Известно, что все живые организмы состоят из клеток. В современном виде основное положение клеточной теории можно сформулировать так: Клетка – основная структурно-функциональная и генетическая единица всех живых организмов и наименьшая единица живого [14]. Рост и воспроизведение, наследственность и изменчивость – вот эти главные признаки жизни реализуются только на клеточном уровне.
Клетка является открытой системой, при этом ее основной молекулярный состав остается более или менее постоянным. В клетке содержатся минеральные и органические вещества. Основную массу клетки составляет вода – 70-80 %, а минеральных солей всего – 1-1,5 %. Органические вещества представлены белками – 10– 0 %; липидами – 1– %; углеводами – 0,2–2 % и нуклеиновыми кслотами – 1–2 % [20].
В данной работе из числа всех перечисленных веществ нас интересует роль воды и липидов в организации живой материи.
Согласно теории биохимической эволюции Опарина – Холдейна, которая поддерживается большинством исследователей [1,2], жизнь зародилась в воде первичного океана, которая содержала большое количество белковоподобных веществ – пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений. Они образовали высокомолекулярные комплексы – коацерваты или коацерватные капли, которые обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. Появление мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и, обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции, по пути, развития все более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до возникновения первых клеток [13].
Таким образом, первые живые существа были водными организмами. В процессе длительной эволюции живые организмы вышли на сушу, но, как остроумно заметил Вальтер Г. [5], они «взяли с собой воду», то есть, практически остались водными организмами. Так, высшие растения содержат от 70 до 80 %, сочные плоды до 95 % воды от сырого веса. Общее содержание воды в теле животных колеблется от 50 % до 80 % живой массы.
Роль воды в жизнедеятельности живого организма огромна. Она участвует прямо или косвенно во всех жизненных процессах. Основная масса воды в организме выполняет роль среды, в которой проходят эти процессы. Биохимические реакции, как правило, проходят в растворах воды. И в этом отношении вода является единственной жидкостью, которая обеспечивает оптимальные условия для организации этих жизненно важных биохимических процессов. Она осуществляет связь органов, координирует их деятельность в целостном растении. Вода входит в состав мембран и клеточных стенок, составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру, устойчивость входящих в состав цитоплазмы коллоидов, обусловливает определенную конформацию молекул белка.
Высокое содержание воды придает содержимому клетки (цитоплазме) подвижный характер. Являясь растворителем, вода обеспечивает транспорт веществ по растению и циркуляцию растворов. Вода – непосредственный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, многочисленные окислительно-восстановительные реакции (фотосинтез, дыхание) идут с участием воды. Вода защищает растительные ткани от резких колебаний температуры. Обеспечивает упругое тургесцентное состояние растений, с чем связано поддержание формы травянистых растений, ориентация органов в пространстве [15].
Одна важная роль воды – участие в формировании клеточных мембран, которое основано на амфифильности фосфолипидов, т.е. на способности фосфолипидов автоматически формировать полярную поверхность мембраны и гидрофобную внутреннюю фазу [6]. Кроме того, вода еще выполняет регуляторную функцию [17].
Из вышеизложенного видно, что если бы не было воды, не было бы и жизни на Земле.
Другими важнейшими компонентами клетки явлются липиды. В организме липиды выполняют энергетическую, защитную, регуляторную и биоэффекторную функции [8]. Однако, главной в жизнедеятельности организмов является структурообразующая функция липидов. Дело в том, что липиды образуют основу клеточных мембран. В 1 мкм² биологической мембраны содержится около миллиона молекул липидов. В образовании этих структур участвуют фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.
Основную структурную роль в биологических мембранах играют фосфолипиды, где они образуют бислой. В мембранах животных клеток они составляют более 50 % всех липидов.
Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, невозможно представить без биомембраны, регуляцирющей обмен веществ между клеткой и средой, а также между различными отсеками (компартментами) внутри самой клетки. Мембрана обеспечивает взаимодействие клетки с внешней средой, избирательно пропуская многие вещества, кроме того, является средой протекания множества биохимических процессов.
Согласно жидкостно-мозаичной модели биологической мембраны [23], мембранные липиды создают жидкую среду для мембранных белков, в которой они могут функционировать. По степени влияния на структуру бислоя и по силе взаимодействия с ним мембранные белки делят на интегральные, полуинтегральные и периферические. Белки в мембране выполняют структурные, каталитические, рецепторные и транспортные функции. В составе мембран могут быть углеводы, которые не представлены самостоятельными соединениями, а обнаруживаются только в соединении с белками (гликопротеины) или липидами (гликолипиды). Углеводы в биомембранах выполняют функции контроля за межклеточными взаимодействиями, поддержания иммунного статуса, рецепции, обеспечения стабильности белковых молекул в мембране.
Любая клетка (прокариотическая, эукариотическая) окружена мембраной – плазмолеммой. Большинство органоидов клетки имеют мембранное строение. Мембранные органоиды делятся на двумембранные и одномембранные. Двумембранным, которые имеют наружную и внутреннюю мембрану, относятся: ядро, митохондрии и пластиды (хлоропласты, лейкопласты и хромопласты). Одномембранные – гладкий и гранулярный эндоплазматческий ретикулумы, Аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоль микросомы (пероксисома, глиоксисома и сферосома). Кроме того, все продукты синтеза внутри клетки транспортируются в мембранной оболочке [10].
Биомембрана, участвуя в образовании внешней оболочки и оболочек основных органоидов клетки и их внутренних мембранных структур, в частности, ламеллы – в хлоропластах, кристы – в митохондриях, перегородки в плазмолитической сети, выполняет важнейшие функции, обеспечивающие ее жизнедеятельность и, тем самым, организма в целом.
Мембраны выполняют барьерную функцию, механически отделяя клетки и их органоды от внешнего пространства.
Одна из главных функций мембран – участие в переносе веществ. Этот процесс обеспечивается при помощи трёх основных механизмов: простой диффузией, облегчённой диффузией (пассивные виды транспорта, они идут без затраты энергии) и активным транспортом, который идет с затратой энергии – при помощи спецальных белков переносчиков. А также и везикулярным путем.
Следующая функция – обеспечение процессов трансформации и запасания энергии (фотосинтез и тканевое дыхание – локализованы в мембранах хлоропластов и митохондрий, а у бактерий – в плазмолемме).
Немаловажная функция мембран – способность генерировать биоэлектрические потенциалы за счет неравномерного распределения ионов по обе стороны мембраны.
Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них.
Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма, как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития [3,11].
Исследователи, особенно в последнее время, стали осознавать крайне важную роль липидов в жизнедеятельности организмов и начали широко внедрять новые технологии анализа липидов, активно использовать методы генной и белковой инженерии, что позволяет прогнозировать прорыв в липидологии в XXI веке. Об этом говорили руководители и участники I-й и II-й виртуальной международной научно-практической конференции по липидологии «Липидология – наука XXI века»(2013, 2014 гг.) [4]. Конференции были организованы Cистемой виртуальных миров Pax Grid совместно с лабораторией оксилипинов Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН [7], крупнейшего центра физико-химической биологии и биотехнологии в России.
Развивается отдельная область знания – липидомика – научная дисциплина, предметом которой является полная характеристика молекулярных видов липидов и выяснение их биологической роли в отношении экспрессии генов белков, вовлеченных в метаболизм и функции липидов [21].
Подчеркивая особую роль липидов в организации и деятельности живых систем, стали говорить о липидах, как о фундаменте жизни [19].
Несмотря на это, липиды еще не получили достойную оценку, в частности, в многочисленных определениях понятия что такое жизнь [12,16].
Учитывая роль воды и липидов в зарождении и организации живой материи, о которой речь шла выше, а также признавая клетку как единицу жизни, мы попытались дать новое определение понятия живой материи. За его основу нами взята определение понятия жизни, данное М.В. Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот», которое, наряду с классическим определением Ф.Энгельса, часто приводится в учебниках и других публикациях [2,9],
Солгасно нашему определению, живая материя представляет собой открытую, саморегулирующуюся и самовоспроизводящуюся систему, элементарной структурной и функциональной единицой которой является клетка, где в качестве важнейших рабочих и конструкционных веществ выступают белки, нуклеиновые кислоты и липиды, способные сохранять свою целостность и активность в водной среде.
Из рассматриваемого определения следует, что вероятность занесения жизни из-за пределов нашей планеты чрезвычайно низка, и жизнь действительно зародилась на Земле. Поступающие на Землю органические вещества, в том числе, даже РНК и ДНК, могли только ускорить процесс зарождение жизни, так как вне клетки жизнь не существует. Убедительным тому примером могут служить вирусы, которые проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку. Из определения также вытекает, что живая материя является продуктом эволюции, которая шла по схеме: коацерваты – клетка – одноклеточные – колониальные – многоклеточные – прокариоты – эукариоты и многообразие видов последних, которые ныне существуют на Земле.
Новое определение дает более полную характеристику живой материи, чем многие предыдущие, и будет полезным для студентов при изучении курсов общебиологических дисциплин, в частности, курса цитологии. Например, всю структуру преподавания курса цитологии можно построить на основе нового определения понятия живой материи – клеточная теория строения живых организмов, зарождение живой материи в »бульоне» первичного океана и ее дальнейшая эволюция, значение компонентов молекулярного состава клетки, роль липидов и воды в строении и функционировании биомембраны, мембранные органиоиды клетки, роль липидов и воды в сохранении структуры и функционировании нуклеиновых кислот и белков и т. д..
Гипобиология, которая изучает гипобиоз у организмов [18], рассматривает это явление, как результат физического и физиологического обезвоживания. Физиологическое обезвоживание наступает при охлаждении организма ниже +40С, когда структура воды превращается из жидкой в жидко-кристаллическую или в состояние «жидкого льда». Жидко-кристаллическая вода, благодаря своим параметрам, не может проникать через мембраны, становится физиологически инертной и перестает выполнять свойственные ей важнейшие функции в организме. В физиолого-биохимических процессах также не участвуют иммобилизованная и, так называемая, связанная вода.
Физиологическое обезвоживание равнозначно физическому, только весь парадокс заключается в том, что в это же время в организме может содержаться значительное количество воды, которая для него становится чужеродным веществом, простым балластом. Из этого можно сделать еще одно очень интересное заключение. Получается что, в свете нового определения понятия живой материи, у организма, находящегося в состоянии гипобиоза, тем более и анабиоза, не выполняется критерий живого из-за отсутствия воды, и организм временно переходит из категории живого существа в категорию неживого.
Очевидно, чтобы быть здоровым, человек должен потреблять в пищу достаточное количество насыщенных и ненасыщенных жиров, в идеале, близких по составу к тем липидам, которые входят в состав биомембран, с целью удовлетворения потребности организма для поддержания нормальной структуры и функционирования всех мембран своих клеток. Как считает Dr. Dwight Lundell [22], кардиохирург с 25-летним стажем, ожирение, а также травмы и воспаление кровеносных сосудов, приводящих к сердечным заболеваниям, вызваны диетой с низким содержанием насыщенных жиров и высоким содержанием полиненасыщенных жиров, особенно омега-6 и углеводов. Такая диета рекомендуетсяй в течение многих лет традиционной медициной.
Автор понимает, что живая материя очень многогранна в своих проявлениях, и дать точное и всеобъемлющее определение понятия живой материи вряд ли представляется возможным. Однако, каждая попытка, предпринимаемая в этом направлении специалистами из разных областей знания, все же приближает нас к истине.