Рассказы о биоэнергетике - Скулачев Петрович

Такое окисление сопряжено с присоединением фосфорной кислоты к каждому из фрагментов молекулы глюкозы, то есть с их фосфорилированием. Последующий перенос фосфатных остатков с фрагментов глюкзы на АДФ дает АТФ.

Механизм образования АТФ при внутриклеточном дыхании и фотосинтезе долгое время оставался совершенно неясным. Было известно только, что ферменты, катализирующие эти процессы, встроены в биологические мембраны — тончайшие пленки (толщиной около одной миллионной доли сантиметра), состоящие из белков и фосфорилированных жироподобных веществ — фосфолипидов.

Мембраны — важнейший структурный компонент любой живой клетки. Внешняя мембрана клетки отделяет протоплазму от окружающей клетку среды. Клеточное ядро окружено двумя мембранами, которые образуют ядерную оболочку — преграду между внутренним содержимым ядра (нуклеоплазмой) и остальной частью клетки (цитоплазмой). Кроме ядра, в клетках животных и растений находят еще несколько структур, окруженных мембранами. Это эндоплазматическая сеть — система мельчайших трубочек и плоских цистерн, стенки которых образованы мембранами. Это, наконец, митохондрии — шарообразные или вытянутые пузырьки размером мельче ядра, но крупнее компонентов эндоплазматической сети. Диаметр митохондрии обычно около микрона, хотя иногда митохондрии образуют ветвящиеся и сетчатые структуры протяженностью в десятки микрон.

В клетках зеленых растений, помимо ядра, эндоплазматической сети и митохондрий, находят еще и хлоропласты — мембранные пузырьки более крупные, чем митохондрии.

Каждая из этих структур выполняет свою, специфическую биологическую функцию. Так, ядро — вместилище ДНК. Здесь происходят процессы, лежащие в основе генетической функции клетки, и начинается сложная цепь процессов, приводящая в конечном итоге к синтезу белка. Этот синтез завершается в мельчайших гранулах — рибосомах, большая часть которых связана с эндоплазматической сетью. В митохондриях происходят окислительные реакции, совокупность которых называется внутриклеточным дыханием. Хлоропласты отвечают за фотосинтез.

Клетки бактерий устроены проще. Обычно они имеют только две мембраны — внешнюю и внутреннюю. Бактерия — это как бы мешок в мешке, а точнее, очень мелкий пузырек с двойной стенкой. Здесь нет ни ядра, ни митохондрий, ни хлоропластов.

Существует гипотеза, что митохондрии и хлоропласты произошли из бактерий, захваченных клеткой более крупного и высокоорганизованного существа. Действительно, биохимия митохондрий и хлоропластов во многом напоминает бактериальную. Морфологически митохондрии и хлоропласты тоже в известном смысле подобны бактериям: они окружены двумя мембранами. Во всех трех случаях: в бактериях, митохондриях и хлоропластах — синтез АТФ происходит во внутренней мембране.

Долгое время считалось, что образование АТФ при дыхании и фотосинтезе протекает аналогично уже известному превращению энергии при гликолизе (фосфорилирование расщепляемого вещества, его окисление и перенос остатка фосфорной кислоты на АДФ). Однако все попытки экспериментально доказать эту схему оканчивались неудачей.

Глава 3. От микробиологии к биоэнергетике

Муравьиный язык

Для меня эта история началась четверть века назад, когда на третьем курсе биофака МГУ я решил заняться тем, что сейчас мы называем биоэнергетикой, рискованной в общем-то областью биологии. Как правило, здесь ничего не увидишь, не уловишь на слух и не пощупаешь руками. Приходится доверять приборам, способным улавливать слабые отклики событий, сопутствующих превращениям энергии в мельчайших крупинках живой материи.

Здесь нет ничего сложнее, чем угадать единственно правильный путь среди тысячи, казалось бы, равных возможностей. И нет ничего проще, чем придумать новую гипотезу: достаточно располагать неким минимумом сведений и способностью логически мыслить.

В детстве я увлекался муравьями: в лесу искал их «столицы», следил за дорожками, расчищенными и утоптанными маленькими тружениками. Показывал приятелям разные виды муравьев, давая им собственные названия, а однажды под 'большим секретом сообщил своим друзьям, что узнал «муравьиный язык», и потом все лето сочинял истории, которые будто бы рассказывали мне мои шестиногие собеседники. Мальчишки верили или просто делали вид, что верят, приняв тем самым правила игры.

Муравьиный язык

Но вот в конце лета в компании появилась девочка постарше. Мое общение с муравьями ей показалось сомнительным, и она решила вывести фантазера на чистую воду. Неподалеку от нашей дачи был муравейник моих любимцев — крупных неторопливых черно-красных муравьев, которых я окрестил «красношейками». Втайне от нас девочка выкопала около муравейника небольшую ямку.

- Узнай у своих муравьев, откуда взялась эта ямка? — попросила она.

Что делать? Я выбрал «красношейку» поголовастей, посадил его в ямку и через минуту-другую водворил его на свою ладонь. Я внимательно наблюдал за беспорядочными движениями его усиков, мучительно соображая, кто бы мог вырыть злосчастную ямку! Я сразу понял, что это проверка. Но кто же мог меня проверять, кроме самой девочки, ведь ребятам очень нравились и рассказы о муравьиных войнах, и изготовление кораблей для Муравьевой поиски исторических мест муравьиных баталий. Не могли же они сами разрушить весь этот замечательный мир! Значит, моей обличительнице никто не помогал!

— Муравей говорит, что эту ямку вырыла ты! Носком туфли!

Этот свой детский триумф я вспомнил на первой студенческой практике в Чашникове, когда среди предложенных нам самостоятельных работ по зоологии беспозвоночных обнаружил одну «муравьиную» тему. Сильно волнуясь, я спросил у преподавателя, можно ли заняться муравьями именно мне. Согласие было получено, и, взяв с собой определитель насекомых, я немедля отправился в ближайший лес на поиски местных муравьев.

Вскоре выяснилось, что здесь тоже водится мой любимый «красношейка», который в действительности называется «красногрудый древоточец». По-латыни его имя звучало для меня как гимн: Camponotus herculianus. Это торжественное сочетание звуков говорило само за себя, особенно рядом с названием суматошного рыжего «лесняка», который оказался всего лишь муравьем лесным, Formica rufa rufa.

Целыми днями я пропадал в лесу, испытывая чувство, которое можно сравнить с утолением жажды или радостью встречи после долгой разлуки с любимой женщиной, потерянной, казалось, навсегда.

Когда я рассказал о своей работе «Муравьи и защита растениями нектара от муравьев» на кафедре зоологии беспозвоночных, мне предложили специализироваться по этой кафедре. Соблазн был велик. Поступая в МГУ, я собирался стать биохимиком, но эту сложную науку изучают на старших курсах. А сейчас на столе лежит мой первый научный опус, уже получивший одобрение такого признанного мирмиколога (специалиста по муравьям), как профессор Арнольди, а доцент Абрикосов, высокий старик с пристальным взглядом голубых глаз и тонкими длинными пальцами собирателя коллекций, рассказывает мне о дальних экспедициях и повадках полюбившихся с детства беззащитных трудолюбивых созданий.

Но я решил все же пойти в биохимики.

Мне не довелось больше заниматься муравьями, однако я никогда не жалел о днях, потраченных на мирмикологию. Эта скромная наука позволила почувствовать гармонию бесконечно сложного мира, каким оказывается любой живой организм под внимательным взглядом биолога. Я убежден, что такого рода занятия дают хороший иммунитет против поспешных упрощенных решений, которые часто предлагают нам химики и физики, пришедшие в биологию, так сказать, со стороны.

Что же до языка муравьев, то он был недавно открыт, и не без помощи биохимиков. Оказалось, что муравьи располагают, если угодно, «химическим» способом передачи информации. Они выделяют пахучие вещества разных типов, каждое из которых — сигнал к тому или иному коллективному действию.

Если, например, муравей находит добычу, неподъемную для одного, он возвращается к муравейнику, непрерывно орошая свой путь летучим эфиром определенного состава. Второй муравей, случайно наткнувшись на этот след, воспринимает запах эфира как сигнал, что надо бежать в сторону ослабления запаха, то есть в направлении, противоположном тому, куда отправился первый муравей, а стало быть, к неподъемной добыче. Так же поступают и другие муравьи, напавшие на след первого, и вскоре у добычи оказывается достаточное количество «носильщиков».

Обладая набором эфиров, выделяемых муравьями, можно управлять полчищами насекомых, заставляя, например, бесчисленную муравьиную семью в какой-то момент сняться с обжитого места, покинуть муравейник и отправиться по прочерченному вами на земле маршруту.