Айзек Азимов - Вид с высоты
В одном кубическом микроне протоплазмы содержится около 40 миллиардов молекул. Следовательно, если выразить данные предыдущей таблицы в молекулах, то мы получим следующую картину:
Клетка / Число молекул
Амеба … 170 · 1015
Клетка печени человека … 70 · 1012
Эритроцит человека … 3,6 · 1012
Сперматозоид человека … 680 · 109
Самая большая бактерия … 280 · 109
Самая маленькая бактерия … 800 · 106
Конечно, было бы очень соблазнительно сказать, что молекула — это такая же единица клетки, как клетка — единица многоклеточного организма. Тогда в дальнейшем мы могли бы утверждать, что с точки зрения молекулярного состава амеба в 17 миллионов раз сложнее, чем человеческий мозг с точки зрения клеточного состава! С этих позиций нас теперь не удивляет, что вся сложность жизни вмещается в амебную клетку.
Однако здесь есть свое «но». Протоплазма почти целиком состоит из молекул воды, Н2О. Они, видимо, необходимы для жизни, но служат главным образом в качестве «фона». Они не являются характерными молекулами жизни.
К числу молекул жизни относятся сложные макромолекулы, в состав которых входят азот и фосфор; это белки, нуклеиновые кислоты и фосфолипиды. На все эти макромолекулы приходится всего 1/10 000 общего числа молекул живой ткани.
(Заметьте, я не говорю, будто эти макромолекулы составляют только 1/10 000 веса живой ткани; речь идет только о числе молекул.) Все макромолекулы гораздо тяжелее молекул воды. Средняя молекула белка, например, тысячи в две раз тяжелее молекулы воды. В комбинации из 2000 молекул воды и 1 средней белковой молекулы на белковые молекулы будет приходиться очень незначительная часть (1/2001 общего числа молекул), а вес белка будет составлять половину общего веса.
Теперь пересмотрим нашу таблицу вновь:
Клетка / Число макромолекул
Амеба … 17 · 1012
Клетка печени человека … 7 · 109
Эритроцит человека … 360 · 106
Сперматозоид человека … 68 · 106
Самая большая бактерия … 28 · 106
Самая маленькая бактерия … 80 · 103
Итак, у нас есть все основания говорить, что средняя клетка человеческого тела с точки зрения молекулярного состава действительно не менее сложна, чем человеческий мозг с точки зрения клеточного состава, причем если бактерия значительно проще мозга, то амеба значительно сложнее!
Но и самые простые бактерии исключительно быстро растут и делятся с великим рвением, а расти и делиться с химической точки зрения не так-то просто. Такая бактерия — а ее едва можно разглядеть в хороший микроскоп — является деятельной, самостоятельной и сложной химической лабораторией.
Из 80 000 макромолекул самой маленькой бактерии около 50 000 приходится на ферменты, катализирующие различные химические реакции. Если в клетке постоянно протекает почти 2000 различных химических реакций, необходимых для ее роста и размножения, то тогда на каждую реакцию приходится в среднем 25 ферментов.
Завод, на котором производится 2000 машинных операций (при условии что каждую машину обслуживают 25 рабочих), справедливо считается предприятием со сложным производством. И вот также сложна даже самая маленькая бактерия.
Теперь попробуем подойти к этому явлению с другой стороны. Примерно в середине столетия биохимики стали понимать, что, кроме таких компонентов живой ткани, как углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор и другие, человеческому организму в очень небольших количествах нужны и некоторые металлы.
Для примера возьмем молибден и кобальт — два совсем недавних дополнения к списку микроэлементов[2]. В человеческом организме содержится, по-видимому, 18 миллиграммов молибдена и 12 миллиграммов кобальта. Это очень мало, но абсолютно необходимо для жизни организма.
И, что еще замечательнее, каждая клетка сама по себе нуждается во всех микроэлементах, в том числе в молибдене и кобальте. А теперь распределите 30 миллиграммов между 50 триллионами клеток человеческого тела, и вы увидите, какое мизерное количество придется на долю каждой! Казалось бы, теперь-то уж есть все основания считать, что клетки вовсе и не нуждаются в микроэлементах.
Но это опять-таки кажется до тех пор, пока мы пользуемся обычными весовыми единицами, вместо того чтобы перейти на атомы. В средней клетке имеется, грубо говоря, каких-нибудь 40 атомов молибдена и кобальта на каждый миллиард молекул. Составим еще одну таблицу (см. стр. 35). Не забудьте, что в ней приведены средние значения. Однако я совершенно уверен, что клетка печени на самом деле содержит больше атомов молибдена и кобальта, а эритроцит — меньше.
Клетка / Число атомов молибдена и кобальта
Амеба … 6,8 · 109
Клетка печени человека … 2,8 · 106
Эритроцит человека … 144 · 103
Сперматозоид человека … 27,2 · 103
Самая большая бактерия … 11,2 · 103
Самая маленькая бактерия … 32
Как видите, микроэлементов в клетке не так-то уж мало. В амебе — миллиарды атомов микроэлементов, а в клетке человеческого организма — миллионы. Даже большая бактерия насчитывает их тысячи.
А вот в самой маленькой бактерии их всего несколько дюжин, и это вполне подтверждает наш вывод, что у самой крошечной бактерии может быть в среднем 25 ферментов на каждую реакцию. Ведь кобальт и молибден (а также другие микроэлементы) необходимы в качестве очень важной составной части ферментов, без которой они не могут работать. Предположив, что в каждой молекуле фермента есть по атому металла, мы тем самым подтверждаем, что в самой маленькой бактерии имеется всего несколько дюжин ферментов.
И тут мы чувствуем, что приближаемся к пределу. Ферменты, по-видимому, не распределяются совершенно равномерно. В ряде случаев их больше двух десятков, в других случаях — меньше. Может случиться, что присутствуют всего один-два самых редких из основных, так называемых ключевых, ферментов. Если объем клетки меньше 0,02 кубических микрона, то повышается вероятность того, что некоторые ключевые ферменты окажутся вытесненными вообще, — вот тут-то рост и размножение прекратятся.
Значит, вполне, казалось бы, разумно предположить, что самая маленькая бактерия, различимая в хороший микроскоп, как раз и есть самая маленькая частица материи, наделенная всеми типичными жизненными процессами. И тогда предел компактности, совместимый с представлением о жизнеспособном самостоятельном организме, был бы положен такой бактерией.
* * *
А как же быть с организмами, которые еще меньше самой маленькой бактерии, не имеют некоторых важнейших ферментов и в обыкновенных условиях не растут и не размножаются? Зная, что они не живут самостоятельно, можем ли мы считать их полностью неживыми?
Прежде чем ответить на этот вопрос, вспомним, что подобные крошечные организмы (которые мы можем назвать субклетками) сохраняют способность к росту и размножению. Эта потенциальная способность становится реальностью, как только субклетка получает откуда-то со стороны недостающий фермент или ферменты, а их может дать только настоящая живая клетка. Субклетка — это организм, обладающий способностью проникать в клетку и там, внутри клетки, расти и размножаться, используя ферментный аппарат клетки и тем самым восполняя нехватку собственных ферментов.
Самые крупные субклетки — это риккетсии, названные так в честь американского ученого Говарда Тэйлора Риккетса, который в 1909 году открыл, что переносчиками возбудителей пятнистой лихорадки Скалистых гор, болезни, вызываемой такими субклетками, являются насекомые. В следующем году, исследуя сыпной тиф, который тоже переносится насекомыми, он заразился им и умер — в возрасте 39 лет. Наградой за то, что он отдал жизнь на благо человечества, ему было забвение.
Вслед за самыми мелкими риккетсиями идут вирусы (резкой границы между ними нет), а мельчайшие вирусы по размерам даже меньше генов, которые находятся в ядрах клеток и несут в своей вирусоподобной структуре генетическую информацию.
А теперь, имея дело с субклетками, давайте откажемся от кубического микрона в качестве единицы измерения объема, иначе нам придется забраться в область слишком мелких дробей. Вместо микрона будем пользоваться «кубическим миллимикроном». Миллимикрон равен одной тысячной доле микрона. Следовательно, кубический миллимикрон равен 1/1000μ × 1/1000μ × 1/1000μ, то есть одной миллиардной доле кубического микрона.
Другими словами, о самой маленькой бактерии, объемом 0,02 кубического микрона, можно сказать, что ее объем равен 20 миллионам кубических миллимикронов. Давайте теперь составим таблицу для объемов субклеток:
