Кислород. Молекула, изменившая мир

Глава седьмая. Зеленая планета. Излучение и эволюция фотосинтеза

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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