Мобилизация организма. На что способно наше тело в экстремальных условиях - Ханнс-Кристиан Гунга

своего обмена веществ на повышение парциального давления кислорода в атмосфере. Повышение содержания кислорода в атмосфере происходило достаточно медленно в течение миллиарда лет; это замедление среди прочего было обусловлено тем, что высвобождавшийся в процессе фотосинтеза кислород тотчас использовался для окисления железа, содержание которого было высоким в водах океана. В результате выход кислорода в атмосферу оказался замедленным. Этот процесс привел с геологической точки зрения к возникновению богатых месторождений железной руды в Австралии, Канаде, Северной и Южной Америке – к возникновению так называемых железных поясов (iron belts). С точки зрения эволюции приблизительно на 2 млрд лет развитие жизни на Земле приостановилось. Эта удивительная остановка эволюции была, предположительно, обусловлена тем, что первые организмы по причине действия мощных приливных сил столкнулись с действием сложных физических и химических условий окружающего мира. В повестку дня вошли среди прочего значимые изменения содержания солей, температуры и интенсивности солнечного излучения.

Читатель может не без оснований возразить: «Мне-то какое дело до того, что клеткам 2,5 млрд лет назад пришлось несладко?» Я очень скоро объясню, почему это не должно быть нам безразлично. Вследствие того, что в результате вращения Земли и регулярной смены дня и ночи происходили ритмичные изменения светового и ультрафиолетового излучения, а также температуры, после возникновения жизни для первых одноклеточных организмов стало расти значение способности знать текущее время суток. Если организмы могли в соответствии с текущим временем суток либо глубже уходить под воду, либо выныривать, то эта способность, например, могла лучше защитить от вредоносного ультрафиолетового излучения. Растительные клетки в океане могли более эффективно выстраивать происходящие в них биохимические процессы, чтобы быть готовыми к фотосинтезу с восходом Солнца – все приспособления, которыми не обладали другие организмы, не владевшие знанием о текущем времени суток, давали фотосинтезирующим клеткам значительные эволюционные преимущества. То был момент рождения внутренних часов, поскольку, как мы сегодня знаем, в каждой клетке, в каждом органе, будь то печень, почка или сердце, существуют свои молекулярные часовые механизмы. Наличие различных часов в органах и клетках таких многоклеточных организмах, как организм человека, требует их согласования или, как иначе говорят, синхронизации. Только за счет такой синхронизации можно добиться того, чтобы часовые механизмы каждой клетки, каждого органа работали в унисон с целостным организмом и в согласии с суточным циклом смены дня и ночи в окружающем мире. Важнейшей контролирующей станцией, надзирающей за суточным циклом, уже давно считается супрахиазматическое ядро, очень древнее ядро головного мозга, содержащее около 50 000 нейронов, которые связаны с множеством нервных клеток в других областях мозга. Это ядро, например, за счет особых чувствительных клеток глаза получает информацию о падающем на сетчатку свете и, главное, о том, насколько этот свет сдвинут в синюю область спектра. Если это так, то супрахиазматическое ядро «знает», что на дворе день, и передает эту информацию другим клеткам организма. Как только сигнал ослабевает, значит, наступила ночь. Противопоставление сигналов «свет/отсутствие света» работает как таймер.

Другим возможным таймером может быть прием пищи, который «вмешивается» в регуляцию; это регулирующий механизм, открытый недавно, был назван хронометаболизмом. В этом случае изменения общего энергетического статуса организма в результате либо поступления пищи, либо ее ограничения приводят, например при голодании, к порождению сигнала таким важным для обмена веществ органам, как печень и поджелудочная железа, и этот сигнал влияет на генную активность клеточных часов в этих органах. Здесь в игру вступает кислород. В противоположность многим бактериям и некоторым низшим эукариотам правильный обмен веществ у человека и животных зависит от доступности кислорода. В такой ситуации можно только удивляться тому, что в организме очень мало ферментов, отвечающих за усвоение кислорода. В целом 98 % участвующего в метаболизме человеческого организма кислорода подвергается превращениям под действием одного-единственного фермента – митохондриальной цитохромоксидазы, которая присутствует почти во всех аэробных организмах. У бактерий с аэробным обменов веществ, то есть у организмов, использующих кислород для получения энергии, обнаруживают тот же фермент.

Но нет пользы без вреда. Уже самые первые аэробные клетки, 2,5 млрд лет назад, столкнулись с колоссальной проблемой: как избежать образования в клетке кислородных радикалов или по меньшей мере ограничить их действие. С точки зрения химии и физики радикалами следует называть в высшей степени реакционноспособные атомы с не полностью занятыми электронными оболочками. Такое строение предрасполагает эти атомы к формированию связей с другими химическими элементами и приводит к тому, что свободные радикалы существуют в течение ничтожных долей секунды. В эволюции аэробных живых существ это означает, что надо было найти не только стратегию возникновения как можно менее агрессивных свободных радикалов, но и стратегию запасания в клетках антиоксидантных молекул, которые были бы способны связывать и обезвреживать кислородные радикалы. Беда в том, что свободно перемещающиеся в клетке кислородные радикалы могут непосредственно повреждать чувствительные клеточные мембраны и, вероятно, поэтому, играют существенную роль при различных заболеваниях, а также при старении.

Помимо животных растения в ходе эволюции тоже приобрели способность синтезировать многочисленные антиоксиданты, например аскорбиновую кислоту (витамин C) или α-токоферол (витамин E). Однако наиболее эффективно такие реактивные кислородные радикалы обезвреживаются соответствующими ферментами. Такие ферменты тоже появляются в ходе эволюции дышащих существ очень рано, практически они появляются параллельно возникновению и становлению дыхательной цепи и появлению в клетках реактивных кислородных соединений. Супероксиддисмутазы, «хорошие парни» клеток, которые разлагают в клетках человека перекисные соединения, обнаруживаются уже у простейших аэробных бактерий. К этому же классу относятся также пероксиредоксины, антиоксиданты, которые могут выполнять внутри клеток и другие функции. Их возникновение с точки зрения молекулярной биологии можно отнести к моменту «великого кислородного события», произошедшего 2,5 млрд лет назад. Удивительно, что производство этих пероксиредоксинов у представителей всех биологических царств, бактерий, грибов и млекопитающих, включая и человека, проявляет суточные колебания даже тогда, когда отключаются все генетические механизмы контроля для других внутренних часов, – очевидно, что в лице пероксиредоксинов мы имеем дело с праматерью всех биологических часов во всем царстве живой природы. Согласно преобладающей на сегодняшний день теории, пероксиредоксины возникли для защиты от колебаний концентрации кислорода в первобытном океане независимо от других суточных ритмов. В наших клетках пероксиредоксины также действуют как соединения, связывающие радикалы, и как таймеры, когда перестают работать другие механизмы.

Как было подчеркнуто выше, настройка и ритмизация различных биологических систем от клеток до целостного организма имеют основополагающее значение для развития и поддержания всех биологических функций. Хоралы «Страстей по Матфею» Баха звучат так гармонично и захватывают нас, потому что каждый исполнитель оркестра и каждый певец хора знают ход произведения и моменты вступления, а дирижер за своим пультом следит, чтобы эта гармония неукоснительно соблюдалась. Если