В ядре, которое занимает примерно третью часть всей клетки, размещен весь управленческий аппарат. Это прежде всего ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Она предназначена для хранения и передачи информации при делении клетки. Ядро содержит и значительное количество основных белков — гистонов, и немного РНК (рибонуклеиновой кислоты).
Клетки работают, строят, размножаются. Этот требует энергии. Клетка сама же и вырабатывает нужную ей энергию. В клетке имеются энергетические станции. Они занимают площадь в 50 — 100 раз меньшую, чем площадь ядра. Энергетические станции также обнесены двойной мембраной. Она предназначена не только для ограничения станции, но и является ее составной частью. Поэтому конструкция стенок отвечает технологическому процессу получения энергии.
Энергию клетки вырабатывают в системе клеточного дыхания. Она выделяется в результате расщепления глюкозы, жирных кислот и аминокислот. Но самым главным поставщиком энергии в клетке является глюкоза. Процесс превращения глюкозы в углекислоту, при котором выделяется энергия, идет с участием электрически заряженных частиц — ионов. Этот процесс называется биологическим окислением. Можно сказать, что энергия в клетке производится по электрической технологии. Поясним, что собой представляет частица ион.
Любой атом или молекула является электрически нейтральной частицей. Каждый атом имеет такой же по величине положительный электрический заряд (он расположен в ядре атома), как и отрицательный. Последний несет на себе электроны, вращающиеся вокруг ядра. Пока положительные заряды скомпенсированы отрицательными, атом является электрически нейтральным. Если от атома оторван один (или больше) электрон, то в нем преобладают положительные заряды ядра, и атом при этом превращается в положительно заряженный ион. Атом становится отрицательным ионом в том случае, если к нему «прилипнет» лишний электрон. То же самое относится и к молекулам, то есть имеются положительные и отрицательные молекулярные ионы. В организме человека имеются как разные (положительные и отрицательные) ионы, так и электроны.
В процессе биологического окисления участвуют не только ионы (имеющие электрический заряд), но и электроны (имеющие отрицательный электрический заряд). Этот процесс на своем последнем этапе образует молекулы воды. Если же по какой-то причине на этом заключительном этапе не окажется атомов кислорода, то и конечный продукт — вода образоваться не сможет. Водород, предназначенный для образования воды, останется свободным и будет накапливаться в виде электрически заряженных ионов. Тогда дальнейшее протекание процесса биологического окисления, то есть процесса образования энергии, прекратится. Прекратится работа электрической станции, и наступит энергетический кризис.
Интересно, что для удобства потребления энергия в клетке вырабатывается малыми порциями. Процесс окисления глюкозы включает в общей сложности до 30 реакций. При протекании каждой из этих реакций выделяется небольшое количество энергии. Такая «расфасовка» очень удобна для использования энергии. Клетка при этом имеет возможность наиболее рационально использовать освобождающуюся малыми порциями энергию на текущие нужды, а избыток запасенной энергии откладывается клеткой в виде АТФ (аденозинтри-фосфорной кислоты). Энергия, запасенная клеткой в виде АТФ, — это своего рода неприкосновенный запас (НЗ).
АТФ — сложное соединение, в молекулу которого входят три остатка фосфорной кислоты. На присоединение каждого из остатков затрачивается энергия в количестве около 800 калорий. Этот процесс называется фосфорилированием. Энергия может быть взята обратно (востребована) из АТФ. Для этого АТФ надо разложить на два других вещества: АДФ (аденозиндифосфат) и неорганический фосфат. Аналогично при расщеплении сложных атомных ядер выделяется энергия. Конечно, эта аналогия не полная, так как расщепление (гидролиз) молекул АТФ оставляет неизменными атомные ядра. Расщепление АТФ происходит в присутствии специального вещества — фермента. В этом случае, то есть при расщеплении АТФ, ферментом является аденозинтрифосфаза (АТФаза). Это вещество бывает различных видов и встречается повсеместно, где протекают реакции с потреблением энергии.
АТФ является универсальной формой хранения энергии. Его используют все клетки не только животных (в том числе и человека), но и растений.
АТФ образуется в процессе биологического окисления из тех же веществ, на которые он расщепляется при обратном процессе — фосфорилировании, а именно: неорганического фосфата и АДФ. Поэтому для того, чтобы протекал процесс биологического окисления, необходимо наличие на всех стадиях этого процесса АДФ и неорганического фосфата. Но эти вещества по мере протекания процесса окисления непрерывно расходуются, поскольку в них образуется запас энергии в виде АТФ. Ядро клетки представляет собой круглое тельце, покрытое тонкой оболочкой и состоящее из некоторого, вполне определенного для каждого вида числа нитевидных образований. Эти нити называют хромосомами, что в переводе с греческого означает окрашенное тело. Это тело способно сильно окрашиваться применяемыми в микроскопии красителями. Отсюда и название хромосомы.
Некоторые бактериальные клетки не имеют ядра. В них хромосомное вещество распределено по всей цитоплазме в виде маленьких зерен. Эти зерна играют ту же роль, что и ядро.
Клетки бактерий принадлежат к наиболее примитивным одноклеточным организмам. Они очень разнообразны. Считается, что они эволюционировали в продолжение около двух миллиардов лет.
Особого внимания заслуживают вирусы. Они не являются живыми в классическом смысле этого слова, поскольку не питаются и не растут. Тем не менее их называют элементарными единицами живого вещества (паразитическими). Собственно, вирусы являются элементарными единицами органического вещества. Большую часть времени вирусы бездействуют, они биологически инертны. Они немногим активнее простых химических веществ или, например, семян. Но когда вирусы соприкасаются с типом клетки, которая служит им жертвой, вещество вируса проникает в клетку и превращает ее содержимое в большое число отдельных вирусов. Эти новые вирусы в точности копируют вирус, который их создал. Можно сказать, что вирус — это семя, которое воспроизводит множество точно таких же семян.
Выше мы рассмотрели жизнь в условиях Земли. Возможна ли жизнь в других условиях, когда, например, нет воды, зато много аммиака или кремния? Можно рассматривать и другие варианты, например возможность жизни при низких температурах и т. п.
Напомним еще раз, что в основе жизни на Земле лежит углерод, он образует молекулярные цепочки. Вторым важным (необходимым) элементом жизни является вода. Она служит биологическим растворителем. Собственно, растворитель — это все. Он определяет весь химический характер жизни. Из растворителя — воды образуются и водород, и гидроксил, и кислород. Все они входят в состав живого вещества. Определяющей в данном случае является водородная связь. Она важна для структуры белков, нуклеиновых кислот и других органических соединений. Что же касается аммиака NH3 и ортофосфорной кислоты H3PO4, то они дают положительные ионы для образования связей при поликонденсации белков и нуклеиновых кислот. Эти связи создаются в реакции нейтрализации. При этом кислота и основание соединяются с образованием соли и воды. Напомним, что кислота и основание относятся к воде как к нейтральному веществу. Вода для них является родительским растворителем. Но только ли вода? Нет ли других веществ, которые выполняли бы такие же функции? Мы покажем, что такие вещества есть.
При усвоении органических соединений протекают процессы, которые по своей сути являются обратными процессу поликонденсации. Молекулы органических соединений распадаются в процессе гидролиза. При этом потерянная молекула воды вновь распределяется между остатками кислот и основания. Как мы уже видели, живые системы черпают энергию, которая высвобождается в реакциях окисления и брожения. Эти реакции относятся к воде подобным же образом. Поэтому вода с углекислым газом является конечным продуктом происходящего при реакции распада веществ. Нелишне напомнить, что при эволюции земной атмосферы она меняла свой состав от восстановительного до окислительного именно посредством воды. Ведь и углекислый газ, и свободный кислород являются продуктами различных преобразований воды, различных реакций. Можно даже сказать, что мы дышим кислородом, потому что мы пьем воду.
Не менее важны и металлы. Они являются катализаторами. Неметаллы также входят в живые организмы. Но они в основном заменимы (одни другими), кроме азота и фосфора.
