Самовоспроизведение-важнейшее свойство жизни

Из материала предыдущей темы следует, что основные проявления жизни – обмен веществ и энергии, движение, биокатализ, иммунитет, сигнализация – обеспечиваются разнообразными белками. Каждый вид белка имеет строго определенную первичную структуру – набор и последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Первичная структура предопределяет вторичную и третичную структуры, а третичная структура принципиально важна для функционирования молекулы – от нее зависит стереохимическое узнавание других молекул, дозированные конформационные перестройки, проведение ионов, выстраивание скелетных нитей и т. п.

Однако зададимся вопросом: как долго может работать белковая молекула? Характеризуя биокатализ, мы отмечали, что белки-ферменты в реакциях субстратов сами не разрушаются, они лишь многократно и обратимо денатурируют (см. сегмент 17, рис. 8).

Значит ли это, что ферменты работают бесконечно долго и не претерпевают никаких нарушений структуры? Будем исходить из того, что белок – обычное материальное тело, испытывающее регулярные колебательные нагрузки (вспомните образ сжимающейся и разжимающейся стальной пружины).

По всем законам сопротивления материалов даже в покоящихся телах, а тем более при регулярной, да еще пульсирующей нагрузке, в них возникают механические напряжения, которые рано или поздно приводят к искажениям структуры – разрывам или смещениям химических связей, нарушениям кристаллической решетки и т. п.

Следует вывод: белки со временем теряют нативную (природную, естественную) структуру, они стареют, становятся непригодными к выполнению своих функций. Вместе с белками стареют, изнашиваются клетки, ткани, органы и в целом организмы. Следовательно, в живой природе должны быть механизмы замещения, или воспроизведения, стареющих белков, клеток и самих организмов. Такие механизмы действительно существуют.

В долгоживущих клетках (нервных, мышечных) происходит постоянный синтез новых белков, идущих на замену изношенным и разрушенным. Такие клетки живут годами и даже десятилетиями, но они обновляются изнутри – подобно тому, как мы ремонтируем дом, не разрушая его как целое строение. В других тканях реализуется стратегия обновления клеточного состава путем регулярного деления молодых клеток. Так, клетки крови обновляются за несколько недель, кожный эпителий – за неделю, кишечный эпителий – за 2 суток. Но и эти процессы не обеспечивают бессмертия организму.

В нейронах накапливаются продукты распада и они погибают, репродуктивный потенциал соматических клеток истощается, наступает старение и смерть организма. Гибель организмов происходит также при их взаимодействии с внешней средой – одним просто не хватает пищи, другие становятся жертвами хищников, третьи погибают от природных катаклизмов (пожары, наводнения, холод и т. п.). Нужен радикальный механизм защиты жизни, ее дублирования, самовоспроизведения.

Для этих целей существуют особые, максимально защищенные от повреждений клетки, которые вовремя «покидают» организм и дают начало новому поколению. Это половые клетки – предшественники бесконечной череды актов размножения организмов. Мужская и женская половые клетки – сперматозоид и яйцеклетка – сливаясь, образуют одноклеточную зиготу, которая в эмбриональном периоде многократно делится и превращается в зародыш, а далее в постэмбриональном развитии формируется полноценный организм.

Организмы производят новые половые клетки, оставляют потомство и умирают (рис. 12). Весь цикл индивидуального развития организма от образования зиготы до его смерти называется онтогенезом.

Важно то обстоятельство, что как отдельные клетки, так и целые организмы воспроизводят в поколениях прежний план организации и «образ жизни». Долгоживущие нервные клетки восстанавливают одни и те же органоиды, эритроциты во всех поколениях остаются эритроцитами, лейкоциты – лейкоцитами, а дети в целом похожи на родителей.

В чем причина этого сходства? Где и в каком виде содержится и как реализуется информация о строении и свойствах организма? Успехи современной генетики, цитологии, эмбриологии дают на эти вопросы достаточно ясные ответы. Для контроля развития используется два источника информации: внутренний – генетический и внешний – эпигенетический.

Однако прежде, чем углубиться в эти понятия, посмотрим на проблему исторически и увидим, что путь к пониманию «золотой середины» лежал, как это обычно бывает, через непримиримый антагонизм альтернативных суждений.