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

Для растений это чрезвычайно опасно. При экстракции электронов из воды образуются реакционноспособные промежуточные формы кислорода. Некоторые из них могут выходить из реакционных центров и повреждать соседние молекулы. Но даже если они не выделяются, на заключительной стадии в клетке накапливается большое количество кислорода. В листьях современных растений концентрация кислорода может в три раза превышать концентрацию кислорода в воздухе. Крошечные цианобактерии тоже отравляют себя и окружающее пространство кислородом. По-видимому, тo же самое происходило и в те далекие времена, когда в воздухе еще не было кислорода. Неизбежно какая-то часть этого кислорода превращается в супероксидные радикалы. Риск чрезвычайно высок. В любой момент система может перестать функционировать. Ближайшая аналогия — атомная электростанция. Если реакторы герметичны, система безопасна, но, если происходит утечка радиации, может случиться катастрофа такого масштаба, как в Чернобыле. И в ядерной энергетике, и в оксигенном фотосинтезе запас надежности весьма невелик, но потенциальные преимущества — неограниченный источник энергии — огромны.

Для надежной работы такого механизма реакционноспособные промежуточные соединения, образующиеся при расщеплении воды, должны быть заключены внутри какой-то структуры, которая не позволяет им выйти наружу до момента выделения молекулярного кислорода. Такая структура действительно существует, и именно поэтому фотосинтез возможен. Эта структура состоит из белков и называется кислород-выделяющим, или водорасщепляющим, комплексом (ферментом).Вода прочно связывается в этом белковом комплексе, и из нее по одному выделяются электроны. Но комплекс этот необычный. В нем есть старый, как мир, секрет. Он возвращает нас больше чем на 2,7 млрд лет назад, в те времена, когда еще не существовало никакого фотосинтеза и в воздухе не было кислорода. Это секретный ключ, открывший дверь и впустивший на Землю жизнь. Без него наша планета осталась бы такой же бесплодной, как Марс.

Структура кислород-выделяющего комплекса (КВК) очень похожа на структуру антиоксидантного фермента каталазы. По виду КВК можно сказать, что он образовался из двух связанных между собой молекул каталазы[42]. Если это действительно так, значит, каталаза появилась раньше КВК. В таком случае хронология событий могла быть следующей. Каталаза возникла рано, когда на Земле еще отсутствовал кислород. В какой-то момент две молекулы каталазы оказались связанными друг с другом и образовали кислород-выделяющий комплекс, в котором расщепление воды происходило безопасным образом. Наличие этой системы позволило реализовать оксигенный фотосинтез, и в результате атмосфера начала пополняться кислородом. Жизнь подверглась серьезному окислительному стрессу. К счастью, она уже умела защищаться, поскольку уже создала как минимум один антиоксидантный фермент — каталазу. Кажется, все складно? Но подождите минуточку. Каталаза возникла до фотосинтеза, когда в атмосфере еще отсутствовал кислород, но окислительный стресс уже был. Возможно ли такое? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, как работает каталаза.

Каталаза отвечает за устранение пероксида водорода, который, как мы обсудили в главе 6, является потенциальным убийцей бактерий. Практически все аэробные организмы имеют каталазу, и даже некоторые анаэробные бактерии, которые боятся кислорода как чумы, синтезируют некоторое количество этого фермента. Каталаза работает невероятно быстро. Без каталазы и без железа пероксид водорода расщепляется на воду и кислород за несколько недель. Растворенное железо катализирует расщепление пероксида водорода до гидроксильных радикалов и, в конечном итоге, до воды в соответствии с реакцией Фентона (см. главу 6). Если железо включено в молекулу пигмента, такого как гем в составе гемоглобина, скорость расщепления пероксида водорода возрастает в 1000 раз. Если гем включается в белок, как в случае каталазы, пероксид водорода напрямую и безопасно расщепляется на воду и кислород, а скорость этого процесса примерно в 100 млн раз выше, чем в присутствии только железа.

Известно несколько типов каталаз. В большинстве клеток животных наличествует форма с четырьмя гемовыми группами в центре. Некоторые микробы имеют другую форму каталазы, содержащую не железо, а марганец. Несмотря на различия в структуре, оба фермента работают очень быстро, и оба справедливо называются каталазами, поскольку катализируют одну и ту же реакцию — взаимодействие двух молекул пероксида водорода с образованием кислорода и воды:

Эта простая реакция может многое рассказать о том, какие условия существовали на Земле 3,5 млрд лет назад. Точно такая же реакция происходит между двумя молекулами пероксида водорода и без катализатора, только в присутствии каталазы она протекает в 100 млн раз быстрее. Участие в реакции двух молекул пероксида водорода означает, что действие каталазы особенно эффективно при высокой концентрации пероксида водорода, когда существует большая вероятность столкновения двух молекул. Таким образом, каталаза быстро снижает высокую концентрацию пероксида водорода, но слабо справляется с уничтожением следовых количеств пероксида водорода или поддержанием его стабильно низкой концентрации.

Большинство современных аэробных организмов синтезирует ферменты из группы пероксидаз, которые расщепляют пероксид водорода в низкой концентрации. Эти ферменты действуют совершенно иначе. Они не соединяют между собой две молекулы пероксида водорода, а с помощью антиоксидантов, таких как витамин С, превращают единственную молекулу пероксида водорода в две молекулы воды без выделения кислорода. Большинство аэробных клеток содержат ферменты обоих типов и расщепляют пероксид водорода двумя путями. Каталаза используется для расщепления основного количества пероксида водорода, а пероксидаза ликвидирует остатки.

Можно догадаться, что каталаза работает при значительных колебаниях концентрации субстрата. Это высокоспециализированный фермент: он действует лишь на одну мишень и с очень высокой скоростью. Такая невероятная эффективность, конечно же, неслучайна. Представьте себе богослова XVIII в. Уильяма Палея, обнаружившего не свои знаменитые часы, а ядерный реактор и пытающегося объяснить их устройствo не гением Мастера, а случайным стечением обстоятельств[43].

В строении и происхождении каталазы нет ничего случайного. Если этот фермент существовал на Земле до появления фотосинтеза, значит, на Земле был и пероксид водорода, причем в изобилии. Скажем прямо, это заявление противоречит интуиции. Действительно ли на первозданной Земле могло быть столько пероксида водорода, что это стимулировало эволюцию каталазы?

Как мы уже знаем (см. главу 6), в марсианской почве содержится много пероксидов железа. Однако это ничего не говорит о том, с какой скоростью эти соединения появлялись на первозданной Земле. Конечно, они возникали (Земля расположена ближе к Солнцу, следовательно, ей достается больше ультрафиолетовых лучей), но количество пероксида водорода определяется соотношением скоростей его образования и распада, которое, в свою очередь, зависит от условий в атмосфере и в океане. Хотя существование каталазы указывает на обилие пероксида водорода, окончательные выводы делать рано. К счастью, у нас есть и другие данные, и они не только подтверждают идею о том, что фотосинтез возник как реакция на окислительный стресс, но и объясняют некоторые застарелые парадоксы.

Один из ведущих специалистов по атмосферным процессам Джеймс Кастинг (теперь из Университета Пенсильвании) в 1980-х гг. работал в Научно-исследовательском центре Эймса (Калифорния) в составе НАСА. Он пытался ответить на вопрос, сколько пероксида водорода было в атмосфере Земли на ранних этапах ее существования. Но его интересовала не эволюция фотосинтеза, а временные этапы изменения концентрации кислорода в атмосфере.

Как мы обсуждали в главе 3, в некотором приближении мерой концентрации кислорода в воздухе может служить степень вымывания железа из ископаемых почв. Поскольку в бескислородной среде железо находится в растворимой форме, оно вымывается из почвы дождевой водой. По мере накопления кислорода железо превращается в нерастворимую ржавчину, которая не вымывается. Поэтому теоретически содержание железа в ископаемых почвах отражает содержание кислорода в атмосфере. Из анализа ископаемых почв следует, что кислород в атмосфере начал накапливаться более 3 млрд лет назад (задолго до значительного повышения его концентрации 2 млрд лет назад). И это не соответствует результатам, полученным при анализе изотопных подписей серы (см. главу 3) или других образцов, таких как полосатые железные горы, красноцветные отложения и урановые руды. Кастинг заинтересовался причиной этого несоответствия.

В ранних исследованиях ископаемых почв постулировалось, что самым сильным окислителем, растворенным в дождевой воде, всегда был сам кислород. Кастинг решил проверить это утверждение и предположил, что до появления кислорода в атмосфере самым сильным окислителем в дождевой воде был пероксид водорода. В подробной теоретической статье, написанной совместно с Генрихом Холландом и Джозефом Пинто из Гарварда, он привел расчет скорости расщепления воды под действием ультрафиолетового излучения в различных условиях. Кроме того, он учитывал растворимость продуктов распада (таких как пероксид водорода) в каплях дождя и определял их вероятную стационарную концентрацию в дождевой воде и в озерах.

По расчетам Кастинга выходило, что в наиболее вероятных условиях, существовавших на Земле 3,5 млрд лет назад (высокая концентрация углекислого газа, менее 0,1% современного содержания кислорода и отсутствие озонового слоя), скорость прироста концентрации пероксида водорода (рассчитанная по разнице скоростей образования и удаления в химических реакциях или под действием дождевой воды) должна была составлять 100 млрд молекул в секунду на квадратный сантиметр. Цифра эта кажется невероятной, но давайте просто запомним, что пероксида водорода в атмосфере было очень много. Говорят ведь, что в одном стакане воды больше молекул, чем стаканов воды во всех океанах. Поэтому, думаю, вы не очень сильно удивитесь, если узнаете, что масса 100 млрд молекул пероксида водорода составляет около 56 × 10^-12 г[44]. Чтобы как-то оценить эти значения, Кастинг рассчитал, что растворенный пероксид водорода (который растворяется гораздо лучше кислорода) составляет от 1 до 6% общего содержания окислителей в современной дождевой воде. Нет причин думать, что 3 млрд лет назад его содержание было ниже, скорее наоборот, поскольку интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли была в 30 раз выше.

Такое высокое содержание пероксида водорода должно было вызывать у первых клеток окислительный стресс. Причем уровень стресса оказался бы особенно высок по той причине, что пероксид водорода гораздо активнее кислорода. В частности, он значительно быстрее реагирует с растворенным железом с образованием гидроксильных радикалов, чем кислород. В современных океанах с высоким содержанием кислорода активность пероксида водорода ограничивается малой доступностью растворенного железа (которое уже давно прореагировало с кислородом и осело в виде полосатых отложений), но в начале докембрийского периода океаны содержали очень много растворенного железа, так что пероксид водорода должен был непрерывно реагировать с ним и производить гидроксильные радикалы в соответствии с реакцией Фентона. Таким образом, на первозданной Земле не только присутствовало больше пероксида водорода, но он с большей вероятностью вступал в реакции, вызывая окислительный стресс.

Влияние пероксида водорода на окружающую среду зависело от доступности растворенного железа. На больших океанских глубинах растворенного железа было очень много, так что никакое количество пероксида водорода из дождевой воды не могло сдвинуть общее химическое равновесие. Однако на мелководье и в пресных озерах железа имелось значительно меньше. И это железо, с большой вероятностно, было исчерпано за счет реакций с пероксидом водорода из дождевой воды. С исчерпанием железа и сероводорода такие изолированные области должны были становиться все более и более окисленными. В соответствии с математической моделью Хаймана Гартмана и его коллеги Криса Маккея из Научно-исследовательского центра Эймса, непроточные озера и мелкие моря должны были окислиться до такой степени, что стимулировали эволюцию антиоксидантных ферментов, включая каталазу. Это позволило обитавшим там бактериям подготовиться к появлению кислорода.

Таким образом, у нас есть веские основания полагать, что в атмосфере ранней Земли действительно было много пероксида водорода, который накапливался в изолированных пространствах. Окисление таких пространств под действием пероксида водорода, вероятно, было достаточно сильным фактором отбора, стимулировавшим эволюцию антиоксидантного фермента каталазы. Сама каталаза, по-видимому, стала прототипом кислород-выделяющего комплекса и способствовала эволюции оксигенного фотосинтеза. До сих пор все логично, но мы пока не ответили на еще один важный вопрос: как каталаза стимулировала эволюцию оксигенного фотосинтеза?

По-видимому, фотосинтезирующие бактерии, которые получали энергию путем расщепления сероводорода или солей железа еще до изобретения оксигенного фотосинтеза, уже имели каталазу. Между пероксидом водорода и этими древнейшими видами фотосинтетического топлива есть много общего. Для удаления электронов из молекулы пероксида водорода и сероводорода требуется одинаковое количество энергии, так что теоретически один и тот же бактериохлорофилл может осуществлять оба процесса. Поэтому пероксид водорода мог стать хорошим источником водорода для фотосинтеза. Конечно, его было меньше, чем сероводорода и солей железа, но все же он в достаточном количестве возникал в поверхностных слоях воды под действием солнечных лучей. Если это так, поначалу каталаза могла использоваться в качестве фермента для фотосинтеза. Поскольку при расщеплении пероксида водорода выделяется кислород, вовлечение каталазы в фотосинтез объясняет эволюционный переход между аноксигенным и оксигенным фотосинтезом.

Если же каталаза использовалась как фермент для фотосинтеза, вполне естественно, что молекулы каталазы локализовались там, где проходил фотосинтез. Две молекулы каталазы вполне могли объединиться, образуя прототип кислород-выделяющего комплекса. Возможно, сначала комплекс продолжал использовать пероксид водорода в качестве донора электронов, но (благодаря правильной энергетической настройке) мог расщеплять и воду. Мы уже знаем, что для изменения свойств бактериохлорофилла  требовались лишь три небольшие модификации, которые позволили ему поглощать свет с длиной волны 680 нм. И вот у нас уже есть прототип кислород-выделяющего комплекса (щипцы для колки орехов, способные расщеплять воду) и хлорофилл, который обеспечивает необходимую энергию (рука, давящая на щипцы). Вот так без составления плана и без неблагоприятных промежуточных стадий мы прошли путь от аноксигенного фотосинтеза к оксигенному фотосинтезу.

Таким образом, эволюция оксигенного фотосинтеза кажется практически неизбежной при наличии трех факторов: необходимости использовать воду, механизма расщепления воды и умения защищаться от токсичного кислорода. Необходимость использовать воду возникла в результате исчерпания запасов сероводорода и солей железа в изолированных водных бассейнах. Механизм расщепления воды возник за счет связывания двух молекул каталазы. Защиту от кислорода обеспечивала та же каталаза и, возможно, некоторые другие ферменты, которые уже эволюционировали в ответ на окислительный стресс, вызванный ультрафиолетовым излучением.

В океанских глубинах такие условия невозможны. Там сохранилось большое количество сероводорода и солей железа, и солнечный свет туда практически не доходил. Обитавшим там организмам не нужно было защищаться от кислорода. В таких местах, даже при наличии достаточного количества света, любые мутации, приводящие к превращенияю бактериохлорофилла в хлорофилл, были бы уничтожены естественным отбором ввиду их бесполезности. Они приводили к снижению эффективности поглощения света бактериями и взамен не давали никаких преимуществ.

Гипотеза «окислительного стресса до появления кислорода» может очень многое объяснить. Она переворачивает традиционные представления. Получается, что фотосинтез возник исключительно благодаря окислительному стрессу, вызванному ультрафиолетовым излучением. Жизнь не пряталась в океанских глубинах вблизи богатых сероводородом гидротермальных источников или черных курильщиков, а очень рано вышла на поверхность океана и адаптировалась путем эволюции мощных антиоксидантных ферментов типа каталазы. Если бы не ультрафиолетовое излучение и созданные им условия, фотосинтез за счет расщепления воды никогда бы не появился. Более того, эволюция оксигенного фотосинтеза буквально висела на волоске: она зависела от случайной связи, соединившей две молекулы каталазы.

Если вам кажется, что эта гипотеза держится лишь на вероятности одного случайного события, вспомните, что в отличие от способности летать или видеть, которая эволюционировала неоднократно, оксигенный фотосинтез появился лишь однажды. Все водоросли и растения, вся зеленая планета используют одну и ту же систему. Все получили ее в наследство от цианобактерий, которые изобрели ее лишь однажды, вероятно, 3,5 млрд лет назад. Никакие другие клетки на Земле самостоятельно не изобретали способов расщепления воды. Все известные кислород-выделяющие комплексы имеют родственную структуру, напоминающую структуру каталазы. Возможно, и на Марсе когда-то была жизнь, и она нашла другой способ превращения менее интенсивного солнечного излучения. Но каталазы там не было. Без каталазы невозможен оксигенный фотосинтез. Без фотосинтеза в воздухе не накапливается кислород. А без кислорода нет многоклеточных форм жизни, нет маленьких зеленых марсиан, нет войны миров.

Я вас убедил? Возможно, нет, но я привел не все доводы. Как мне кажется, самые убедительные доказательства предоставляет не моделирование атмосферных процессов или анализ cтруктурного и функционального сходства ферментов, а сравнительная генетика. Не генетика фотосинтеза, которую мы пока еще не прояснили в достаточной степени, а генетика дыхания. Как жизнь впервые смогла использовать кислород для извлечения энергии из пищи? И здесь интуиция нас подводит. Кажется невероятным, чтобы организмы, способные дышать кислородом, эволюционировали до появления кислорода в атмосфере. Конечно, они не могли появиться до изобретения оксигенного фотосинтеза! Мы просто не можем думать иначе. Но в соответствии с революционной гипотезой, которую предложили и доказательно отстаивали Жозе Кастрезана и Матти Сарасте из Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге, все было наоборот[45]. Кислородное дыхание эволюционировало до фотосинтеза, а существа, способные дышать кислородом, появились до появления кислорода в воздухе. Доказательством служит одноклеточное создание, называемое последним универсальным общим предком (LUCA, Last Universal Common Ancestor). Мы познакомимся с ним в следующей главе.

Глава восьмая. Портрет LUCA. Последний общий предок из докислородной эпохи

Название «последний универсальный общий предок» (LUCA, от Last Universal Common Ancestor) было придумано в солнечном Провансе, на юге Франции, в 1996 г. Это произошло во время удивительного, редкого собрания ученых. Здесь были химики, изучавшие химические основы возникновения жизни, молекулярные биологи, пытавшиеся проанализировать истоки и эволюцию генетической репликации, микробиологи, исследовавшие строение бактерий из гидротермальных источников  метаболические признаки самых первых организмов, а также генетики, сравнивавшие полные геномы живых организмов для выявления их эволюционного родства. Имя LUCA оказалось удачным компромиссом между LUA (Last Universal Ancestor) и LCA (Last Common Ancestor) и менее неуклюжим и уродливым, чем «центральный предок» или «прогенот». LUCA ассоциируется  с Люси — нашим африканским предком — и, кажется, отражает траекторию развития жизни на Земле. Она (это наверняка она!) представляла собой симпатичное существо, породившее жизнь на нашей планете. Эта клетка была не первым живым существом, а последним общим предком всех известных форм жизни, которые существуют сейчас или существовали когда-либо. Люди, бактерии, водоросли, грибы, рыбы, млекопитающие, динозавры, травы и деревья — все мы обязаны своим существованием LUСА.

Мы не знаем точно, когда и где обитал последний общий предок, однако большинство исследователей сходятся во мнении, что это было 3,5 или 4 млрд лет назад. Это одноклеточное существо (хотя некоторые считают, что оно даже не было клеткой в полном смысле слова) обитало в океане. Мы не знаем, жили ли эти клетки в полном одиночестве в пустом мире, обменивались ли генами с родственными клетками или вели непримиримую борьбу с какими-то другими ранними формами жизни. Если у LUСА и были современники, все они вымерли, не оставив никакого следа: LUСА стала прародительницей всех форм жизни на Земле, как Ева — прародительницей человечества.

Это означает, что свойства LUСА определили всю последующую эволюцию жизни на Земле. Поэтому резонно заключить, что любые признаки, свойственные всем живым организмам, когда-то были признаками самого последнего общего предка и перешли ко всем его потомкам с разной степенью модификации. Какие-то признаки современных форм жизни, например фотосинтез, есть только у некоторых групп, таких как цианобактерии, пурпурные бактерии и водоросли (которые дали начало растениям), так что они, по-видимому, эволюционировали только в этих группах уже после LUСА (если только эти признаки не были потеряны всеми другими потомками LUСА, что кажется маловероятным, но все же возможно). Таким образом, портрет LUСА можно составить, хотя бы теоретически, путем сравнения всех когда-либо живших на Земле организмов. Общие для всех организмов свойства, вероятнее всего, были унаследованы ими от LUCA.

Возможно, сравнение всех живых организмов кажется непосильной задачей, однако ученым удалось определить несколько свойств последнего общего предка. На первый взгляд, эти свойства могут показаться невероятными, но за ними скрывается определенная логика. Очень важно отметить, что эти данные согласуются с доказательствами, представленными в предыдущей главе. Скорее всего, LUCA могла использовать кислород для получения энергии еще в те времена, когда в воздухе отсутствовал кислород. Эта клетка была способна уберечь себя от окислительного стресса, вызванного ультрафиолетовым излучением. Сначала она создала средства защиты, что позволило изобрести оксигенный фотосинтез. Таким образом, первой движущей силой, стимулировавшей развитие сложных форм жизни на Земле, были свободные радикалы кислорода. В данной главе мы поговорим о том, какую информацию можно извлечь, изучая гипотетический портрет LUСА.

Поэт и эрудит Гёте однажды заметил, что нельзя понять Италию, не побывав на Сицилии. В биологии ничего нельзя понять, не поняв теорию эволюции, которая позволяет интерпретировать смысл невероятного биологического разнообразия. Справедливость идеи о том, что эволюция является результатом естественного отбора, в основном подкрепляется не отдельными впечатляющими экспериментами, а каждодневными наблюдениями миллионов биологов во всем мире. Эти бесчисленные наблюдения и oткрытия подтверждают фундаментальное единство жизни.

[42] У нас нет неопровержимых доказательств, но кое-что нам известно. Во-первых, механизмы реакций очень похожи. И каталаза, и ВРК связывают две идентичные молекулы (либо 2Н2О2, либо 2Н2О), которые затем реагируют между собой по очень похожей схеме и выделяют кислород. Во-вторых, оба фермента содержат в своем центре кластеры марганца. Хайман Гартман и другие отмечали, что марганцевый центр каталазы очень напоминает по структуре половину марганцевого центра КВК, так что действительно КВК мог образоваться в результате связывания двух молекул каталазы. Однако может оказаться, что структурное сходство между каталазой и KBK — всего лишь совпадение или результат конвергентной эволюции, как эволюция крыльев на основе разных структур у насекомых, птиц и летучих мышей. Но даже если сходство является доказательством генетического родства, мы пока не можем исключить, что это каталаза образовалась из КВК, а не наоборот.

[43] Английский богослов Уильям Палей в книге «Естественная теология» доказывал существование Творца. В частности, он писал, что, если мы находим на улице часы, мы не думаем, что это ураган собрал воедино множество мельчайших деталей; но строение часов намного проще строения любого самого примитивного живого существа, которое никак не могло появиться случайно. — Примеч. пер.

[44] Используем число Авогадро — 6,023 × 1023 — число молекул в одном моле вещества. Один моль пероксида водорода весит 34 г, следовательно, 1 г пероксида водорода содержит 6,023 × 1023/34 ≈ 177 × 1021 молекул. Масса ста миллиардов молекул составляет 100 млрд / 177 × 1021 = 56 × 10-12 г.

[45] К глубочайшему сожалению, Мати Сарасте скончался 20 мая 2001 г. в возрасте 52 лет. На похоронах коллеги из Гейдельберга процитировали его слова, и это, как мне кажется, лучшая дань его памяти и свидетельство великолепия и магии биохимии. Я надеюсь, что жти слова вдохновят будущих студентов.