Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

На фоне этой тупиковой ситуации в области экспериментальных исследований выделяется интуитивный подход к объяснению роли свободных радикалов как причины старения и болезней. Свободные радикалы обнаруживаются практически при всех заболеваниях человека и теоретически могут объяснить процесс старения и повышение риска возрастных заболеваний. Возрастающее количество данных подтверждает, что свободные радикалы являются причиной многих заболеваний, и многие другие факты встраиваются в эту концепцию. Вот лишь один пример: если митохондрии выделяют свободные радикалы, следует ожидать, что ДНК митохондрий повреждается в большей степени, чем ДНК в ядре. В главе 13 мы обсуждали, что на практике измерить это различие достаточно сложно, имеющиеся данные иногда различаются в 60 тыс. раз! Однако высокая скорость повреждений должна приводить к большой вероятности мутаций, а частота мутаций митохондриальных генов действительно примерно на порядок выше частоты мутаций ядерных генов. Таким образом, идея о роли свободных радикалов подкрепляется данными из других областей исследований.

Мне кажется, мы лучше поймем роль свободных радикалов кислорода, если взглянем на проблему шире. Пока мы не можем экспериментально подтвердить, что свободные радикалы вызывают болезни, как из логических соображений мы не можем подтвердить, что яйцо было раньше курицы, но мы можем проанализировать, насколько свободные радикалы вписываются в эволюционный процесс, связанный с историей кислорода. Изложенная в книге история отчасти позволяет ответить на вопросы, на которые мы пока не можем ответить экспериментальным путем. А эти ответы очень важны для будущего развития медицины. Но, прежде чем говорить о будущем, давайте еще раз вернемся к истории и перечислим те элементы, которые имеют непосредственное отношение к нашей жизни и смерти.

Сначала на Земле отсутствовал кислород, но была вода и ультрафиолетовое излучение. Поскольку озонового слоя не существовало, интенсивность ультрафиолетового излучения в воздухе и на поверхности океанов примерно в 30 раз превышала теперешнюю. Под действием излучения вода расщепляется с образованием нескольких реакционноспособных промежуточных соединений — тех же самых, что образуются при дыхании: гидроксильных и супероксидных радикалов, а также пероксида водорода. Эти неустойчивые соединения взаимодействовали друг с другом и с водой, образуя водород и кислород. Легкий водород улетучивался в космическое пространство, а кислород взаимодействовал с железом в составе горных пород и с газообразными соединениями серы вулканического происхождения и включался в земную кору. В тонкой прослойке сухого марсианского воздуха промежуточные кислородсодержащие соединения в буквальном смысле окаменевали, превращаясь в красные оксиды железа, окрасившие планету.

На Земле все было иначе. Первые организмы адаптировались к жизни на поверхности океана. У последнего общего предка всех живых существ (LUCA) уже имелись антиоксидантные ферменты, защищавшие клетку от реакционноспособных промежуточных соединений, возникавших из воды под действием излучения. Генетические исследования позволяют предположить, что LUCA имел такие ферменты, как СОД, каталаза и пероксиредоксины. Более того, LUCA обладал достаточно сложным метаболизмом. Клетка могла захватывать кислород с помощью некой формы гемоглобина и извлекать из него энергию с помощью цитохромоксидазы — предка фермента, который сегодня выполняет для нас ту же самую работу. LUCA умел делать все это уже 3,8 млрд лет назад, вскоре после прекращения метеоритных дождей, покрывших кратерами поверхность Земли и Луны. Таким образом, самые первые клетки могли производить энергию за счет кислородного дыхания и сопротивляться окислительному стрессу еще до того, как кислород начал накапливаться в воздухе.

Возникавшие под действием излучения активные формы кислорода реагировали с растворенными в океанах соединениями железа и с сероводородом, постепенно исчерпывая запасы этих веществ в мелких морях и озерах. Соли железа и сероводород были первым сырьевым материалом для фотосинтеза, но, когда они закончились, пришлось искать замену. В замкнутых водных средах содержалось достаточно много пероксида водорода, который и стал альтернативным сырьем, поскольку расщеплялся под действием каталазы. Вокруг реакционных центров фотосинтеза концентрировалось множество молекул каталазы, и в какой-то момент две молекулы фермента соединились между собой, образовав кислород-выделяющий комплекс (КВК). Этот комплекс мог использовать энергию солнечных лучей для расщепления воды и выделения кислорода. Такой механизм фотосинтеза эволюционировал на Земле всего один раз . Задумайтесь: все формы жизни на Земле, которые используют воду в качестве сырьевого материала для фотосинтеза, унаследовали кислород-выделяющий комплекс, состоящий из молекул каталазы. Это стало возможным только потому, что жизнь уже научилась спасаться от излучения. Возможно, ничего такого бы не случилось, если бы жизнь не изобрела каталазу, и практически наверняка не произошло на Марсе. Одного этого рассуждения достаточно для объяснения наблюдаемой стерильности Марса.

Кислород в атмосфере Земли появился в результате активности фотосинтезирующих цианобактерий, и происходило это быстро — быстрее, чем вулканы могли выпускать сероводород, а эрозия — обнажать неокисленные поверхности гор. Земная кора окислялась, но в воздухе оставалось сколько-то кислорода. Водород, возникавший при расщеплении воды под действием солнечных лучей, уже не мог ускользать в космическое пространство, а взаимодействовал с кислородом, что вновь приводило к образованию воды. Накапливался кислород, формировался озоновый слой, преграждавшие ультрафиолетовым лучам путь в нижние слои атмосферы. Благодаря этому на Земле сохранились океаны, но на Марсе и на Венере, где не было кислородного буфера, они исчезли.

Сохранение воды стало первыми важным результатом фотосинтеза. Вторым оказался сам кислород. Несколько раз на протяжении долгого докембрийского периода на Земле происходили катастрофические перемены глобального масштаба — оледенения и формирование новых горных массивов, — которые прерывали длительные периоды эволюционного застоя и способствовали захоронению огромного количества органического материала, что тоже благоприятствовало накоплению кислорода в атмосфере. И с каждым повышением уровня кислорода жизнь делала шаг вперед. В первый раз это случилось примерно 2,7 млрд лет назад; к этому периоду относятся первые молекулярные маркеры (стеролы — аналоги холестерина), свидетельствующие о появлении наших с вами общих предков эукариот. В следующий раз после очередного оледенения и формирования новых горных массивов около 2,3 или 2,2 млрд лет назад присутствие эукариот стало более заметным, так что до нас дошли первые палеонтологические доказательства их существования. Вскоре после этого появились многоклеточные водоросли, но потом на протяжении миллиарда лет не происходило почти никаких изменений. А вот затем случились самые серьезные геологические катаклизмы за всю историю планеты: Земля пережила несколько периодов оледенения, и более 160 млн лет поверхность планеты была покрыта льдом, но в результате уровень кислорода в атмосфере достиг современных показателей.