Тем не менее два других определения жизни отличают ее от огня. Во‑первых, реакция жизни не только потребляет материю, но и создает сложные молекулы, образующие «матрицу», с помощью которой катализируется больше таких же молекул, т. е. идет их воспроизводство. При этом не только ускоряются реакции, но и наследуется информация, полученная от предшествующих молекул. (Для сравнения: огонь не дублирует сложные молекулы, а создает простые – воду и углекислый газ.) Во‑вторых, жизнь развивается благодаря естественному отбору: если окружающая среда становится непригодной для поддержания химической реакции, существует вероятность, что жизнь сумеет к этому приспособиться (если изменение не произошло слишком быстро). Основано это на копировании предшествующих несовершенных организмов. Если новые поколения организмов выживают, значит, они чем‑то отличаются от своих прародителей, не являются их клонами. В этом суть дарвиновского естественного отбора: группа организмов или особей обладает достаточным внутренним разнообразием, в результате чего некоторые особи оказываются лучше приспособленными к неблагоприятным изменениям окружающей среды и выживают, а неприспособленные вымирают. Огонь не приводит к приспособлению, если окружающая среда слишком холодная или слишком влажная, он просто гаснет, не происходит отбора, в результате которого одни пожары приспосабливаются к холодной или влажной среде, а другие прекращают свое существование. Коротко говоря, жизнь – самоподдерживающаяся энергоемкая химическая реакция, чьи продукты – молекулы – катализируют или воспроизводят сами себя, и при этом они обладают достаточным разнообразием, чтобы эволюционировать путем естественного отбора, если окружающая среда станет непригодной (достаточно медленными темпами). Ну, получилось не совсем коротко.
Вся жизнь на нашей планете имеет клеточную природу, потому что химические реакции, поддерживающие жизнь, происходят внутри капсулы – клетки. Капсула окружена полужидкой мембраной, которая позволяет проникать внутрь питательным веществам и источникам энергии и защищает поддерживающие жизнь реакции от рассеяния или уничтожения (скажем, океанскими волнами). Возможно, самые ранние из таких капсул использовали для защиты пузырьки внутри лавовых пород вроде пемзы. Некоторые неклеточные формы жизни, такие как вирусы, представляют собой «свободно плавающий» генетический материал в защитной оболочке. Они обладают некоторыми признаками жизни, например подвержены действию естественного отбора, однако вирус может воспроизвести себя, лишь взломав клеточный механизм другого организма. Таким образом, являются ли вирусы живыми или нет – вопрос все еще не решенный.
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
