим из них не нужна большая часть витаминов, поскольку они могут скорее синтезировать их для себя сами, чем получать их с пищей, как это делаем мы. Не нужны им также «незаменимые» аминокислоты, которые мы получаем путем расщепления белка в нашей пище, поскольку они также могут их для себя вырабатывать. Многие из них подвижны. Они могут передвигаться с помощью своих достаточно простых жгутиков и могут обнаруживать скопление молекул пищи, и с помощью простых приемов они могут плыть в этом общем направлении. Аналогичным образом они могут избегать определенных токсичных веществ. В благоприятных условиях они могут расти и очень быстро делиться. В густом отваре с множеством кислорода они могут разделиться надвое всего лишь за двадцать минут. В менее благоприятных условиях удвоение их числа может занять полдня, но даже с такой скоростью они располагают возможностью быстро увеличить свое количество при условии, что сохраняется запас питания. У них есть эффективные механизмы управления своим метаболическим аппаратом, поэтому ферменты, которые временно не нужны (из-за богатого запаса пищи), отключаются и больше не вырабатываются до тех пор, пока клетка вновь не почувствует в них необходимости. Метаболически они, по-видимому, настроены на быстрый рост, поскольку во многих обстоятельствах выигрывают именно самые быстрые клетки, и с помощью естественного отбора производят последующие поколения. Их половая активность очень незначительна. Большую часть времени одна клетка просто делится на две дочерние клетки, не прибегая к какому-либо половому процессу, но время от времени, с помощью специального механизма, две бактерии могут спариваться, при этом одна («мужская») передает некоторое количество своей ДНК другой («женской»). Процесс может быть относительно медленным, акт передачи занимать до двух часов или несколько обычных жизненных циклов.
Благодаря тому, что половое размножение не существенно, колония бактерий может вырасти лишь из одной особи. Более того, поскольку у них нет необходимости искать себе партнера для размножения, они могут расти очень далеко друг от друга.
У бактерий обычно очень жесткие стенки клетки за пределами нежной плазматической оболочки, что образует на молекулярном уровне эффективный барьер между внутренней и внешней сторонами клетки. Эта стенка защищает плазматическую оболочку от разрушения и особенно от осмотического разбухания, которое, в противном случае, возникнет, если клетка окажется в слишком водянистом растворе. Таким образом, многие бактерии не слишком боятся концентрации солей и органических соединений в окружающей их среде. Еще одно преимущество заключается в том, что они обычно могут подвергаться «лиофилизации», процессу, в ходе которого бактерии сначала охлаждаются, а затем из них извлекается вода таким образом, чтобы нанести минимальный ущерб клеточным структурам.
На Земле существует множество различных видов бактерий, и они живут в самых разных условиях: от горячих источников до бесплодных пустынь. Некоторые из них развились настолько, что могут процветать в условиях интенсивной радиации, существующих в ядерных реакторах. Другие могут утилизировать необычные соединения, такие как сернистый водород (H2S), ионы железа или метан, хотя для этого им обычно требуется кислород. Если они также способны осуществлять фотосинтез, то они, вероятно, могут обойтись без кислорода. Другие бактерии являются исключительно анаэробными и могут использовать водород, образовывая в процессе этого метан. Другие могут «связать» азот, то есть они могут получить свой запас азота из очень инертной молекулы N2 в атмосфере. Тем не менее, другие могут осуществлять различные виды фотосинтеза, получая свою энергию от солнечного света. Обсуждение всех возможностей привело бы нас к слишком многим техническим сторонам дела.
Существует одна группа микроорганизмов, которым следует уделить здесь больше внимания. Это сине-зеленые водоросли или сине-зеленые бактерии, как их сейчас называют, и интересны они хотя бы потому, что древнейшие известные ископаемые микроорганизмы, по-видимому, принадлежат к этому типу. Группа, в целом, весьма разнообразна, хотя ее члены имеют несколько общих характеристик. Все они могут получать энергию от света. Некоторые из них также могут расти в темноте, хотя довольно медленно, и использовать только довольно ограниченный набор соединений углерода для этой цели. Довольно поразительно, но многие из них могут также связывать азот. Если это так, то для жизни им нужно очень немного, поскольку они могут расти в среде, где есть только несколько солей, используя свет для получения углерода из CO2 и азота из N2. Такие организмы обычно состоят из цепочек клеток, соединенных в непрерывную веревочку, связывание азота обычно осуществляется особыми пограничными клетками (они называются гетероцистами), которые специализируются на этой функции и которые никогда снова не делятся.
Не удивительно, что сине-зеленые водоросли живут в самых разнообразных местах обитания, при этом они найдены не только в море, но и в свежей воде и в почве. Некоторые расцветают в горячих источниках, другие — в пустынях, где они населяют расщелины в горных породах.
После этого поверхностного описания мира бактерий перечислим некоторые преимущества, которые эти малые существа могут иметь для космического путешествия. Как мы видели, многие из них довольно малы. Достаточно типичная бактерия, такая как Escherichia coli, имеет всего около одного микрона в ширину и два микрона в длину. Таким образом, миллиард таких бактерий можно упаковать в объем несколько кубических сантиметров. Их можно заморозить живыми, и большая их часть выживет, когда они, в конечном итоге, разморозятся. В этом замороженном состоянии они могут сохраняться почти неограниченно без каких-либо серьезных потерь. При очень низкой температуре, такой как в космосе, многие из них вполне могут оставаться в живых более десяти тысяч лет. Они, вероятно, почти защищены от воздействия столкновений и других подобных опасностей. Лучше всего было бы, если бы они упали в пребиотический океан, где они, вероятно, преуспели бы, особенно потому, что многие виды могут выживать с небольшим количеством кислорода или вообще без него. Действительно, некоторые бактерии могут расти в такой простой среде, что почти любой пребиотический бульон позволит им выжить и размножаться довольно эффективно, при условии, что он не окажется слишком прохладным. Более того, им нет необходимости держаться вместе. Одна бактерия может при благоприятных обстоятельствах инфицировать целый океан.
Возможно, бактерии крайне просты по сравнению с организмами, подобными нашему, но как саморазмножающиеся химические фабрики они не только компактны и крепки, но химически очень универсальны. Насколько мне известно, никто, что довольно удивительно, специально не пытался вырастить бактерии в искусственном «бульоне», созданном в ходе эксперимента типа Урея-Миллера (большинство экспериментаторов доходят до больших длин, чтобы исключить микроорганизмы из своих инкубационных фляг), но ученые обычно рассчитывают, что там существует много видов бактерий, даже в отсутствие атмосферного кислорода.