Роланд Глазер - Биология в новом свете

Причиной броуновского движения являются толчки, вызванные тепловым поступательным движением молекул. Отдельные импульсы складываются, как показано на векторной диаграмме. Суммарный вектор обозначен жирной стрелкой

Остановимся на явлении броуновского движения молекул. Очевидно, не только отдельные молекулы, но и подталкиваемые ими мельчайшие составные части клеток находятся в непрерывном движении. Теперь попытаемся исследовать роль этого движения в жизни клетки.

Обратимся к реальной жизни. Прекрасным воскресным утром яхтсмен поднимает парус, отталкивается от причала и, воспользовавшись свежим попутным ветром, отплывает в море. Сила и направление ветра в течение дня изменяются, тем не менее благодаря своей ловкости и морской удаче яхтсмен к вечеру снова возвращается к причалу. Как это ему удалось при совершенно случайно меняющемся ветре? Ведь мяч, брошенный в то же время на волю ветру и волнам, уже давно скрылся где-то вдали! Совсем не обязательно быть яхтсменом, чтобы ответить на этот вопрос. У яхты есть руль, киль и подвижный парус. Она может идти под различными углами к направлению ветра и даже против него. Но для этого уже требуется некоторое умение. Это умение, или, говоря научно, хранящаяся в голове яхтсмена информация, способно обуздать слепой произвол ветра; яхтсмен может направить лодку в любом направлении и даже против ветра, используя при этом его же силу.

Попробуем найти параллель этому в живой клетке. Клетки кишечника поглощают питательные вещества. Мелкие молекулы этих веществ без труда проникают сквозь клеточную мембрану, а крупные попадают внутрь за счет того, что мембрана выгибается и образует вокруг молекулы крохотный пузырек. Клетка как бы "пьет"; этот процесс называют пиноцитозом. Пузырьки путешествуют по клетке и, дойдя до ее противоположной стороны, исчезают — вещество поглотилось клеткой. Какая же сила толкает эти "продуктовые посылки"?

Сейчас не без оснований предполагают, что частицы путешествуют в клетке, подгоняемые "ветром броуновского движения молекул". Правда, это движение не так изящно и свободно, как скольжение парусника по водной глади. Вероятно, в клетке проложены своего рода "рельсы" — внутренние ограничивающие плоскости, которые препятствуют движению пузырьков в нежелательном направлении. Пока это не известно точно, но, по-видимому, в тех местах, где питательные вещества должны использоваться, существуют специальные рецепторы, захватывающие частицы. Если же пузырек "приплывает" в неподходящее место, он не задерживается здесь, а отправляется дальше. Такое бесцельное странствование продолжается до тех пор, пока пузырек наконец не попадет к нужному адресату — рецептору, который схватывает и перерабатывает содержимое пузырька. Это, конечно, не самый быстрый метод доставки, но он надежен и "недорог", ибо "оплата" производится за счет теплового движения.

Так схематически можно представить механизм движения пиноцитозного пузырька по клетке. От места возникновения MB он странствует по клетке, участвуя в хаотическом броуновском движении, до тех пор пока не попадет к рецептору Р и не растворится

Но что же тогда означает "искусство плавания", "управляющая информация"? Это "адрес", по которому направлена "посылка", и умение распознать нужного адресата. Соответствующая информация заложена в пузырьке, и она представляет собой не что иное, как специфическую структуру белка, т. е. обусловлена опять-таки исходной наследственной информацией.

Можно было бы привести еще много примеров действия подобных механизмов в клетке. Но нам важен принцип. Итак, биологическая функция = энергия хаотического теплового движения + биологическая информация!

До сих пор не удается подсчитать и выразить эту информацию численно. Долгое время полагали, что "бит", взятый из теории информации, мог бы служить наиболее пригодной мерой информации. Однако это ожидание не оправдалось. Предлагаются различные пути решения этой проблемы, но каких-либо удовлетворительных результатов пока получить не удалось.

Таким образом, бесцельное поступательное движение молекул, хаос теплового движения, не обязательно вредит жизни, он включен в сам принцип функционирования живого и даже является необходимой предпосылкой для протекания большинства жизненно важных процессов.

Особенно показательна в этом отношении эволюционная теория Дарвина. Мы достаточно слышали о мутациях, обусловленных наследственными повреждениями. Мутации — это резкие скачкообразные изменения наследственного кода. К ним относятся замена, потеря или изменение основания в цепочке молекулы ДНК, возможно даже изменение целых хромосом. Как правило, большинство мутантов нежизнеспособны и не обнаруживаются в популяции в целом. Но многие мутации, проявляющиеся в нарушении строения тела или функции, очень заметны.

Причиной мутации, как правило, служат случайные события. И хотя при этом роль теплового движения не велика и изменение структуры молекул происходит в основном за счет действия квантов высокой энергии, например космического излучения, тем не менее и здесь в биологический порядок вклинивается случайность. Нельзя позволить этому явлению восторжествовать, ибо оно уничтожит любую биологическую организацию. Поэтому побеждают организмы, обладающие различными механизмами защиты, которые предохраняют организм от воздействия подобных случайностей. Однако со времен Дарвина известно, что без постоянной изменчивости и последующего отбора биологическая эволюция вплоть до человека была бы невозможна.

Мутант: вторжение случайности микрофизического хаоса в генетическую упорядоченность жизни. Изменения, происходящие на молекулярном уровне, проявляются во внешнем виде растения. Дарвиновская теория эволюции была бы немыслима без мутаций

Вернемся снова к тепловому движению молекул. Приведенный выше пример броуновского движения слишком специален и кажется притянутым за уши. Мы воспользовались им лишь потому, что он достаточно нагляден и, кроме того, показывает, что тепловое движение присуще не только молекулам, но и телам, видимым даже в обычный оптический микроскоп. Броуновское движение представляет собой хорошую модель любого молекулярного движения.

Вообще говоря, само движение молекул много важнее и интересней. Оно является причиной переноса вещества в самом широком смысле слова. Вещество может транспортироваться, возникать из другого вещества или превращаться в другое вещество.