Алексей Целлариус - Нескучная биология
Беспризорники
Строго говоря, вирус не более живой, чем какой-нибудь антибиотик или органический яд, которые вмешиваются в биохимические реакции наших клеток и заставляют их выделывать нечто непотребное. Вирусы могут даже кристаллизоваться, что живому организму совершенно не свойственно. Разница лишь в том, что яды, блокируя одни реакции и вызывая другие, ведут себя в живой клетке как слон в посудной лавке, а вирус заставляет эту клетку производить собственные копии.
Состоят вирусы из молекулы ДНК или РНК и белковой оболочки, которая может включать несколько десятков белковых молекул, а может – и несколько тысяч. Клетка, в которую проникают вирусы, забывает о своих обязанностях и начинает синтезировать совсем другие белки и нуклеиновые кислоты, штампуя новых вирусов. В результате вирусы вызывают самые разнообразные заболевания, от насморка до бешенства, СПИДа и некоторых форм рака. Но, между прочим, даже от вирусов есть польза. Поскольку они умеют профессионально встраиваться в геном посторонних организмов, их используют для «пересадки генов» в генной инженерии.
Развитие вируса в клетке (схема): 1 – прикрепление вируса к мембране клетки; 2 – нуклеиновая кислота вируса; 3 – белковая оболочка вируса; 4 – белки вируса, синтезированные клеткой; 5 – новые вирусные частицы покидают клетку; 6 – ДНК клетки
Откуда взялись вирусы? Среди неспециалистов довольно широко распространено даже не убеждение, а некое смутное ощущение, что вирусы, стоящие на грани живого и неживого, это некий прообраз первых форм жизни. На самом деле – ничего подобного. Вирусы – продукт весьма продвинутых созданий, стоящих на высокой ступени эволюционного развития. Предполагается, что вирусы – это куски генома вполне добропорядочных клеточных организмов, прокариот и эукариот, утерянные в результате различных несчастных случаев.
Прокариоты
Блеск и нищета прокариот
Хотя эубактерии и архебактерии, как выяснилось, две большие разницы, но по строению клетки, размножению и образу жизни многие из них похожи. Недаром, чтобы понять, что это очень разные формы жизни, пришлось углубляться в молекулярное строение и особенности обмена этих существ. Поэтому для начала мы расскажем об общих чертах прокариот.
Прокариота – клетка, но клетка более примитивная, чем любая клетка нашего с вами организма. Как и у всякой клетки, у прокариоты имеется плазматическая мембрана – это такая хитрая пленка, которая не дает содержимому клетки растекаться, обеспечивает поступление в клетку одних веществ и удаление других, а кроме всего прочего служит местом протекания множества биохимических реакций. Плазматическая мембрана – вещь непрочная и большинство прокариот одето поверх мембраны клеточной оболочкой. Оболочка также имеет сложный состав, и, как и мембрана, это не просто пузырь, предохраняющий клетку от различного рода неприятностей. Клеточная оболочка, скорее, похожа по своему назначению на кожу животного. Она участвует в газообмене, в поглощении и выделении различных веществ. Кроме того в клеточных оболочках часто идут процессы «пищеварения» бактериальной клетки – поглощение и ферментативная обработка питательных веществ. Поверх оболочки многие бактерии имеют еще слизистую капсулу.
Строение клетки прокариот: 1 – клеточная стенка; 2 – клеточная мембрана; 3 – рибосомы; 4 —кольцевая молекула ДНК в цитоплазме; 5 – складки наружной мембраны; 6 – жгутики
Некоторые бактерии способны в неблагоприят-ных условиях отращивать особо толстую оболочку и «впадать в спячку». Такие «спящие» бактерии называются цистами. Другие – создают внутри себя толстостенную капсулу, содержащую в «сжатом» виде копию материнской клетки. Это образование называется эндоспорой. В случае всякого рода неприятностей носители эндоспор гибнут, но сами споры могут сохранять жизнеспособность в самых невообразимых условиях десятки, сотни, и даже тысячи лет, выжидая, пока судьба повернется к ним лицом.
Внутреннее содержимое прокариотной клетки – вода, белки, углеводы, нуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты – вся сложная смесь, необходимая для биохимической кухни, обеспечивающей жизнь и размножение бактерии. Но вот внутренних мембран в прокариотных клетках нет и, соответственно, нет и органелл – митохондрий, пластидов, эндоплазматической сети и самого ядра. Большинство реакций синтеза идет на плазматической мембране. Все это не значит однако, что метаболизм у прокариот менее сложен, чем у эукариот, у которых есть и ядро, и митохондрии и все прочее. Мало того, в области синтеза прокариоты способны на такие штуки, которые недоступны их потомкам, эукариотам. Например, только прокариоты (не все) могут фиксировать атмосферный азот. Поскольку азот – одна из важнейших составляющих белковых молекул, то существование всех остальных организмов планеты зависит от азотфиксирующих бактерий. Серы в живых организмах содержится, конечно, меньше, чем азота. Но и сера необходимый компонент ряда аминокислот и, соответственно, белков. И ни один живой организм, кроме прокариот, не может использовать серу в каком-либо ином виде, кроме как в виде солей серной кислоты – сульфатов. А практически все сульфаты, находящиеся в почвах естественных экосистем – продукт деятельности прокариот. И, наконец, только среди прокариот есть создания, способные извлекать энергию из минеральных веществ, таких, как азот, сера, соединения железа, водород, сероводород.
Формы клеток бактерий: 1 – кокки; 2 – стафилококки; 3 – стрептококки; 4 – спирохета; 5 – вибрионы; 6 – палочки
Некоторые прокариоты неподвижны, они разносятся движением воды и воздуха и их благополучие зависит от счастливого случая. Но многие способны активно передвигаться. Некоторые спирохеты и вибрионы передвигаются за счет изгибов тела. Есть бактерии, которые выделяют обильную слизь и волнообразными движениями оболочки гонят ее назад, создавая своего рода «реактивную тягу». Но есть у прокариот и специальные органы передвижения – жгутики. У эукариотных клеток жгутики – обычная вещь. Но жгутики бактерий устроены совершенно иначе. Длина жгутика может превышать длину бактериальной клетки и состоит этот жгутик из извитой молекулы белка. Эта молекула несет на одном конце своего рода кольцо, которое расположено в особой белковой «муфте» в клеточной оболочке. За счет разности электрических потенциалов в муфте и кольце жгутик вращается по тому же принципу, как сердечник электромотора. Это совершенно уникальный случай, когда живое существо использует принцип колеса. Скорость движения бактерий, обладающих жгутиками, порядка 20 микрон в секунду – весьма приличная скорость, аналогичная скорости 20–30 метров в секунду (более 70 км/час) для лошади.
Как-то принято считать, что общественная жизнь и коллективные действия – удел существ высокоразвитых. На самом же деле склонность к объединению обнаруживается уже у прокариот. Миксобактерии – организмы, двигающиеся «реактивным скольжением» в собственной слизи. Они вполне способные вести одиночную жизнь, каковую и ведут сплошь и рядом в почве, в разлагающихся растительных остатках и в мелких лужах. Однако чаще они встречаются скоплениями. Такое скопление – тонкая слизистая пленка, в которой содержатся тысячи и миллионы бактерий – согласованно движется по поверхности субстрата и, встретив что-либо съедобное, накрывает собою и переваривает при помощи дружно выделяемых ферментов. Попав в неблагоприятные условия, такое скопление стягивается и выпячивается, сначала бугорком, а потом этот бугорок превращается в деревце, на ветвях которого сидят округлые «плоды». Размер «деревца» не так уж и мал, «деревце» может достигать миллиметра в высоту. Ствол и ветви состоят из огромного количества погибших бактерий, а плодовые тела содержат споры – часть членов колонии, впавших в спячку до лучших времен.
Гастрономические причуды
Форма клетки, строение клетки, способ передвижения, способ размножения – разнообразие всех этих признаков и свойств у прокариот, в общем, невелико. С точки зрения нормального человека, привыкшего классифицировать объекты по их строению, разложить прокариот по полочкам не составляет труда. Увы, это приятное заблуждение профана. Другой такой запутанной области, как систематика прокариот, в естественных науках, пожалуй, не существует. Дело в том, что привычные мерки, с которыми систематики подходят к грибам, паукам, крокодилам и прочим эукариотам, в мире прокариот не годятся. Разнообразие эукариот – это действительно в основном разнообразие строения, биохимическая же основа у всей этой публики одинакова до противного. А вот у прокариот – все наоборот. Их разнообразие – это разнообразие биохимических процессов и, соответственно, разнообразие процессов питания и дыхания.
