Текст книги "Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции"
Автор книги: Ник Лейн
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 27 страниц)
Все живое в наши дни обладает общим набором ключевых процессов обмена веществ, в основе которых лежит небольшой цикл реакций, называемый циклом Кребса (в честь немецкого ученого и нобелевского лауреата Ханса Кребса, открывшего этот цикл в 30-х годах в Шеффилде, где он работал после бегства от нацистов). Цикл Кребса – святая святых биохимии, хотя не одному поколению студентов он казался лишь пыльной реликвией, которую нужно вызубрить к экзаменам, а затем забыть как страшный сон.
Но цикл Кребса по праву получил свой культовый статус. В кабинетах университетских отделений биохимии – тех кабинетах, где на столах громоздятся стопки книг и статей, иногда соскальзывающих на пол и попадающих в корзину, из которой лет по десять не выбрасывают мусор, – на стене нередко можно найти приколотую булавками выцветшую, скрученную, потрепанную схему метаболических реакций. Студент, ожидающий возвращения преподавателя, смотрит на нее со смешанным чувством интереса и ужаса. Эти реакции поражают своей сложностью, напоминая нарисованную сумасшедшим схему метро, испещренную идущими во всех направлениях стрелочками, петляющими друг вокруг друга. Хотя эта схема и выцвела, на ней все-таки видно, что стрелки окрашены в разные цвета, обозначающие различные метаболические пути: красный – белковый, зеленый – липидный, и так далее. В нижней части схемы, отчего-то производя впечатление центра всей этой мешанины из стрелок, располагается кружок – может быть, единственный круг, да и вообще единственный упорядоченный элемент во всей схеме. Это и есть цикл Кребса. Разглядывая его, постепенно замечаешь, что почти все остальные стрелки на схеме так или иначе идут от цикла Кребса, как спицы смятого велосипедного колеса отходят от его оси. Он составляет центр всего, метаболическую основу клетки.
Теперь цикл Кребса не кажется такой уж пыльной реликвией. Недавние медицинские исследования показали, что он лежит в основе и физиологии, и биохимии клетки. Изменения скорости, с которой идет этот цикл, влияют на все, от энергетического уровня клетки до старения и рака. Но еще удивительнее, что цикл Кребса, как выяснилось, может идти и в обратную сторону. В норме этот цикл перерабатывает органические молекулы (поступающие в организм с пищей), образуя водород (которому предстоит сгореть в процессе дыхания, соединяясь с кислородом) и углекислый газ. Таким образом, цикл Кребса поставляет не только вещества-предшественники, с которых начинаются метаболические пути, но и небольшие порции водорода, позволяющие генерировать энергию в виде молекул АТФ. Идущий в обратном направлении цикл Кребса выполняет противоположную функцию: он поглощает углекислый газ с водородом и производит новые молекулы органических веществ, на основе которых синтезируются все основные «строительные блоки» жизни. При этом он уже не выделяет энергию, а поглощает ее, расходуя молекулы АТФ. Дайте этому циклу углекислый газ, АТФ и водород, и он как по волшебству начнет вырабатывать «строительные блоки» жизни.
Этот обратный ход цикла Кребса нечасто встречается даже у бактерий, но довольно широко распространен у тех из них, что живут в гидротермальных источниках. Ясно, что это важный, хотя и примитивный способ синтезировать из углекислого газа необходимые клетке «строительные блоки». Гарольд Моровиц, новатор-биохимик, работавший некогда в Йельском университете, а теперь работающий в Институте перспективных исследований Красноу в Ферфаксе (штат Виргиния), посвятил не один год изучению свойств обратного цикла Кребса. В общих чертах его вывод состоит в том, что если все ингредиенты имеются в достаточном количестве, то цикл будет идти сам по себе. Механизм очень простой. Если концентрация одного промежуточного соединения возрастает, оно активнее будет превращаться в следующее промежуточное соединение цикла. Из всевозможных молекул органических веществ молекулы цикла Кребса – самые стабильные, а значит и возникающие с наибольшей вероятностью. Иными словами, цикл Кребса не был «изобретен» генами, а относится к сфере вероятностной химии и термодинамики. В результате эволюции гены научились управлять этим циклом подобно дирижеру, который отвечает за интерпретацию партитуры (музыкальный темп и различные тонкости), но не за саму музыку. Эта музыка, музыка сфер, уже давно существовала.
Когда цикл Кребса заработал и получил источник энергии, почти неизбежно должны были возникнуть и побочные реакции, породившие более сложные вещества-предшественники, такие как аминокислоты и нуклеотиды. Какая часть ключевых процессов обмена веществ возникла самопроизвольно, а какая появилась впоследствии в результате работы генов и белков – интересный вопрос, но он выходит за рамки нашего рассмотрения. Тем не менее мне хотелось бы высказать одно общее замечание. Подавляющее большинство попыток синтезировать «строительные блоки» жизни были слишком «пуристскими». Те, кто этим занимался, начинали с простых молекул, например цианидов, не имеющих никакого отношения к жизни, как мы ее знаем (цианиды для нее вообще губительны), и пытались синтезировать из них эти базовые вещества, изменяя различные факторы, например давление, температуру и электрические разряды, причем оперировали ими в совершенно небиологических диапазонах. Но что будет, если начать с молекул цикла Кребса и небольшого количества АТФ, лучше всего – в электрохимическом реакторе вроде описанного Майком Расселом? Какая часть потрепанной схемы метаболизма возникнет самопроизвольно из этих ингредиентов, чудесным образом воспроизводясь снизу вверх, с молекул самых термодинамически вероятных веществ? Не мне одному представляется, что немалая – может, вплоть до маленьких белков (строго говоря – полипептидов) и РНК, начиная с которых эстафету мог принять естественный отбор.
Все это можно выяснить экспериментально, и большинство таких экспериментов еще предстоит провести. Чтобы из них действительно могло что-то выйти, понадобится надежный постоянный приток волшебного ингредиента – АТФ. Здесь может показаться, что мы хотим прыгнуть выше головы. Откуда нам взять этот приток АТФ? Ответ на этот вопрос, который представляется мне весьма убедительным, дал американский биохимик Билл Мартин, блестящий ученый, хотя и не самый дипломатичный полемист, уехавший из США и ставший профессором ботаники в Дюссельдорфском университете. Он непрерывно предлагает революционные идеи, касающиеся происхождения едва ли не всего, что имеет значение для биологии. Иные из этих идей, может, и ошибочны, но все они поражают воображение и почти все позволяют взглянуть на биологию под новым углом. Несколько лет назад Билл Мартин встретился с Майком Расселом и они вдвоем взялись за проблему перехода от геохимии к биохимии. Их совместные усилия породили целый поток неожиданных откровений. Давайте попробуем в него погрузиться.
Мартин и Рассел начали с основ – с притока углерода в органический мир. Они отметили, что сегодня существует лишь пять метаболических путей, позволяющих растениям и бактериям включать водород и углекислый газ в состав живой природы, синтезируя органические вещества. Один из таких путей, как мы уже убедились, – обратный цикл Кребса. Четыре из этих пяти путей (в том числе обратный цикл Кребса) требуют расхода АТФ, а значит, могут работать только при притоке энергии извне. Но пятый путь – прямая реакция водорода с углекислым газом не только производит органические вещества, но и приводит к выделению энергии. Две группы древних организмов делают именно это через ряд в целом сходных этапов. С одной из этих двух групп мы уже встречались – это археи, которые процветают в поле гидротермальных источников Лост-Сити.
Если Мартин и Рассел правы, то четыре миллиарда лет назад, на заре жизни, древние предки этих архей осуществляли тот же самый набор реакций в почти идентичных условиях. Но реакция водорода с углекислым газом не так прямолинейна, как могло бы показаться, поскольку эти два вещества не реагируют самопроизвольно. Они довольно «робкие», и чтобы уговорить их станцевать вдвоем, нужен катализатор, а также небольшой приток энергии. Только тогда они соединятся друг с другом, выделив при этом несколько больше энергии. Требуемый катализатор довольно прост. Ферменты, катализирующие эту реакцию в наши дни, работают за счет небольших центров, где сгруппированы железо, никель и сера, образуя структуру, очень похожую на один из минералов, встречающихся в гидротермальных источниках. Это заставляет предположить, что древнейшие клетки просто включили в свой состав уже готовый катализатор, и указывает на внушительный возраст этого метаболического пути, поскольку он не предполагает эволюции сложных белков. По выражению Мартина и Рассела, этот путь ведет к минералам.
Энергию, необходимую для инициирования данного процесса, по крайней мере в мире щелочных источников, поставляют сами источники. Их участие в этом деле выдает неожиданный продукт реакции – химически активное производное уксусной кислоты ацетилтиоэфир[6]6
Уксус по-латыни – acetum, отсюда корень «ацетил». В ацетилтиоэфире двухуглеродная основа молекулы уксусной кислоты присоединена к другой органической молекуле через атом серы. Кристиан де Дюв уже два десятилетия указывает на ключевую роль, которую ацетилтиоэфиры должны были играть на ранних этапах эволюции, и в последнее время экспериментаторы наконец начали принимать его доводы всерьез.
[Закрыть]. Ацетилтиоэфиры образуются в связи с тем, что углекислый газ довольно устойчив и противостоит попыткам водорода взаимодействовать с ним, но уязвим для более активных углеродных или серных свободных радикалов, имеющихся в щелочных источниках. По сути, энергия, требуемая для того, чтобы «уговорить» углекислый газ реагировать с водородом, поступает из самих источников в форме химически активных свободных радикалов, которые приводят к образованию ацетилтиоэфиров.
Ацетилтиоэфиры примечательны тем, что они лежат в основе древней метаболической развилки, которую можно наблюдать и у современных организмов. Реакция углекислого газа с ацетилтиоэфиром – начало пути, ведущего к формированию молекул более сложных органических веществ. Эта реакция идет самопроизвольно и приводит к выделению энергии, а ее продуктом оказывается трехуглеродная молекула вещества пируват. Это название заставит встрепенуться любого биохимика, потому что именно с пирувата начинается цикл Кребса. Иными словами, несколько простых термодинамически вероятных реакций и несколько реакций, катализируемых ферментами, работающими за счет сходных с минералами активных центров (что заставляет предположить «минеральные корни» этих ферментов), приводят нас непосредственно к метаболическому сердцу жизни – циклу Кребса. А после того, как мы войдем в цикл Кребса, нам понадобится лишь постоянный приток энергии в виде АТФ, чтобы цикл начался, производя «строительные блоки» всего живого.
Энергию поставляет другая ветвь упомянутой развилки, где с другим ацетилтиоэфиром реагирует фосфат. Причем продуктом этой реакции оказывается не АТФ, а менее сложное вещество – ацетилфосфат. И все же он играет почти ту же роль и по-прежнему используется, наряду с АТФ, некоторыми современными бактериями. Ацетилфосфат делает в точности то же, что АТФ – передает свою активную фосфатную группу другим веществам, «навешивая» на их молекулы энергетический «ярлык», активирующий эти вещества. Это отчасти напоминает игру в салочки. Можно считать, что водящий обладает «активностью», которую он должен передать другому игроку. Передача фосфата от одной молекулы к другой происходит точно так же: «ярлык» активирует молекулы, которые без него не вступали бы в ту или иную реакцию. Именно так АТФ поворачивает цикл Кребса в обратную сторону. Ацетилфосфат может делать в точности то же самое. Передав другому веществу активный фосфат, ацетилфосфат превращается в обычную уксусную кислоту – распространенный продукт жизнедеятельности современных бактерий. В следующий раз, когда вы откроете бутылку вина и окажется, что оно прокисло и превратилось в уксус, подумайте о живущих в этой бутылке бактериях, в качестве отходов жизнедеятельности которых образуется этот продукт, древний, как сама жизнь. Эти отходы почтеннее, чем самое благородное вино.
Щелочные гидротермальные источники постоянно производят ацетилтиоэфиры, которые могут служить и отправной точкой для образования более сложных органических веществ, и поставщиками необходимой для их синтеза энергии (по сути, в той же упаковке, что используется в клетках современных организмов). Минеральные клетки, составляющие трубы щелочных источников, служат одновременно и местом концентрации продуктов, благоприятствующих прохождению таких реакций, и катализатором, необходимым для ускорения этого процесса, причем сложные белки на данном этапе вообще не требуются. Наконец, поступление водорода и других газов из источника в лабиринты минеральных клеток означает, что сырье для таких реакций постоянно восполняется и тщательно перемешивается. Все это было бы неиссякаемым источником жизни, если бы не мелкая деталь, имеющая далеко идущие последствия.
Проблему представляет небольшой энергетический толчок, который требуется для начала, чтобы разрядить обстановку в отношениях между водородом и углекислым газом. Я уже упоминал, что такой проблемы нет в самом источнике, поскольку гидротермальные условия приводят к образованию свободных радикалов, запускающих данный процесс. Но перед свободноживущими клетками, не обитающими в гидротермальных источниках, эта проблема стоит. Им, чтобы дело пошло, нужно тратить АТФ, играющий ту же роль, что напитки, которые нужно заказать на первом свидании, чтобы преодолеть первоначальную неловкость. В чем же проблема? В финансах. Реакция водорода с углекислым газом приводит к выделению достаточного количества энергии для синтеза одной молекулы АТФ. Но если для приобретения одной молекулы АТФ вначале нужно потратить одну молекулу АТФ, мы не получим никакой чистой прибыли. А без чистой прибыли не пойдет и обратный цикл Кребса, не будет никакого синтеза сложных органических молекул. Может, жизнь и возникла в гидротермальных источниках, но ее должна была навсегда связать с ними своего рода термодинамическая пуповина, которую никак нельзя перерезать.
Ясно, что жизнь не осталась привязанной к гидротермальным источникам. Если вся изложенная история – не выдумка, то как мы вырвались на свободу? Мартин и Рассел предложили просто изумительный ответ на этот вопрос, объясняющий, почему почти все живое в наши дни пользуется для получения энергии совсем необычным способом дыхания – возможно, самым странным и неожиданным механизмом из всех известных биологической науке.
В одной из книг серии «Автостопом по галактике» безнадежно неприспособленные к жизни предки современных людей попадают на Землю в результате кораблекрушения и вытесняют живущих на ней гоминид. Они организуют подкомитет для изобретения колеса и принимают листья в качестве платежного средства, что делает всех необычайно богатыми. Но при этом они сталкиваются с серьезной проблемой инфляции, из-за которой цена одного семечка арахиса из корабельных припасов оказывается равна листьям трех рощ. Поэтому наши предки принимают программу радикальной дефляции и решают сжечь все леса. Все это выглядит пугающе правдоподобно.
При всей несерьезности этой истории в ней, по-моему, содержится глубокая мысль о природе денег: их ценность нельзя ни к чему привязать. Одно семечко арахиса может стоить золотой слиток, один пенс или три рощи – все зависит от относительного уровня потребности в нем, его редкости и так далее. Десятифунтовая купюра может иметь какую угодно стоимость. Но в химии все не так. Я уже сравнивал молекулу АТФ с десятифунтовой купюрой, и я не случайно выбрал именно этот номинал. Энергия химических связей в молекуле АТФ такова, что на получение одной такой молекулы нужно затратить десять фунтов в энергетическом эквиваленте, а потратив ее, можно получить ровно на десять фунтов энергии. Молекулам АТФ не свойственна та относительность ценности, которой обладают наши деньги. В этом и коренится проблема любой бактерии, которая попытается покинуть гидротермальный источник. АТФ – не столько универсальная валюта вообще, сколько универсальные купюры по десять фунтов, ценность которых неизменна, а разменять их нечем. Если на первом свидании вы захотите заказать недорогой напиток, а у вас с собой только десятифунтовая купюра, то никакой сдачи вы не получите, даже если напиток стоит всего два фунта, потому что одной пятой молекулы АТФ в природе не бывает. Улавливая энергию, выделяемую в ходе реакции водорода с углекислым газом, вы тоже можете запасать ее только в виде десятифунтовых купюр. Предположим, что вы могли бы в принципе получить энергию из этой реакции на восемнадцать фунтов: этого не хватит на две молекулы АТФ, так что вы сможете получить всего одну. В итоге вы потеряете восемь фунтов просто потому, что никакого размена вообще не предусмотрено. Большинству из нас доводилось сталкиваться с той же неприятной проблемой в пунктах обмена валюты, где оперируют только купюрами, а не монетой.
Итак, если мы вынуждены пользоваться нашей универсальной десятифунтовой купюрой, то, несмотря на то, что нам нужно потратить всего два фунта, чтобы пошло дело и мы получили прибыль в восемнадцать фунтов, нам придется потратить десять фунтов на получение тех же десяти фунтов. Бактерии вынуждены подчиняться этому уравнению: ни одна не способна расти на прямой реакции водорода с углекислым газом, используя в качестве носителя энергии исключительно молекулы АТФ. И все же бактерии растут, используя остроумный способ разменивать «десятифунтовые купюры» АТФ. Этот способ (за его открытие эксцентричный британский биохимик Питер Митчелл в 1978 году получил Нобелевскую премию) известен под пугающим названием хемиосмос. Присужденная Митчеллу премия наконец подвела черту под ожесточенными спорами, продолжавшимися не одно десятилетие. Теперь, в начале нового тысячелетия, уже ясно, что открытие Митчелла должно считаться одним из главных научных достижений XX века[7]7
Подробности этой истории, а также другие сведения о странностях и исключительной важности хемиосмоса я попытался изложить в своей предыдущей книге «Энергия, секс, самоубийство: митохондрии и смысл жизни».
[Закрыть]. Но даже тем немногим исследователям, которые давно доказывали важность хемиосмоса, трудно объяснить, почему этот странный механизм повсеместно распространен в живой природе. Ведь он, наряду с генетическим кодом, циклом Кребса и АТФ, универсален и свойствен всему живому. Судя по всему, обладал им и последний всеобщий предок – ЛУКА. Мартин и Рассел объясняют, почему.
В самых общих чертах хемиосмос представляет собой движение протонов через мембрану (отсюда сходство в названии с осмосом – движением жидкости через мембрану). В процессе дыхания происходит следующее. От молекул пищи отнимаются электроны и передаются кислороду по цепочке переносчиков. Выделяемая на нескольких этапах этого процесса энергия используется для перекачивания протонов через мембрану. В результате на мембране создается протонный градиент. Мембрана при этом действует по принципу гидроэлектростанции. Подобно тому, как на гидроэлектростанции вода из водохранилища крутит турбины, вырабатывающие электроэнергию, в клетках поток протонов через мембрану позволяет вырабатывать АТФ. Открытие этого механизма было для всех полной неожиданностью: вместо простой и понятной реакции двух веществ сюда вклинивается какой-то странный протонный градиент.
Химики привыкли работать с целыми числами: одна молекула не может реагировать с половиной другой молекулы. Наверное, самое поразительное свойство хемиосмоса состоит в том, что в нем на полную катушку используются дробные числа. Сколько электронов нужно передать по цепочке, чтобы синтезировать одну молекулу АТФ? Где-то между восемью и девятью. Сколько протонов должно пройти для этого через мембрану? Самая точная из полученных на настоящий момент оценок такова: 4,33. Откуда берутся такие числа, было совершенно непонятно, пока ученые не оценили посредническую роль протонного градиента. Ведь градиент предполагает миллионы переходных состояний, он не сводится к целым числам. А главное преимущество градиента состоит в том, что для синтеза единственной молекулы АТФ одну и ту же реакцию можно повторять неоднократно. Если в ходе некоей реакции выделяется сотая доля энергии, необходимой для получения одной молекулы АТФ, эту реакцию можно просто повторить сто раз, поэтапно наращивая градиент, пока «водохранилище» из протонов не наполнится настолько, чтобы можно было выработать одну молекулу АТФ. Этот механизм сразу дает клетке возможность экономить, словно набивая ее карманы разменной монетой.
Что это означает? Вернемся к реакции водорода с углекислым газом. На запуск этой реакции бактериям приходится тратить одну молекулу АТФ, но теперь они могут получать за ее счет больше, чем одну молекулу АТФ, потому что хемиосмос позволяет им экономить разницу, накапливая ее для приобретения следующей такой молекулы. Доход, может, и скромный, зато честный. Но самое главное – он составляет разницу между возможностью роста и отсутствием такой возможности. Если Мартин и Рассел правы и именно из данной реакции выросли древнейшие формы жизни, то единственный способ, который мог позволить жизни покинуть глубоководные гидротермальные источники, мог быть связан с хемиосмосом. Доподлинно известно, что единственные формы жизни, существующие за счет этой реакции в наши дни, пользуются хемиосмосом и не в состоянии без него расти. Также доподлинно известно, что почти всему живому на Земле свойствен этот удивительный механизм, несмотря на то, что он далеко не всегда необходим. Почему? Похоже, просто потому, что он был унаследован всеми от общего предка, который не мог без него жить.
Но главное основание считать, что Мартин и Рассел правы, связано с тем, что при хемиосмосе используются именно протоны. А почему, скажете вы, не заряженные атомы натрия, калия или кальция, используемые в нашей нервной системе? Нет никаких очевидных причин предпочесть градиент протонов градиенту каких-либо других заряженных частиц, и встречаются, хотя и редко, бактерии, создающие не протонный, а натриевый градиент. Основная причина этого предпочтения определяется, по-моему, свойствами щелочных источников. Вспомним, что эти источники изливают щелочной раствор в воды океана, кислые из-за растворенного в них углекислого газа. Определение кислотности завязано на протоны: кислоты богаты протонами, а щелочи ими бедны. Поэтому излияние щелочного раствора в кислую морскую воду создает естественный протонный градиент. Иными словами, минеральные клетки щелочных гидротермальных источников, которые, согласно гипотезе Рассела, стали колыбелью жизни, от природы обладают хемиосмотическим градиентом. Рассел сам еще много лет назад обратил на это внимание, но осознание того, что бактерии просто не могли покинуть щелочные источники без хемиосмоса, было одним из плодов его сотрудничества с Мартином, исследовавшим энергетику микробов. Так что эти электрохимические реакторы не только производят органические вещества и энергию в виде АТФ, но и сами предоставляют план эвакуации – способ обойти универсальную проблему десятифунтовой купюры.
Разумеется, природный протонный градиент мог стать полезен живым организмам лишь тогда, когда они научились использовать его, а впоследствии и создавать самостоятельно. Хотя использовать уже существующий градиент легче, чем создать с нуля собственный, и то, и другое не так-то просто. Эти механизмы развились путем естественного отбора – в этом нет сомнения. Сегодня для их работы требуется участие множества белков, кодируемых соответствующими генами, и нет никаких оснований предполагать, что столь сложная система вообще могла развиться в ходе эволюции без участия белков и записанных в ДНК генов. Получается интересный круг умозаключений. Живые организмы не могли покинуть гидротермальные источники, не научившись использовать собственный хемиосмотический градиент, но они могли научиться этому лишь с помощью генов и ДНК. Похоже, отсюда с неизбежностью следует вывод, что жизнь должна была дойти до удивительно высокого уровня сложности еще в своей минеральной колыбели.
Теперь вырисовывается интереснейший портрет последнего общего предка всего живого на Земле. Если Мартин и Рассел правы (а я думаю, что они правы), то ЛУКА был не свободноживущей клеткой, а целым лабиринтом из минеральных клеток, стенки которого были выстланы каталитическим составом из железа, серы и никеля, получавшим энергию за счет природного протонного градиента. Первыми формами жизни были пористые минералы, синтезировавшие сложные молекулы и генерировавшие энергию, в конечном счете научившиеся производить белки и даже ДНК. А значит, в этой главе мы рассказали лишь половину истории возникновения жизни, какой мы ее знаем. В следующей мы поговорим о второй половине – об изобретении вещества, не имеющего себе равных по культовому статусу, об основе наших генов – о ДНК.
