Древнейшие известные ископаемые живые существа – это одноклеточные микроорганизмы (вроде бактерий) возрастом около 3,5 млрд лет. Возможно, жизнь на нашей планете существовала и раньше, но более древние ископаемые находки пока вызывают споры исследователей. Несмотря на большое разнообразие живых существ в настоящее время, основные компоненты для создания жизни практически не изменились почти за 4 млрд лет и для построения основных биологических структур нужно лишь несколько химических элементов.
Важнейшими элементами для возникновения жизни являются водород, углерод и кислород. Живые организмы неизменно получают их из источников воды и углекислого газа в атмосфере. Вода и углекислый газ необходимы не только для производства углеводов, которые служат материалом для построения тела растений и аэробным источником энергии; молекулы углеводов составляют и компонент генетического материала, РНК (рибонуклеиновой кислоты) и ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) – матриц, на которых происходит самовоспроизводство биологических молекул. Когда углеводы «восстанавливаются» путем удаления кислорода (в общем случае восстановление означает приобретение электронов, как правило, тех, которые кислород связывал в оксидном соединении), от них остаются углеводороды в виде жирных кислот, которые входят в состав липидов в клеточных мембранах и жировых клетках, где жиры хранятся как энергетический запас. Углерод и кислород также активно используются в других важных молекулах, о чем мы поговорим чуть ниже.
Следующим по важности элементом является азот, в основном в форме амидного иона, имеющего один атом азота, два атома водорода и свободный электрон с отрицательным зарядом, который используется, чтобы соединиться с другими атомами (или группами атомов), для создания аминов. Амиды получаются из аммиака – молекулы, состоящей из одного атома азота и трех атомов водорода, – путем отсечения одного атома водорода. Амиды соединяются с другой молекулой, состоящей из углерода, кислорода и водорода (это не углеводы, а карбоксильные соединения), и тогда образуются аминокислоты, которые служат основными строительными блоками для белков. Белки имеют огромное значение, потому что их функции чрезвычайно разнообразны, мы встречаем их везде – от ферментов до мышц. Ферменты ускоряют химические реакции, т. е. выступают в роли катализатора, например при расщеплении молекул пищи. Благодаря «скорости» они поддерживают биологическую активность. Кроме того, под действием электрического или химического стимула белки сворачиваются и скручиваются в различные формы, что делает возможным движение: например, биение жгутиков позволяет бактерии плавать, да и наши мышцы сокращаются благодаря белкам. А двигаться полезно: это помогает искать пищу и источники энергии.
Молекула ДНК состоит из последовательно расположенных нуклеотидов, каждый из которых представляет собой сочетание сахарофосфатного остова, прикрепленного к одному из азотистых (нуклеотидных) оснований – аденину, цитозину, гуанину или тимину. Таким образом, ДНК предстает в форме винтовой лестницы, в которой нуклеотидные основания образуют «перекладины», а сахарофосфаты соединяются вместе, образуя грядки этой лестницы. Эти нуклеотидные основания образуют последовательности, сохраняющие генетическую информацию и инструкции для работы клетки, а также связываются с соседями на другой стороне лестницы по определенным правилам (как указано на диаграмме), что позволяет ДНК в точности воспроизводить себя после расщепления. (С разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)
Азот также соединяется с углеродом, кислородом и водородом, образуя соединения, называемые нуклеотидами, которые служат важнейшими компонентами нуклеиновых кислот ДНК и РНК. К нуклеотидам относятся аденин, цитозин, гуанин (все они входят и в ДНК, и в РНК), тимин (только в ДНК) и урацил (только в РНК): в схемах их обозначают как азотистые основания А, С, G, T и/или U, и они служат перекладинами на винтовых лестницах ДНК и РНК (РНК выглядит как половина лестницы, разрезанной вдоль).
Наконец, у нас есть фосфор, который проявляется только в связи с кислородом в качестве фосфата (атом фосфора связан с четырьмя атомами кислорода). Фосфаты связываются с сахаром и другими азотистыми основаниями, образуя нуклеотиды, которые связываются вместе, чтобы создать одинарную или двойную спираль РНК и ДНК. В частности, сахар и фосфатные компоненты каждого нуклеотида соединяются, подобно позвонкам (т. е. атом сахара конца одного нуклеотида связан с атомом фосфата конца следующего), образуя рибозный (у РНК) или дезоксирибозный (у ДНК) «позвоночник» или «лестничные пролеты», в то время как азотистые основания выглядят как «перекладины» лестницы. Нуклеотиды также входят в состав молекул, которые хранят и переносят энергию, например аденозинтрифосфата (АТФ), который служит «золотой валютой» энергии в клеточной деятельности, поскольку содержит три фосфата, которые активно вступают в реакции. Вдобавок фосфаты и азот в сочетании с жирными кислотами образуют фосфолипиды в клеточных мембранах.
В ДНК и РНК нуклеотидные основания (или просто основания) химически связаны друг с другом, но лишь определенными взаимодополняющими способами. Например, нуклеотид А связывается только с T , а C – только с G , чтобы заполнить обе стороны от лестницы ДНК; таким образом, полная ступень ДНК будет состоять из А на одной стороне лестницы и Т – на другой стороне и т. д. Во время клеточного деления ДНК расщепляется продольно, и основания, торчащие, словно «обломанные перекладины» на каждой половине лестницы, соединяются со своими основаниями‑«партнерами», которые свободно плавают в клеточном бульоне и таким образом воссоздают другую сторону каждой лестницы – так ДНК воспроизводит себя. Именно эта особенность позволяет ДНК создавать копии самой себя, дублируя свои молекулы и тем самым создавая основную особенность жизни (или , по крайней мере, той жизни, которую мы знаем). ДНК также несет генетическую информацию о самовоспроизводстве и функционировании клеточных механизмов, эта информация закодирована или записана в последовательности пар оснований «лестничных перекладин» ДНК. Помимо самовоспроизводства ДНК может разделять и копировать фрагменты своих расщепленных цепей в РНК (снова путем сопоставления азотистых оснований), которые затем получают различные задания, например распределяют аминокислоты в особые белки для выполнения различных задач.
Жизнь полностью состоит из четырех основных классов химических соединений (помимо воды) – углеводов, жирных кислот, аминокислот и нуклеотидов, а они, в свою очередь, состоят всего лишь из пяти элементов – водорода, углерода, кислорода, азота и фосфора. Из них лишь бóльшая часть водорода образовалась в результате Большого взрыва, а остальные четыре элемента сформировались внутри звезд. Есть и другие элементы, которые в намного меньших количествах встречаются у разных живых организмов: например, железо в нашей крови транспортирует кислород, который используется для преобразования сахара для наших энергетических потребностей. Эти четыре класса соединений, состоящих из пяти элементов, – то, что объединяет все живые организмы. Чтобы жизнь, которую мы знаем на Земле, образовалась «с нуля», необходимы все эти строительные блоки.
