Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Как только живые существа накапливают достаточное количество молекул АТФ, они могут начать пользоваться ими в качестве топлива, высвобождая для себя энергию их молекулярных связей. Хайди нужна была эта накопленная в АТФ энергия, чтобы мышечные волокна могли сокращаться и ей бы удавалось ползать по своему ящику. Еще ей необходимо было обеспечить энергией каждый удар своего сердца. Почки питона тоже требовали АТФ – для выведения токсинов из кровотока. А самый большой объем топливных запасов змеи уходил исключительно на то, чтобы поддерживать ее клетки в равновесии.
Клеткам требуется обильный запас ионов калия, так как с их помощью осуществляются многие жизненно важные реакции. Однако когда внутри клетки калия много, то его начинает выталкивать наружу мощная сила. Но если калий просто утечет, то клетка погибнет. Поэтому она закачивает внутрь все новые порции калия, для чего использует молекулярные насосы, которыми утыкана вся ее поверхность. Каждый насос состоит из трех переплетенных молекул белка. Подобно тому как дренажный насос требует подключения к генератору, так и молекулярный насос нуждается в источнике энергии – АТФ. На каждые два атома калия, закачиваемые внутрь, используется одна молекула АТФ. Насосам приходится работать круглосуточно, потребляя огромное количество этих молекул.
Как и у всякого организма, калиевые насосы Хайди живут лишь несколько дней, а затем начинают изнашиваться. Ее клеткам приходится разбирать их, когда они приходят в негодность, и взамен собирать новые – на эту задачу уходит еще больше АТФ.
Инструкции по сборке новых насосов закодированы у Хайди в ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота – таково название этой молекулы – состоит из двух длинных цепочек, закрученных друг вокруг друга. Конструкция молекулы напоминает винтовую лестницу из миллиардов ступенечек. В ДНК питонов таких ступенечек 1,4 млрд, у нас – более 3 млрд. (Прежде чем вы уверитесь в своем генетическом превосходстве над питонами, примите во внимание, что у лука их 16 млрд.) Каждая ступенька слагается из двух частей, по одной от каждой цепочки. Из этих частей (их называют основаниями) и состоит текст инструкций по синтезу молекул. В алфавите ДНК всего четыре буквы: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин).
Каждый из трех белков калиевого насоса кодируется отдельным отрезком ДНК – геном. Чтобы построить новый калиевый насос, змеиная клетка доставляет ферменты и другие молекулы к началу каждого из этих генов и прочитывает основания подряд по одному. Получается сокращенная, одноцепочечная расшифровка, которая называется матричной РНК. Эту молекулу быстро подхватывает плавучая клеточная фабрика, которая тоже прочитывает ее основания и строит соответствующий белок. И на каждом этапе его создания клетке снова нужно расходовать АТФ.
Хайди не просто заменяла старые белки на новые. Ее организм еще и рос. Змее было три года, она уже утроилась в размерах с момента своего вылупления, и ей предстояло расти всю жизнь, пока ее будут кормить раз в несколько недель. А на увеличение своих габаритов змее понадобится еще больше энергии. Для создания одной лишь копии своей ДНК клетке нужно расщепить миллиарды молекул АТФ.
Даже для получения энергии Хайди требовалось расходовать энергию. Она тратила АТФ, когда атаковала крыс и душила их. Она нуждалась в АТФ, чтобы синтезировать пищеварительные ферменты, а эти ферменты, в свою очередь, нуждались в АТФ, чтобы расщепить молекулы крысы. Все живые существа сталкиваются с этой дилеммой: они платят метаболическую цену за поддержание своего метаболизма. Но у Хайди, как и у всех остальных змей, проблема обострилась до предела. Жизнь питонов, удавов, гремучих змей и ряда других видов – чередование поста и пиршеств. Они неделями живут без пищи, затем заглатывают дичь целиком и в последующие дни извлекают из нее максимум АТФ.
Эта живая алхимия увлекла Стивена Секора в начале 1990-х гг. В то время науке почти ничего не было известно о том, как змеи переваривают свою добычу. Никто даже не измерял, сколько энергии змея затрачивает на пищеварение. Секор решил это узнать и начал с рогатых гремучих змей, которых наловил в пустыне Мохаве. Он привез их в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, где стажировался после аспирантуры. Исследователь скармливал змеям крыс, а затем сажал их в ящик.
Ящик был сконструирован для измерения уровня метаболизма змеи: сколько энергии она затрачивает в час. Секор исходил из того факта, что стоит змее израсходовать АТФ, как тут же ей потребуется произвести новую его порцию. А для синтеза этой молекулы любому животному нужен кислород. Всякий раз, когда змея в ящике Секора делала вдох, уровень кислорода в окружающем пространстве падал. Время от времени Секор открывал клапан на стенке ящика, вставлял туда шприц и брал пробу воздуха. Уровень кислорода подсказывал ему, сколько АТФ расходует змея внутри.
«За два дня я получил результаты, которые не знал, как объяснить», – сказал он мне.
После того как мы пообедаем, наш уровень метаболизма повышается на 50 %, пока мы перевариваем пищу. Так же дело обстоит у большинства других млекопитающих. Но у гремучих змей в опыте Секора он подскочил в семь раз. Полученный результат побил все известные рекорды по уровню пищеварительного метаболизма. Но и этот рекорд пал, как только Стивен перешел от гремучих змей к питонам. Если он скармливал питону количество крыс, равное четверти питоньей массы, уровень метаболизма змеи подскакивал десятикратно. Некоторых питонов Секор кормил до тех пор, пока они не поглощали столько крыс, сколько весили сами. Их уровень метаболизма возрастал в 45 раз! Для сравнения: когда лошадь от полной неподвижности разгоняется до галопа, ее уровень метаболизма возрастает примерно в 35 раз. Но лошадь не может скакать галопом долго, она быстро выдыхается. А вот питон, переваривая пищу, расходует энергию со скоростью лошадиной скачки на протяжении двух недель.
Теперь перед Секором встала еще более трудная загадка: каким образом змеи умудряются так разогнать свой метаболизм и куда именно они девают всю эту энергию? Путь к ответу лежит через желудок, который вырабатывает соляную кислоту, необходимую при расщеплении пищи. У нас он выделяет несколько порций соляной кислоты в день, поскольку мы приспособлены к регулярным приемам пищи. Но постящийся питон не вырабатывает ее вовсе. Жидкость у него в желудке нейтральна, наподобие воды. Как только Хайди в
