Нил Шубин - Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей

Клауд смог в единой теории соединить все наблюдения: и полосы железа, и водоросли, производящие кислород, и появление крупных существ. Его теория вытекает из самой структуры атома кислорода. Кислород охотится за электронами, поскольку на его внешней электронной оболочке недостает двух электронов. На этом основан механизм действия домашних «электростанций» наших клеток — митохондрий, а также аэробных бактерий. В некоторых реакциях метаболизма, таких как дыхание, используется каскад передачи электронов между молекулами, причем на каждой стадии переноса электрона энергия либо запасается в новой форме, либо высвобождается. Чем больше вокруг свободного кислорода, тем больше топлива доступно живым существам.

Клауд также знал, что большие существа тратят больше энергии. Для синтеза коллагена и других белков, из которых состоит значительная часть нашего тела, нужно много энергии. Рост тела и поддержание его функций требуют более эффективных механизмов превращения энергии.

Ответить на многие вопросы о связи уровня кислорода с жизнью животных помогли наблюдения, сделанные еще в 1919 году одним из основоположников физиологии Шеком Августом Стинбергом Крогом (1874–1949). Он изучал физические и химические законы, определяющие физиологию животных. Один такой закон он открыл, исследуя зависимость между свойствами воды и живущими в ней существами. Размер тела примитивных морских существ, не имеющих сложной системы циркуляции или пищеварения, зависит от количества кислорода в воде. В среде с низким содержанием кислорода невозможно вырасти большим. При повышении уровня кислорода в воде увеличивается и размер ее обитателей.

Престон Клауд понял, что повышение содержания кислорода и связанные с ним новые механизмы превращения энергии открыли новые возможности развития жизни. Именно с кислородом связано возникновение крупных существ: он явился движущей силой, которая позволила осуществить переход от микроскопических существ, живущих в мире межмолекулярного взаимодействия, к новым, крупным существам. Но кислород принес и новые опасности.

Любое изменение — это палка о двух концах. Химическая природа кислорода, которая объясняет его высокую эффективность в производстве энергии, может превратить его в яд. Кислород отбирает электроны у других атомов. При этом выделяется энергия и образуются новые соединения. Эти соединения способны разрушать клетки и повреждать ДНК. На этом свойстве кислорода построен ряд теорий старения и патологических процессов в организме. Когда вы принимаете антиоксиданты вроде витамина С, вы пытаетесь подавить негативное воздействие этих кислородсодержащих молекул.

Жизнь крупного существа в богатой кислородом среде сопряжена и с другими трудностями. В теле человека примерно два триллиона клеток и тридцать тысяч генов, которые функционируют как единое целое: все органы, ткани и гены работают слаженно, обеспечивая целостность организма. Равновесие между отдельными частями определяется прямым и опосредованным взаимодействием клеток. Когда мы здоровы, каждый орган тела «знает», что ему делать. Клетки делятся и гибнут, но его форма и размеры остаются прежними. Глаза у всех людей примерно одинаковой величины, как и большие пальцы рук и ног. Селезенка и печень тоже имеют строго определенный размер. Это равновесие необходимо для нормального функционирования многоклеточного организма.

Механизм сохранения этого равновесия стал понятен в ходе изучения необычных дрозофил. В одной из исследовательских лабораторий Университета им. Джона Хопкинса в колонии дрозофил были обнаружены особи с очень крупными глазами — в пять раз крупнее обычных. Генетики стали изучать гены этих мутантов. Они выделили ДНК соответствующего гена, изучили ее функции и выяснили, что она участвует в серии реакций, останавливающих клеточный рост. Ограничение роста клеток за счет снижения скорости их деления или активации клеточной смерти является неотъемлемым условием гармоничного развития тела.

Зная структуру гена дрозофилы, ученые из Университета им. Джона Хопкинса смогли обнаружить тот же ген у мыши и человека. Мало того, что вариант гена дрозофилы есть и у млекопитающих: его мутации тоже приводят к изменению размера органов. Ген работает примерно одинаково у дрозофил, мышей и людей, участвуя в цепи реакций, поддерживающих равновесие между частями тела. Например, мутация этого гена у мыши может привести к увеличению печени в пять раз по сравнению с нормой.

Однако мутации таких генов могут иметь и другие последствия: они способствуют развитию рака. Если клетки не перестают делиться или не погибают в назначенное время, они могут разрастаться и образовывать опухоли. Таким образом, гены, позволяющие нашему телу достигать больших размеров, способны причинить и вред.

Престон Клауд и его единомышленники увидели гармоническую связь нашей планеты и населяющих ее существ. Взаимодействие между Землей и ее обитателями привело к повышению концентрации кислорода в атмосфере. Кислород, в свою очередь, изменил мир, обеспечив существование крупных многоклеточных организмов. Жизнь изменяет Землю, Земля изменяет жизнь, и все мы, живущие на планете, несем на себе следы этих процессов.

Пятьсот тридцать миллионов лет назад Земля еще выглядела непривычно для нас. Даже дышать тогда было так же трудно, как сейчас взбираться на Эверест без кислородной маски. Самым подходящим для жизни местом была вода. В океане появились новые виды мягкотелых животных. Суша представляла собой бесплодную пустыню без почвы и каких-либо растений. Если бы вы отправились в путешествие по этой странной земле, то могли бы дойти от того места, где расположен Бостон, до Австралии, не увидев океана.

Современный мир образовался в результате изменения гор, воздуха, воды и живых существ. Но, как показывает история возникновения кислорода, эти элементы не существуют независимо друг от друга. История Земли — продукт взаимозависимой эволюции планеты и ее обитателей. Чтобы научиться видеть эти связи, следует начать с составления карт. Они показывают, где мы находимся, как выглядит мир и, если использовать их во временной развертке, позволяют обнаружить связи между океанами, горами и органами нашего тела.

Как знают все родители, дети склонны находить закономерности во всем. Возьмите карту мира, покажите ее семилетнему ребенку и попросите его описать то, что он видит: не называть различные регионы, а описать форму материков, островов и океанов. Почти наверняка ребенок обнаружит, что отдельные части суши подходят друг другу: например, очертания восточного берега Южной Америки и западного берега Африки почти совершенно совпадают.