Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Необходимые для фотосинтеза ферменты располагаются в двух слоях мембраны, окружающих каждый хлоропласт. В каждой клетке травинок в парке неподалеку от вас размещается сотня или около того таких сферических органелл, каждая из которых содержит высокие концентрации белков, называющихся хлорофиллами. Трава имеет зеленый цвет благодаря хлорофиллам: они поглощают энергию из синей и красной частей светового спектра, с ее помощью запускают фотосинтез и в результате отражают свет на длине волны в зеленой области спектра.

Способные к фотосинтезу растения, водоросли и некоторые бактерии используют простые сахара, которые производят как непосредственный источник энергии и как сырье для создания нужных им для выживания молекул. Кроме того, они производят сахара и углеводы, потребляемые множеством других организмов: грибами, которые питаются разлагающейся древесиной, овцами, щиплющими траву, китами, поглощающими в морях тонны фотосинтезирующего планктона, и всеми продовольственными культурами, благодаря которым поддерживается жизнь людей на всех континентах нашего мира. По сути, углерод, насущно важный для постройки всех частей наших тел, в конечном счете поступает к нам в результате именно фотосинтеза. Процесс стартует с углекислого газа, извлекаемого из воздуха химическими реакциями фотосинтеза. Химия фотосинтеза не только к настоящему времени обеспечила энергией и сырьем большинство форм жизни на Земле, но и решающим образом повлияла на историю нашей планеты. Считается, что жизнь впервые возникла около 3,5 миллиарда лет назад. Таков возраст самых древних ископаемых, найденных до сих пор. Это были одноклеточные микробы, по-видимому использовавшие энергию геотермальных источников. В самый ранний период жизни на Земле отсутствовал фотосинтез, поэтому не было крупного источника кислорода. В результате в атмосфере кислород практически отсутствовал, и когда ранние земные формы жизни попадали в среду, содержащую кислород, у них, должно быть, возникали проблемы. Хотя мы воспринимаем кислород как жизненно необходимое вещество – и это действительно так и есть, – он также представляет собой газ с высокой реакционной способностью и может оказывать негативное влияние на прочие химические вещества, включая такие необходимые для жизни полимеры, как ДНК. После того как у микробов развилась способность к фотосинтезу, их число за тысячи лет возросло до такой степени, что произошел резкий рост уровня содержания кислорода в атмосфере. То, что за этим последовало в промежуток времени между 2 и 2,4 миллиарда лет назад, называется Великой кислородной катастрофой. Все существовавшие тогда организмы были микробами – бактериями или археями, – но некоторые ученые считают, что бóльшая их часть погибла из-за появления такого количества кислорода. По иронии судьбы жизнь создала условия, которые чуть не покончили с ней самой. Небольшой части выживших форм жизни пришлось либо ретироваться в места, где они меньше подвергались воздействию кислорода, на дно океана или, например, глубоко под землю, либо приспосабливаться и разрабатывать новые химические реакции, чтобы преуспеть в мире, обогащенном кислородом.

Сегодня подобные людям организмы все еще должны обращаться с кислородом осторожно, но мы всецело от него зависим, поскольку он необходим для выделения энергии из углеводов, жиров и белков, которыми наши организмы питаются, которые вырабатывают или поглощают. Это осуществляется с помощью химического процесса, называющегося клеточным дыханием. Последние этапы этой группы реакций происходят в митохондрии – еще одной органелле, критически значимой для всех эукариотических клеток.

Главная роль митохондрии состоит в выработке энергии, нужной клеткам для приведения в действие химических реакций жизни. Поэтому клетки, нуждающиеся в энергии, содержат много митохондрий: чтобы билось ваше сердце, каждая из клеток в сердечных мышцах должна использовать несколько тысяч митохондрий. Вместе они занимают порядка 40 % имеющегося в этих клетках пространства. В чисто химическом смысле клеточное дыхание поворачивает центральную для фотосинтеза реакцию в противоположном направлении. Сахар реагирует с кислородом, производя воду и углекислый газ и высвобождая при этом много энергии, забираемой для последующего применения. Митохондрии ответственны за то, чтобы эта многоэтапная химическая реакция четко контролировалась и осуществлялась аккуратно и методично, без слишком большой затраты энергии, чтобы не произошло утечки реактивного кислорода и электронов, способных повредить остальную часть клетки.