Том Джексон - Взламывая биологию

АТФ становится активна при реакции с водой, или гидролизе. В результате реакции получаются молекула аденозиндифосфата (АДФ) и одна фосфатная группа. Реакция сопровождается выделением энергии, которая питает метаболические процессы внутри клетки. Если организму в данный момент энергия не нужна, происходит обратная реакция, и свободная энергия используется для присоединения фосфатной группы к АДФ и формированию АТФ. Энергию для этого преобразования клетка получает от окисления глюкозы в рамках так называемого цикла Кребса. Каждая молекула глюкозы производит около 30 АТФ. Выходит, что АТФ работает как аккумуляторная батарея: запасает энергию, когда она не нужна организму, и немедленно высвобождает ее, когда в ней появляется нужда.

Производство молекул АТФ, источников энергии, происходит внутри органелл, называемых митохондриями. Эти «энергостанции» дают клеткам «силы» для выполнения всех надлежащих функций.

Гомеостазом называют ряд биологических процессов, которые обеспечивают стабильное состояние среды внутри живого организма. Слово происходит от греческих őμοιος – «подобный», и στάσις – «неподвижность».

Гомеостаз – это баланс между веществами, поступающими в организм и покидающими его. Организмы забирают из внешней среды воздух, воду и питательные вещества, а после перерабатывают их в строго контролируемых условиях. Для сохранения баланса во внутренней среде организмы избавляются от ненужных элементов, например воды, тепла, а также продуктов метаболизма. Французский физиолог Клод Бернар первым признал важность такой системы контроля в организме, что обосновал в своей работе, опубликованной в 1857 г. Много лет спустя, в 1929 г., американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кеннон ввел термин «гомеостаз».

Почки нужны для осморегуляции, то есть контроля концентрации воды (и растворенных солей) в теле. Их деятельность регулируется гормонами, произведенными мозгом. Тело получает воду из пищи и выводит ее в виде мочи и с калом (а также в виде пота и пара при дыхании). Если пропорция воды в плазме крови слишком низкая, почки забирают больше влаги, и она направляется в кровь, а моча при этом становится более концентрированной. Когда пропорция воды в крови слишком мала, моча бывает менее концентрированной. Воду из крови забирает особый фильтр – капсула Боумена–Шумлянского.

Гомеостаз в теле животного обеспечивают две главные системы. Автономная нервная система отвечает за незамедлительную реакцию на изменения среды. Эндокринная система действует медленнее, с помощью химических медиаторов, гормонов, перемещающихся по телу с потоком крови. Когда тело чувствует нарушение нормальных условий, реагируют либо одна, либо обе эти системы, и баланс восстанавливается.

Один из самых важных гомеостатических процессов – это терморегуляция, то есть поддержание постоянной температуры тела. Человеческое тело способно нормально функционировать при температуре около 37 °C. Гипоталамус в мозге действует как термостат: он измеряет температуру крови, проходящей через него, и выявляет любые изменения. Он также принимает нервные импульсы от рецепторов на коже. Когда организм перегревается, кровеносные сосуды расширяются – тело отводит жар за счет того, что кровь начинает течь ближе к поверхности кожи. В то же время железы выделяют через кожу пот. При его испарении тело охлаждается. Если организм переохлаждается, сосуды сужаются, чтобы сократить приток крови к коже и остановить потерю тепла. Появляется дрожь, тело вырабатывает больше тепла.

Железы под кожей производят пот: он испаряется с поверхности кожи и способствует охлаждению тела.

Процесс рекомбинации при делении клетки позволяет получать новые клетки с уникальным набором генов, отличающимся от набора родительской клетки.

Генетическая рекомбинация происходит в процессе мейоза, то есть деления клетки с образованием половых клеток – спермы, пыльцы, яйцеклеток и т. д. В 1931 г. процесс описали американский генетик Барбара Мак-Клинток и ее аспирантка Хариет Крейтон. Ученые работали с генетическим материалом кукурузы и обнаружили, что только на одной паре хромосом (они называются гомологичными) присутствовали узловатые структуры. Мак-Клинток и Крейтон заметили, что эта особенность влияет на цвет и крахмалистость зерна. Затем ученые отследили эти признаки, наблюдая мейоз в более поздних поколениях растений.

Полученные в результате мейоза дочерние половые клетки, или гаметы, остаются с половиной родительских хромосом. Кроссинговер, или перекрёст, начинается, когда гомологичные хромосомы расходятся. Гаметы разных организмов подвергаются рекомбинации вследствие оплодотворения и формируют новые особи. Мак-Клинток и Крейтон показали, что части хромосом кукурузы, ответственные за определенные признаки, меняются местами в ходе мейоза. Признаки, связанные с узелками в хромосомах родительской клетки, проявлялись в более поздних поколениях, уже не имевших таких узелков, доказывая, что произошел обмен генетическим материалом.

Генетическая рекомбинация – это сложный процесс, контролируемый ферментами. Они «обрезают» участки ДНК, составляющие гомологичные хромосомы. В первой фазе мейоза гомологичные хромосомы удваиваются, выстраиваются в нужной последовательности, цепи ДНК соседних хромосом перекрещиваются и обмениваются генетическим материалом. Далее хромосомные пары расходятся и делятся на четыре дочерние клетки (гаметы), некоторые из которых могут иметь новую комбинацию генов, отличную от генов родителей. Рекомбинация важна, так как создает генетическое разнообразие. А разнообразие позволяет популяциям адаптироваться к меняющейся среде. В течение многих лет научное сообщество игнорировало работу Мак-Клинток и Крейтон. Интерес к ней возродился с развитием электронной микроскопии в конце 1930-х гг. Ученые увидели генетическую рекомбинацию в деталях, а в 1953 г. британский биолог Фрэнсис Крик и американский биолог Джеймс Уотсон открыли структуру ДНК. В 1983 г. Барбара Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине.