Кислород. Молекула, изменившая мир: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Здесь следует сделать одно важное замечание, к которому мы еще вернемся позднее. Гены, защищающие клетки от ионизирующего излучения, также оберегают от кислородной интоксикации и от многих других типов стресса, таких как нагревание, инфекция, тяжелые металлы или токсины. Человеческие гены, активированные излучением, защищают от кислородной интоксикации, малярии и отравления свинцом. Причина такой перекрестной защиты заключается в том, что многие стрессовые воздействия в клетках развиваются по одинаковому патологическому пути, и поэтому одни и те же механизмы могут защищать от разных видов стресса. Этот общий патологический путь представляет собой окислительный cmрecc — нарушение равновесия между производством свободных радикалов и антиоксидантной защитой. Однако окислительный стресс — не только патологический процесс, но и сигнал,сообщающий клетке об опасности. Таким образом, это одновременно и угроза, и сигнал, позволяющий противостоять этой угрозе. Так, бомбардировка Перл-Харбора японскими войсками была одновременно актом агрессии и сигналом Америке о необходимости вступить в войну.

Интеграция различных защитных механизмов для борьбы с окислительным стрессом позволяет предположить, что жизнь могла изобрести пути противостояния кислородной интоксикации задолго до появления кислорода в атмосфере — под воздействием ионизирующего излучения. Мы уже пришли к выводу, что увеличение концентрации кислорода в воздухе не было причиной массового исчезновения живых организмов в докембрийском периоде и после него. Поскольку кислород, безусловно, токсичен, жизнь должна была каким-то образом адаптироваться к этой угрозе заранее. Может ли быть, что жизнь сначала адаптировалась к космическому излучению и это cталo основой адаптации к другим источникам oпасности? Если это так, то Фред Хойл и Пол Дейвис были в определенном смысле правы. Жизнь действительно была подвергнута испытанию радиацией, но это произошло не в космосе, а на Земле, и не недавно, а 4 млрд лет назад.

Такой сценарий подтверждается открытиями, сделанными на Марсе с помощью космического аппарата «Викинг» в 1976 г. «Викинг» был оборудован инструментами для проведения трех экспериментов с целью поиска признаков жизни в марсианской почве. Результаты экспериментов не позволили сделать однозначных выводов, и корректность интерпретации обсуждается до сих пор. Однако результаты одного эксперимента, хотя и не давали очевидного ответа, оказались совершенно неожиданными. Эксперимент должен был выявить различия в составе газовой смеси, производимой микробами и химическими процессами. Образцы поверхности Марса инкубировали в сухой, чуть влажной или очень влажной среде, а затем в них анализировали газовую фазу. Предварительно образцы обрабатывали питательным бульоном, состоящим из смеси органических соединений и неорганических солей, которую Гилберт Левайн (один из ученых, стоявших у истоков создания «Викинга» и активный защитник идеи существования марсианской жизни) назвал «куриным бульоном». Эксперимент проходил в два этапа. Сначала с бульона снимали крышку, чтобы выходящие из него пары воды увлажнили почву в емкости с образцом. Затем на почву выливали небольшое количество бульона, чтобы запустить метаболизм любых присутствующих в образце организмов.

К удивлению ученых, удаление крышки сразу приводило к выделению из марсианской почвы большого количества кислорода — в 130 раз больше, чем показывали предварительные расчеты. Ученые решили, что бульон, возможно, стимулировал процесс фотосинтеза, однако те же самые реакции происходили и в темноте, и даже после того, как образцы выдерживали при температуре 145 °С на протяжении 3,5 часа, чтобы убить всех микробов. Но когда после активной фазы выделения кислорода к образцу добавляли свежий бульон, кислород больше не выделялся, что свидетельствовало о завершении процесса. Хотя этот эксперимент напрямую не отрицает наличие в почве живых организмов, его легче объяснить в рамках химии, чем биологии. По-видимому, xимический cocтaв почвы был очень богатым, поскольку выделение газа наблюдалось даже при добавлении простой воды. После некоторых размышлений ученые пришли к выводу, что в образцах почвы содержались супероксиды и пероксиды, образовавшиеся под действием ультрафиолетового излучения на атмосферу или на саму почву. Этот вывод был подтвержден анализом химического состава горных пород.

Что же произошло на Марсе? Можно предположить, что гидроксильные радикалы, пероксид водорода и супероксидные радикалы возникали на протяжении длительного времени в результате расщепления воды в почве или в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Поскольку воды больше не было, эти активные соединения стали взаимодействовать с железом и другими минеральными веществами в почве, что привело к образованию ржавчины и придало планете характерный красный цвет. На Земле эти соединения, скорее всего, разложились бы, но в сухих и стерильных условиях на Марсе они сохранились. Когда с емкости с бульоном снимали крышку, замершие химические реакции сразу доходили до конца. При распаде неустойчивых оксидов железа «законсервированные» радикалы вступали в реакции, заставляя горные породы выделять воду и кислород. Забавно, но героям из научно-фантастических романов, желающим обезвредить почву и наполнить марсианский воздух кислородом, понадобилось бы лишь немного теплой воды, и Красная планета могла бы стать голубой.

Из всего сказанного следует, что Марс находится в состоянии сильного окислительного стpeсса. Хотя в его неплотной атмосфере содержится лишь 0,15% кислорода, развитие любых гипотетических форм марсианской жизни ограничено токсичностью различных форм кислорода, образовавшихся под воздействием космического излучения. И если это так, на Земле 4 млрд лет назад имела место точно такая же ситуация. Земля расположена ближе к Солнцу и подвержена более интенсивному воздейcтвию излучения. Пока не было кислорода, отсутствовал и озоновый слой, и жесткие ультрафиолетовые лучи проникали до самой поверхности Земли. Но традиционная точка зрения о том, что континенты и мелкие моря были простерилизованы космическими лучами, больше не выдерживает критики. Hовые факты доказывают, что устойчивость к кислороду и излучению появилась у самых первых земных организмов. Значение этого факта для эволюции и для нашей с вами жизни чрезвычайно велико, о чем мы и поговорим в последующих главах.

Глава седьмая. Зеленая планета. Излучение и эволюция фотосинтеза

В романе «Автостопом по галактике» Земля упоминается как весьма незначительная сине-зеленая планета, вращающаяся вокруг небольшой желтой звезды где-то на неизученных окраинах западного спирального рукава Галактики. Высмеивая наше антропоцентрическое восприятие Вселенной, Дуглас Адамс оставляет Земле право гордиться одним-единственным достижением — фотосинтезом. Синий — цвет воды, сырьевого материала для фотосинтеза. Зеленый — цвет хлорофилла, удивительного вещества, превращающего энергию света в химическую энергию растительных клеток. И наше маленькое желтое Солнце обеспечивает Землю (возможно, за исключением Англии) всей необходимой энергией. Скальпель Адамса точен: именно фотосинтез сформировал наш мир. Без фотосинтеза не было бы не только травы и деревьев: в воздухе отсутствовал бы кислород, а без кислорода нет наземных животных, полового размножения, разума и сознания и никаких прогулок по галактике.

Мир в такой степени зависит от зеленой машины фотосинтеза, что за деревьями можно не разглядеть леса — не увидеть самого главного. В процессе фотосинтеза солнечный свет используется для расщепления воды, что, как мы видели, совсем не просто и не безопасно: то же самое происходит и под действием излучения. Хлорофилл придает солнечному свету разрушительную мощь рентгеновских лучей. Побочным продуктом этой реакции является токсичный газ кислород. Почему нужно расщеплять прочную молекулу воды с выделением ядовитого продукта, если можно расщепить что-нибудь более податливое, такое как сероводород или растворенные соли железа, и получить гораздо менее опасные продукты?

Один вариант ответа находится быстро. Расщепление воды при фотосинтезе дает живым организмам гораздо больше возможностей, чем гидротермальная активность — основной источник сероводорода и солей железа. В современных условиях объем всех органических соединений углерода, производимых в гидротермальных источниках, составляет около 200 млн тонн в год, тогда как объем углерода, превращаемого растениями, водорослями и цианобактериями в сахарá в процессе фотосинтеза, оценивается в миллион миллионов тонн в год — в 5000 раз больше. Хотя в отдаленном прошлом вулканическая активность на нашей планете, безусловно, была выше, изобретение оксигенного фотосинтеза увеличило объем производства органической материи на два или три порядка. После изобретения оксигенного фотосинтеза бессмысленно было оглядываться назад. Но это понятно только теперь. Описанный Дарвином естественный отбор — движущая сила эволюции — не обладает предсказательной силой. Невозможно представить себе даже самую выгодную «конечную» адаптацию, путь к которой не проходит через последовательные этапы, и каждый из них дает организму определенное преимущество. В случае оксигенного фотосинтеза на промежуточных этапах должны были сформироваться мощные молекулярные механизмы расщепления воды под действием солнечного света. Если биологическая система позволяет расщепить воду, значит, она может расщепить все что угодно. Такое мощное оружие нужно хранить под замком, иначе оно уничтожит все другие внутриклеточные молекулы. И если первый механизм расщепления воды не был соответствующим образом отделен от других структур клетки, что вполне логично для первой стадии совершенно нового процесса, трудно представить себе, какие преимущества он мог обеспечивать. А кислород? До того как клетки научились выполнять оксигенный фотосинтез, они должны были уметь защищаться от токсичного побочного продукта этого процесса, иначе они бы погибли, как современные анаэробы в присутствии кислорода. Но как они могли адаптироваться к кислороду, если его еще никто не производил? Возникает мысль о «кислородном холокосте», однако мы уже поняли, что эта гипотеза не подтверждается никакими геологическими данными.

В рамках традиционного представления о развитии жизни на нашей планете затраты на расщепление воды и производство кислорода и связанные с ними трудности представляют собой эволюционный парадокс. Обычно решение этой загадки видят в естественном отборе. Допустим, в какой-то момент запасы сероводорода и растворенного железа подошли к концу, и жизнь вынуждена была адаптироваться к другому источнику энергии, такому как вода. Возможно, но при таком способе рассуждений возникает замкнутый круг. Гигантские геохимические запасы сероводорода и железа могли подойти к концу только в результате окисления каким-нибудь веществом, и самым вероятным (если не единственным) кандидатом на эту роль является кислород. Но до изобретения фотосинтеза в атмосфере не было свободного кислорода. Только фотосинтез может произвести ощутимое количество свободного молекулярного кислорода (О2). Таким образом, единственный путь создания достаточно сильного давления, благоприятствующего эволюции фотосинтеза, проходит через фотосинтез.

Однако этот аргумент не только бессмысленный, но и просто неверный. Анализ биомаркеров цианобактерий показывает, что оксигенный фотосинтез эволюционировал более 2,7 млрд лет назад. Но растворенное в океанах железо продолжало осаждаться в виде полосатых гор еще как минимум миллиард лет (см. главу 3). Так что никак нельзя утверждать, что запасы солей железа подошли к концу. Аналогичным образом, высокая концентрация сероводорода в океанских глубинах сохранялась вплоть до появления первых крупных животных, вендобионтов, и периодически обнаруживается еще и сегодня (см. главу 4). Так что приходится заключить, что оксигенный фотосинтез появился до исчерпания запасов железа и сероводорода, по крайней мере во всепланетном масштабе.

Как и почему он появился? Если вы внимательно читали предыдущую главу, вы должны знать ответ на этот вопрос. Некоторые косвенные данные указывают на то, что такой же окислительный стресс, как на Марсе (см. главу 6), стал причиной эволюции фотосинтеза на Земле. Детали этого процесса удивительно интересны и позволяют понять происхождение устойчивости к токсическому действию кислорода — по-видимому, неотъемлемому свойству самых первых форм жизни на Земле. Первые известные бактерии не производили кислород в процессе фотосинтеза, но могли «дышать» кислородом, иными словами, производить энергию за счет дыхания кислородом еще до появления этого газа в воздухе. Чтобы понять, как это возможно и какое отношение это имеет к нашей сегодняшней жизни, следует изучить механизм фотосинтеза и пути его эволюции.

Среди всех форм фотосинтеза только знакомый нам оксигенный фотосинтез в растениях, водорослях и цианобактериях является источником кислорода. Все другие формы так называемого аноксигенного фотосинтеза не производят кислород и являются более древними и более простыми по сравнению с оксигенной формой. Перед растениями не стоит задача произвести для нас кислород, им фотосинтез нужен для получения энергии и атомов водорода. Все формы фотосинтеза объединяет одно: они используют солнечную энергию для производства химической (в форме АТФ), необходимой для соединения водорода с углекислым газом с последующим синтезом углеводов. Разные формы фотосинтеза используют разные источники водорода: это может быть вода, сероводород, соли железа или любое химическое вещество, содержащее водород.

В целом в процессе фотосинтеза в растениях углекислый газ (СО₂) из воздуха превращается в простые органические молекулы, такие как сахара (общая формула СН₂О). Затем в митохондриях эти сахара сжигаются с образованием дополнительного АТФ (см. главу 3), а также превращаются в другие углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых строятся клетки. В главе 5 мы узнали о самом распространенном на планете ферменте Рубиско, который включает водород в молекулу углекислого газа. Однако, чтобы фермент работал, его нужно снабжать исходными материалами. Углекислый газ содержится в воздухе и растворен в океанской воде, так что с ним все просто. Получить водород сложнее — он очень быстро вступает в реакции (особенно с кислородом с образованием воды) и настолько легкий, что улeтучивается в космическое пространство. Таким образом, для доставки водорода нужна специализированная система. На самом деле в этом и заключается суть фотосинтеза, но на протяжении многих лет никто ее не понимал. Забавно, что ученые открыли механизм фотосинтеза только тогда, когда поняли, откуда берется кислород.

При оксигенном фотосинтезе водород происходит из воды, а вот происхождение кислорода точно неизвестно. Из суммарного уравнения фотосинтеза следует, что кислород берется либо из углекислого газа, либо из воды:

Сначала ученые думали, что кислород происходит из углекислого газа. Это вполне логичное, но, как оказалось, совершенно неверное предположение. Ошибка была обнаружена в 1931 г., когда Корнелис ван Нил показал, что один штамм фотосинтезирующей бактерии в присутствии света использует углекислый газ и сероводород (Н₂S) для производства углеводородов и серы, но при этом не выделяет кислород:

На основании химического сходства между молекулами Н₂S и H₂О он предположил, что растения могут извлекать кислород вовсе не из углекислого газа, а из воды и что суть фотосинтеза в обоих случаях одна и та же. Справедливость этого предположения в 1937 г. доказал Роберт Хилл, который обнаружил, что при замене углекислого газа феррицианидом железа (который не содержит кислорода) растения перестают расти, но продолжают производить кислород. Наконец, в 1941 г., когда был выделен тяжелый изотоп кислорода ¹⁸О, Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен попробовали выращивать растения на воде, содержащей тяжелый изотоп кислорода. Выделяемый растениями кислород состоял исключительно из тяжелого изотопа, происходившего из воды. Это позволило окончательно подтвердить, что кислород при фотосинтезе берется не из углекислого газа, а из воды.

Таким образом, при оксигенном фотосинтезе из воды экстрагируются атомы водорода (точнее, протоны (Н⁺) и электроны (е^-)), а ненужный растениям кислород выделяется в воздух. Воду расщеплять трудно, поэтому единственное преимущество заключается в ее доступности. Для экстракции протонов и электронов из воды нужно гораздо больше энергии (примерно в полтора раза), чем для их извлечения из сероводорода. Для получения этой дополнительной энергии необходим специальный «высоковольтный» молекулярный механизм, который, по-видимому, эволюционировал на основе «низковольтного» фотосинтетического аппарата, ранее применявшегося для расщепления сероводорода. Чтобы понять, как это произошло, нужно подробнее изучить механизм фотосинтеза.

Вне зависимости от того, какая молекула (сероводород или вода) является источником атомов водорода, возбуждение атомов происходит за счет энергии электромагнитного излучения, которое мы называем солнечным светом. Все электромагнитные лучи, включая свет, состоят из множества фотонов, каждый из которых обладает определенной энергией. Энергия фотона связана с длиной волны света, измеряемой в нанометрах. Чем меньше длина волны, тем больше энергия. Это означает, что фотоны ультрафиолетового света (длина волны менее 400 нм) обладают более высокой энергией, чем фотоны красного света (длина волны от 600 до 700 нм), которые, в свою очередь имеют бóльшую энергию, чем инфракрасные фотоны (длина волны 800 нм).

Взаимодействие света с веществом происходит на уровне фотонов. В процессе фотосинтеза фотоны поглощаются молекулой хлорофилла. Но хлорофилл поглощает не любые фотоны: его возможности определяются структурой связей в молекуле. Хлорофилл растений поглощает фотоны красного света с длиной волны 680 нм. Хлорофилл аноксигенной пурпурной фотосинтезирующей бактерии Rhodobacter sphaeroides относится к другому типу и поглощает фотоны с меньшим уровнем энергии из инфракрасного диапазона (длина волны 870 нм)[39].

Когда хлорофилл поглощает фотон, его внутренние связи получают дополнительную энергию, что приводит к выталкиванию электрона из молекулы. При потере электрона хлорофилл переходит в неустойчивую, реакционноспособную форму. Однако он не может возвратиться в исходное состояние, просто вернув себе свой электрон. Электрон исчезает в молекуле расположенного поблизости белка и передается по цепочке связанных белков — как мяч в регби, переданный через все поле по цепочке игроков[40]. Энергия этого электрона используется для синтеза АТФ, как при митохондриальном дыхании.

Присвоение электрона можно приравнять к присвоению половины атома водорода, поскольку атом водорода состоит всего из одного протона и одного электрона. Чтобы присоединить протон, нужно приложить еще немного усилий. В результате электростатических перестроек положительно заряженный протон (из воды в случае оксигенного фотосинтеза) следует за отрицательно заряженным электроном. В конечном итоге протон и электрон при помощи Рубиско соединяются в атоме водорода в молекуле сахара.

А что происходит с хлорофиллом? Потеряв электрон, он становится гораздо более активным и пытается отнять электрон у ближайшего подходящего донора. Остановить хлорофилл можно так же, как мифического дракона, которого кормили прекрасными девственницами, дабы он не причинял вреда соседним землям. Источником подходящих девственниц — электронов в случае хлорофилла — могут быть любые находящиеся в изобилии химические жертвы, такие как вода, сероводород или железо. Проглотив электрон, хлорофилл возвращается в нормальное состояние, пока новый фотон не запустит следующий цикл реакций.

Какой донор электронов — сероводород, железо или вода — будет задействован в фотосинтезе, зависит от энергии поглощенных хлорофиллом фотонов. Хлорофилл пурпурных бактерий может поглощать только инфракрасные лучи с низким уровнем энергии. Это позволяет извлекать электроны из сероводорода и железа, но не из воды. Чтобы добыть электрон из воды, нужна дополнительная энергия, которую могут обеспечить фотоны с более высоким уровнем энергии. Для этого нужно изменить структуру хлорофилла таким образом, чтобы он стал поглощать не инфракрасный, а красный свет.

Вопрос стоит следующим образом: почему структура хлорофилла изменилась так, что он смог поглощать красный свет и расщеплять воду, в то время как уже существовал хлорофилл пурпурных бактерий, способный экстрагировать электроны из находившихся в изобилии сероводорода и солей железа? В частности, какие внешние условия способствовали эволюции нового и более мощного хлорофилла, способного окислять воду и многие составляющие элементы клетки, тогда как старый хлорофилл был менее реакционноспособным и менее опасным, но мог окислять сероводород?

Техническая сторона вопроса удивительно проста. По данным Роберта Бленкеншипа из Университета Аризоны и Хаймана Гартмана из Института биологических исследований в Беркли (Калифорния), совсем небольшие изменения структуры бактериального хлорофилла могут привести к значительному сдвигу спектра поглощения. Всего два небольших изменения структуры — и бактериохлорофилл а (максимум поглощения при 870 нм) превращается в бактериохлорофилл d (максимум поглощения при 716 нм). В 1996 г. в статье в журнале Nature Хидеаки Миясита и его коллеги из Института морской биотехнологии в Камаиси (Япония) сообщали, что хлорофилл d является основным фотосинтетическим пигментом бактерии Acaryochloris marina, которая расщепляет воду с выделением кислорода. Таким образом, промежуточное звено между бактериохлорофиллом и растительным хлорофиллом не только возможно, но и существует на самом деле. Чтобы превратить хлорофилл d в главный фотосинтетический пигмент растений, водорослей и цианобактерий — хлорофилл а, поглощающий свет с длиной волны 680 нм, — остается сделать еще один шаг.

Таким образом, технически эволюционные стадии превращения бактериохлорофилла в хлорофилл растений вполне осуществимы. Остается вопрос, почему произошло это превращение? Хлорофилл, поглощающий свет с длиной волны 680 нм, гораздо хуже поглощает свет с длиной волны 870 нм. И поэтому он гораздо менее эффективно расщепляет сероводород, так что содержащие его бактерии оказываются в невыгодном положении по сравнению с теми, которые сохраняют исходную версию хлорофилла. Хуже того, переключение на расщепление воды вынуждает бактерию каким-то образом избавляться от токсичного кислорода и всех свободных радикалов, возникающих по ходу процесса, как под действием радиации. Если жизнь не прогнозирует будущее, как она преодолевает негативные последствия таких изобретений?

Хлорофилл экстрагирует электроны из воды по одному. Для этого он должен поглотить четыре фотона и потерять по очереди четыре своих электрона, каждый раз отнимая электрон у одной из двух молекул воды[41]. Общее уравнение расщепления воды выглядит следующим образом:

Кислород выделяется только на последней стадии процесса. Скорость экстракции электронов хлорофиллом зависит от скорости поглощения фотонов. Поскольку стадии процесса идут последовательно, неизбежно в качестве промежуточных продуктов образуются активные свободные радикалы, хотя бы на короткое время.

[39] Поскольку растения поглощают красный свет и отражают синий и желтый, нам они кажутся зелеными. На самом деле, хлорофилл — не единственная светопоглощающая молекула. Другие пигменты, такие как каротиноиды, тоже поглощают свет с разной длиной волны и передают его энергию хлорофиллу. Именно общий спектр поглощения всех пигментов придает растениям зеленую окраску.

[40] Электрон движется по электрохимическому градиенту от соединений с низким сродством к электронам (с низким редокс-потенциалом) к соединениям с высоким сродством к электронам (с высоким редокс-потенциалом). Электронтранспортная цепь представляет собой набор белков и других молекул, способных передавать электроны и связанных между собой в порядке возрастания электрохимического потенциала. Обычно электроны плавно проходят по цепи от одного конца до другого, но иногда кислород выхватывает их и превращается в супероксидный радикал. На некоторых участках цепи переход электрона от одной молекулы к другой обеспечивает достаточное количество энергии для производства АТФ.

[41] Как обычно, в реальности все несколько сложнее. На самом деле для оксигенного фотосинтеза необходим второй светочувствительный центр. Один реакционный центр не может перекрыть широкую химическую пропасть и сразу переправить электроны из воды на молекулу углекислого газа, для этого нужна согласованная работа двух центров. Центры сопрягаются в соответствии с так называемой Z-схемой, и каждый в одном цикле поглощает четыре фотона. Таким образом, для получения одной молекулы кислорода требуется восемь фотонов света.