Большая история. С чего все начиналось и что будет дальше

Объяснить, как у клеток появились собственные защитные мембраны, не слишком трудно. Клеточные мембраны состоят из длинных цепочек фосфолипидов, которые в соответствующих условиях несложно заставить выстроиться слоями, образующими полупроницаемые пузырчатые структуры. Возможно, как доказывал Терренс Дикон, фосфолипидные слои молекула за молекулой сформировались в результате автокаталитических реакций. Если это так, образ некой версии «Лука», которая сама себе вяжет мембрану, будет не так уж далек от жизни[71]

.

Как клеткам удалось освоить более удачные способы получать энергию и размножаться, объяснить сложнее, но механизмы, которые они для этого используют, настолько фундаментальны и элегантны, что в них стоит разобраться.

Чтобы выработать новые способы использовать потоки энергии и в результате суметь оторваться от вулканических источников, нужно было создать клеточный аналог электросети, к которой молекулы могли бы подключаться во время работы. Здесь ключевую роль сыграли ферменты. Это особые молекулы, которые могут служить катализаторами – ускорять клеточные реакции и снижать необходимое для них количество энергии активации. Сегодня на деятельности ферментов основана жизнь любой клетки. Большинство из них – белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот. Их точная последовательность в цепочке имеет значение, потому что от нее зависит, как белок примет правильную форму, чтобы выполнить свою конкретную функцию. Ферменты курсируют по молекулярному бульону, выискивая целевые молекулы, к которым они подходят, как гаечный ключ к гайке или болту соответствующего размера. Затем фермент может с помощью крошечной дозы энергии воткнуться в молекулу, согнуть ее, расколоть, разделить или соединить с другими. Большинство реакций в вашем теле без ферментов были бы невозможны, или для них потребовалась бы такая энергия активации, что они повредили бы клетку.

Придав целевой молекуле нужный вид, фермент отрывается от нее и идет на поиски новых молекул, чтобы подчинить их своей воле. Ферменты также можно включать и выключать с помощью других молекул, которые соединяются с ними и слегка изменяют их форму – таким образом они, подобно миллиардам транзисторов в компьютере, регулируют фантастически сложные реакции, протекающие в клетке.

Ферменты получают необходимую для своей работы энергию из клеточного аналога электросети. Эта система, скорее всего, возникла в самом начале истории жизни. Энергию к ферментам и другим частям клетки поставляют молекулы АТФ, или аденозинтрифосфата, которые, вероятно, уже вовсю работали в организме «Луки». Чтобы получить питание, ферменты и другие молекулы отламывают от АТФ небольшую группу атомов и высвобождают энергию, которой эта группа была связана с молекулой. Затем истощенная молекула (теперь это уже АДФ, аденозиндифосфат) направляется к специальным молекулам-генераторам, которые ее заряжают, возмещая утраченные атомы. Молекулы-генераторы получают питание в результате замечательного процесса под названием хемиосмос, который, хоть его и открыли только в 60-е годы XX века, по-видимому, существует со времен «Луки». В каждой клетке разлагаются молекулы пищи, чтобы высвободить энергию, которая содержится в них, и часть этой энергии используется, чтобы вытолкнуть отдельные протоны изнутри клетки (где их концентрация низка) наружу (где концентрация протонов высокая). Это все равно что зарядить батарейку. Между средой внутри и снаружи клетки возникает перепад зарядов, и он создает примерно такое же напряжение, которое, вероятно, «Лука» использовал в щелочных источниках. Особые, встроенные в клеточную мембрану молекулы-генераторы (для обладателей технического ума молекулы АТФ-синтазы) питают нанороторы с помощью электрического заряда, который создают возвращающиеся из-за пределов мембраны протоны. Эти роторы, подобно роторно-конвейерным линиям, подзаряжают молекулы АДФ, заменяя молекулярные группы, которые те потеряли, а затем уже заряженные молекулы АТФ возвращаются в клетку и ждут, когда другие молекулы подключатся к ним и получат энергию, необходимую, чтобы продолжить работу.

Такая изящная клеточная электросеть сегодня есть в каждой клетке. Благодаря ей те перестали быть привязаны к энергетическим потокам вблизи вулканических источников, и первые прокариоты начали бороздить океаны Земли, добывая энергию из молекул пищи и используя ее, чтобы формировать молекулы АТФ, которые поставляют энергию, необходимую для питания внутриклеточных механизмов.