Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни

Метафизики и поэты всегда вдохновенно писали о пламени жизни. Знаменитый алхимик Парацельс писал в XVI в.: «Человек, лишенный воздуха, угасает как огонь». Считается, что метафоры проливают свет на истину, однако я подозреваю, что метафизики с презрением отнеслись бы к «отцу современной химии» Лавуазье, утверждавшему, что «пламя жизни» — не метафора, а точный аналог настоящего пламени. Горение и дыхание — одно и то же, утверждал Лавуазье, придавая метафоре буквальный научный смысл (а этого поэты терпеть не могут). Лавуазье писал: «Дыхание — это медленное горение углерода и водорода, во всех отношениях похожее на то, что происходит в лампе или зажженной свече, и, с этой точки зрения, дышащие животные являются активными горючими материалами, которые горят и поглощают сами себя… транспортирует топливо само вещество животного, кровь. Если животные не будут регулярно восполнять за счет питания то, что они теряют за счет дыхания, в лампе скоро выгорит масло и животное погибнет, как потухает лампа, из-за недостатка питания»[28].

Животное извлекает углерод и водород из органических веществ, содержащихся в пище, например из глюкозы, так что Лавуазье был прав, когда писал, что запасы дыхательного «топлива» пополняются за счет питания. Четыре года спустя, во время Французской революции, Лавуазье казнили на гильотине. Бернард Джаффе в своей книге Crucibles: The Story of Chemistry from Ancient Alchemy to Nuclear Fission («Горнило. История химии от древней алхимии до расщепления ядра») выносит этому действию приговор потомков: «До тех пор, пока мы не поймем, что самым серьезным преступлением французской революции была не казнь короля, а казнь Лавуазье, наша система ценностей останется ущербной, ибо Лавуазье был одним из трех или четырех величайших мужей Франции». Сто лет спустя, в 1890-е гг., Лавуазье поставили памятник; правда, позже выяснилось, что скульптор взял за образец не Лавуазье, а Кондорсе, секретаря Академии в последние годы жизни Лавуазье. Французы прагматично решили, что «все люди в париках на одно лицо», и статуя оставалась на месте, пока ее не переплавили во время Второй мировой войны.

Лавуазье коренным образом изменил наше представление о химии дыхания, но даже он не знал, где же происходит этот процесс, полагая, что в крови, когда она проходит через легкие. На самом деле, этот вопрос оставался спорным на протяжении большей части XIX в., и только в 1870 г. немецкий физиолог Эдуард Пфлюгер наконец убедил коллег, что дыхание происходит внутри клеток тела и является общей особенностью всех живых клеток. Но и тогда никто не знал наверняка, в каком же месте клетки происходит дыхание; большинство считали, что в ядре. В 1912 г. Бенджамин Ф. Кингсбери предположил, что дыхание приурочено к митохондриям, но эта точка зрения была принята большинством ученых лишь в 1949 г., когда Юджин Кеннеди и Альберт Леннинджер впервые показали, что в митохондриях локализуются дыхательные ферменты.

Сжигание глюкозы в процессе дыхания — это электрохимическая реакция, а если точнее, окисление. Согласно современному определению, вещество окисляется, если теряет один или несколько электронов. Кислород (O₂) — мощный окислитель, так как имеет сильное химическое «влечение» к электронам и обычно «отбирает» их у таких веществ, как глюкоза или железо. Напротив, если вещество получает электроны, оно восстанавливается. Когда кислород получает электроны от глюкозы или железа, говорят, что он восстанавливается до воды (H₂O). Обратите внимание, что при образовании воды каждый атом молекулы кислорода также приобретает два протона (H⁺), чтобы уравновесить заряд. Это означает, что, в общем и целом, окисление глюкозы равнозначно переносу двух электронов и двух протонов, которые вместе составляют два целых атома водорода, от глюкозы к кислороду.

Окисление и восстановление называют встречно-параллельными реакциями: они всегда протекают вместе. Это связано с тем, что изолированные электроны нестабильны, и их нужно извлечь из другого соединения. Любая реакция, при которой происходит перенос электронов от одной молекулы к другой, называется окислительно-восстановительной, потому что один ее участник окисляется, а другой в то же самое время восстанавливается. По сути дела, все реакции, при помощи которых живые существа производят энергию, являются окислительно-восстановительными. Для этого необязательно нужен кислород. Многие химические реакции являются окислительно-восстановительными, так как при них происходит перенос электронов, но кислород в них не вовлечен. Окислительно-восстановительной реакцией можно считать даже электрический ток в аккумуляторе, потому что электроны «текут» от донора (который окисляется) к акцептору (который восстанавливается).

Таким образом, когда Лавуазье говорил, что дыхание — это реакция сгорания (или окисления), с химической точки зрения он был прав. Однако он заблуждался в своих предположениях не только о месте, где протекает дыхание, но и о его функциях. Он считал, что дыхание нужно для производства «неразрушаемого флюида» — тепла. Но люди — не горящие свечи. При сжигании топлива мы не просто испускаем энергию в форме тепла, а используем ее, чтобы бегать, думать, поднимать тяжести, готовить обед, заниматься любовью или, если уж на то пошло, изготавливать свечи. Все эти виды деятельности можно считать «работой», в том смысле, что для их совершения нужна энергия; спонтанно они не происходят. Представления о дыхании, которые отражали бы все эти соображения, не могли появиться до того, как люди лучше поняли природу самой энергии, а это произошло в середине XIX в., когда появилась наука термодинамика. Самое поучительное открытие, которое сделали английские ученые Джеймс Прескотт Джоуль и Уильям Томпсон (лорд Кельвин) в 1843 г., заключалось в том, что тепло и механическая работа взаимозаменяемы (на этом основано действие парового двигателя). Это привело к пониманию более общего принципа, впоследствии названного первым законом термодинамики: энергию можно перевести из одной формы в другую, но нельзя создать или разрушить. В 1847 г. немецкий врач и физик Германн фон Гельмгольц приложил эти идеи к биологии, показав, что энергия, высвобождающаяся из молекул пищи в процессе дыхания, частично используется для генерации силы мышцами. Такое приложение законов термодинамики к сокращению мышц было удивительно «механистичным» откровением, необычным для эпохи господства «витализма» — веры в то, что жизнь анимируют особые силы, или духи, которые нельзя воспроизвести химическим путем.

Благодаря новому взгляду на энергию постепенно сложилось понимание того, что молекулярные связи содержат скрытую «потенциальную» энергию, которая может высвобождаться в процессе реакций. Живые существа способны отчасти улавливать или «консервировать» эту энергию в разных видах, а затем направлять ее на совершение работы, например сокращение мышц. Поэтому на самом деле говорить о «производстве энергии» живыми существами некорректно, хотя это настолько удобное выражение, что мне уже не раз случалось впадать в ересь. Когда я говорю «производство энергии», я имею в виду конверсию потенциальной энергии химических связей питательных веществ, например глюкозы, в биологическую энергетическую «валюту», которую организмы используют для совершения разнообразной работы; иными словами, я имею в виду производство большего количества такой «энергетической валюты». Именно о ней сейчас и пойдет речь.

«Цитохроматизм»

К концу XIX в. ученые знали, что дыхание происходит в клетках и является источником энергии для жизни. Но вопрос о том, как именно это происходит, как энергия, высвобождающаяся в процессе окисления глюкозы, связана с энергетическими потребностями жизни, оставлял простор для догадок.

Было ясно, что глюкоза не воспламеняется самопроизвольно в присутствии кислорода. Как говорят химики, кислород активен термодинамически, но устойчив кинетически: он медленно вступает в реакции. Это связано с тем, что перед тем, как вступить в реакцию, кислород должен быть «активирован». Такая активация требует либо вложения энергии (например, при зажигании спички), либо присутствия катализатора — вещества, снижающего энергию активации, необходимую для реакции. Ученым Викторианской эпохи казалось очевидным, что любой катализатор дыхания должен содержать железо, так как оно имеет высокое сродство к кислороду (вспомним ржавчину), но при этом способно обратимо с ним связываться. Было известно одно вещество, которое содержит железо и обратимо связывается с кислородом. Это гемоглобин — пигмент, придающий красный цвет эритроцитам; и именно цвет крови был первой подсказкой, позволившей понять, как протекает дыхание в живых клетках.

Пигменты (например, гемоглобин) окрашены потому, что поглощают свет в определенной полосе цветового спектра (вспомним радугу) и отражают свет других полос. Та область, в которой вещество поглощает свет, называется его спектром поглощения. При связывании с кислородом гемоглобин поглощает свет сине-зеленой и желтой части спектра, а отражает красный, вот почему артериальная кровь кажется нам ярко-красной. Спектр поглощения меняется, когда гемоглобин теряет кислород в венозной крови. Дезоксигемоглобин поглощает свет в зеленой части спектра и отражает красный и синий. Поэтому венозная кровь имеет багровый оттенок.

Учитывая, что дыхание происходит внутри клеток, исследователи стали искать похожий пигмент в тканях, а не в крови животных. Первым, кто добился успеха, был ирландский практикующий врач по имени Чарльз Макманн. Исследованиями он занимался в свободное от работы время в лаборатории, которую устроил на чердаке конюшни, где обычно хранилось сено. Сквозь щель в стене он следил за тропинкой, по которой к нему ходили пациенты, и, если не желал, чтобы его беспокоили, заранее звонил в колокольчик, подавая знак домохозяйке. В 1884 г. Макманн обнаружил в животных тканях пигмент, спектр поглощения которого варьировал примерно так, как у гемоглобина. Он утверждал, что это и есть искомый «дыхательный пигмент», но, к сожалению, не смог объяснить его сложный спектр поглощения, и даже не смог убедительно показать, что этот спектр действительно принадлежит этому пигменту. Открытие Макманна было забыто до тех пор, пока в 1925 г. этот пигмент не переоткрыл Дэвид Кейлин — ученый родом из Польши, работавший в Кембридже. По общим отзывам, Кейлин был не только блестящим исследователем и вдохновенным лектором, но и очень порядочным человеком, и он всегда подчеркивал, что приоритет этого открытия принадлежит Макманну. На самом деле Кейлин пошел гораздо дальше своего предшественника. Он показал, что сложность спектра поглощения связана с тем, что он относится не к одному, а к трем пигментам. Таким образом, он переступил камень преткновения, который сбил с толку Макманна. Кейлин назвал эти пигменты цитохромами (клеточными пигментами) и обозначил их буквами a, b и c согласно расположению полос на их спектрах поглощения. Эти буквенные обозначения до сих пор в ходу.

Однако было одно затруднение: как ни странно, ни один из открытых Кейлином цитохромов не взаимодействовал непосредственно с кислородом. Чего-то явно не хватало. На это недостающее звено пролил свет немецкий химик Отто Варбург, работавший в Берлине и получивший за свою работу Нобелевскую премию в 1931 г. Я сказал «пролил свет», потому что наблюдения Варбурга были косвенными и при этом очень хитроумными. Иначе было и нельзя, потому что дыхательные пигменты, в отличие от гемоглобина, присутствуют в клетке в исчезающе малых количествах, и их нельзя было выделить и изучить напрямую, используя грубые методы того времени. Варбург догадался, что вычислить спектр поглощения того, что он называл «дыхательным ферментом»[29], можно благодаря странному химическому свойству монооксида углерода (CO, или угарный газ), который связывается с соединениями железа в темноте, но отсоединяется (диссоциирует) от них на свету. Оказалось, что спектр поглощения дыхательного фермента соответствует спектру гемина — соединения, похожего на гемоглобин и хлорофилл (зеленый пигмент растений, поглощающий солнечный свет в процессе фотосинтеза).

Интересно, что дыхательный фермент активно поглощал свет в синей части спектра, а отражал зеленый, желтый и красный. Поэтому он имел коричневатый оттенок, а не красный, как гемоглобин, и не зеленый, как хлорофилл. Варбург обнаружил, что простые химические изменения могли превратить дыхательный фермент в красный или зеленый, и тогда спектр поглощения становился очень похожим на спектры гемоглобина или хлорофилла. Это навело его на предположение, которое он озвучил в своей нобелевской лекции: «от этого фермента произошли как пигмент крови, так и пигмент листьев <…> очевидно, он существовал до гемоглобина и хлорофилла». Из этих слов следует, что дыхание возникло в эволюции раньше фотосинтеза. Как мы увидим чуть позже, это прозрение Варбурга оказалось совершенно верным.

Дыхательная цепь

Несмотря на большой шаг вперед, Варбург все еще не мог понять, как именно происходит дыхание. На момент получения Нобелевской премии он склонялся к мысли, что дыхание — одноступенчатый процесс (при котором вся энергия глюкозы высвобождается одномоментно), и не мог объяснить, какое отношение к дыханию имеют открытые Дэвидом Кейлином цитохромы. Тем временем сам Кейлин разрабатывал концепцию дыхательной цепи. Он предполагал, что атомы водорода или, по крайней мере, составляющие их протоны и электроны отрываются от глюкозы и передаются по цепочке цитохромов, от одного к другому, как пожарные передают друг другу ведра, до тех пор, пока, наконец, не наступит реакция с кислородом с образованием воды. В чем преимущество такой последовательности мелких шажков? Любой, кто видел фотографии крушения «Гинденбурга» — самого большого дирижабля в мире[30], — имеет представление о том, какое огромное количество энергии высвобождается при взаимодействии водорода с кислородом. Если разбить эту реакцию на несколько промежуточных этапов, то на каждом из них можно получать небольшое и управляемое количество энергии, говорил Кейлин. Потом эту энергию организм мог бы использовать (как — тогда еще не знали) для совершения работы, например сокращения мышц.

В 1920-е и 1930-е гг. Кейлин и Варбург, расходившиеся во взглядах на многие детали процесса дыхания, вели оживленную переписку. По иронии судьбы найти подтверждение предложенной Кейлином концепции дыхательной цепи удалось не автору концепции, а Варбургу, который в 1930-х гг. открыл дополнительные небелковые компоненты (коферменты) этой цепи. В 1944 г. Варбургу присудили вторую Нобелевскую премию, однако, будучи евреем, он не получил ее из-за запрета Гитлера. (Тем не менее международная известность ученого, по-видимому, произвела впечатление даже на Гитлера, во всяком случае, Варбург избежал концлагеря или чего похуже.) Как ни печально, глубокое проникновение Кейлина в структуру и функции дыхательной цепи так и не было отмечено Нобелевской премией, что, несомненно, было упущением Нобелевского комитета.

Общая картина на тот момент складывалась такая. Глюкоза расщепляется на более мелкие фрагменты, которые используются в карусели взаимосвязанных реакций, известной под названием цикла Кребса[31]. В процессе этих реакций атомы углерода и кислорода отщепляются и выводятся в виде побочного продукта — углекислого газа. Атомы водорода связываются с коферментами Варбурга и поступают в дыхательную цепь. Там их разбирают на электроны и протоны, дорожки которых тут же расходятся. Что происходит с протонами, мы узнаем потом, а пока давайте проследим за электронами. Их передают по всей длине дыхательной цепи переносчики электронов. Каждый переносчик сначала восстанавливается (приобретает электроны), а потом окисляется (теряет электроны), передавая их следующему звену цепи. Это означает, что дыхательная цепь образует последовательность связанных окислительно-восстановительных реакций, то есть ведет себя как миниатюрный электрический провод. Электроны передаются по нему от переносчика к переносчику со скоростью примерно 1 электрон за 5–20 миллисекунд. Окислительно-восстановительные реакции являются экзергоническими, то есть при их протекании высвобождается энергия, которая может быть направлена на совершение работы. На заключительном этапе электроны переходят от цитохрома с к кислороду, где воссоединяются с протонами, образуя воду. Последняя реакция происходит в дыхательном ферменте Варбурга, который Кейлин переименовал в цитохромоксидазу, так как он использует кислород для окисления цитохрома с. Этот термин прижился и поныне в ходу.

Сегодня мы знаем, что дыхательная цепь организована в четыре гигантских молекулярных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии (рис. 5).

Рис. 5. Упрощенная схема дыхательной цепи, на которой показаны комплексы I, III и IV, а также АТФаза. Комплекс II не показан, так как электроны (e-) поступают в дыхательную цепь либо через комплекс I, либо через комплекс II, и передаются дальше от одного из этих комплексов к комплексу III переносчиком электронов убихиноном (другое название — кофермент Q; его продают в супермаркетах как пищевую добавку, хотя ее эффективность, позволю заметить, сомнительна). Волнистой линией показан путь электронов по цепи. Цитохром с переносит электроны от комплекса III к комплексу IV (цитохромоксидаза), где они реагируют с протонами и кислородом с образованием воды. Обратите внимание, что все эти комплексы интегрированы в мембрану по отдельности. Убихинон и цитохром с передают электроны от одного комплекса к другому, а вот роль промежуточного звена, соединяющего поток электронов с синтезом АТФ в АТФазе на более поздних этапах дыхательной цепи, оставалась загадкой, сводившей с ума целое поколение биохимиков

Каждый комплекс в миллионы раз больше атома углерода, но все же едва различим под электронным микроскопом. Каждый комплекс состоит из многочисленных белков, коферментов и цитохромов, включая те, что были открыты Кейлином и Варбургом. Интересно, что некоторые из этих белков кодируются митохондриальными генами, а другие — ядерными генами, так что комплексы представляют собой сочетание продуктов двух разных геномов. Во внутренней мембране одной митохондрии находятся десятки тысяч полных дыхательных цепей. По-видимому, эти цепи физически разобщены между собой; судя по всему, физически разобщены даже комплексы в пределах одной цепи.

АТФ — универсальная энергетическая валюта

Хотя предложенная Кейлином концепция дыхательной цепи оказалась верна по сути, один из главный вопросов — каким образом энергия сохраняется, вместо того, чтобы рассеяться на месте? — оставался без ответа.

Энергия высвобождается за счет транспортировки электронов по дыхательной цепи к кислороду, но впоследствии используется в других местах клетки, как правило, уже за пределами митохондрий. Должен был быть посредник, предположительно, какая-то молекула, которая сохраняла бы высвобожденную в процессе дыхания энергию, а затем передавала бы ее в другие компартменты клетки и сопрягала с какой-то работой. Этот посредник должен был быть достаточно универсальным, чтобы его можно было использовать для совершения разных типов выполняемой клеткой работы, а еще он должен был быть достаточно устойчив, чтобы оставаться неизменным до тех пор, пока он не понадобится (потому что даже перемещения по клетке занимают некоторое время). Иными словами, он должен был быть молекулярным эквивалентом единой валюты, мелкой монетой, которой можно было бы расплачиваться в обмен за услуги. Тогда дыхательная цепь — монетный двор, где чеканят эту монету. Только что она собой представляет?

Разгадка впервые забрезжила в исследованиях, посвященных брожению. Освященная временем важность брожения для виноделия и пивоварения создавала неверное представление, что этот процесс хорошо изучен, а на самом деле о нем было известно очень мало. Основы понимания его химической природы заложил опять-таки Лавуазье. Он взвесил все продукты брожения и заявил, что это всего лишь химическое расщепление сахара с образованием спирта и углекислого газа. Конечно, он был совершенно прав, нов некотором смысле упустил главное, так как рассматривал брожение как чисто химический процесс без изначально присущей ему функции. Лавуазье считал дрожжи просто осадком, который, так уж случилось, катализировал химическое расщепление сахара.

К XIX в. ученые, занимавшиеся изучением механизма брожения, разбились на два лагеря. Одни полагали, что брожение — биологический процесс, имеющий определенную функцию (это были в большинстве своем виталисты, верившие в особую жизненную силу, несводимую к «простой» химии). Другие считали брожение чисто химическим процессом (и это были в основном сами химики). Конец этой вековой распре положил принадлежавший к лагерю виталистов Луи Пастер. Он показал, что дрожжи состоят из живых клеток и что эти клетки осуществляют брожение в отсутствие кислорода. Широко известно высказывание Пастера «брожение — это жизнь без кислорода». Будучи виталистом, Пастер был убежден, что у брожения должна быть цель, то есть какая-то полезная для дрожжей функция, однако даже он признавался, что не имеет «ни малейшего представления» о том, что это за цель.

Всего лишь через два года после смерти Пастера (1895 г.) вера в то, что для брожения необходимы живые дрожжи, была развенчана Эдуардом Бухнером, будущим лауреатом Нобелевской премии по химии (1907 г.). В то время как Пастер использовал для своих исследований французские винные дрожжи, Бухнер использовал немецкие пивные дрожжи. Немецкие дрожжи явно оказались позабористее, так как Бухнеру, в отличие от Пастера, удалось растереть их в ступке с песком до получения кашеобразной массы, а затем при помощи гидравлического пресса выжать из этой массы сок. Когда к этому «отжатому дрожжевому соку» добавляли сахар, а затем смесь инкубировали, брожение начиналось через несколько минут. Спирт и углекислый газ образовывались при этом в той же пропорции, что и в случае живых дрожжей, хотя и в меньшем объеме. Бухнер предположил, что брожение осуществляют биологические катализаторы, которые он назвал энзимами[32] (от греческого en zyme — содержащийся в дрожжах). Он сделал вывод, что живые клетки — химические фабрики, на которых энзимы производят разнообразные продукты. Бухнер впервые показал, что эти химические фабрики можно воссоздать даже после гибели самих клеток, главное — подобрать подходящие условия. Это открытие возвестило конец эпохи витализма. Такой редукционистский подход к объяснению живых процессов стал доминирующей темой молекулярной биологии в XX в. С другой стороны, в свете открытия Бухнера живые клетки стали рассматривать как мешки с ферментами, а этот подход, как мы увидим, по сей день притупляет наше осознание важности биологических мембран.

Изучая дрожжевые соки Бухнера, сэр Артур Гарден в Англии, Ханс фон Эйлер в Германии и другие исследователи первых десятилетий XX в. постепенно сложили воедино последовательность шагов в процессе брожения. Всего им удалось выделить двенадцать стадий, и каждую катализировал свой собственный энзим. Эти этапы связаны друг с другом, как конвейер на фабрике: продукт одной реакции является начальной точкой для другой. За эту работу Гарден и фон Эйлер совместно получили Нобелевскую премию в 1929 г. Однако самое удивительное открытие было сделано в 1924 г., когда еще один нобелевский лауреат, Отто Мейергоф, показал, что практически такой же процесс происходит в мышечных клетках. Конечно, в мускулах конечным продуктом является молочная кислота, от которой возникают судороги, а не приятное алкогольное опьянение, но Мейергоф показал, что почти все двенадцать этапов конвейерного производства те же самые, что и при брожении. Это явилось удивительным примером фундаментального единства жизни, знаком того, что, как утверждал еще Дарвин, даже простые дрожжи родственны людям.

К концу 1920-х гг. стало ясно, что клетки используют брожение для производства энергии. Брожение выступает в роли резервного (а в некоторых клетках — единственного) источника питания, который включается, когда главный генератор — кислородное дыхание — выходит из строя. Таким образом, брожение и дыхание стали рассматривать как параллельные процессы, обеспечивающие клетки энергией, только один работает в отсутствие кислорода, а другой — когда кислород есть. Но более глобальный вопрос оставался открытым: как эти отдельные шаги связаны с консервацией энергии для использования в других частях клетки в другое время? Производит ли брожение, как и дыхание, какую-то «энергетическую» валюту?

Ответ был найден в 1929 г., когда Карл Ломанн в Гейдельберге открыл АТФ. Ломанн показал, что брожение связано с синтезом АТФ (аденозин трифосфата), который может запасаться в клетке для использования в течение нескольких часов. АТФ состоит из аденозина, связанного с тремя фосфатными группами, которые присоединены к нему одна за другой в виде довольно хлипкого «хвостика». При отщеплении терминальной фосфатной группы высвобождается большое количество энергии, которая может использоваться для совершения работы — на самом деле должна использоваться для совершения большей части биологической работы. В 1930-х гг. русский биохимик Владимир Энгельгардт показал, что АТФ необходим для сокращения мышц: лишенные АТФ мышцы становятся ригидными, как, например, в случае rigor mortis — трупного окоченения. При расщеплении АТФ в мышечных волокнах высвобождается энергия, необходимая для сокращения и последующего расслабления; при этом образуются аденозин-дифосфат (АДФ) и фосфат (Ф):

Поскольку запас АТФ в клетке ограничен, она должна постоянно образовываться из АДФ и фосфата, а для этого, естественно, нужно поступление энергии, как можно убедиться, прочитав приведенное выше уравнение справа налево. В этом и заключается функция брожения: предоставить энергию, необходимую для регенерации АТФ. При сбраживании одной молекулы глюкозы регенерируют две молекулы АТФ.

Энгельгардт тут же приготовился к решению следующей проблемы. АТФ нужен для сокращения мышц, но образуется только при брожении, когда уровень кислорода низок. Если мышцы должны сокращаться в присутствии кислорода, то, наверное, необходимый АТФ производится за счет какого-то другого процесса; это, считал Энгельгардт, должно быть, и есть функция кислородного дыхания. Другими словами, кислородное дыхание служит в том числе и для производства АТФ. Энгельгардт попытался доказать это утверждение. В то время исследователи сталкивались со сложностью чисто технического характера: мышечные волокна трудно измельчить так, чтобы их можно было использовать для изучения дыхания, они повреждаются и начинают «подтекать». Энгельгардт сделал необычный ход — использовал в качестве экспериментальной модели эритроциты птиц, с которыми проще иметь дело. Так он показал, что при дыхании действительно возникает АТФ, причем в гораздо большем количестве, чем при брожении. Вскоре после этого испанец Северо Очоа определил, что при дыхании из одной молекулы глюкозы могут возникать целых 38 молекул АТФ (в 1959 г. он получил за это открытие Нобелевскую премию). Это означает, что при кислородном дыхании образуется в 19 раз больше АТФ на одну молекулу глюкозы, чем при брожении. Общий объем образующейся АТФ поражает воображение. В организме среднестатистического человека АТФ образуется со скоростью 9 х 10²⁰ молекул в секунду, то есть за день в организме «прокручивается» — образуется и используется примерно 65 кг АТФ!

Мало кто так сразу взял и поверил в универсальную значимость АТФ, однако работы Фрица Липмана и Германа Калькара в Копенгагене в 1930-е гг. подтвердили ее. В 1941 г. Лимпан и Калькар (к тому времени уже работавшие в США) провозгласили АТФ «универсальной энергетической валютой» жизни. Это звучало очень смело; в те времена подобные высказывания вполне могли навлечь на себя праведное негодование научной общественности и стоить авторам карьеры. Тем не менее АТФ действительно служит универсальной энергетической валютой, хотя, учитывая всю пышность и многообразие жизни, в это трудно поверить. Он содержится во всех изученных типах клеток, будь то клетки растений, животных, грибов или бактерий. В 1940-е гг. было известно, что АТФ — продукт и брожения, и дыхания, а к 1950 — в этот список был добавлен фотосинтез, так как при нем тоже образуется АТФ, только за счет улавливания энергии солнечных лучей. Итак, три великие энергетические магистрали — дыхание, брожение и фотосинтез — ведут к образованию АТФ, что еще раз свидетельствует о фундаментальном единстве жизни.

Неуловимая тильда

АТФ содержит так называемую «макроэргическую» связь, при разрыве которой высвобождается значительное количество энергии. Такую связь в химии обозначают не обычной черточкой, а знаком «тильда» (~). Энергия, высвобождающаяся при разрыве этой связи, может быть использована для совершения разных типов работы в клетке. Пока все просто, но это, к сожалению, кажущаяся простота, потому что ничего такого уж необычного в химических связях АТФ нет. Необычно другое — равновесие между АТФ и АДФ. Если бы реакция была предоставлена самой себе, в клетке было бы гораздо меньше АТФ (по сравнению с АДФ). Если смешать АТФ и АДФ в пробирке и оставить на несколько дней, то почти вся смесь превратится в АДФ и фосфат. В клетке происходит обратное: АДФ и фосфат почти полностью конвертируются в АТФ. Это немного похоже на накачку воды: чтобы накачать воду в гору, нужно много энергии, но если заполнить водой большой резервуар, то в вашем распоряжении окажется много потенциальной энергии, которую впоследствии можно будет использовать, просто открыв кран. На этом основана работа гидроаккумулирующих электростанций. Ночью, когда потребность в энергии невелика, вода накачивается в расположенный на возвышенности водоем. В часы пиковых нагрузок воду выпускают, и она поступает на турбины электрогенераторов. В Англии, например, резкий всплеск потребности в электроэнергии наблюдается сразу после окончания популярных мыльных опер, когда миллионы людей одновременно отправляются на кухню, чтобы поставить чайник. Чтобы удовлетворить эту потребность, открывают шлюзы горных водохранилищ Уэльса. Ночью туда снова накачивают воду, и электроэнергетическая сеть страны готова к следующему массовому чаепитию.

В клетке АДФ постоянно «накачивается» в хранилище потенциальной энергии, превращаясь в АТФ. Когда открывают шлюзы, АТФ используется для обеспечения разных энергетических потребностей клетки. Конечно, для создания высокой концентрации АТФ, как и для накачивания воды в водохранилище гидроаккумулирующей электростанции, требуется много энергии. Ее обеспечивают дыхание и брожение. Энергия, высвобождающаяся в ходе этих процессов, используется для создания очень высоких концентраций АТФ в клетке (гораздо более высоких, чем «нормальный» химический уровень).

Эти соображения помогают нам понять, как АТФ используется для совершения работы в клетке, но не объясняют, как же собственно АТФ образуется. Ответ, казалось, лежал в исследованиях брожения, которые проводил Эфраим Рэкер в 1940-е гг. Рэкер был одним из гигантов биоэнергетики. Он родился в Польше, вырос в Вене, а в конце 1930-х гг., как многие другие, бежал от нацистского преследования в Великобританию. В начале войны, после короткого пребывания в лагере для интернированных на острове Мэн, он переехал в США, где на несколько лет обосновался в Нью-Йорке. Расшифровка механизма синтеза АТФ при брожении была первым из многих его открытий на протяжении следующих пятидесяти лет. Рэкер открыл, что энергия, высвобождающаяся при брожении за счет расщепления сахаров на более мелкие фрагменты, используется для присоединения фосфатных групп против химического равновесия. Иными словами, при брожении образуются макроэргические промежуточные фосфатные соединения, которые, в свою очередь, отдают свои фосфатные группы для образования АТФ. Общий итог энергетически положительный. Так, текущая вода может вращать гидротурбину — течение воды сопряжено с вращением турбины. Образование АТФ тоже происходит за счет сопряженных химических реакций: энергия, высвобождающаяся в процессе брожения, приводит в действие сопряженную энергоемкую реакцию — образование АТФ. Наверное, думал Рэкер, а с ним и все остальные, объяснить образование АТФ в процессе дыхания можно за счет какой-то подобной модели химического сопряжения. Как они ошибались! Путеводная звезда обернулась блуждающим огоньком, и в погоне за ним прошло не одно десятилетие. С другой стороны, когда ответ был все-таки найден, он дал нам более глубокое понимание природы жизни и ее сложности, чем какое-либо другое открытие в молекулярной биологии, за исключением разве что двойной спирали ДНК.

Проблема упиралась в то, чтобы понять, что представляют собой эти макроэргические посредники. При дыхании АТФ синтезируется в гигантском ферментном комплексе, который называется АТФаза (АТФ-синтаза); ее тоже открыли Рэкер и его коллеги в Нью-Йорке. На внутренней митохондриальной мембране находятся до 30 тысяч АТФазных комплексов. Их даже можно разглядеть под электронным микроскопом — они торчат на мембране, как грибы (рис. 6).

Рис. 6. АТФазы — «элементарные частицы жизни», как называл их Эфраим Рэкер. Ими, как грибами, усыпана поверхность мембранных пузырьков

Когда в 1964 г. частицы удалось увидеть впервые, Рэкер назвал их «фундаментальными частицами биологии», и сегодня это определение, как мы увидим чуть позже, звучит как никогда актуально. АТФазные комплексы перемежаются на внутренней митохондриальной мембране с комплексами дыхательных цепей, но физически не связаны с ними. В этом и есть корень проблемы. Как эти отдельные комплексы взаимодействуют друг с другом через физический промежуток? Если еще конкретнее, как дыхательные цепи переносят энергию, высвобождающуюся в процессе переноса электронов, к АТФазе при образовании АТФ?

Насколько было известно, в дыхание вовлечен только один тип реакций — окислительно-восстановительные реакции, происходящие, когда электроны транспортируются по дыхательной цепи. Еще было известно, что молекулярные комплексы этой цепи окисляются, а потом восстанавливаются, но это все: больше они ни с какими молекулами не взаимодействуют. Все эти реакции физически отграничены от АТФазы. Ученые думали, что есть какой-то макроэргический посредник, как в случае брожения, который образуется с использованием энергии, высвобождающейся в процессе дыхания. Этот посредник затем физически перемещается к АТФазе. В конце концов, для химического взаимодействия нужен контакт; взаимодействие на расстоянии для химика равнозначно магии вуду. Предполагаемый макроэргический посредник должен был содержать связь, эквивалентную сахаро-фосфатной связи, которая образуется при брожении; при разрыве этой связи высвобождается энергия, необходимая для образования макроэргической связи АТФ. АТФаза, возможно, катализирует эту реакцию.

Как это часто бывает в науке, на пороге революции проблема казалась в общем и целом решенной. Оставалось только немного дополнить ответ, например, определить, какое же вещество является этим макроэргическим посредником, который стали называть просто тильдой (по крайней мере, в приличном обществе). Правда, этот посредник уже зарекомендовал себя загадочным и неуловимым — лучшие умы, самые блестящие экспериментаторы провели в его поисках добрых два десятка лет. На роль посредника было предложено не меньше двадцати кандидатов, и ни один не выдержал испытания. Тем не менее казалось, что выявление макроэргического посредника — вопрос времени. Его существование диктовалось самой химической природой клетки, которая, в конце концов, всего лишь мешок с ферментами, как хорошо затвердили себе ученики Эдуарда Бухнера. Ферменты творят химию, а главное в химии — связи между атомами в молекулах.

И все же оставалась одна загвоздка, не дававшая покоя ученым, занимавшимся химией дыхания: число образующихся молекул АТФ было непостоянно. Из одной молекулы глюкозы образуется от 28 до 38 молекул АТФ. АТФ образуется при транспортировке электронов по дыхательной цепи, а транспорт одной пары электронов генерирует от двух до трех молекул АТФ. Это некруглое число, а химия основывается на круглых числах, как знает всякий, кто бился над решением химического уравнения. Не бывает так, что половина одной молекулы реагирует с двумя третями другой. Так как же может для образования АТФ требоваться разное и нецелое число электронов?

На самом деле была еще одна загвоздка. Для дыхания необходима мембрана, а мембрана — это не просто мешок с дыхательными комплексами. Если мембрана повреждена, дыхание, как говорят, разобщается, как велосипед, с которого слетела цепь: можно жать на педали сколько угодно, колеса крутиться не будут. При разобщении дыхания окисление глюкозы через дыхательную цепь продолжается с прежней скоростью, но АТФ не образуется. Иными словами, ввод разобщается с выводом, и выделившаяся энергия рассеивается в виде тепла. Это любопытное явление может быть связано не только с механическим повреждением мембраны, но и с действием целого ряда очень разнородных веществ — разобщающих агентов, которые механически мембрану не повреждают. Все эти вещества (включая, как ни забавно, аспирин, а также, кхе-кхе, экстази) одинаково разобщают окисление глюкозы и образование АТФ, но, насколько можно было судить, не имеют никакого общего химического знаменателя. Разобщение оставалось необъясненным.

Таким образом, в начале 1960-х гг. эта область исследований медленно, но верно погружалась в трясину отчаяния. Как выразился Рэкер (его слова перекликаются со знаменитым изречением Ричарда Фейнмана о квантовой механике[33]): «Те, кто не запутались окончательно, просто не до конца понимают эту проблему». Во время дыхания генерируется энергия в форме АТФ, но механизм этого процесса не подчиняется базовым законам химии и, кажется, даже откровенно их нарушает. Как же это возможно? Даже несмотря на то, что эти удивительные данные настойчиво требовали радикального переосмысления устоявшейся теории, никто не был готов к тому шокирующему объяснению, которое им дал Питер Митчелл в 1961 г.

Питер Митчелл был аутсайдером биоэнергетики. Он изучал биохимию в Кембридже и начал работу над диссертацией в 1943 г. (на военную службу его не приняли из-за старой спортивной травмы). В те времена Митчелл был ярким персонажем. Его хорошо знали в Кембридже, где он выделялся артистизмом, творческим темпераментом, чувством юмора и склонностью к озорным выходкам. Он неплохо музицировал и носил длинные волосы на манер молодого Бетховена (под конец жизни Митчелл, кстати, тоже оглох). Образу очаровательного шалопая немало способствовало личное финансовое благополучие. Митчелл был одним из немногих, кто в безрадостные послевоенные годы мог позволить себе собственный «роллс-ройс»; его дядя, Годфри Митчелл, стоял во главе гигантской строительной компании «Уимпи». Впоследствии доходы от доли в семейном предприятии помогали держаться на плаву его детищу — частной исследовательской лаборатории под названием Глинновский институт. Митчелла считали одним из самых блестящих молодых ученых, но работа над диссертацией заняла у него семь лет, отчасти потому, что параллельно он занимался исследованиями для военных нужд (они были связаны с производством антибиотиков), а отчасти потому, что диссертацию ему пришлось представлять повторно.

Один из членов экзаменационной комиссии пожаловался, что «обсуждение выглядит нелепо, так научные тексты не пишут». Дэвид Кейлин, хорошо знавший Митчелла, заметил: «Проблема в том, что Питер слишком оригинален для своих экзаменаторов».

Митчелл изучал бактерии, в частности, то, как они импортируют и экспортируют различные молекулы в клетку и из клетки, нередко против градиента концентрации. Его интересовал векторный метаболизм, то есть химические реакции, имеющие направленность не только во времени, но и в пространстве. Митчелл полагал, что транспортные системы бактерий связаны с особенностями строения наружной мембраны их клеток. Ясно, что это не просто инертный физический барьер, ведь через него постоянно и избирательно транспортируются разнообразные материалы, по меньшей мере, поглощается пища и удаляются продукты обмена. Мембрана — это полупроницаемый барьер, который ограничивает транспорт молекул и контролирует их концентрацию в клетке. Молекулярная механика активного трансмембранного транспорта заворожила Митчелла. Он знал, что многие мембранные белки настолько же специфичны к переносимым ими молекулам, насколько ферменты специфичны к субстратам. Как и в случае ферментов, активный транспорт постепенно останавливается по мере того, как усиливается противодействующий ему градиент, так постепенно становится все труднее надувать воздушный шарик.

Многие свои концепции Митчелл разработал еще в Кембридже. В конце 1950-х гг. он продолжил работу над ними в Эдинбургском университете. Он рассматривал активный транспорт как физиологический аспект жизнедеятельности бактерий. Однако в те времена физиологи и биохимики говорили на разных языках. Кроме того, было очевидно, что для активного трансмембранного транспорта нужна энергия. Это заставило Митчелла обратиться к одному из направлений биохимии — биоэнергетике. Вскоре он понял, что если мембранный насос создает градиент концентрации, то этот градиент в принципе может действовать как движущая сила. Так, воздух, выходящий из шарика, позволяет ему летать по комнате, а выходящий из парового двигателя пар двигает поршень. Возможно, клетки научились использовать эту силу.

В 1961 г. Митчелл, тогда еще работавший в Эдинбурге, послал в Nature статью с радикально новой гипотезой. Он предположил, что дыхание в клетке происходит за счет хемиосмотического сопряжения, под которым понимал химическую реакцию, которая может создавать осмотический градиент (верно также и обратное). Слово осмос знакомо нам со школьной скамьи, даже если мы запамятовали, что это, собственно, такое. Обычно под осмосом понимают поток воды через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Митчелл, любивший переосмысливать термины, имел в виду нечто совершенно другое. Резонно было бы предположить, что «хемиосмос» — это поток через мембрану не воды, а каких-то химических веществ, но и это было не так. Митчелл использовал слово «осмос» в оригинальном греческом значении «толчок». Хемиосмос по Митчеллу — это проталкивание молекул через мембрану против градиента концентрации, то есть, в некотором смысле, прямая противоположность осмосу, который происходит по градиенту концентрации. Функция дыхательной цепи, говорил Митчелл, не более и не менее чем толкать протоны через мембрану, создавая резервуар протонов с другой стороны. Мембрана — это плотина. Сдерживаемая ею сила протонов может выпускаться понемногу, маленькими толчками, обеспечивая образование АТФ.

Это работает так. Вспомним предыдущую главу: комплексы дыхательной цепи заякорены в мембране. Атомы водорода, поступающие в дыхательную цепь, расщепляются на протоны и электроны. Электроны проходят по цепи, как ток по проволоке, за счет последовательных окислительно-восстановительных реакций (рис. 7).

Рис. 7. Упрощенная схема дыхательной цепи. В целом она такая же, как и на рис. 5, но теперь показана природа посредника — это протон. Электроны (e-) переносятся по цепи от комплекса I к комплексу IV, и энергия, высвобождающаяся на каждом шаге, сопряжена с проталкиванием протона через мембрану. Это приводит к разности концентрации протонов по обеим сторонам мембраны. Ее можно измерить как разность кислотности (pH — это концентрация протонов) и как разность электрических потенциалов (протон несет один положительный заряд). Резервуар протонов — это хранилище потенциальной энергии, так водохранилище на вершине холма служит источником потенциальной энергии, которую можно использовать для получения энергии гидроэлектрической. Сходным образом, поток протонов по градиенту концентрации можно использовать для совершения работы, в данном случае синтеза АТФ. Поток протонов через АТФазу называется «протон-движущей силой»; он включает-миниатюрный молекулярный моторчик — АТФазу, и она начинает синтезировать АТФ из АДФ и фосфата

Никакого макроэргического химического посредника при высвобождении энергии не образуется, говорил Митчелл; тильда неуловима, потому что ее нет. Все происходит иначе: энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, используется для закачивания протонов через мембрану. Три дыхательных комплекса из четырех используют энергию, высвобождающуюся в процессе переноса электронов, для проталкивания протонов через мембрану. В других местах мембрана непроницаема для протонов, поэтому их обратный ток невозможен. Образуется хранилище протонов. Протоны несут положительный заряд, а значит, протонный градиент имеет как электрический, так и концентрационный компонент. Электрический компонент создает на разных сторонах мембраны разность потенциалов, а концентрационный компонент создает разность кислотности (под кислотностью (pH) понимается концентрация протонов) — снаружи среда более кислая, чем внутри. Сочетание градиента pH и разности потенциалов по разные стороны мембраны представляет собой «протон-движущую силу» (термин, предложенный Митчеллом). Именно эта сила обеспечивает синтез АТФ. Поскольку АТФ синтезируется АТФазой, Митчелл предсказал, что АТФаза приводится в действие протон-движущей силой, то есть потоком протонов по градиенту их концентрации из созданного ранее протонохранилища. Этот поток протонов Митчелл любил называть протонным электричеством, или протичеством.

Теорию Митчелла игнорировали, принимали в штыки, считали сумасшедшей или объявляли неоригинальной. Рэкер позже писал: «На фоне тогдашних умонастроений научного сообщества эти формулировки звучали как высказывания придворного шута или безумного пророка». Митчелл излагал свои мысли на странном, почти мистическом языке электрохимиков и опирался на концепции, о которых энзимологи того времени не имели почти никакого представления. Всерьез, хоть и скептически, их поначалу приняли только Рэкер и Билл Слэйтер из Амстердама (еще один ученик Кейлина), но Слэйтер скоро потерял терпение.

Сам Митчелл только усугублял ситуацию. Блестящий оратор и неутомимый спорщик, он мог ни с того ни с сего раздраженно оборвать собеседника или пуститься в велеречивые разъяснения. Его манера вести дискуссию доводила оппонентов до белого каления. Однажды в споре с Митчеллом Слэйтер, вне себя от ярости, запрыгал на одной ноге. Столкновения не прошли бесследно и для Митчелла, который заработал себе язву желудка и был вынужден уйти из Эдинбургского университета. На два года он совсем отошел от науки и занялся восстановлением заброшенной усадьбы Глинн-хаус около Бодмина в графстве Корнуолл, превратив ее в свою семейную резиденцию и частный исследовательский институт. Он вернулся на научный фронт в 1965 г., препоясав чресла к предстоящим битвам. И они не заставили себя ждать. Споры, бушевавшие следующие два десятилетия, получили название «окисфоссных» войн (от окислительного фосфорилирования — механизма образования АТФ при дыхании).

Объяснительная сила протон-движущей силы

Гипотеза Митчелла объясняла абсолютно все затруднения прежних теорий. Стало понятно, зачем нужна мембрана и почему она должна быть целой и невредимой. Через поврежденную мембрану протоны протекали бы обратно, и протон-движущая сила рассеивалась бы в виде тепла. От дырявой плотины толку нет.

Объясняла она и действие загадочных разобщителей. Вспомним, что разобщение — это утрата связи между окислением глюкозы и производством АТФ (ситуация, когда слетела цепь и велосипед не едет, сколько ни жми на педали). Прежде казалось, что единственная общая черта разобщающих агентов — это рассоединение «входа» и «выхода» энергии. Митчелл показал, что у них есть и общее химическое свойство: все разобщители — это слабые кислоты, растворяющие липиды мембраны. Поскольку слабые кислоты могут связывать, а могут и высвобождать протоны в зависимости от кислотности окружающей среды, они могут переносить протоны через мембрану. В щелочных или слабокислых условиях они теряют протон, получают отрицательный заряд и, притягиваемые электрическим зарядом, переходят на положительную («кислую») сторону мембраны. Затем, как и полагается слабым кислотам в сильнокислых условиях, они снова «подбирают» протон. Это нейтрализует электрический заряд, и слабые кислоты снова подпадают под влияние градиента концентрации. Они переходят на менее кислую сторону мембраны, теряют протон и попадают под действие электрического притяжения. Такой цикл возможен, только если разобщитель растворяется в мембране независимо от того, связал он протон или нет, и именно этот тонкий момент и сбивал с толку исследователей. (Некоторые слабые кислоты растворимы в липидах, но только после присоединения (или потери) протона; потеряв (или присоединив) протон, они перестают быть жирорастворимыми, а значит, не могут снова пересечь мембрану. Поэтому такие слабые кислоты не разобщают дыхание.)

Хемиосмотическая гипотеза объясняла также одну, даже более важную проблему — достойное магии вуду «действие на расстоянии», для которого, казалось, совершенно необходим макроэргический посредник, та самая неуловимая тильда. Протоны, закачанные через мембрану в одном месте, создают силу, которая действует одинаково на всей поверхности мембраны, — так, давление воды на плотину зависит от общего объема воды, а не от местонахождения насоса. Таким образом, протоны закачиваются через мембрану в одном месте, но могут возвращаться через АТФазу в любом другом месте мембраны с силой, которая зависит от общего давления протонов. Иными словами, химического посредника нет. Посредником служит сама протон-движущая сила. Заодно стало понятно, как в производство АТФ может быть вовлечено нецелое число электронов. На каждый перенесенный электрон через мембрану действительно закачивается фиксированное число протонов, но некоторые из них просачиваются обратно через мембрану, а другие расходуются не на работу АТФазы, а на другие цели (подробнее об этом в следующем разделе).

Кроме того, — и это, возможно, главное, — хемиосмотическая теория позволяла сформулировать целый ряд четких предсказаний, которые можно было проверить. На протяжении следующего десятилетия Митчелл, обосновавшийся в обновленном Глинн-хаусе вместе со своей верной соратницей Дженнифер Мойл и другими исследователями, доказал, что по обеим сторонам внутренней мембраны митохондрий действительно возникает и градиент pH, и разность потенциалов (около 150 мВ). Может показаться, что это мало (всего лишь десятая часть напряжения батарейки карманного фонарика), но посмотрите на это в молекулярном контексте. Толщина мембраны — не более 5 нм (10^-9 м), поэтому напряжение между ее сторонами составляет примерно 30 миллионов вольт на метр, что равносильно удару молнии и в тысячи раз больше мощности домашней электропроводки. Митчелл и Мойл также показали, что внезапное повышение концентрации кислорода вызывает кратковременное повышение числа закачиваемых через мембрану протонов; они показали, что дыхательные «разобщители» действительно переносят протоны туда-сюда через мембрану, как челноки; а еще они показали, что АТФаза действительно приводится в действие протон-движущей силой. Они продемонстрировали, что закачивание протонов сопряжено с транспортировкой электронов по дыхательной цепи и что оно замедляется или даже останавливается, если заканчивается «сырье» (атомы водорода, кислород, АДФ или фосфат).

К этому времени Митчелл и Мойл были уже не единственными экспериментаторами в хемиосмотической области. Рэкер помог склонить сомневающихся на сторону хемиосмоса, показав, что изолированные дыхательные комплексы, добавленные к искусственным липидным пузырькам, сохраняют способность создавать протонный градиент. Однако наибольшее значение для убеждения ученых, по крайней мере ботаников, в справедливости теории Митчелла имел один конкретный эксперимент, который поставили Андрэ Ягендорф и Эрнест Юрайб из Корнелльского университета. Поначалу, кстати, Ягендорф принял хемиосмотическую гипотезу в штыки. Он писал: «Слушал, как Питер Митчелл рассказывал о хемиосмосе на встрече биоэнергетиков в Швеции. Его слова влетели мне в одно ухо и вылетели через другое; все, что осталось — это досада на организаторов, пригласивших такого смехотворного и малопонятного докладчика».

Однако в 1966 г. Ягендорф и Юрайб поместили мембраны хлоропластов в кислоту при pH = 4 и подождали, пока концентрация кислоты по обе стороны мембраны уравновесится. Затем они ввели в препарат щелочь (pH = 8), так что разница кислотности по разные стороны мембраны составила 4 единицы pH. Результатом оказалось образование большого количества АТФ. При этом ни света, ни какого-либо другого источника энергии не было; синтез АТФ происходил за счет одной только разницы в концентрации протонов. Обратите внимание, что Ягендорф и Юрайб работали с фотосинтетическими мембранами. Поразительная особенность теории Митчелла заключалась в том, что она подводила общую базу под разные и, казалось бы, не связанные между собой способы производства энергии, а именно фотосинтез и дыхание. В обоих случаях синтез АТФ происходит за счет протон-движущей силы.

К середине 1970-х гг. большинство биоэнергетиков приняло хемиосмотическую гипотезу (Митчелл даже отмечал на особом графике даты «обращения» бывших противников «в его веру», что, как нетрудно догадаться, приводило их в бешенство), хотя многие молекулярные подробности оставались неясными и оставляли простор для дискуссий. В 1978 г. Митчелл в одиночку получил Нобелевскую премию по химии, что подлило масла в огонь, хотя, думаю, его концептуальный скачок того заслуживал. Лично для него этот период жизни, прошедший в борьбе с болезнями и враждебностью влиятельных коллег, был крайне тяжелым, но зато ему суждено было увидеть, как самые яростные критики перешли на его точку зрения. В своей нобелевской лекции Митчелл особо поблагодарил их за интеллектуальное благородство, процитировав слова великого физика Макса Планка: «Новая научная идея побеждает не потому, что оппоненты признают ее справедливость, а потому, что оппоненты постепенно вымирают». То, что ему удалось опровергнуть это пессимистическое высказывание, Митчелл назвал своей «поистине счастливой победой».

После этого ученые начали потихоньку прояснять подробности механизма транспорта электронов, закачивания протонов и синтеза АТФ. Венцом славы было определение атомной структуры АТФазы Джоном Уокером, за что в 1997 г. он получил Нобелевскую премию по химии вместе с Полом Бойером, который несколькими годами раньше расшифровал механизм синтеза АТФ. (Этот механизм был в принципе похож на тот, который считал наиболее правдоподобным Митчелл, но отличался от него целым рядом деталей.) АТФаза — поразительный пример природных нанотехнологий. Она работает по принципу роторного двигателя[34]; ее можно считать миниатюрным механизмом, состоящим из мельчайших подвижных деталей — белков. АТФаза состоит из двух основных компонентов — главного вала, который пронизывает мембрану насквозь, и прикрепленной к нему вращающейся головки, которая в электронный микроскоп напоминает шляпку гриба. Давление протонов, скопившихся снаружи от мембраны, проталкивает их через вал и вращает головку; три протона, проходящие через вал, проворачивают головку примерно на 120°, так что она совершает полный оборот за три «щелчка». На головке находятся три участка связывания, и именно на них происходит сборка АТФ. С каждым поворотом головки образующееся напряжение создает или разрывает химические связи. Первый участок связывает АДФ; при следующем повороте головки к АДФ присоединяется фосфат и образуется АТФ; третий поворот высвобождает АТФ. У людей для каждого полного оборота головки нужны девять протонов, при этом образуются три молекулы АТФ. Но не все так просто — у других видов для вращения головки АТФазы требуется другое число протонов.

АТФаза может работать в обе стороны. При определенных обстоятельствах процесс идет в обратную сторону: она расщепляет АТФ и использует образовавшуюся энергию для закачивания протонов через мембрану в другом направлении. Об этом свидетельствует само название этого фермента — он называется АТФазой, а не АТФ-синтазой, так как сначала была открыта его способность расщеплять АТФ. За этой странной особенностью скрывается одна из основных тайн жизни, и очень скоро мы к ней вернемся.

Глубокий смысл дыхания

В широком смысле при дыхании образуется энергия за счет работы протонных насосов. Энергия, высвобождающаяся в процессе окислительно-восстановительных реакций, идет на закачку протонов через мембрану.

Трансмембранная разница в концентрации протонов соответствует электрическому заряду примерно в 150 мВ. Это и есть протон-движущая сила, которая приводит в действие АТФазу — двигатель, производящий универсальную энергетическую валюту жизни, АТФ.

Что-то очень похожее происходит и при фотосинтезе. Для закачки протонов через мембрану хлоропластов используется энергия солнца, а процесс закачки идет почти так же, как при дыхании. Бактерии тоже генерируют протон-движущую силу через наружную мембрану. Всех, кроме микробиологов, поразительное разнообразие способов производства энергии бактериями запутывает и сбивает с толку как никакая другая область биологии. Такое впечатление, что бактерии могут извлекать энергию из чего угодно — из метана, из серы, из бетона. Но на более глубоком уровне все эти разнообразные способы связаны. В каждом случае принцип абсолютно одинаков — электроны проходят по окислительно-восстановительной цепи к конечному акцептору электронов (это может быть CO₂, NO₃^-, NO₂^-, NO, SO₄^2-, SO₃^-, O₂, Fe²⁺ и др.), а энергия, полученная в ходе окислительно-восстановительных реакций, используется для трансмембранной закачки протонов.

Это глубинное единство достойно особого внимания не только потому, что оно универсально. Возможно, еще важнее то, что это на самом деле очень необычный и далеко не самый простой способ производства энергии. Как сказал Лесли Оргел: «Мало кто поставил бы деньги на то, что клетки производят энергию при помощи протонных насосов». Тем не менее закачка протонов — «ноу-хау» фотосинтеза и дыхания во всех его формах. Во всех этих случаях энергия, высвобождающаяся в процессе окислительно-восстановительных реакций, используется для закачивания протонов через мембрану и создания протон-движущей силы. Создается впечатление, что трансмембранная закачка протонов — такое же универсальное отличительное свойство жизни, как и ДНК. Это основа основ.

На самом деле, как понял еще Митчелл, значение протон-движущей силы далеко не ограничивается синтезом АТФ. Она окутывает бактерии неосязаемым силовым полем. Целый ряд фундаментальных аспектов существования бактерий — прежде всего, активный транспорт молекул через наружную мембрану — тесно завязан на энергию протонов. У бактерий найдены десятки мембранных переносчиков, и многие из них закачивают в клетку питательные вещества или выводят наружу продукты обмена при помощи протон-движущей силы. Вместо того чтобы использовать для активного транспорта АТФ, бактерии используют протоны: они «отначивают» немножко энергии протонного градиента для нужд активного транспорта.

Например, лактоза попадает в клетку против градиента концентрации за счет сопряжения ее транспорта с протонным градиентом: мембранный насос связывает одну молекулу лактозы и один протон, так что энергетические затраты на импорт лактозы «оплачиваются из средств» протонного градиента, а не АТФ. А за удаление одного иона натрия клетка расплачивается импортом одного протона, то есть низкая концентрации натрия в клетке обеспечивается, опять же, частичным рассеиванием протонного градиента, а не энергией АТФ.

Иногда протонный градиент рассеивается ради теплоотдачи. Тогда говорят, что дыхание разобщается, так как транспорт электронов и закачка протонов идут как обычно, но синтеза АТФ не происходит. Вместо этого протоны проходят обратно через поры в мембране, рассеивая энергию протонного градиента в виде тепла. Это может быть полезно само по себе, как мы увидим в четвертой части книги, но кроме того это позволяет поддерживать ток электронов в периоды низкой нагрузки, когда «застоявшиеся» электроны имеют тенденцию покидать дыхательную цепь и взаимодействовать с кислородом, образуя разрушительные свободные радикалы.

Представьте себе гидроэлектрическую плотину на реке. При низком расходе воды появляется риск затопления, но его можно снизить, построив водоотводный канал. Так и в дыхательной цепи непрерывность потока электронов можно сохранить за счет его разобщения с синтезом АТФ. Тогда некоторые протоны, вместо того, чтобы течь через главный шлюз плотины (АТФазу), будут направлены через отводные каналы (мембранные поры). Такой непрерывный поток помогает предотвращать проблемы, связанные с переполнением хранилища электронов, готовых образовать свободные радикалы; а это, как мы увидим потом, очень важно для здоровья.

Помимо активного транспорта, силу протонов можно направить на совершение и другой работы. От протон-движущей силы зависит, например, локомоция бактерий, как показал американский микробиолог Фрэнклин Харольд и его коллеги в 1970-е гг. Многие бактерии движутся за счет вращения жестких винтообразно закрученных жгутиков, отходящих от поверхности клетки. Скорость их движения при этом может достигать нескольких сотен длин клетки в секунду. Белок, вращающий жгутик, представляет собой миниатюрный роторный двигатель, в чем-то похожий на АТФазу, и его приводит в действие поток протонов через главный вал.

По сути, бактерии работают на протонах. В некоторых областях жизнедеятельности клетки АТФ, эта универсальная энергетическая валюта, не в ходу. У бактерий и поддержание постоянства внутренней среды клетки (активный транспорт молекул), и локомоция (движение за счет жгутиков) зависят не от АТФ, а от энергии протонов. Это объясняет, почему дыхательная цепь закачивает в клетку больше протонов, чем нужно для одного только синтеза АТФ, и почему так трудно точно определить, сколько молекул АТФ образуются в результате прохода одного электрона. Дело в том, что кроме синтеза АТФ протонный градиент крайне необходим для многих других аспектов жизнедеятельности клетки, и все они понемногу черпают из него.

Важность протонного градиента также объясняет странную склонность АТФазы переключаться в обратный режим и закачивать протоны за счет «сжигания» АТФ. На первый взгляд это свойство АТФазы может показаться обузой для клетки, потому что запасы АТФ при этом быстро истощаются. Однако если мы поймем, что протонный градиент важнее АТФ, все встает на свои места. Чтобы выжить, бактериям нужна полная «зарядка» протон-движущей силой; так, галактический крейсер в «Звездных войнах» должен был иметь полностью работоспособное силовое поле перед тем, как атаковать космическую флотилию империи. Протон-движущая сила заряжается в процессе дыхания. Если дыхание по каким-то причинам невозможно, бактерии производят АТФ за счет брожения. Тогда все происходит в обратном порядке. АТФаза тут же расщепляет свежеиспеченную АТФ и использует получившуюся энергию для трансмембранной закачки протонов, сохраняя заряд, что равнозначно аварийному ремонту силового поля. Все остальные задачи, требующие АТФ, даже такие важные, как репликация ДНК и размножение, могут подождать. С этой точки зрения можно сказать, что основная функция брожения — это поддержание протон-движущей силы. Сохранение протонного заряда имеет для клетки более высокий приоритет, чем сохранение запаса АТФ для других, пусть даже очень важных дел.

Как мне кажется, все это указывает на глубокую древность процесса закачки протонов. Это первая и главная потребность бактериальной клетки, ее реанимационный аппарат. Такой механизм объединяет все три домена жизни, он лежит в основе всех форм дыхания, фотосинтеза, а также многих аспектов существования бактерий, включая поддержание постоянства внутренней среды и локомоцию. Короче говоря, это фундаментальная особенность жизни. А значит, есть веские основания полагать, что само происхождение жизни было тесно завязано на энергию протонного градиента.

Изучение истоков жизни — одно из самых захватывающих научных направлений. На фоне бурления теорий, предположений, идей и даже данных в этой области меркнут лучшие приключенческие романы. У меня нет возможности подробно обсуждать столь широкую тему, поэтому я ограничусь несколькими замечаниями о роли хемиосмоса, но чтобы вы могли в полной мере оценить ее, мне придется сначала широкими мазками набросать общую картину.

Эволюция жизни в большой мере зависит от силы естественного отбора, а та, в свою очередь, зависит от наследования признаков, на которые может действовать естественный отбор. Мы наследуем гены, состоящие из ДНК, но ДНК — сложная молекула, и она не могла так просто взять и появиться ни с того ни с сего. Более того, как я говорил во введении, ДНК химически инертна. Вспомним, что ДНК, по сути дела, только кодирует белки, и даже это происходит за счет более активного посредника — РНК, которая физически транслирует код ДНК в последовательность аминокислот в белке. Активными ингредиентами, обусловливающими жизнь, являются именно белки. Только они обладают структурным и функциональным разнообразием, способным удовлетворить запросы даже самых простых жизненных форм. Естественный отбор усовершенствовал конкретные белки в соответствии с конкретными требованиями. Прежде всего, белки нужны для репликации ДНК и образования РНК, ведь естественный отбор невозможен без наследственности, а белки, какими бы удивительными они не были, имеют недостаточно повторяющуюся структуру, чтобы на их основе можно было бы создать хороший код наследственности. Поэтому происхождение генетического кода — это на самом деле проблема курицы и яйца. Для возникновения белков нужна была ДНК, но для возникновения ДНК нужны были белки. Как же все началось?

Большинство специалистов сходятся на том, что центральную роль в этом процессе занимал посредник — РНК. Она проще, чем ДНК, ее даже можно «собрать» в пробирке; не будет слишком большой натяжкой допустить, что когда-то, скажем, на ранней Земле или в космосе, она образовалась спонтанно. Немало органических молекул, включая некоторые «строительные блоки» РНК, были обнаружены на кометах. Подобно ДНК, РНК может реплицироваться, а на такую реплицирующую единицу может действовать естественный отбор. РНК также может непосредственно кодировать белки (что она и делает по сей день) и потому является связующим звеном между матрицей и функцией. В отличие от ДНК, РНК не является химически инертной. Она «складывается», образуя сложные формы, и может, подобно ферментам, катализировать некоторые химические реакции (молекулы РНК, обладающие ферментативной активностью, называются рибозимами). Такие рассуждения легли в основу гипотезы первичного «мира РНК», в котором естественный отбор действовал на независимо реплицирующиеся молекулы РНК; они постепенно усложнялись, а затем им на смену пришла более устойчивая и эффективная комбинация — ДНК и белки. Если этот рекламный ролик пробудил у вас аппетит, могу порекомендовать «Эволюционирующую жизнь» Кристиана де Дюва в качестве первого блюда.

«Мир РНК» — красивая гипотеза, но у нее есть два серьезных недостатка. Во-первых, рибозимы — не слишком разнообразные катализаторы, и даже если допустить, что они обладали зачаточной каталитической эффективностью, их способность породить сложный мир стоит под большим вопросом. На мой взгляд, они хуже подходят на роль исходных катализаторов, чем, например, минералы. Металлы и минералы, в том числе железо, сера, марганец, медь, магний и цинк, встречаются в центре молекул многих ферментов, и во всех этих случаях за катализ ферментативной активности отвечает именно минерал (говоря химическим языком, простетическая группа), а не белок, который только повышает эффективность реакции, не влияя на ее природу.

Во-вторых, что еще важнее, мы сталкиваемся с энергетической и термодинамической проблемой. Репликация РНК — это работа, а для совершения работы нужна энергия. Она нужна всегда, потому что РНК не очень устойчива и легко распадается. Откуда бралась эта энергия? Астробиологи утверждают, что на ранней Земле было много источников энергии — метеоритные удары, электрические бури, жар вулканических извержений, подводные гидротермальные источники и многие другие. Но как эти разнообразные формы энергии превращались во что-то, что могла использовать жизнь, никто толком объяснить не может. Даже в современном мире ни один из этих источников энергии непосредственно не используется. Возможно, самое разумное предположение (на протяжении последних десятилетий оно то принималось, то отвергалось) заключается в том, что все эти источники энергии обеспечивали брожение «первичного бульона».

Гипотеза «первичного бульона» получила некоторое экспериментальное подтверждение в 1950-х гг., когда Стэнли Миллер и Харольд Юри заполнили колбу газами, которые, как предполагалось, присутствовали в атмосфере ранней Земли (водородом, метаном и аммиаком), и пропустили через эту смесь электрические разряды, имитировавшие вспышки молний. У них получилась богатая смесь органических молекул, включая некоторых предшественников жизни, в том числе аминокислоты. Однако первичный бульон скоро вышел из моды, так как не было никаких подтверждений того, что атмосфера Земли когда-либо содержала эти газы в достаточных количествах; а в более окисляющей атмосфере, характерной, как теперь полагают, для тех времен, органическим молекулам образоваться гораздо сложнее. Но когда выяснилось, что многие органические соединения есть на кометах, круг замкнулся. Многие астробиологи, которые спят и видят, как бы увязать жизнь с космосом, утверждают, что первичный бульон мог «приготовиться» в открытом космосе, а Земля получила щедрые порции бульона в процессе масштабной астероидной бомбардировки — той самой, что примерно 4,5–4 миллиарда лет назад начала обезображивать кратерами лик Луны и Земли, и делала это миллиард лет. Если суп был уже готов, то, возможно, жизнь и вправду началась с его сбраживания.

Но когда мы думаем о брожении как первичном источнике энергии, возникает сразу несколько проблем. Во-первых, как мы видели, при брожении не происходит трансмембранной закачки протонов, что отличает его как от дыхания, так и от фотосинтеза. Тогда выходит временная неувязка. Если все ферментируемые органические соединения появились на Земле из космоса, то после окончания великой астероидной бомбардировки 4 миллиарда лет назад запас питательных веществ должен был начать истощаться. Струйка жизни не иссякла бы только в том случае, если бы до полного истощения поддающихся сбраживанию субстратов появился бы фотосинтез или какой-нибудь другой способ получения органических молекул из элементов. Тут-то мы и сталкивается с временной неувязкой. Ископаемые свидетельства говорят о том, что жизнь на Земле возникла по крайней мере 3,85 миллиарда лет назад, а фотосинтез — в какой-то момент в промежутке от 3,5 до 2,7 миллиардов лет назад (хотя в последнее время эти данные подвергаются сомнению). Учитывая огромный «разрыв» между брожением и фотосинтезом (к возникновению фотосинтеза не подводит никакой промежуточный шаг), временной промежуток в несколько сотен миллионов (возможно, даже миллиарда) лет выглядит крайне неубедительно. Могли ли занесенные астероидами органические молекулы действительно так долго поддерживать существование жизни в отсутствие других источников энергии? Мне кажется, что нет, особенно принимая во внимание то, что во врёмена, когда озонового слоя еще не было, ультрафиолетовая радиация, скорее всего, разрушала сложные органические молекулы довольно быстро.

Во-вторых, представление о том, что брожение — процесс простой и примитивный, в корне неверно. Оно отражает старинный предрассудок, восходящий еще к работам Луи Пастера, что с биохимической точки зрения микробы устроены просто. Пастер называл брожение «жизнью без кислорода», имея в виду как раз его простоту. Однако Пастер, как мы видели, признавался, что не имеет «ни малейшего представления» о функции брожения, поэтому вряд ли можно доверять заключению о его простоте. Для брожения нужно больше десятка ферментов, и если представить, что оно было первым и единственным способом производства энергии, оно кажется «нечленимо сложным». Я нарочно использую этот термин, предложенный некоторыми биохимиками в качестве аргумента в пользу того, что для возникновения жизни была нужна руководящая воля Творца, иными словами, жизнь могла возникнуть только по «разумному замыслу». Как и все эволюционные биологи, я не согласен с этим положением, но проблему нужно как-то решить, а это непросто. В случае брожения действительно трудно понять, как все эти взаимосвязанные ферменты могли возникнуть в процессе эволюции как функциональная единица в «мире РНК», не обеспеченном какой-либо другой формой энергии. Но обратите внимание на мою формулировку: «в мире, не обеспеченном какой-либо другой формой энергии». «Членимо сложный» способ производства энергии — вот что нам нужно. Итак, проблема не в том, как могло эволюционировать брожение без других источников энергии, а в том, откуда взялась энергия, необходимая для его эволюции. Если фотосинтез возник позже, а брожение, будучи сложным процессом, не могло возникнуть без обеспечения энергией, нам остается еще одна возможность — дыхание. Могло ли оно возникнуть на древней Земле? Обычно говорят, что нет, ведь в те времена на Земле было очень мало кислорода (это обсуждается в моей книге Oxygen: The molecule that made the world («Кислород: Молекула, которая изменила мир»), но на самом деле это не аргумент. Вместо кислорода при дыхании могут использоваться сульфаты, нитраты или даже железо. Во всех этих случаях протоны закачиваются через мембрану. Таким образом, все эти способы дыхания гораздо ближе к фотосинтезу по базовому механизму, и в них даже просматриваются возможные промежуточные этапы пути к нему. Обратите внимание, что в таком случае оказывается, что дыхание возникло раньше фотосинтеза, как предполагал Отто Варбург в 1931 г. Итак, встает вопрос: является ли и дыхание тоже «нечленимо сложным»? Я попробую показать, что нет. Наоборот, его появление было почти неизбежно в условиях среды, характерной для древней Земли. Но перед тем как заняться этим вопросом, нам нужно рассмотреть еще одно — решающее — возражение против того, что брожение примитивно.

Третье возражение связано с особенностями «последнего всеобщего предка»[35] всех известных форм жизни на Земле. Есть исключительно интересные данные о том, что этому организму не было присуще классическое брожение, а если так, то, надо полагать, оно не было присуще и более ранним организмам, включая самых первых. Автор этих данных — Билл Мартин, с которым мы встречались в первой части книги. Там мы рассмотрели три домена жизни — архей, бактерий и эукариот. Мы убедились, что эукариоты, скорее всего, возникли в результате союза архея и бактерии. Если это так, то эукариоты возникли относительно недавно, а «последний всеобщий предок» — это последний общий предок бактерий и архей. Вооружившись этой логикой, Мартин обращается к вопросу о том, как возникло брожение. До определенной степени мы можем принять как данность, что все общие базовые особенности бактерий и архей (например, универсальный генетический код) были унаследованы от этого всеобщего предка, а все существенные различия возникли позже. Так, фотосинтез (с образованием кислорода) встречается только у цианобактерий, зеленых водорослей и растений. При этом растения и водоросли — самозванцы; фотосинтез у них происходит с помощью хлоропластов, которые произошли от цианобактерий. Принципиально важно, что он вообще не встречается у архей или каких-либо других бактерий, кроме цианобактерий, из чего можно заключить, что фотосинтез возник только у цианобактерий, и произошло это после расхождения бактерий и архей.

Давайте приложим ту же логику к брожению. Если брожение было первым способом производства энергии, то оно должно происходить сходным образом у архей и бактерий, ведь они унаследовали его от общего предка вместе с универсальным генетическим кодом. Напротив, если брожение, как и фотосинтез, возникло позже, то оно не будет общей чертой архей и бактерий, а будет встречаться только в некоторых группах. Так как же обстоит дело? Ответ весьма занимателен, потому что брожение встречается-таки и у архей и у бактерий, но представители этих двух групп используют для этого разные ферменты. Некоторые из них совершенно не связаны между собой. Если археи и бактерии не имеют общих ферментов брожения, то можно предположить, что классический путь брожения возник в этих двух доменах независимо. Это означает, что последний всеобщий предок не имел брожения, по крайней мере, в известном нам виде. А если так, он должен был получать энергию из какого-то другого источника. В третий раз мы вынуждены сделать один и тот же вывод: брожение не было первичным источником энергии на Земле. Жизнь началась как-то иначе, и гипотеза первичного бульона неверна или, в лучшем случае, неприменима к данной ситуации.

Первая клетка

Если трансмембранная закачка протонов — фундаментальное свойство жизни, а я пытался показать именно это, то она должна быть характерна и для бактерий, и для архей. Так и есть. Дыхательные цепи архей и бактерий состоят из похожих компонентов. И у тех и у других она используется для закачки протонов через мембрану, и при этом возникает протон-движущая сила. Строение и функции АТФазы в целом схожи у бактерий и архей.

На сегодняшний день дыхание представляется нам гораздо более сложным процессом, чем брожение, но если свести его к базовым составляющим, оно на самом деле гораздо проще: для дыхания нужен транспорт электронов (по сути дела, просто окислительно-восстановительная реакция), мембрана, протонный насос и АТФаза, в то время как для брожения нужен по меньшей мере десяток ферментов, работающих друг за другом в строгой последовательности. Наличие мембраны — главная проблема с возникновением дыхания на заре эволюции жизни. Это понимал сам Митчелл (он говорил об этом в докладе в Москве в 1956 г.). Современные клеточные мембраны весьма сложны, и трудно представить, что они могли эволюционировать в мире РНК. Есть, конечно, и более примитивные альтернативы, но и с ними проблема — они непроницаемы для большинства веществ. Непроницаемая мембрана затрудняет обмен с внешним миром, а это в свою очередь препятствует обмену веществ, а значит, самой жизни. Учитывая, что дыхание последнего всеобщего предка, по всей видимости, все-таки происходило через мембрану, можем ли мы понять на основе изучения современных архей и бактерий, что это была за мембрана?

Ответ на этот вопрос свидетельствует об эволюционном расколе с глубочайшими последствиями, о которых говорили Билл Мартин и Майк Расселл (из Университета Глазго) на заседании Лондонского королевского общества в 2002 г. Мембраны как бактерий, так и архей состоят из липидов, но кроме этого у них очень мало общего. Липиды мембран бактерий построены из гидрофобных («отталкивающих воду») хвостов, представляющих собой жирные кислоты, связанных с гидрофильной («любящей воду») головкой за счет сложноэфирной химической связи. В то же время у архей углеродный скелет липидных хвостов построен из разветвленных пятиуглеродных единиц — изопреновых звеньев, образующих полимерную цепочку. Изопреновые звенья формируют многочисленные перекрестные связи, что придает мембранам архей несвойственную бактериальным мембранам жесткость. Кроме того, изопреновые цепочки соединены с гидрофильной головкой липида за счет иной, эфирной, химической связи. Хотя гидрофильные головки липидов и у бактерий, и у архей состоят из глицерол-фосфата, эти организмы используют две разные формы молекулы, представляющие собой зеркальные отражения друг друга. Такие зеркальные структуры не более взаимозаменяемы, чем левая и правая перчатка. Если вам все еще кажется, что между мембранами бактерий и архей мало различий, вспомните, что все компоненты липидных мембран изготавливаются в клетке с использованием специфических ферментов за счет сложных биохимических путей. Для изготовления разных компонентов нужны разные ферменты, а значит, и кодирующие их гены.

Мембраны бактерий и архей настолько принципиально отличаются как по структуре, так и по составу, что Мартин и Рассел пришли к выводу, что последний всеобщий предок не мог иметь липидную мембрану. Его потомки впоследствии приобрели липидные мембраны независимо друг от друга. Однако если последний всеобщий предок практиковал хемиосмос (а мы видели, что это скорее всего так и было), то он должен был иметь хоть какую-то мембрану, через которую происходила закачка протонов. Если она состояла не из липидов, то из чего? Мартин и Рассел дают весьма оригинальный ответ: последний всеобщий предок мог иметь неорганическую мембрану. Микроскопическую клетку, заполненную органическими молекулами, окружал тонкий пористый слой железо-серных минералов.

По Мартину и Расселу, железо-серные минералы катализировали первые органические реакции с образованием сахаров, аминокислот и нуклеотидов, а возможно, впоследствии даже породили «мир РНК», где мог начать действовать естественный отбор. В статье, опубликованной в трудах Лондонского королевского общества, они подробно объясняют, какие именно реакции могли происходить, но мы сейчас обсудим только их энергетическую подоплеку, которая сама по себе имеет очень важные следствия.

Цельнометаллическая оболочка

Мысль о том, что железо-серные минералы, такие как пирит (серный, или железный колчедан), играли какую-то роль в происхождении жизни, восходит к концу 1970-х гг., когда на океанском дне на глубине трех километров были открыты «черные курильщики». Эти серные гидротермальные источники представляют собой огромные, шаткие черные башни, перегретые при высоких давлениях морского дна и извергающие «черный дым» в окружающий океан. «Дым» состоит из вулканических газов и минералов, включая сернистое железо и сероводород, которые оседают в виде железосерных минералов. Самое удивительно в том, что черные курильщики, несмотря на высокую температуру и давление, а также абсолютную темноту, полны жизни. Там процветает целое экологическое сообщество, члены которого получают энергию непосредственно из гидротермальных источников и на первый взгляд независимы от Солнца[36].

Железо-серные минералы могут катализировать органические реакции, что они и делают по сей день в составе простетических групп многих ферментов, таких как железо-серные белки. Гипотеза о том, что железо-серные минералы были повитухами жизни, катализируя восстановление углекислого газа с образованием разнообразных органических молекул в адских условиях черных курильщиков, была разработана немецким химиком и по совместительству патентным поверенным Гюнтером Вэхстерхойзером в серии блестящих работ конца 1980-х и 1990-х гг. (Как заметил один ученый, при чтении этих работ возникает чувство, что они вывалились в наш мир через искривление во времени из конца XXI в.)

Вэхстерхойзер предположил, что первые органические реакции происходили на поверхности железо-серных минералов. Сначала казалось, что его идеи согласуются с филогенетическими деревьями, построенными с использованием данных молекулярной генетики. Согласно этим деревьям, гипертермофилы (микробы, процветающие при высоком давлении и обжигающих температурах) принадлежат к числу наиболее древних групп как бактерий, так и архей. Впоследствии, однако, эти генетические данные стали казаться менее убедительными (см., например, книгу де Дюва), а реакции, о которых говорил Вэхстерхойзер, подверглись критике в плане термодинамики. Однако самое важное возражение против гипотезы черных курильщиков, возможно, связано с проблемой разбавления. Прореагировав на двухмерной поверхности кристалла, вещества отделяются от нее, и ничто не мешает им рассеяться по океанским просторам. Ничто не удерживает их вместе, если они не остаются прикрепленными к поверхности, а представить себе, что циклы биохимических реакций, всегда протекающих в растворах, эволюционировали в фиксированном положении на поверхности минерала, довольно трудно.

В конце 1980-х гг. Майк Расселл предложил альтернативную серию идей; с тех пор он развивает их, в основном в сотрудничестве с Биллом Мартином. Расселла интересуют не столько огромные и страшные «черные курильщики», сколько более скромные места, где просачиваются на поверхность вулканические продукты. Одно из таких мест — отложения пиритов около деревни Тина (Ирландия), образовавшиеся 350 миллионов лет назад. Минералы образовали там огромное количество трубчатых структур, размером примерно с колпачок от ручки, а также пористые отложения, которые, по мнению Расселла, похожи на первые инкубаторы жизни. Наверное, говорит Расселл, эти пузырчатые структуры образовались при смешении двух химически несхожих жидкостей: горячих, восстановленных щелочных вод, просачивавшихся из глубин земной коры, и более окисленных, кислотных вод верхних слоев океана, содержавших углекислый газ и соли железа. Железо-серные минералы, такие как макинавит (FeS), оседали на микроскопических пористых мембранах в зоне смешивания.

Это не просто спекуляции. Расселл и его давний соавтор Алан Холл воспроизвели этот процесс в лабораторных условиях. Впрыскивая раствор сульфида натрия (имитирующего просачивающуюся из земных глубин гидротермальную жидкость) в раствор хлорида железа (имитирующего древний океан) Расселл и Холл получили множество мелких, микроскопических пузырьков, окруженных железо-сульфидными мембранами (рис. 8).

Рис. 8. Древние клетки с железо-серными мембранами, (а) Электронная микрофотография тонкого среза железо-серного минерала (пирита) из окрестностей деревни Тина (Ирландия), образовавшегося 360 миллионов лет назад, (б) Электронная микрофотография структур, образовавшихся в лабораторных условиях после впрыскивания раствора сульфида натрия (NaS), имитирующего гидротермальную жидкость, в раствор хлорида железа (FeCl₂), имитирующего богатый железом древний океан

У этих пузырьков есть две удивительные особенности, которые убеждают меня в том, что Расселл и Холл мыслят в правильном направлении. Во-первых, эти пузырьки по природе своей «хемиосмотичны»: снаружи среда более кислая, чем внутри. Это похоже на эксперимент Ягендорфа — Юрайба, в котором разницы pH по разные стороны мембран оказалось достаточно для производства АТФ. Поскольку эти пузырьки Расселла обладают естественным градиентом pH, то все, что нужно им для производства АТФ, — это включить в мембрану АТФазу. Это куда проще, чем выработать в процессе эволюции целый функциональный путь брожения! Если для того, чтобы сделать первый шаг к возникновению жизни, нужна была только АТФаза, то провидческие слова Рэкера о том, что АТФаза — это «элементарная частица жизни», оказались даже более справедливыми, чем он мог себе представить.

Во-вторых, железо-серные кристаллы в мембранах пузырьков (как и железо-серные белки, которые по сей день входят в состав митохондриальных мембран) проводят электроны. Восстановленные жидкости, поднимающиеся из земной мантии, богаты электронами, а относительно окисленные океанские воды электронами бедны, и в результате возникает трансмембранная разность потенциалов, равная примерно нескольким сотням милливольт, что очень похоже на напряжение современных бактериальных мембран. Это напряжение стимулирует поток электронов через мембрану из одного компартмента в другой. Более того, поток отрицательно заряженных электронов притягивает положительно заряженные протоны изнутри, порождая зачаточный механизм закачивания протонов.

Железо-серные «клетки» не только постоянно генерируют энергию, но и действуют как миниатюрные электрохимические реакторы, катализируя фундаментальные биохимические реакции и накапливая их продукты. Базовые строительные блоки жизни, включая РНК, АДФ, простые аминокислоты, маленькие пептиды и т. д., могли образоваться благодаря каталитическим свойствам железо-серных минералов, а также, возможно, осадочных глин, в тех самых реакциях, которые описал Гюнтер Вэхстерхойзер. Однако у гипотезы Расселла и Холла есть два огромных преимущества: участвующие в реакциях вещества и продукты реакций концентрируются около мембран, которые не дают им рассеиваться в океане, а сами реакции осуществляются за счет естественного источника энергии, протонного градиента.

Сама жизнь

Так ли все, о чем шла речь выше, сомнительно? В предыдущей главе я предположил, что происхождение жизни было куда более вероятным, чем происхождение эукариот. Подумайте о том, как это могло бы быть. Условия, подобные тем, что я только что описал, не были редкими на древней Земле. По оценкам ученых, вулканическая активность в те времена была в пятнадцать раз выше, чем сейчас. Земная кора была тоньше, океаны мелководнее, тектонические плиты только-только начинали формироваться. Продукты вулканической деятельности должны были просачиваться на поверхность во многих местах, не говоря уже о более активных вулканических процессах. Для образования миллионов мельчайших клеток, ограниченных железосерными мембранами, требовалась всего лишь разница окислительно-восстановительного потенциала и кислотности между океанской водой и вулканическими жидкостями, просачивавшимися из земных глубин, а такая разница, несомненно, существовала.

Древнейшая Земля, какой представляет ее Расселл, была гигантской электрохимической батареей, окислявшей океаны за счет солнечной энергии. Ультрафиолетовые лучи расщепляли воду и окисляли железо. Образовавшийся из воды водород не удерживался земным притяжением и испарялся в космическое пространство. Океан постепенно окислялся, все больше отличаясь от преимущественно щелочной мантии. Согласно основным законам химии, в зонах смешивания неизбежно образовывались «клетки» со своим хемиосмотическим и окислительно-восстановительным градиентом. Смешиванию способствовала большая амплитуда колебаний уровня океана (приливно-отливного цикла), обусловленная силой тяготения недавно образовавшейся Луны, которая в то время была ближе к Земле, чем сейчас. Скорее всего, такие «клетки» действительно образовывались, возможно, массово. От них остались геологические свидетельства, такие как отложения в Тине. Отсюда далеко даже до первых бактерий, но для начала это совсем неплохо.

Дело не только в том, что необходимые условия могли сложиться, но и в том, что они были устойчивы и существовали долгое время. Все, что было нужно, — это энергия Солнца; никаких тебе сомнительных нововведений вроде фотосинтеза или брожения. Нужно было, чтобы Солнце окисляло океаны, а оно именно это и делает. Ученые, бурно обсуждавшие различные формы энергии, возможные на древней Земле, — метеоритные удары, вулканическое тепло, молнии, — почему-то забывали про энергию Солнца (в отличие от доисторических мифов, которые всегда уделяли Солнцу ключевую роль). Как писал выдающийся микробиолог Фрэнклин Харольд в классической книге The Vital Force («Жизненная сила») (из почтения к нему я включил это выражение в название этой части книги): «Нельзя не прийти к мысли о том, что великий поток энергии, пронизывающий Землю, играет в биологии более важную роль, чем известно нашим современным мудрецам: возможно, что этот поток энергии не только позволил жизни возникнуть, но и непосредственно создал ее».

Сотни миллионов лет Солнце служило постоянным источником энергии, необходимой для «расплаты» со вторым законом термодинамики. Оно создало химическое неравновесие и способствовало образованию естественных хемиосмотических «клеток». Эти изначальные условия до сих пор отражены в почти неизменном виде в фундаментальных свойствах всех современных клеток. Как органические клетки, так и их неорганические прототипы окружены мембраной, которая физически отграничивает органические компоненты клетки, не давая им раствориться в окружающем океане. В обоих случаях биохимические реакции катализируются минералами (в органических клетках они включены в состав простетических групп ферментов). В обоих случаях мембрана служит как барьером, так и переносчиком энергии, а энергия запасается в форме хемиосмотического градиента: снаружи есть положительный заряд и кислая среда, а внутри — относительно отрицательный заряд и щелочные условия. В обоих случаях окислительно-восстановительные реакции, транспорт электронов и закачка протонов восстанавливают этот градиент. Когда бактерии и археи наконец покинули инкубатор и пустились в путь по открытому океану, они унесли с собой нестираемую печать своего происхождения. Они гордо несут ее и поныне.

Однако эта печать, напоминающая о происхождении жизни, также наложила на нее непреодолимое ограничение. Почему бактерии не вышли за рамки бактериального уровня организации? Почему за четыре миллиарда лет не возникла ни одна истинно многоклеточная, разумная бактерия? Если конкретнее: почему для возникновения эукариот понадобился союз архея и бактерии, а не просто постепенное усложнение какой-нибудь особо удачной эволюционной линии бактерий или архей? В третьей части книги мы увидим, что ответ на эту старинную загадку и объяснение удивительного расцвета эукариотической линии, давшей миру растения и животных, следует искать в самой природе производства энергии за счет создания трансмембранного хемиосмотического градиента.