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

Сера в связи с водородом (-SH) входит в состав лишь одной из 20 основных аминокислот — ничем не примечательной маленькой молекулы цистеина, состоящей из 14 атомов. Единственная SH-группа цистеина называется тиогруппой (а также тиоловой, или сульфгидрильной, группой). Тиолы — очень нежные, легко окисляющиеся соединения. Я представляю их в виде одуванчиков, тихонько покачивающих желтыми серными головками. Окисление тиолов может привести к одному из двух результатов. Во-первых, при удалении атома водорода (протона и электрона) два соседних серных обрубка могут связываться друг с другом, образуя так называемую дисульфидную связь (дисульфидный мостик). В присутствии кислорода дисульфидные мостики более устойчивы, чем неокисленные тиолы, и очень важны для стабилизации трехмерной структуры внеклеточных белков. Во-вторых, тиолы могут подвергаться так называемому S-нитрозилированию, открытому в конце 1990-х гг. благодаря работам Джонатана Стемлера — последнего из биохимиков Университета Дьюка, сформировавших биохимию свободнорадикальных процессов. Стемлер и его коллеги считают, что окислительный стресс усиливает выработку еще одного свободного радикала — оксида азота (NO+). Сам по себе этот радикал не очень активен, но в синергизме с другими радикалами окисляет тиолы. В таком случае продуктом реакции оказывается не дисульфидная связь, а тоже вполне устойчивый S-нитрозотиол (-SNO). Образование дисульфидных мостиков или S-нитрозотиолов приводит к обратимой модификации структуры белка. Присоединение атомов водорода из глутатиона или тиоредоксина позволяет вернуть исходные тиоловые группы.

Структура белков напрямую связана с их активностью, поэтому тиогруппы определяют не только структуру белков, но и их активность. Другими словами, окислительное состояние тиолов может служить молекулярным переключателем активности белков, содержащих тиогруппы. Список белков с чувствительными тиогруппами продолжает расти, и к их числу относятся некоторые важнейшие транскрипционные факторы (белки, связывающиеся с ДНК и стимулирующие транскрипцию генов для синтеза новых белков). Способность этих факторов проникать в ядро клетки и связываться с ДНК зависит от состояния тиогрупп.

Внутри здоровой клетки содержится множество тихонько покачивающихся тиогрупп. Они находятся в неокисленном состоянии под присмотром глутатиона и тиоредоксина. Любая окисленная «по ошибке» тиогруппа тут же возвращается в исходное состояние. Глутатион и тиоредоксин образуются за счет энергии клеточного дыхания, как мы видели в главе 9 при обсуждении витамина С. В норме на это отводится небольшая часть клеточных ресурсов. Однако в условиях окислительного стресса ситуация резко изменяется.

Что происходит в клетке при окислительном стрессе? Источником стресса может быть избыток кислорода, инфекция или болезнь. Но результат один и тот же — повсюду разбегаются свободные радикалы. В работу сразу включаются антиоксиданты, такие как витамин С, обрывающие цепные реакции. Они регенерируются при участии глутатиона, но потери неизбежны. При исчерпании запаса антиоксидантов свободные радикалы производят еще более значительные разрушения. Начинают окисляться тиоловые группы белков. Некоторые восстанавливаются глутатионом и тиоредоксином, но равновесие сдвигается. Это зона вооруженного конфликта. Защитники не могут каждую ночь восстанавливать разбомбленные мосты. Уже в половине клеточных белков тиогруппы окислены, и активность этих белков выключена в ожидании конца войны. Другие белки включены. На защиту последнего бастиона, ядра, встает ополчение — транскрипционные факторы. Они связываются с ДНК в ядре и стимулируют синтез новых белков. Но каких белков? Выбор далеко не случайный. Клетке нужно принять серьезное решение: продолжить борьбу или покончить с собой (этот процесс называется апоптозом) во имя процветания всего организма. Решение зависит от вероятности успеха, в частности от количества и состояния транскрипционных факторов в ядре. Афоризм Ницше действует и на молекулярном уровне: что нас не убивает, делает нас сильнее.

Если клетка решает продолжить борьбу, а не умереть непобежденной, она применяет набор защитных мер, который одинаков у всех живых организмов — от Е. coli до человека. На настоящий момент защитная система Е. coli изучена лучше других — отчасти по той причине, что бактериальные гены организованы в функциональные кластеры, называемые оперонами. Гены в таких кластерах легче идентифицировать. Окисление тиогрупп приводит к активации двух основных транскрипционных факторов Е. соli. Один из них представляет собой содержащий тиогруппу белок под непонятным названием OxyR, другой — белок SoxRS с серой в составе железосерного кластера. В окисленном состоянии эти два фактора контролируют транскрипцию десятка генов, продукты которых усиливают антиоксидантную защиту клетки.

Список человеческих транскрипционных факторов, активность которых контролируется путем окисления тиогрупп, постоянно растет и включает в себя NFκ(каппа)В, Nrf-2, АР-1 и Р53. Для нашего рассказа самыми важными являются NFκB и Nrf-2. NFκB руководит реакцией на стресс путем активации генов нескольких «агрессивных» воспалительных молекул и нескольких защитных антиоксидантов. Nrf-2 играет исключительно защитную роль, в частности отключает гены воспалительных молекул. Таким образом, оба фактора усиливают клетку, но за счет противоположных действий. Они — как два генерала в военном штабе: один выступает за тотальную войну, другой занимает миротворческую позицию. Результат зависит от того, насколько каждому из них удастся убедить остальных членов штаба. В случае транскрипционных факторов это определяется количеством активированных белков. Если в ядро попадает 1000 белков, активированных NFκB, и только 100 белков, активированных Nrf-2, клетка начнет войну, запуская воспалительную реакцию против захватчиков и усиливая собственную защиту. Если побеждает Nrf-2, клетка выстраивает баррикады и ждет нападения. В любом случае дополнительная защита обеспечивает немедленное преимущество, но также позволяет оказывать сопротивление в будущем, вне зависимости от характера нападения. Предупрежден — значит, вооружен.

Каковы же продукты этих защитных генов? Некоторые из них пока не идентифицированы, с другими мы уже знакомы. Как можно догадаться, активизируется синтез СОД, каталазы и других антиоксидантных ферментов. Новые метаболические белки сопрягают клеточное дыхание с регенерацией глутатиона и тиоредоксина. Синтезируются дополнительные, находящие и связывающие свободное железо белки, а кроме того, ряд индуцируемых стрессом белков («стрессовых белков»), которые занимаются спасением того, что можно спасти, как спасательная служба после бомбардировки. Безнадежно испорченные белки направляются на расщепление и реутилизацию. Те, что повреждены, но подлежат восстановлению, упаковываются правильным образом при помощи белков-шаперонов. Другие белки занимаются починкой ДНК, отщепляя окисленные фрагменты, заменяя негодные участки и зашивая разрывы.

Все эти действия направлены на восстановление нормального физиологического состояния клетки, однако (за исключением активности антиоксидантных ферментов) неэффективны в случае длительных военных действий. Впрочем, существуют белки, которые могут подготовить клетку к будущим нападениям. Два самых мощных — металлотионеин и один из вариантов гемоксигеназы, стрессовый белок НО-1. Эти белки усиливают сопротивляемость клетки по отношению к целому спектру возможных неприятностей — от загрязнения тяжелыми металлами до ионизирующего излучения и инфекции, — которые связаны между собой тем, что могут вызывать окислительный стресс. Эти белки — более мощная защита, чем любые пищевые антиоксиданты, однако их включение требует введения «комендантского часа», сопряженного с прекращением нормальной физиологической деятельности клетки.

К сожалению, арьергардный бой может приводить к неожиданным последствиям: антиоксиданты в составе пищевых добавок способны усиливать некоторые заболевания. Дело в том, что сигналом к синтезу металлотионеина и гемоксигеназы служит окисление тиогрупп. Тиогруппы окисляются тогда, когда заканчиваются запасы антиоксидантов. Поэтому прием антиоксидантов может подавить сигнал путем восстановления тиогрупп, что лишает клетку ее самых надежных союзников. Это не пустая фантазия и не метафора. Роберто Моттерлини и Роберта Форести из Института медицинских исследований в Нортвик Парке в Лондоне показали, что добавление антиоксидантов к клеткам, находящимся в состоянии окислительного стресса (особенно антиоксидантов, способных регенерировать тиогруппы, таких как N-ацетилцистеин), мешает клетке синтезировать гемоксигеназу и делает ее более уязвимой. В человеческом организме подавление или прекращение синтеза гемоксигеназы может вызвать катастрофические последствия.

О важности таких ферментов можно судить по одному удивительному случаю, о котором сообщали исследователи из Университета Канадзавы (Япония) в 1999 г. Это первый зарегистрированный случай недостаточности гемоксигеназы у человека. У несчастного шестилетнего мальчика наблюдалось замедление роста, дефект свертывания крови, гемолитическая анемия и серьезное поражение почек. И все эти беды были связаны с отсутствием одного фермента, который синтезируется только во время окислительного стресса. Похожие проблемы возникают и у животных. Кеннет Посс и Сусуми Тонегава из Массачусетского технологического института показали, что «нокаутные» мыши с дефектной гемоксигеназой страдают от серьезных воспалительных заболеваний, напоминающих гемохроматоз у человека (избыточное содержание железа в организме, см. главу 9). У лишенных гемоксигеназы мышей наблюдается значительное накопление железа в тканях и органах, приводящее к патологическому увеличению селезенки, фиброзу печени, различным иммунным нарушениям, потере веса, ограничению подвижности и преждевременной смерти. Кроме того, у них на 25% уменьшен размер семенников по сравнению с нормальными животными из того же помета и отсутствует либидо, что характерно и для людей с наследственным гемохроматозом.

Поскольку недостаточность гемоксигеназы имеет столь серьезные последствия, возникает вопрос, не является ли некоторая степень окислительного стресса нормой. В таком случае уровень гемоксигеназы должен изменяться по механизму саморегуляции. Как мы увидим в главе 15, постоянно высокий уровень гемоксигеназы, возможно, оказывает благотворное влияние на состояние нашего здоровья в старости.

Мы прошли долгий путь, начав с обсуждения функций витамина С. Я надеюсь, эта глава позволила вам рассеять представление об антиоксидантах как о пищевых добавках, которые помогают жить вечно. Все наше тело — машина по производству антиоксидантов, начиная от отдельной клетки и заканчивая организмом в целом. Осознать это мешает наше глубоко укоренившееся, наивное желание найти единственную цель, но в биологии так бывает редко. Мы привыкли считать, что машина нужна, чтобы ездить, работа — чтобы зарабатывать деньги, жизнь — чтобы жить. Для нас митохондрии — аппарат для выработки энергии, гемоглобин — белок для доставки кислорода, а витамин С — антиоксидант для защиты от свободных радикалов. Я сравнивал кожу со слоем мертвых клеток в строматолите. Это сравнение вполне оправданно. Мы не можем дышать через кожу, как рептилии. Однако кожа — еще и барьер, предотвращающий испарение жидкости и проникновение инфекции, а также важный эстетический элемент. Очень немногие структуры или молекулы служат всего для одной-единственной цели, по крайней мере в биологии, и следует избавляться от привычки искать эту единственную цель. Кроме того, не нужно пытаться всегда давать четкое (и, следовательно, одномерное) определение различных понятий.

В главе 9 мы говорили о том, что витамин С выполняет разные функции, за которыми стоит одно и то же молекулярное действие. То же самое можно сказать о СОД, каталазе или гемоксигеназе. На молекулярном уровне их действие всегда одинаковое, но результаты могут быть разными и служить для решения совершенно разных задач. Например, действие СОД очень простое — удаление супероксидных радикалов. Но результат — не только антиоксидантная защита, но и передача сигнала. Если скорость образования свободных радикалов превышает скорость их удаления при участии СОД, некоторые радикалы могут окислять тиогруппы в белках, заставляя транскрипционные факторы немедленно перемещаться в ядро. В ядре эти факторы связываются с ДНК и стимулируют синтез новых белков, которые помогают восстановить нормальное состояние клетки. Другими словами, клетка адаптируется к небольшим изменениям условий, таким как незначительное усиление окислительного стресса, путем изменения белкового состава. Поможем ли мы клетке, если блокируем этот путь за счет приема избытка СОД или других антиоксидантов? Кто знает. Мы уже видели, что такое действие может вызвать негативный эффект: окисление тиогрупп активирует синтез гемоксигеназы. Если концентрация гемоксигеназы зависит от окислительного состояния клетки, нарушение этого хрупкого равновесия может притупить ответ организма на внезапные сильные изменения, например при инфекционном заболевании. Возможно, именно поэтому так сложно подтвердить обнаруженное Полингом защитное действие витамина С при обычной простуде. Вред от подавления синтеза таких стрессовых белков, как гемоксигеназа, может пересиливать всю пользу витамина С.

Но при всей неопределенности нельзя отрицать, что употребление в пищу овощей и фруктов оказывает на человеческий организм благотворное влияние. И если это имеет какое-то отношение к работе антиоксидантов, приходится признать, что наша с вами машина по производству антиоксидантов далека от совершенства. Возможно, дополнительные антиоксиданты ликвидируют оставшиеся свободные радикалы, которые в противном случае могли бы повреждать ДНК и белки, снижая жизнеспособность клеток и всего организма в целом. Однако может оказаться, что польза фруктов связана совсем с другими факторами, например со слабыми токсинами, стимулирующими образование стрессовых белков. Токсины предохраняют фрукты от поедания раньше времени или не теми животными, для которых они предназначены. Возможно, именно комбинация антиоксидантов и слабых токсинов объясняет пользу фруктов, и совершенно очевидно, что этот благотворный эффект невозможно воспроизвести с помощью пищевых добавок.

Полстолетия назад пионер в области свободнорадикальных процессов в биологии Ребека Гершман задавалась вопросом, не может ли постепенное ослабление антиоксидантной защиты быть одним из факторов, вызывающих старение и смерть. Эта идея лежит в основе свободнорадикальной теории старения. Я надеюсь, вы поняли, что наша антиоксидантная защита гораздо сложнее, чем могли предположить Гершман или даже Полинг. Осознание этой сложности — результат активного развития молекулярной биологии. Но мы все еще не знаем, можно ли замедлить старение, предотвращая ослабление антиоксидантной защиты, или некоторая степень ослабления необходима для сопротивления стрессу. Если прерывание цепных реакций не столь важно, как реакция на стресс, нельзя ли замедлить старение путем прямого воздействия на стрессовые реакции? Вооружившись новыми знаниями о роли антиоксидантов, мы рассмотрим эти вопросы в следующих четырех главах.

Глава одиннадцатая. Половое размножение и сохранность организма. Компромиссы в эволюции старения

Мысли о смерти угнетали царя Урука Гильгамеша, и он захотел обрести бессмертие. В поисках Утнапишти, знавшего секрет бессмертия, царь прошел 12 лиг тьмы, где света не было от восхода до заката. Утнапишти сказал Гильгамешу, что искать бессмертия — все равно что охотиться за ветром, но все же открыл тайну богов: один подводный цветок может вернуть человеку молодость и прежнюю силу. Гильгамеш добыл Цветок Вечной Молодости, но не успел им воспользоваться, поскольку его украла змея. Змея сбросила кожу и уплыла. Гильгамеш заплакал, вернулся в Урук с пустыми руками и велел записать эту историю на глиняных табличках. Его подвиги были воспеты народом, и, когда он умер, все жители города от мала до велика не могли сдержать рыданий. Все люди из плоти и крови плакали.

«Сказание о Гильгамеше» — древнейший из дошедших до нас шедевров шумерского эпоса древней Месопотамии, оно как минимум на 1500 лет старше творений Гомера. Эта древняя история повествует о дружбе и героизме, но также о вечных человеческих заботах: боли утрат, старости, смерти и поисках бессмертия. Эти темы неотделимы от человеческой истории и присутствуют в ней вполне вещественным образом: человек всегда был убежден в возможности вернуть себе молодость с помощью какого-то магического предмета: растения, божественного нектара, Чаши Грааля, рога изобилия, эликсира жизни, философского камня или гормона роста.

И биологи наравне с другими верят в антидот против старости. В истории биологии было множество странных «открытий». Например, в 1904 г. русский иммунолог и лауреат Нобелевской премии Илья Мечников заявил, что старость вызывают токсины, выделяемые кишечными бактериями. Он рассматривал толстую кишку как необходимый ад, как резервуар отходов, который отключает потребность дефекации, когда нужно бежать за добычей или спасаться от хищника. Он восхищался болгарскими долгожителями и приписывал их удивительное здоровье йогурту, которого тогда в Западной Европе еще не знали. Мечников считал, что люди смогут жить до 200 лет, если будут есть йогурт, содержащий множество «самых полезных микробов, которые накапливаются в пищеварительном тракте и останавливают гниение и вредную ферментацию». В чем-то он был прав: кишечные бактерии не позволяют изменять максимальную продолжительность жизни, но действительно влияют на состояние здоровья[65].

Другая теория связывала старение мужчин со снижением функции семенников. В 1889 г. знаменитый французский физиолог Шарль Эдуард Броун-Секар объявил Биологическому обществу в Париже, что омолодил свой мозг и тело с помощью инъекций жидкости, экстрагированной из семенников собак и морских свинок. Инъекции не только повышали физическую силу и интеллектуальные возможности, но также помогали от запоров и нормализовали мочеиспускание. Позднее некоторые врачи пытались осуществлять имплантацию семенников или их фрагментов в мошонку пациентов. Например, главный врач тюрьмы Сан-Квентин в Калифорнии Лео Л. Стенли в 1918 г. начал пересаживать пациентам семенники, удаленные у недавно казненных заключенных. Некоторые из пациентов, как сообщалось, полностью восстановили свои сексуальные функции. К 1920 г. из-за нехватки человеческих желез Стенли начал пересаживать железы баранов, козлов, оленей и хряков, которые, по его сообщениям, работали так же хорошо. Он провел сотни операций пациентам со столь разными состояниями, как старческая немощь, астма, эпилепсия, туберкулез, диабет и гангрена.

Высокий спрос на железы в 1920-х и 1930-х гг. позволил как минимум двум врачам неплохо подзаработать. Французский врач русского происхождения Серж Воронов пересаживал железы обезьян своим здоровым и респектабельным пациенткам, чтобы продлить им жизнь. Этот уважаемый врач и биолог экспериментировал на евнухах двора египетского короля и пересаживал женщинам яичники обезьян (с печальными последствиями). Известный американский шарлатан «доктор» Джон Р. Бринкли произвел трансплантацию сотен фрагментов семенников козла своим стареющим пациентам из Милфорда в Канзасе. Он достиг такой популярности, что даже участвовал в выборах на пост губернатора в 1930 г. Каждый пациент получал возможность самостоятельно выбрать козла из стада доктора. Финансовый успех позволил Бринкли создать в Канзасе первую радиостанцию, которую он назвал KFKB («Первая в Канзасе, лучшая в Канзасе») и с помощью которой рекламировал свои чудодейственные медицинские услуги, в том числе пересадку козлиных желез. После нескольких судебных разбирательств и преследований со стороны Федерального радио и Американской медицинской ассоциации Бринкли бежал в Мексику, где основал новую, еще более мощную радиостанцию и продолжил свои постыдные опыты, которые принесли ему около 12 млн долларов. Говорят, в его поместье в Техасе жили пингвины и гигантские галапагосские черепахи. Однако все это продолжалось недолго. Бесконечные судебные преследования и штрафы вынудили его в 1941 г. объявить себя банкротом. Здоровье его было подорвано, и в результате инфаркта, почечной недостаточности и ампутации ноги этот самый известный в Америке шарлатан умер без копейки денег в возрасте 57 лет.

Погоня за вечной молодостью — не только исторический курьез. В более поздние времена витамин С, эстроген, мелатонин, теломераза и гормон роста тоже объявлялись чудодейственными средствами от старости. Каждое из них по-прежнему имеет множество поклонников, но, какими бы ни были реальные возможности этих веществ, их неспособность увеличивать максимальную продолжительность жизни очевидна. Медицина дистанцировалась от подобных исследований, но результат такой политики нельзя назвать полностью положительным. Существующее в рамках традиционной медицины мнение о том, что старение в каком-то смысле является необходимым или неизбежным и, следовательно, находится за рамками научных медицинских исследований, способствует сгущению тайны. Даже сегодня изучение проблем старения редко относят к области «чистой» медицины, и до сих пор эта область исследований запятнана воспоминаниями об экспериментах таких шарлатанов, как Бринкли. В большинстве стран на медицинских факультетах не преподают геронтологию. Но, как бы медицина ни открещивалась от изучения процессов старения, она накопила невероятное количество информации относительно старческих заболеваний. Вся эта информация составляет основы геронтологии, даже если многие врачи считают себя не геронтологами, а кардиологами, неврологами, онкологами или эндокринологами. Мало кто из них читает журналы для врачей других специальностей, и поэтому общее состояние исследований сформулировать сложно.

Изучая отдельные заболевания, врачи никогда не обращали серьезного внимания на теорию эволюции и обычно рассматривали патологические процессы с механистической точки зрения. Например, мы знаем в мельчайших подробностях, как окисленный холестерин накапливается в артериях, формируя атеросклеротические бляшки, как эти бляшки отрываются, а образующиеся тромбы приводят к инфаркту. Мы также знаем, как предотвратить беду хотя бы временно: как понизить уровень холестерина или расширить коронарные артерии с помощью лекарств и как спасать сердечную мышцу после инфаркта. Но мы гораздо меньше знаем о том, как болезни сердца связаны с другими возрастными заболеваниями, такими как рак, и можно ли предотвратить оба заболевания, действуя на общую причину. Как мы обсудили в двух последних главах, самое большее, что мы можем посоветовать людям при всех успехах современной медицины, это потреблять больше зелени, не совсем понимая почему. К счастью, эта грустная картина потихоньку изменяется. В нашем седеющем мире столько рисков, что многие исследователи напрямую начинают заниматься проблемами старения. В настоящее время геронтология — одно из самых продуктивных направлений биологии, которое привлекает к себе больше интереса, чем когда-либо со времен алхимиков. Наконец-то из гор биологических и медицинских фактов формируются обобщающие и проверяемые гипотезы.

Полстолетия назад на лекции по поводу избрания на должность профессора зоологии Университетского колледжа Лондона Питер Медавар называл старение большой нерешенной проблемой биологии. Возможно, многие люди, не работающие в этой области, до сих пор не видят изменений. Но это не так. Развиваются и движутся навстречу друг другу две основные теории — теории программированного и стохастического старения. Теория программированного старения утверждает, что процесс старения заложен на генетическом уровне, как и другие процессы развития, такие как рост эмбриона, пубертатный период или климакс. Напротив, стохастическая теория предполагает, что старение представляет собой износ организма в процессе жизненного пути и не запрограммировано на генетическом уровне. По-видимому, как это часто бывает в науке, истина лежит где-то посредине и отчасти соответствует обеим теориям. Мы не знаем ответов на все вопросы и не можем объяснить многие детали, но в целом уже понимаем, как и почему мы стареем. Как заявлял знаменитый британский геронтолог Том Кирквуд, старение не является неизбежным биологическим процессом и не следует какой-то определенной генетической программе, хотя практически наверняка записано в генах. Далee мы увидим, что кислород не только имеет непосредственное отношение к старению и смерти, но также сыграл роль в возникновении полового размножения и системы двух полов. Нам с вами предстоит ответить на несколько вопросов. В какой степени старение связано со старческими заболеваниями? Можно ли управлять процессом старения, учитывая сложную организацию человеческого организма? В следующих главах мы попытаемся в этом разобраться, но сначала нам придется обсудить несколько основных принципов биологии.

Старость, или, точнее, физическое старение — возрастное ослабление физиологических функций, — не является неизбежной. В главе 8 мы говорили о последнем универсальном общем предке всех живых организмов (LUCA), с которым все мы связаны непрерывной цепью предшественников. Мы знаем это, поскольку, как и наши очень дальние родственники бактерии и археи, сохранили почти без изменения некоторое количество генов LUCA. Если бы между нами не существовало родственных связей, невозможно было бы объяснить общие свойства всех форм жизни на самом базовом уровне. Поскольку жизнь постоянно изменялась (эволюционировала), можно сказать, что она «повзрослела», но неправильно говорить, что мы все являемся продуктом старения примордиальной ДНК. Вина, сыры и некоторые люди с годами улучшаются, но старение, дряхление — это не улучшение. Посмотрите вокруг, и вы увидите, как процветает жизнь в почтенном возрасте около 4 млрд лет. Если мы согласны, что все формы жизни произошли от общего предка, значит, старение не неизбежно.

Жизнь не стареет, а эволюционирует благодаря механизму естественного отбора. Эволюционную теорию Дарвина часто передают фразой «выживает наиболее приспособленный», принадлежащей английскому философу Герберту Спенсеру. Эволюционные биологи не любят это выражение, поскольку естественный отбор связан не только с выживанием, но и с воспроизведением. Наиболее успешно воспроизводящиеся особи с наибольшей вероятностью передают свои гены следующему поколению, а те, которые не могут воспроизводиться, исчезают (если только не умеют жить вечно). Но давайте на секунду остановимся и задумаемся над формулировкой Спенсера. Почему обитатели Земли пытаются себя воспроизвести? Что является причиной этого всеобщего стремления? Даже простейшие вирусы обладают сверхъестественной способностью реплицироваться. Трудно не поверить в существование какой-то мистической жизненной силы, заставляющей всех на свете воспроизводиться. Но, если отбросить эту идею, придется искать другое объяснение.

Все дело в том, что только воспроизведение может обеспечить выживание. Любая сложная форма материи в конечном итоге распадается под действием тех или иных факторов. Даже горы со временем подвергаются эрозии. Чем сложнее структура, тем больше вероятность ее распада. Органическое вещество очень хрупкое и рано или поздно разрушается под действием ультрафиолетового излучения или химических веществ. Составляющие его атомы вновь используются в тех или иных сочетаниях. Простая молекула СО₂ гораздо стабильнее молекулы ДНК. Но если частица материи умеет реплицироваться, вероятность ее сохранности удваивается. Теперь только время решает, как долго проживет дочерний организм, а если дочернему организму тоже удастся себя воспроизвести, частица материи сохраняется бесконечно.

Способность к репликации не имеет в себе ничего сверхъестественного. Как утверждал химик Грэхем Кернс-Смит из Глазго в книге «Семь ключей к происхождению жизни», кристаллы глины воспроизводятся на дне ручьев исключительно за счет физических процессов. Вряд ли вы заподозрите, что в этом задействована какая-то магическая жизненная сила. Так что жизнь настойчиво пытается себя воспроизвести по той причине, что иначе она вообще не могла бы существовать. Выживают только способные к репликации единицы, поэтому все живые существа должны уметь реплицироваться.

Учитывая тенденцию материи к распаду, очень важна скорость репликации. Если считать, что скорость распада является величиной постоянной, для выживания скорость репликации должна быть выше этой величины. Этим соотношением в 1973 г. заинтересовался химик Лесли Оргел из Института Солка в Сан-Диего. Он рассуждал о поведении популяции «бессмертных» клеток в клеточной культуре, подвергающихся воздействию излучения разной интенсивности. В данном случае бессмертными клетками называют популяцию клеток, способную делиться бесконечно и не стареть (это не означает, что составляющие популяцию индивидуальные клетки не погибают или не умирают). Так ведут себя клетки двух типов — бактериальные и опухолевые. И те и другие могут расти в клеточной культуре без каких-либо признаков старения, но в каждый момент времени какая-то часть клеток (вероятно, от 10 до 30%) не имеет возможности делиться. Эти клетки умирают, но их место занимает потомство делящихся клеток. Оргел показал, что при облучении «бессмертной» популяции клеток с такой интенсивностью, при которой вероятность выживания дочерних клеток не превышает 50% (при этом скорость репликации становится ниже скорости распада), популяция постепенно начнет вымирать и со временем (теоретически) исчезнет. При более низкой интенсивности облучения популяция может расти, хотя и медленнее, чем в контроле.

Мы уже знаем, что влияние излучения на биологические молекулы в значительной степени связано с расщеплением воды и с образованием свободных радикалов, таких как гидроксильные радикалы. Они не выбирают мишени, а нападают практически на любые органические молекулы и повреждают их. Эти атаки беспорядочны и беспрерывны. При сохранении целостности клетки повреждение белков и липидов не обязательно ведет к смертельному исходу. Если у клетки есть достаточный запас энергии, биологические молекулы могут быть восстановлены или заменены новыми в соответствии с инструкциями, записанными в ДНК[66]. Дело обстоит сложнее при повреждении самой ДНК. Если в результате этого начинают синтезироваться нефункциональные белки, не способные выполнять какую-то важную работу в клетке, например синтезировать другие белки, клетка практически наверняка погибает. Таким образом, центральным вопросом биологии является обеспечение сохранности ДHK, передаваемой из поколения в поколение.

[65] Следует различать среднюю и максимальную продолжительность жизни. В западных странах средняя продолжительность жизни за последние сто лет значительно выросла: гораздо меньше людей умирают от инфекционных болезней в детстве или при родах, и гораздо больше людей доживают до старости. Но, несмотря на эти серьезные демографические изменения, максимальная продолжительность жизни практически не изменяется. Людям редко удается пережить столетний юбилей. Возможно, в наше время таких людей стало чуть больше, но и в библейские времена, и теперь люди живут не дольше 115 — 120 лет. Если в науке не произойдет большого прорыва, такая продолжительность жизни может считаться максимальной.

[66] ДНК кодирует РНК и белки, которые, в свою очередь, создают клеточную инфраструктуру, обеспечивающую репликацию ДНК. Происхождение данной системы выходит за пределы нашего рассказа. Если вас интересуют подробности, рекомендую обратиться к книге Лесли Оргела (см. список литературы в конце книги).