Чтение онлайн

Это означает, что пруд из аммиака промерзал бы до дна и мог бы все время оставаться замерзшим. Из-за отсутствия водородных связей аммиак существует в жидком состоянии только в очень узком диапазоне температур и при гораздо более низких температурах, чем вода (между -78 °C и -33 °C на уровне моря). При этих температурах все биохимические реакции протекали бы очень медленно. Кроме того, аммиак легко разрушается ультрафиолетовым светом, и его легкий компонент — водород легко улетает в космос. Солнечные ультрафиолетовые лучи разрушают и воду, но эта реакция протекает медленнее и дает кислород (O 2) и озон (O 3), который блокирует ультрафиолетовое излучение и предотвращает дальнейшее разрушение воды. Поэтому вода существует в большом количестве в атмосферах планет, похожих на Землю, а аммиак — нет.

Итак, мы узнали, что общим свойством жизни в первую очередь является клеточное строение. Клетка — это ограниченная и выделенная из своего окружения структура, основанная на генетической информации, которая позволяет поддерживать специфический химический состав и сложные структуры и функции внутри клетки. Все клеточные структуры и молекулы сложены из весьма ограниченного ряда химических элементов: в основном это углерод, водород, кислород, азот и фосфор, а также немного серы, кальция, калия и некоторых других элементов. Мы также знаем, что вся жизнь, известная нам здесь, на Земле, структурно и функционально однотипна, то есть основана на одном и том же генетическом материале, едином генетическом коде и механизме его экспрессии, а также на очень схожих основных метаболических реакциях. Однообразие всех форм жизни указывает, что все они происходят от единственной исходной формы жизни — последнего общего предка. Это однообразие всех форм жизни здесь на Земле и создает проблемы при ее описании. Из этого единственного примера жизни мы не можем судить, могла ли она быть другой или же насколько иной она может быть в другом мире. Но мы можем сделать некоторые обоснованные предположения.

Кажется, что любой сложный биохимический процесс должен иметь в своей основе соединения углерода, использовать в качестве растворителя воду, а также свет ближайшей звезды как долговременный источник энергии. Разумно предположить, что принципы воспроизводства и естественного отбора (эволюции) должны быть подходящей движущей силой для поддержания жизни в любом месте. Эти процессы управляются случайными изменениями генетической информации и действием отбора со стороны окружающей среды, которая может сильно отличаться от нашей. Следовательно, результат эволюции другой биосферы в другое время и в другом месте, скорее всего, будет совершенно иным, чем у нас. Формы и функции и даже клеточные структуры и биохимия любой самостоятельной инопланетной жизни могут сильно отличатся от сегодняшней жизни на Земле.

Впрочем, другая жизнь могла бы обладать некоторыми похожими свойствами, которые есть и у нас, если они универсальны. Например, эти инопланетные формы жизни могли бы иметь некоторые средства для сбора световой энергии и преобразования ее в химическую форму. Для этого, скорее всего, будут использоваться сильно поглощающие свет пигменты. Весьма вероятно, что эти существа будут иметь средства для ощущения окружающей среды и передачи сигналов друг другу посредством света, химическим путем или звуками. Возможно, у этих существ выработаются способы передвижения. Подвижность, высокая сложность и средства коммуникации могли позволить создать орудия труда и развить умственные способности. Впрочем, последнее маловероятно, учитывая, что на Земле жизнь в течение почти всей своей истории оставалась очень простой — прокариоты и одноклеточные. Сложная многоклеточная жизнь возникла лишь недавно, так что она может быть очень редка во Вселенной.

После открытия состава и системы кодирования генетического материала наше понимание жизни сильно расширилось. С 1970-х годов новые мощные методы и приборы для клеточной и молекулярной биологии произвели революцию в исследовании ДНК, функций генов, структур белков, а также регулирования и координации различных биохимических реакций в клетке. Примеры последних достижений в молекулярной и клеточной биологии приведены во врезке 28.2.

За последние пять десятилетий эти новые методы и исследования показали нам сложность клетки и молекулярной биологии. Молекулярные взаимодействия и разные регуляторные реакции и саморегулируемые циклы внутри клетки оказались многослойными и хорошо настроенными для реакции на различные внешние и внутренние сигналы. Сложность этих межклеточных молекулярных сетей сейчас может быть проанализирована с помощью компьютерных вычислений, и таким образом мы постепенно начинаем понимать биохимический мир, заключенный в наших клетках, то есть — молекулярные основы жизни.

Один из очень эффективных методов молекулярной биологии — использование ферментов эндонуклеаз рестрикции, выделенных из бактерий и архей. Эти ферменты позволяют аккуратно разрезать ДНК на специфические кусочки. Техника клонирования позволила лигировать (вставлять) любой фрагмент ДНК в разные векторы для клонирования (плазмиды или вирусы), способные независимо амплифицироваться (копироваться) в другом хозяине, например бактерии или культивированной клетке животного. Полимеразная цепная реакция (ПЦР), которую в 1983 году придумал Кэри Бэнкс Маллис, очень эффективно амплифицирует последовательности ДНК, используя заранее синтезированные одноцепочечные комплементарные ей фрагменты, прилепляющиеся к специфическим местам исходной ДНК при быстрых колебаниях температуры.

Амплифицированные молекулы ДНК могут быть легко выделены и проанализированы для определения их нуклеотидной последовательности. Изолированные последовательности можно также подвергнуть экспрессии как in vitro, для получения белков с целью структурного или функционального исследования, так и в живой клетке, in vivo, для исследования реальных функций белка, его местонахождения или взаимодействия внутри клетки. Наши возможности перенести ген в интересующие нас организмы, такие как бактерии или растения, позволяют направленно модифицировать эти организмы для улучшения их генетических свойств, Этот генноинженерный подход уже используется во многих областях биотехнологии и, видимо, получит в будущем еще более широкое развитие.

Эффективные методы измерения уровней экспрессии генов (например, при использовании проб гомологичных нуклеиновых кислот) позволяют исследовать экспрессию интересующих нас генов при различных состояниях клетки и выяснить, как разные гены регулируют развитие и дифференциацию многоклеточных растений и животных. С помощью автоматизированных методов установления последовательности ДНК можно определить огромное количество геномных последовательностей. Уже сейчас определены сложные геномные последовательности многих прокариотических и эукариотических организмов.

Было обнаружено (см. таблицу ниже), что размеры геномов варьируют в очень широком диапазоне.

Таблица. Размеры геномов и их кодирующие части у организмов разного типа.

У самой маленькой самостоятельно размножающейся бактерии (Mycoplasma genitalium) геном состоит из 580 000 нуклеотидов и содержит около 470 генов. В геноме маленького животного, например нематоды Caenorhabditis elegans, около 100 x 10 6нуклеотидов и около 20 000 генов. У человека 3400 x 10 6нуклеотидов и 32 000 генов; у полиплоидных растений, например пшеницы, 17 000 x 10 6нуклеотидов и 60 000 генов; а у амебы более 670 000 x 10 6нуклеотидов, что является самым большим геномом среди всех известных форм жизни. Генетические последовательности продемонстрировали большие вариации в размерах и сложности геномов, а также позволили судить о схожести геномов родственных видов. Оказалось, что разница между человеком и шимпанзе составляет 1 % в последовательности ДНК.

Создание банков данных о последовательностях очень большого количества генов позволяет проводить систематические исследования экспрессионных профилей разных РНК или продуктов генов внутри клетки. Это же дает возможность изучать их молекулярные взаимодействия и регуляторные отношения. В системной биологии эти цели достигаются автоматизированным и компьютерным способом. Миниатюрные молекулярные датчики (микрочипы с большим набором разнообразных ДНК) используются для одновременного тестирования многих тысяч клеточных видов РНК. Этим методом в реальном времени можно анализировать изменения экспрессии РНК при разных внешних условиях (таких, например, как стресс или фактор роста) для выяснения влияния этих факторов на экспрессию гена. Подобным же образом можно провести анализ общих профилей клеточного белка или метаболита в разных условиях, чтобы посмотреть, как клетки реагируют на эти условия.

Мы уже рассказывали, как Homo sapiens шаг за шагом открывал для себя просторы Вселенной, изобретая методы измерения расстояний и определения свойств небесных тел. Наряду с глубиной пространства перед нами открываются и глубины времени. Нам нелегко представить гигантские космические расстояния. Не менее сложно для нашего разума осмыслить и ту огромную длительность времени, которая потребовалась для рождения Земли (и, конечно, нашей Галактики). Нам трудно вообразить существование чего-то более краткого, чем десятая доля секунды; а что-то более длительное, чем возраст наших бабушек и дедушек, вообще выходит за рамки нормального мышления. Мы вынуждены использовать различные косвенные методы, чтобы представить себе столь длительные отрезки времени, как миллионы и даже миллиарды лет.