Энергия, секс, самоубийство

Лэйн Ник

Правда ли все это? Пока что мы не можем сказать наверняка. Приходит на ум добродушно-лукавая итальянская поговорка: если и неправда, то хорошо придумано. С моей точки зрения, водородная гипотеза объясняет имеющиеся факты лучше других; кроме того, она почти в идеальной пропорции сочетает вероятное и невероятное, объясняя не только то, как произошли эукариоты, но и то, почему это случилось только один раз.

Есть еще одно соображение, которое кажется мне веским доводом в пользу водородной гипотезы или чего-то подобного, и оно связано с еще более значительным преимуществом, которое предоставляют своим хозяевам митохондрии. Оно объясняет, почему все известные эукариоты либо имеют митохондрии, либо когда-то имели их. Как мы говорили выше, эукариоты ведут энергетически расточительный образ жизни. Изменения формы тела и поглощение пищи требуют больших энергетических затрат. Единственные эукариоты, которые могут делать эти без митохондрий, — это живущие в роскоши паразиты, которым, кроме изменения формы тела, и делать почти ничего не надо. В следующих нескольких главах мы увидим, что практически все

особенности эукариотического образа жизни — изменение формы тела при помощи динамического цитоскелета, увеличение размеров, приобретение ядра, обзаведение большим количеством ДНК, пол, многоклеточность — зависят от наличия митохондрий и потому не могли возникнуть у бактерий или, во всяком случае, это было крайне маловероятно.

Эта причина связана с конкретными деталями механизма производства энергии в мембранах митохондрий. Бактерии и митохондрии производят энергию принципиально одинаковым образом, но митохондрии находятся внутри клеток, а бактерии используют собственную клеточную мембрану. «Внутриклеточность» митохондрий не только объясняет эволюционный успех эукариот, но и проливает свет на само происхождение жизни. Во второй части книги мы рассмотрим механизм производства энергии у бактерий и митохондрий как ключ к проблеме возникновения жизни на Земле и к вопросу о том, почему жизнь дала эукариотам, и только им, возможность наследовать Землю.

Часть 2

Жизненная сила

Энергия протонов и происхождение жизни

Производство энергии в митохондриях — один из самых необычных биологических процессов. Его расшифровка стоит в одном ряду с прозрениями Дарвина и Эйнштейна. Митохондрии перекачивают протоны через мембрану, создавая на нескольких нанометрах электрический заряд, сравнимый по мощности с ударом молнии. Специальные грибовидные белки митохондриальных мембран, которые можно было бы назвать биологическими элементарными частицами, обуздывают энергию протонов, запасая ее в форме АТФ. Этот ключевой биологический механизм не менее важен для жизни, чем сама ДНК, а еще он позволяет понять, как возникла жизнь на Земле.

«Биологические элементарные частицы» — образующие энергию белки в мембранах митохондрий

Энергия и жизнь неразделимы. Если вы перестанете дышать, то не сможете производить необходимую для жизни энергию и умрете через несколько минут. Дышите! Попадающий в легкие кислород транспортируется практически во все 15 триллионов клеток вашего тела, где используется для расщепления глюкозы при клеточном дыхании. Ваш организм — фантастическая энергетическая машина. Даже сидя в кресле, вы каждую секунду конвертируете, в пересчете на грамм веса, в 10 тысяч раз больше энергии, чем само Солнце.

Это звучит, мягко говоря, сомнительно, поэтому обратимся к цифрам. Светимость Солнца составляет примерно 4 х 10²⁶ Вт, а его общая масса — 2 х 10³⁰ кг. За прогнозируемое время его существования (около 10 миллиардов лет) один грамм солнечного вещества должен произвести около 60 миллионов килоджоулей энергии. Но поскольку это происходит не взрывообразно, а медленно и постепенно, уровень производства энергии стабилен на протяжении долгого времени. В каждый конкретный момент термоядерные реакции идут лишь в малой части огромной массы Солнца, и только в его плотном ядре. Именно поэтому Солнце может гореть так долго. Разделив светимость Солнца на его массу, мы получим, что каждый грамм его вещества производит примерно 0,0002 мВт энергии, то есть 0,0 000 002 Дж энергии на грамм за секунду (0,2 мДж/г/с). Теперь предположим, что вы весите 70 кг и ежедневно получаете с пищей около 12 600 кДж (около 3000 калорий) — по крайней мере, столько обычно съедаю я. При эффективности всего лишь 30 % конвертация этого количества энергии (в тепло, работу или жировые отложения) в среднем дает 2 мДж на грамм за секунду (2 мДж/г/с) или около 2 мВт на грамм — в 10 тысяч раз больше, чем Солнце. Некоторые «особо активные» бактерии, например Azotobacter, генерируют до 10 Дж на грамм за секунду, превосходя Солнце по производительности в 50 миллионов раз.

На клеточном уровне во всех живых существах — даже в неподвижных на первый взгляд растениях, грибах и бактериях — все время что-то происходит. Клетки, словно хорошо отлаженный механизм, с механической регулярностью направляют энергию на определенные задачи, такие как движение, деление, сборка органелл или транспорт молекул. Подобно механизмам, клетки состоят из подвижных частей, и чтобы привести их в движение, тоже нужна энергия. Жизненные формы, не умеющие сами генерировать энергию, почти неотличимы от неживой материи, во всяком случае, в философском смысле. Вирусы только кажутся нам живыми. На самом деле они обретаются в мире теней на границе между живой и неживой природой. Они несут всю информацию, необходимую для самовоспроизведения, но вынуждены оставаться инертными до тех пор, пока не заразят какую-нибудь клетку. Ее энергия и клеточное оборудование необходимы им для размножения. Это означает, что вирусы не были первыми «живыми» существами на Земле, не могли они и занести на Землю жизнь из космоса. Вирусы целиком и полностью зависят от живых организмов. Они просто устроены, но это не примитивная, а утонченная простота, которую можно было бы назвать лаконичной сложностью.

Биологической энергии, несмотря на ее очевидную важность, уделяется гораздо меньше внимания, чем она того заслуживает. Если послушать молекулярных биологов, главное в жизни — информация. Она закодирована в генах, которые регламентируют сборку белков, клеток и целых

организмов. Двойная спираль ДНК — то, из чего сделаны гены, — стала символом нашей информационной эпохи, и нет человека, который бы не слышал про Уотсона и Крика, разгадавших ее структуру. Известность этих двух ученых сложилась под влиянием их личных особенностей, практического значения их открытия и его символической подоплеки. Крик и Уотсон, блестящие исследователи и яркие личности, преподнесли миру структуру ДНК с апломбом фокусника, извлекающего кролика из шляпы. «Двойная спираль», знаменитая книга Уотсона об их открытии, завладела умами целого поколения и коренным образом повлияла на восприятие науки широкой публикой, а ее автор был и остается последовательным и пламенным пропагандистом генетических исследований. В практическом плане секвенирование генов позволило сравнить человека с другими организмами, заглянуть в наше собственное прошлое, а также в историю жизни на Земле. Проект «Геном человека» обещает разгадать глубинные загадки человеческой природы, генная терапия — луч надежды для больных тяжелейшими генетическими заболеваниями. Но прежде всего ген — это мощный символ. Мы можем до хрипоты спорить об относительной важности наследственности и окружающей среды, оспаривать довлеющее влияние генов, беспокоиться о генно-модифицированных продуктах, осуждать клонирование и использование генной инженерии для определения качеств будущего ребенка. Однако каково бы ни было наше мнение по каждому из этих пунктов, они волнуют нас потому, что внутренний голос говорит нам: «Гены — это очень важно».

Центральное положение в современной биологии занимает молекулярная биология, и, может быть, поэтому, когда речь заходит об энергетических аспектах жизни, мы склонны отделываться общими словами, признавая их важность лишь постольку-поскольку, примерно так, как мы признаем, что индустриальная революция была необходимым шагом к современному информационному обществу. И ребенку понятно, что компьютеру нужно электричество, кто же захочет обсуждать столь банальную тему всерьез. Компьютеры важны потому, что позволяют обрабатывать данные, а не потому, что они электронные. Проблема электропитания остро встает только тогда, когда сел аккумулятор, а розетки поблизости нет. Так и в биологии: никто не сомневается, что для функционирования клетки нужна энергия, но это второстепенный вопрос по сравнению с информационными системами, которые эту энергию контролируют и используют. Без энергии нет жизни, но энергия без контролирующей ее информации кажется нам разрушительной, подобно вулкану, землетрясению или взрыву. Но так ли это? Животворные солнечные лучи — свидетельство того, что неконтролируемый поток энергии вовсе не обязательно разрушителен.

Перспективы развития генетики волнуют всех, но мне интересно, многие ли задумываются об опасностях, которыми чревата биоэнергетика. Терминология этой науки такова, что в Советском Союзе ее объявили бы мракобесием; недоступная непосвященным, она пестрит загадочными знаками, словно мантия колдуна. Даже усердные студенты-биохимики избегают таких терминов, как «хемиосмос» и «протон-движущая сила». Не исключено, что биоэнергетические теории окажутся ничуть не менее важными, чем генетические, но они гораздо менее известны широкой публике. Имя Питера Митчелла, героя биоэнергетики, получившего Нобелевскую премию по химии в 1978 г., известно немногим, хотя по справедливости он должен был бы быть не менее знаменит, чем Уотсон и Крик. В отличие от них, Митчелл был гением эксцентричным, склонным к уединению. Отремонтировав по собственным проектам старое поместье в Корнуолле, он оборудовал в нем личную лабораторию. Некоторое время расходы на исследования отчасти покрывал доход от стада молочных коров, и Митчелл даже получил премию за качество сливок. Он не написал ничего, что могло бы соперничать с «Двойной спиралью» Уотсона. Кроме обычных статей в академических журналах (написанных, надо признать, даже более сухим и непонятным языком, чем средняя научная статья), он изложил свои теории в двух «серых книжечках», опубликовал их за свой счет и разослал нескольким интересующимся темой специалистам. Его идеи нельзя выразить в форме одной запоминающейся картинки вроде двойной спирали, которая сразу напоминала бы людям о роли науки. Тем не менее именно Митчелл внес наибольший вклад в формулировку и доказательство одной из величайших гипотез в области биологии. Странная на первый взгляд, она вскоре произвела настоящую революцию и смела многие устоявшиеся представления. Как писал видный молекулярный биолог Лесли Оргел, «впервые после Дарвина в биологии появилась столь же неожиданная и противоречащая здравому смыслу идея, как, например, теории Эйнштейна, Гейзенберга или Шрёдингера… его современники с полным правом могли бы спросить: „Вы это серьезно, доктор Митчелл?“»

Вторая часть моей книги посвящена открытому Митчеллом способу производства энергии живыми организмами и важности его идей для понимания происхождения жизни. В следующих главах идеи Митчелла позволят нам понять, чем мы обязаны митохондриям и почему они играют такую важную роль в эволюции высших форм жизни. Мы увидим, что особенности механизма генерации энергии принципиально важны, так как именно они ограничивают число возможных направлений эволюции, причем ограничения эти существенно различаются у бактерий и эукариот. Именно они не позволили бактериям выйти за пределы бактериального мира и стать сложными многоклеточными организмами. Напротив, эукариотам их механизм генерации энергии предоставил неограниченные возможности роста и усложнения организации. Благодаря ему они постепенно поднимались по лестнице эволюции, создавая наш удивительный и затейливый мир. Однако механизм производства энергии накладывает ограничения и на эукариот, только иначе, чем на бактерии. Мы увидим, например, что эти ограничения объясняют наличие пола и даже возникновение двух полов. Более того, мы поймем, что в контракте, который мы заключили с митохондриями два миллиарда лет назад, значились мелким шрифтом еще два обязательных условия — старение и смерть.