Энергия, секс, самоубийство - Ленцман Наталья Валерьевна - Страница 21

Слыша о повышении уровня кислорода, тут же думаешь о свежем воздухе, но на самом деле результаты такого повышения могут быть абсолютно неочевидны. Как я писал в своей предыдущей книге «Кислород: молекула, которая изменила мир»[27], произошло на самом деле вот что. Зловонные сернистые испарения вулканов содержат серу в форме элементарной серы и сероводорода (сульфида водорода). При взаимодействии с кислородом сера окисляется с образованием сульфатов. Эта же проблема встает перед нами сегодня в виде кислотного дождя — соединения серы, попадающие в атмосферу с заводскими выбросами, окисляются кислородом с образованием серной кислоты, H2SO4. «SO4» — это сульфатная группа, и именно она нужна сульфатвосстанавливающим бактериям для окисления водорода, что с точки зрения химии то же самое, что восстановление сульфата, отсюда название бактерий. Теперь мы вплотную подошли к загвоздке. С увеличением уровня содержания кислорода сера окисляется с образованием сульфата, и тот накапливается в Мировом океане: чем больше кислорода, тем больше сульфата. Это сырье для сульфатвосстанавливающих бактерий, и они конвертируют его в сероводород. Хотя сероводород — это газ, он тяжелее воды и потому опускается на дно океана. Дальнейшее зависит от динамического баланса концентраций сульфата, кислорода и т. д. Однако если сероводород образуется в океанских глубинах быстрее, чем кислород (а фотосинтез там проходит менее активно, так как солнечные лучи не проникают на большую глубину), то в результате мы получаем стратифицированный океан. Лучший современный пример — Черное море. В таком океане глубинные воды застаиваются и пахнут сероводородом (так называемые эвксинные воды), а прогреваемые солнцем поверхностные воды наполняются кислородом. Геологические данные говорят о том, что именно это произошло с Мировым океаном два миллиарда лет назад, и застойные условия сохранялись потом по меньшей мере миллиард лет, а то и больше.

Вернемся к нашим баранам. Когда содержание кислорода возросло, возросла и численность сульфатвосстанавливающих бактерий. Если, как сегодня, метаногены не могли конкурировать с этими прожорливыми бактериями, то они столкнулись с острой нехваткой водорода. Это веская причина вступить в тесный симбиотический союз с выделяющими водород бактериями, такими как Rhodobacter. Пока что все понятно. Но что заставило примитивных эукариот подняться в насыщенные кислородом поверхностные воды, не успев утратить гены кислородного дыхания? Опять-таки это могли быть сульфатвосстанавливающие бактерии. На этот раз конкуренция могла идти за питательные вещества, такие как нитраты, фосфаты и некоторые металлы, — в хорошо освещенных поверхностных слоях океана их гораздо больше. Если примитивные эукариоты больше не были привязаны к своему болоту, то подъем из глубин был им выгоден. В этом случае конкуренция могла вытолкнуть первые эукариотические клетки в насыщенные кислородом поверхностные слои воды задолго до того, как они утратили гены кислородного дыхания. А в поверхностных слоях эти гены им отлично пригодились. Какая ирония судьбы! Похоже, что величественный эволюционный подъем эукариот был завязан на неравную борьбу между двумя враждующими племенами бактерий; и на слабейшее из них, вынужденное спасаться бегством, впоследствии снизошла слава природы. Как сказано в Библии: блаженны кроткие, ибо они наследуют Землю.

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.

27

«Oxygen: The Molecule that Made the World».