Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Я старался писать для широкой аудитории, которая, возможно, мало знакома с наукой, и надеюсь, что результат будет понятен любому читателю, готовому приложить небольшое усилие. Вся книга — это единое доказательство, и, чтобы понять смысл полностью, ее придется прочесть до конца! Однако каждая глава содержит отдельную историю, и для ее понимания не нужно запоминать всю информацию, изложенную в предыдущих главах. Мы увидим, что адаптация жизни к кислороду, начавшаяся примерно 4 млрд лет назад, до сих пор влияет на строение нашего организма. Мы поймем, что кислород связывает между собой столь разные факты и явления, как излучение, ядерные реакции, Всемирный потоп, фотосинтез, глобальное оледенение, гигантские насекомые, хищные монстры, пища, половое размножение, стресс и инфекционные заболевания. Мы обнаружим, что через призму кислорода удается иначе взглянуть на природу старения, болезней и смерти. Мы увидим, что простой газ без цвета и запаха создал тот мир, в котором мы живем, и определил наш путь в этом мире. Итак, давайте поговорим о том, как и почему кислород влиял на эволюции жизни на планете с самого начала.

Сначала кислорода не было. Четыре миллиарда лет назад кислород, вероятно, составлял одну миллионную часть воздуха. Сейчас в воздухе содержится около 21% кислорода (примерно 208 550 ppm. — частей на миллион). Как же произошло такое невиданное в истории Земли «загрязнение атмосферы»? Мы с вами не воспринимаем этот процесс как загрязнение, поскольку не можем обойтись без кислорода — он является для нас источником жизни. Однако для мельчайших одноклеточных организмов, населявших первозданную Землю, кислород служил чем угодно, только не источником жизни. Это был смертельный яд, способный убивать даже в очень малых дозах. До сих пор в болтах, на океанском дне и в нашем собственном кишечнике обитает множество организмов, которые ненавидят кислород. Многие из них погибают в среде с содержанием кислорода в 1000 раз ниже, чем в атмосфере. Для их древнейших предков загрязнение атмосферы кислородом было катастрофой. Им пришлось сдать доминирующие позиции и спрятаться в незаметных закоулках.

Такие ненавидящие кислород организмы называют анаэробами — они не могут использовать кислород и во многих случаях живут исключительно в бескислородной среде. Дело в том, что они не имеют защиты от токсичного действия кислорода — у них нет или очень мало антиоксидантов. Напротив, большинство современных организмов спокойно переносят высокое содержание кислорода в воздухе, поскольку как следует запаслись антиоксидантами. Как это произошло? Как современные организмы создали систему антиоксидантной защиты? В традиционных учебниках говорится, что у первых клеток, которые начали выделять кислород в качестве токсичного побочного продукта, антиоксидантов не было: как они могли адаптироваться к газу, которого раньше не существовало? Если верно предположение, что антиоксиданты возникли после повышения уровня кислорода в атмосфере, резкий рост его должен был представлять очень серьезную угрозу для существования жизни на Земле. Если кислород оказывал на первые анаэробные клетки примерно такое же действие, как на их современных потомков, на Земле должно было происходить столь массовое вымирание анаэробных организмов, перед которым блекнет даже история исчезновения динозавров.

Какое это имеет значение? В соответствии с упомянутой в главе 1 свободнорадикальной теорией старения токсичность кислорода определяет продолжительность нашей жизни. Если так, в этом «виновата» эволюционная адаптация жизни к присутствию кислорода. Действительно ли подъем уровня кислорода стал причиной массового вымирания организмов? Как адаптировалась жизнь? Если старение и смерть являются следствием невозможности адаптироваться, возможно, нам поможет опыт организмов, которым удалось избежать гибели? Способны ли мы «сделать» что-то из того, что сделали они? В следующих главах мы попытаемся ответить на некоторые из этих вопросов, исследуя эволюцию организмов в ответ на повышение уровня кислорода на протяжении миллиардов лет.

В последние десятилетия происхождение и ранняя история жизни вновь стали привлекать интерес исследователей. И некоторые из основополагающих идей были полностью пересмотрены. Но старые взгляды укоренились настолько прочно, что даже в новых учебниках биологии все еще слышны отголоски. Многие ученые, работающие в других областях, как будто не замечают этих изменений. Мне кажется полезным описать прежнее видение проблемы, поскольку приписываемая кислороду роль подчеркивает его токсичность.

В 1920-х гг. Дж. Б. С. Холдейн в Англии и Александр Опарин в России независимым образом начали размышлять о возможном составе атмосферы первозданной Земли, основываясь на данных о составе современной атмосферы Юпитера (который определяют по оптическому спектру). Холдейн и Опарин утверждали, что, если Земля возникла в результате конденсации облака газа и пыли, как Юпитер и другие планеты, исходная атмосфера Земли должна была состоять из такой же ядовитой смеси водорода, метана и аммиака. Их идеи укоренились надолго и легли в основу знаменитой серии экспериментов Стенли Миллера и Гарольда Юри, выполненных в США в 1950-х гг. Миллер и Юри пропускали электрические искры (имитируя разряды молнии) через газовую смесь, содержащую три газа из атмосферы Юпитера, и собирали продукты реакции. Они обнаружили сложную смесь органических соединений, включая аминокислоты, из которых все живые существа синтезируют белки. Ученые утверждали, что подобные реакции могли превратить первичный океан в органический бульон, содержащий все исходные элементы для возникновения жизни. Для зарождения жизни в этой смеси требовались только благоприятный случай и время, а их было предостаточно: нашей планете 4,5 млрд лет, а самые древние окаменелости крупных животных имеют возраст не более полумиллиарда лет. За 4 млрд лет многое может произойти.

Выбор состава газовой смеси в экспериментах Миллера и Юри был оправдан как с практической, так и с теоретической точки зрения. Водород, метан и аммиак не могут долго существовать в присутствии кислорода и света — смесь окисляется, и после этого выход органических продуктов быстро снижается. На химическом языке окислeнue — это удаление электронов из атома или молекулы. Обратный процесс присоединения электронов называют восстановлением .

Слово «окисление» происходит от слова «кислород». Кислород активно отбирает электроны у других молекул. Чтобы легче было запомнить, воспринимайте кислород как едкое и разрушающее вещество, что-то вроде средства для отмывания краски. Окисление можно сравнить со снятием оболочки «электронной краски», а восстановление — с воссозданием красочного покрытия [7] Запомнить помогает мнемоническое правило «ВВО/ООВ»: в зял (электроны), в осстановился — о кислитель; о тдал (электроны), о кислился — в осстановитель. — Примеч. пер. . Важно, что кислород способен «нападать» на молекулы и отнимать у них электроны. Современные клетки защищаются от этого нападения с помощью антиоксидантов, но сначала никаких антиоксидантов не было. Свободный кислород в первичной атмосфере оказался бы страшным бедствием, поскольку мог разрушать любые органические молекулы и первые клетки.Тот факт, что жизнь все-таки зародилась, говорит о том, что кислорода в заметном количестве в первичной атмосфере не было.