В чём же заключается то фундаментальное отличие, которое позволяет нам безошибочно отличать живую бактерию от кристалла соли, цветущий луг от нефтяной плёнки на воде? Современная биология даёт чёткий ответ: таким отличием является обмен веществ — непрерывная, упорядоченная совокупность химических превращений, связывающих организм со средой и обеспечивающих его существование. Данная статья посвящена обоснованию того, что именно метаболизм, а не какой-либо иной признак, следует считать главным и определяющим свойством жизни.
Метаболизм как интегральный критерий жизни
В биологической науке сложился традиционный набор признаков, по которым организм относят к числу живых: клеточное строение, питание, дыхание, выделение, раздражимость, движение, рост, размножение, наследственность и изменчивость. Однако эти признаки неравноценны. Одни из них являются производными, другие могут отсутствовать у отдельных групп живых существ, третьи встречаются у объектов неживой природы.
Обмен веществ занимает среди этих признаков особое место. Во-первых, он присущ всем без исключения живым организмам — от одноклеточной археи, обитающей в кипящих серных источниках, до гигантской секвойи и синего кита. Во-вторых, он представляет собой не частное свойство, а интегральный процесс, внутри которого развёртываются все остальные жизненные проявления. Питание есть поступление субстратов для метаболизма, дыхание — этап энергетического обмена, выделение — удаление его конечных продуктов, рост — преобладание анаболизма над катаболизмом, размножение — создание новой автономной метаболической системы. Таким образом, метаболизм выступает не как один из равноправных признаков, а как фундамент, на котором строятся все остальные.
Показательна в этом отношении дискуссия о природе вирусов. Вирусы обладают генетическим материалом, способны к эволюции, передаче наследственной информации и даже в определённых условиях к кристаллизации. Тем не менее подавляющее большинство биологов не относит вирусы к живым системам, и главным аргументом служит отсутствие у них собственного обмена веществ. Внедряясь в клетку хозяина, вирус использует её метаболический аппарат для своего размножения; вне клетки он представляет собой инертную нуклеопротеиновую частицу. Именно отсутствие автономного метаболизма оставляет вирусы на границе между живым и неживым.
Не менее красноречив пример спор и цист. Многие бактерии и простейшие способны в неблагоприятных условиях переходить в состояние покоя, при котором метаболические процессы замедляются до практически нерегистрируемого уровня. Однако это состояние принципиально обратимо: при возвращении благоприятных условий обмен веществ восстанавливается, и организм возвращается к активной жизни. Если же метаболические структуры разрушены необратимо — например, при длительном кипячении, — восстановление невозможно. Следовательно, жизнь сохраняется до тех пор, пока сохранена потенциальная способность к осуществлению метаболизма.
Энергетический базис обмена веществ
Любой метаболический процесс подчиняется фундаментальным законам термодинамики. Живые организмы являются открытыми системами: они непрерывно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Этот обмен позволяет им поддерживать внутренний порядок, несмотря на постоянное возрастание энтропии во внешней среде. Эрвин Шрёдингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь?» охарактеризовал живые организмы как системы, питающиеся «отрицательной энтропией». Сегодня мы понимаем этот тезис вполне конкретно: организмы извлекают свободную энергию из окружающей среды и используют её для совершения работы и биосинтеза.
Центральную роль в энергетическом обмене играет универсальная энергетическая валюта клетки — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Молекула АТФ содержит макроэргические связи, гидролиз которых сопровождается значительным высвобождением свободной энергии. При расщеплении АТФ до АДФ и неорганического фосфата выделяется около 30–40 кДж/моль. Этой энергии достаточно для обеспечения большинства клеточных процессов: мышечного сокращения, активного транспорта веществ через мембраны, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот.
Запасы АТФ в клетке крайне невелики — их хватает всего на несколько секунд активной работы. Поэтому организм должен непрерывно восстанавливать АТФ из АДФ и фосфата, затрачивая на это энергию, извлекаемую из питательных веществ. Способы получения энергии различны: фототрофы используют энергию солнечного света, хемотрофы — энергию окисления неорганических соединений, гетеротрофы — энергию окисления органических веществ. Однако во всех случаях конечным аккумулятором энергии выступает АТФ, и во всех случаях процессы энергообеспечения составляют сущность катаболической фазы метаболизма.
Ферменты обеспечивают проведение метаболических реакций с огромной скоростью в условиях постоянной температуры и давления, характерных для живых систем. Каждый фермент обладает субстратной специфичностью и способностью к регуляции. Именно набор ферментов, кодируемый геномом, определяет метаболический репертуар организма: один вид способен усваивать целлюлозу, другой — нет; одни бактерии окисляют сероводород, другие — метан; одни растения накапливают крахмал, другие — инулин. Метаболическая индивидуальность вида есть прямое выражение его ферментативного аппарата.
Единство и разнообразие метаболических путей
Одним из важнейших открытий биохимии стало установление фундаментального единства основных метаболических путей у всех живых организмов.
Гликолиз — процесс расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты — протекает практически одинаково в клетках кишечной палочки, дрожжей, мышечной ткани человека.
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) идентичен у грибов, растений и животных. АТФ служит универсальным переносчиком энергии у всех форм жизни. Генетический код един (с незначительными вариациями) для всего живого на Земле.
Это единство свидетельствует об общности происхождения всех организмов. Однажды возникнув, эффективные метаболические решения сохранялись эволюцией и передавались от предков к потомкам на протяжении миллиардов лет. Однако при сохранении основных путей каждая группа организмов приобретала специфические особенности обмена, позволяющие ей занимать определённую экологическую нишу.
Разнообразие метаболических стратегий поражает воображение. Археи-гипертермофилы обитают при температурах, близких к точке кипения воды; их ферменты сохраняют активность там, где белки большинства других организмов необратимо денатурируют. Психрофилы населяют вечную мерзлоту и толщи антарктического льда; их мембраны сохраняют текучесть при температурах ниже минус десяти градусов. Автотрофы строят все органические вещества своей клетки из углекислого газа и минеральных солей, используя энергию света или неорганических окислителей. Гетеротрофы зависят от готовой органики. Анаэробы обходятся без кислорода, используя в качестве конечных акцепторов электронов нитраты, сульфаты, карбонаты или даже органические соединения.
При всём этом разнообразии принципиальная схема обмена остаётся неизменной: внешние субстраты поступают в организм, подвергаются ферментативным превращениям, часть их ассимилируется в собственные структуры, часть окисляется с выделением энергии, продукты распада удаляются во внешнюю среду. Это циклическое движение вещества и односторонний поток энергии составляют сущность жизни.
Метаболизм, гомеостаз и регуляция
Жизнеспособность организма требует постоянства внутренней среды — гомеостаза. Концентрация ионов водорода, уровень глюкозы, осмотическое давление, температура тела должны удерживаться в определённых границах, совместимых с нормальной работой ферментов. Поддержание гомеостаза — активный процесс, требующий непрерывных энергетических затрат.
Пример — работа натрий-калиевого насоса. Почти все животные клетки поддерживают низкую концентрацию натрия и высокую концентрацию калия внутри клетки по сравнению с внеклеточной средой. Этот градиент создаётся ферментом Na⁺/K⁺-АТФазой, который за каждый цикл гидролиза АТФ переносит три иона натрия из клетки наружу и два иона калия внутрь. В состоянии покоя до сорока процентов всей энергии, вырабатываемой клеткой, тратится именно на работу этого насоса. Если прекращается синтез АТФ, прекращается и работа насоса — клетка набухает, ионные градиенты исчезают, и наступает гибель.
Регуляция метаболизма осуществляется на нескольких уровнях. Скорость ферментативных реакций может изменяться за счёт концентрации субстратов и продуктов (метаболическая регуляция), ковалентной модификации ферментов (например, фосфорилирования-дефосфорилирования), изменения скорости синтеза и распада самих ферментных белков. Гормональная регуляция обеспечивает согласование обменных процессов в разных тканях и органах многоклеточного организма. Так, инсулин, выделяющийся в ответ на повышение уровня глюкозы в крови, ускоряет поступление глюкозы в клетки и её превращение в гликоген или жиры; глюкагон и адреналин, напротив, стимулируют распад гликогена и высвобождение глюкозы.
Важно подчеркнуть, что сигнальные системы сами являются продуктами метаболизма и функционируют с использованием тех же энергетических механизмов. Гормоны синтезируются в ходе анаболических реакций, их рецепторы — белки, трансдукция сигнала требует фосфорилирования за счёт АТФ. Регуляция метаболизма, таким образом, есть внутреннее свойство самого метаболизма, его способность к самоорганизации и адаптации.
Нарушения метаболизма как нарушения жизни
Если обмен веществ есть главное условие существования живого, то его грубые нарушения неизбежно ведут к утрате жизнеспособности. Медицинская практика даёт этому положению множество подтверждений.
Наследственные болезни обмена веществ возникают вследствие мутаций в генах, кодирующих ферменты. При фенилкетонурии нарушается превращение фенилаланина в тирозин из-за отсутствия фермента фенилаланингидроксилазы. Накопление фенилаланина и его токсичных производных приводит к тяжёлому поражению центральной нервной системы. При галактоземии отсутствует фермент, расщепляющий галактозу; продукт её неполного метаболизма — галактитол — вызывает катаракту и повреждение печени. При болезни Гирке отсутствует глюкозо-6-фосфатаза, необходимая для высвобождения глюкозы из печени, что ведёт к гипогликемии и накоплению гликогена. Во всех этих случаях организм рождается жизнеспособным, но отсутствие одного-единственного фермента делает существование невозможным без специальной диеты или заместительной терапии.
Сахарный диабет — классический пример нарушения метаболической регуляции. При диабете 1-го типа разрушаются бета-клетки поджелудочной железы, продуцирующие инсулин. В результате глюкоза не может поступать из крови в клетки, хотя её концентрация в плазме достигает высоких значений. Организм, лишённый возможности использовать углеводы, переключается на окисление жирных кислот. Накопление кетоновых тел закисляет внутреннюю среду, развивается кетоацидотическая кома. Без введения инсулина это состояние несовместимо с жизнью. Инсулин не лечит диабет в строгом смысле, но восстанавливает способность организма к нормальному усвоению глюкозы — то есть нормализует обмен веществ.
Нарушения метаболизма лежат в основе не только острых состояний, но и хронических заболеваний, включая атеросклероз, ожирение, подагру. Старение организма также тесно связано с постепенным снижением интенсивности и эффективности метаболических процессов, накоплением повреждённых молекул, дисфункцией митохондрий. Следовательно, продолжительность жизни прямо коррелирует с сохранностью метаболического аппарата.
Вывод
Обмен веществ является не просто одним из признаков живого, а фундаментальным процессом, в котором реализуются все остальные жизненные свойства. Питание, дыхание, выделение, рост, размножение, движение, раздражимость — всё это либо отдельные стороны метаболизма, либо прямые следствия его протекания.
Вирусы не считаются живыми именно из-за отсутствия собственного обмена веществ. Споры и цисты сохраняют жизнеспособность до тех пор, пока метаболизм может быть возобновлён. Нарушения метаболизма ведут к заболеваниям, несовместимым с жизнью при отсутствии коррекции.
Таким образом, определение жизни может быть дано через категорию обмена веществ. Жизнь есть способ существования открытых гетерогенных систем, способных к самоподдержанию и самовоспроизведению на основе непрерывного, упорядоченного и адаптивного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Этот обмен, или метаболизм, составляет сущность жизни, её главный, интегральный и необходимый признак. Все остальные свойства, сколь бы важны они ни были, выступают лишь формами его проявления.
Обложка и иллюстрации сгенерированы ИИ: Sora
Комментарии