Почему мы умираем: Передовая наука о старении и поиск бессмертия - Венки Рамакришнан

крупная клетка захватывает и переваривает меньшую, либо – если «откусила» больше, чем может «прожевать», – сама погибает от несварения. Мережковский же предположил, что однажды в такой ситуации выжили обе клетки – и поглотившая, и поглощенная, – и с тех пор продолжают сосуществовать и воспроизводиться как единое целое.

Эта гипотеза просуществовала не одно десятилетие, прежде чем получила признание: в 1960-е гг. ее принялась разрабатывать биолог Линн Маргулис. Линн слыла бунтаркой. До брака с химиком Томасом Маргулисом она побывала замужем за астрономом Карлом Саганом, а когда развелась во второй раз, как говорят, заявила: «Я два раза увольнялась с должности жены. Не в человеческих силах быть хорошей женой, хорошей матерью и серьезным ученым. Никто этого не может – от чего-то приходится отказываться»[291]. Одна из самых спорных идей Маргулис – теория Геи, которую они выдвинули вместе с ученым Джеймсом Лавлоком. Она гласит, что биосфера – Земля со всеми ее геологическими элементами, атмосферой и всеми формами жизни, ее населяющими, – это единый саморегулирующийся живой организм. Были у Маргулис и более эксцентричные, если не сказать сомнительные, воззрения. В одном из своих эссе[292] она высказывает мысль, что удар по башням-близнецам 11 сентября был частью заговора, организованного правительством США, и сомневается в том, что причиной СПИДа служит вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)[293]. Возможно, Маргулис чувствовала себя белой вороной, и это могло склонить ее к теориям заговора, но в то же время помогло внести огромный вклад в научное понимание жизни.

Маргулис считала, что симбиоз – это широко распространенное явление, а эукариоты (более сложные клетки с ядром) появились как результат симбиотических отношений между бактериями. В то время преобладала догма, что простейшие бактерии постепенно эволюционировали в более сложные одноклеточные эукариотические формы. Гипотезу Маргулис можно было рассматривать как развитие идей[294] Мережковского, высказанных почти за 60 лет до этого, и все же ее представления казались настолько спорными, что пятнадцать научных журналов отклонили ее статью, прежде чем та была опубликована в Journal of Theoretical Biology (1967) за подписью Линн Саган. Маргулис предположила, что потомство бактерий, когда-то проглоченных более крупными клетками, продолжает ныне существовать в качестве их органелл. В клетках животных эти органеллы известны нам как митохондрии. В растительных клетках кроме митохондрий есть и другие потомки бактерий: хлоропласты, в которых происходит фотосинтез – процесс, в ходе которого энергия солнечного света улавливается хлорофиллом и используется для синтеза сахаров из углекислого газа и воды. И ни мы, ни растения не можем существовать без этих «пассажиров».

В настоящее время ученые считают, что ключевое событие, приведшее к появлению эукариотов, произошло приблизительно 2 млрд лет назад, когда один одноклеточный организм – архея, или архебактерия, – поглотил другую бактерию, поменьше. Вопреки всему поглощенная бактерия выжила, вступила в симбиотические отношения с хозяином-архебактерией, а затем постепенно эволюционировала в митохондрию. За 170 лет, минувших со дня открытия митохондрий, ученые узнали, что они представляют собой узкоспециализированные органеллы клетки, вырабатывающие энергию. Именно эта способность эффективно генерировать энергию позволила нашим примитивным одноклеточным предкам так успешно эволюционировать и дать нынешнее огромное разнообразие клеток, ускорив появление более сложных, многоклеточных форм жизни. Но мы ведь знаем, что энергия сохраняется и не может возникать из ничего. Так что же имеется в виду, когда говорят, что митохондрия производит энергию?

Сравните современный мир с доиндустриальным, более примитивным. В том мире было много разных источников энергии. Можно было использовать энергию солнца, чтобы согреться, или сжигать на огне дрова и иное топливо для получения тепла; можно было использовать энергию текущей воды или ветра, чтобы вращать мельничные жернова; пересекать океаны с помощью энергии ветра. Однако эти источники энергии не заменяют друг друга и имеют весьма ограниченное применение. Например, вы не можете использовать ветер для приготовления пищи.

А теперь посмотрим на современный мир: практически любой вид энергии, от солнечной и ветровой до энергии ископаемого топлива и расщепленного атома, может быть преобразован в электричество. А электричество, в свою очередь, можно использовать практически для любых целей. Оно дает тепло и свет, позволяет перемещаться в машинах и поездах, развлекает с помощью телевизоров, компьютеров и других устройств и обеспечивает мгновенную связь с любой точкой мира. Электричество стало универсальной энергетической валютой – во многом так же, как столетия назад с появлением денег простой товарообмен был замещен товарно-денежным обращением.

Ровно то же самое делают в клетке митохондрии. Они берут менее универсальную форму энергии – например, заключенную в углеводах, которые мы потребляем, – и преобразуют в универсальную энергетическую валюту клеток, которой является молекула аденозинтрифосфата, или АТФ. Мы уже говорили об АТФ – это нуклеозид, в состав которого входят азотистое основание аденин, остаток моносахарида рибозы и цепь из трех остатков фосфорной кислоты. Связи между фосфатными группами относятся, говоря языком химии, к типу макроэргических. Для их формирования требуется много энергии, и эта же энергия высвобождается при их разрушении. Когда клетке нужна энергия для какого-либо процесса, она получает ее, разрывая связь между второй и третьей фосфатными группами, и использует высвобождающуюся в результате энергию. АТФ – это что-то вроде миниатюрной и весьма подвижной клеточной батарейки.

В процессе усваивания пищи, в особенности богатой углеводами, мы эффективно сжигаем сахара, которые получили в результате расщепления этих углеводов. Строго говоря, с точки зрения химии это то же самое, как если бы мы сжигали сахар (глюкозу) на огне, только наши клетки полностью контролируют весь процесс. Итог в обоих случаях один: глюкоза соединяется с кислородом, образуя углекислый газ и воду, и в результате этого процесса выделяется энергия. Именно это происходит, когда мы дышим. Энергия, высвобожденная в процессе дыхания, используется митохондриями для синтеза АТФ.

С химической точки зрения этот процесс идентичен производству электричества на гидроэлектростанции. В отличие от наших клеток, покрытых одной мембраной, у митохондрии их две[295]: каждая представляет собой тонкую двуслойную оболочку из молекул липидов (жиров), которая разделяет водные отсеки. На внутренней мембране митохондрии располагается большой комплекс белковых молекул, который использует энергию дыхания для перемещения ионов водорода, фактически протонов (H+), сквозь внутреннюю мембрану в межмембранное пространство, за счет чего создается градиент, когда по одну сторону мембраны концентрация протонов выше, чем по другую. И как вода[296] всегда стекает с горы, так и протоны стремятся двигаться по градиенту концентрации. Однако мембрана в целом непроницаема для протонов, они могут преодолеть ее лишь через особые молекулы, своего рода молекулярные турбины. Подобно тому как вода, поднятая плотиной ГЭС, подается по трубам на турбины, вращение которых производит электроэнергию, протоны проходят через эту особую молекулу АТФ-синтазы, вращая ее как турбину, и синтезируют молекулу АТФ (аденозинтрифосфат), добавляя к аденозиндифосфату (АДФ), имеющему только две фосфатные группы, третью.

Выработка энергии в митохондриях

Как изобретение денег резко оживило торговлю и подняло уровень жизни, позволив сформироваться высокоорганизованным обществам, а «энергетическая валюта» в виде электричества открыла дорогу развитию сложнейших технологий, так и эффективное производство АТФ дало клеткам возможность усложняться и специализироваться. АТФ – это небольшая молекула, и она при необходимости перемещается по всей клетке. Она поставляет энергию для всех процессов: от производства компонентов клетки и перемещения ее отдельных частей до передвижения самих клеток. Мышцы используют АТФ, чтобы генерировать энергию для сокращения. В нашем мозге АТФ создает электрическое напряжение на мембранах нейронов для передачи электрических сигналов и генерации импульсов. Общее количество АТФ, образующееся за сутки в организме человека[297], сопоставимо с массой его тела[298], причем пятую часть всего АТФ потребляет мозг. Работа мысли сама по себе требует нескольких сотен калорий в день. И почти весь этот объем производят митохондрии.

Эти безбилетные пассажиры – изначально, видимо, паразиты – стали нам незаменимыми помощниками, вырабатывая АТФ, без которого мы не можем обойтись. От своих бактериальных предков митохондрии отличаются и по ряду других аспектов. Например, они утратили почти все свои гены и сегодня митохондриальный геном очень мал и содержит чуть более