Клеточные основы здоровья

Как бы там ни было, важной вехой биологической эволюции стало то, что некий ранний представитель жизни (полагают, архаичный организм цианобактерия, или сине-зеленая бактерия) был первой клеткой, освоившей химическую реакцию превращения энергии солнечного света в специальные макромолекулы – углеводы. Эти запасенные молекулы далее служат внутриклеточным источником энергии.

Современная биология не может доказательно рассуждать о том, сформировалась ли эта клетка-праматерь жизни на Земле из химических элементов нашей планеты, или местом ее рождения является не Земля. У цианобактерии нет ядра, но есть ряд примечательных особенностей, сыгравших ключевую роль в том, что мы с тобой существуем. Прежде всего, нужно отметить, что цианобактерии в процессе своего метаболизма производят побочный продукт – кислород. Еще долгое время на ранней Земле кислород был ядом для микроорганизмов.

У цианобактерии нет митохондрий. Митохондрия – это такая органелла в наших клетках, которая, наряду с другими ингредиентами, использует кислород для синтеза специальных молекул – аккумуляторов энергии. Их еще называют макроэргами. Наиболее мощный из них – это молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Мы о ней позже подробнее поговорим. Здесь лишь отметим, что АТФ является универсальным поставщиком энергии во всех наших клетках, а также во всех эукариотах (клетках с ядром) и многоклеточных организмах.

– А откуда взялась клетка?

– По этому поводу дискуссии в биологии продолжаются. Известно, что все формы жизни основаны на клетке. Как она появилась, неизвестно. Одна из гипотез полагает, что она возникла при каких-то благоприятных условиях на Земле в водной среде, богатой макромолекулами. Есть также гипотеза панспермии. Согласно ей, возраста Земли недостаточно для того, чтобы химия породила биологию. Гипотеза панспермии предполагает, что жизнь в виде одноклеточного организма занесена на Землю из космоса с объектами, которые гораздо старше Земли.

Как бы там ни было, известно, что на нашей планете много видов одноклеточных организмов сосуществуют с множеством видов многоклеточных организмов. Согласно современным представлениям, базирующимся на генетике, все биологические объекты на Земле относятся к единственному древу жизни. А сама жизнь как уникальное явление, поддерживающееся уже примерно четыре миллиарда лет, обязана важной способности – умению воспроизводить себя путем деления (митоз).

Тут я хочу прервать краткое изложение эволюции жизни и сделать важную заметку о том, что такое клетка.

Клетка – это некая обособленная область пространства, внутри которой происходит специфический, самоподдерживающийся процесс синтеза специализированных органелл, согласованное функционирование которых позволяет черпать энергию и строительные химикаты извне и перерабатывать их для обеспечения трех основных функций жизни: 1) роста; 2) размножения путем митоза (деления); 3) реагирования на внешние стимулы. Саму совокупность химических реакций внутри клетки обобщенно называют термином метаболизм.

Тебе должно быть известно, что самоподдерживающиеся циклические процессы имеют место и в физике и химии.

– Да, я когда-то читал про реакцию Белоусова. По крайней мере, помню, что он наблюдал, как спонтанно циклически меняется цвет жидкости. Я даже читал о том, что Алан Тьюринг, которого все мы знаем как теоретика компьютеров, написал специальную книгу, в которой объяснял узоры на теле животных случайными процессами, похожими на реакцию Белоусова. Наконец, я также читал, что процесс образования кристаллов некоторые специалисты рассматривают как предтечу жизни.

– Я рад такой твоей осведомленности. Но мне хотелось бы вернуться к клетке.

Структурно клетка отделена от внешнего пространства клеточной мембраной. Она проницаема для мелких химических элементов, воды и ионов, но непроницаема для относительно крупных химических молекул. В ней имеются специальные воротные механизмы из белков. У них есть два положения: открытое и закрытое. В закрытом положении мембранных ворот внутренняя часть (протоплазма с плавающими в ней органеллами) содержит все необходимое для поддержания метаболизма клетки.

Вообще, есть две разновидности клеток – безъядерная (прокариоты) и с ядром (эукариоты). Наши клетки относятся к эукариотам. Но некоторые клетки (например, клетки крови) во взрослом состоянии лишены ядра.

В ядре клетки находится наследственный аппарат – ДНК. У человека ДНК состоит примерно из 25 000 генов. Вся ДНК фрагментирована на неравные части в виде хромосом. У нас их 23 пары (т. е., 46 хромосом).

Число хромосом никак не связано со сложностью организации биологического объекта. Для подтверждения этой мысли приведу лишь несколько примеров. Наибольшее количество хромосом имеется у беспозвоночного морского животного радиолярия – 1600, у растения папоротника их 1200. Наименьшее – у одного вида муравьев (две у самки, одна у самца). У гороха (именно на нем Грегор Мендель открыл законы наследственности) число хромосом равно 12, у риса – 54, у кошки – 38, у собаки – 78, у коровы – 120. У наших ближайших родственников – шимпанзе и горилл – 48, у макак – 42.

На уровне ДНК генетические различия между разными людьми в 10 раз меньше, чем различия между человеком и шимпанзе. Генетические различия между мужчиной и женщиной обусловлены наличием Y-хромосомы у мужчин. В ней помещается всего 25 генов (в Х-хромосоме – от тысячи до полутора тысяч генов).

Не в обиду нам, мужчинам, будь сказано, что у женщин на 15–20 % больше серого вещества (нейронов) мозга. Хотя масса мозга у женщин, как правило, меньше, чем у мужчин, показатель интеллекта, определяемый в психологических тестах, не ниже. Просто мозг женщины в меньшем объеме содержит больше активных элементов. Зато у мужчин есть два других преимущества: больше белого вещества и внутримозговой жидкости. Белое вещество – межнейронные «кабели» – позволяют лучше распределять задачи между разными отделами мозга. Внутримозговая жидкость, содержащаяся в желудочках мозга, амортизирует удары по голове. Нашим предкам это качество было нужнее, чем нам с тобой!

Таким образом, число хромосом скорее указывает на зигзаги пройденного эволюционного пути организма, чем отражает его организационную сложность. Это утверждение тем более ценно в связи с тем, что большинство генов вида, в том числе наших, не являются активными, т. е. не кодируют белки. Дискуссии относительно эволюционной роли молчащих генов не утихают.

– А что такое митохондриальные болезни, и почему они передаются только по материнской линии?

– Я собирался о митохондриях поговорить другой раз. Но раз уж вопрос задан – отвечаю.

Митохондрии – это органеллы, в которых есть собственные гены. В мужской половой клетке – сперматозоиде – митохондрий очень мало, и то они лишь служат для того, чтобы сперматозоид получал энергию, необходимую для того, чтобы, крутя хвостиком-мотором, доплыть до яйцеклетки. Зато в яйцеклетке довольно много митохондрий. В процессе образования всех специализированных клеток тела из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), а также при всех последующих актах митоза унаследованные от яйцеклетки митохондрии предварительно удваиваются и передаются дочерней клетке. Это что касается сути наследования митохондриальных генов.

Прежде чем перейти к митохондриальным заболеваниям, замечу о любопытном генетическом исследовании, проведенном после того, как в начале XXI века геном человека был расшифрован. Исследование проводилось с привлечением людей обоих полов всех рас и этнических групп. Оказалось, что все ныне живущее человечество – это потомки одной женщины (ее назвали митохондриальной Евой), жившей в центральной Африке около 200 тысяч лет до нас. Из этого также следует, что те митохондриальные болезни, которые проявляются лишь в отдельных этнических группах, являются результатом поздних мутаций.

– Забавно, а был ли Y-хромосомный Адам?