Помоги проекту - поделись книгой:
Эти результаты не подтверждают окончательно, что в каменноугольном и раннем пермском периоде воздух был насыщен кислородом, но они меняют расстановку сил: теперь доказывать свою правоту приходится тем, кто не верит в возможность подобных изменений. А пока этим вопросом заинтересовались специалисты в других областях науки. Многие аспекты проблемы можно проанализировать непосредственно путем изучения палеонтологических летописей или измерения физиологических характеристик, таких как параметры полета стрекозы в атмосфере с высоким содержанием кислорода. Однако мы по-прежнему не разобрались с парадоксом огня. Разве при столь высокой концентрации кислорода все вокруг немедленно не сгорит? Как удавалось избежать катастрофических лесных пожаров, о которых мы говорили выше?
Одна из особенностей современной науки заключается в невероятном объеме информации. Невозможно быть в курсе всех последних достижений даже в какой-то конкретной области исследований и при этом работать в лаборатории или лечить больных. Обычно ученые досконально разбираются в том, чем занимаются непосредственно, например в популяционной генетике, и в целом представляют себе ситуацию в смежных областях, таких как молекулярная биология. Но в более отдаленных сферах научной деятельности ученые, как и все другие люди, вынуждены многое принимать на веру. Пример с пожарами позволяет оценить, насколько какая-либо идея может закрепиться в общественном мнении, не подвергаясь никакой экспериментальной проверке.
В 1970-х гг. Лавлок и Уотсон заявили, что «при содержании кислорода выше 25% лишь небольшая часть нашей современной наземной растительности устоит перед повсеместными пожарами, которые уничтожат и тропические дождевые леса, и арктическую тундру», и что даже влажная растительность «скорее всего, будет гореть... так как огонь может возникнуть даже под проливным дождем». Когда мы соглашаемся с такими смелыми заявлениями, мы считаем, что они основаны на каких-то экспериментальных подтверждениях, давно признанных как очевидный факт. По крайней мере я думал именно так, пока не занялся поисками таких экспериментальных подтверждений. Работа на эту тему действительно была написана: аспирант Лавлока Эндрю Уотсон в 1978 г. защитил диссертацию, посвященную детальному анализу горения в среде с разным содержанием кислорода. К сожалению, некоторые сделанные им выводы не подкреплялись экспериментальными результатами.
Уотсон в основном работал с полосками бумаги, что позволяло контролировать условия эксперимента и сравнивать подобное с подобным. Он увлажнял бумагу до определенной степени, а затем поджигал. Он провел сотни таких экспериментов при разной степени влажности и содержании кислорода и построил графики вероятности возгорания под действием электрического разряда, скорости распространения огня и объема воды, необходимого для тушения пожара. Его результаты подтверждали наше интуитивное представление о том, что высокое содержание кислорода в воздухе усиливает горение и нивелирует влияние влажности.
В его результатах нет никакой ошибки. Но дело в том (и сам Уотсон это признает), что ответил он не на те вопросы. Бумага — плохая модель биосферы, как знает каждый, кто разжигал огонь с помощью газеты. Как мы уже отмечали в главе 4, при изготовлении бумаги из целлюлозной пульпы удаляют бóльшую часть лигнина, что значительно повышает горючесть материала. Лигнин же почти не горит — он медленно тлеет. Деревья с высоким содержанием лигнина в коре сравнительно устойчивы к действию огня. Кроме того, бумага не удерживает воду за счет осмоса, как это делают живые клетки. Поэтому содержание влаги в тонких растительных тканях, таких как листья, значительно выше, чем в бумаге такой же толщины. Уотсон определял воспламеняемость бумаги вплоть до влажности 80% насыщения, тогда как некоторые листья способны удерживать такое количество воды, которое эквивалентно 300% насыщения. При высоком риске возгорания растения часто содержат огнеупорные вещества, такие как кремний. Например, в некоторых видах соломы удивительно много кремния, что мешает сжигать сельскохозяйственные отходы. Домохозяйки прекрасно это знают: во время Второй мировой войны на оконные шторы часто наносили силикатную краску, поскольку она замедляла распространение пожара при бомбардировках.
Из всего сказанного следует неожиданный вывод: мы не знаем, в какой степени атмосферный кислород влияет на скорость распространения огня в реальных экосистемах. Я понимаю, что смесь старых консервных банок с влажной органикой взрывается при высоком содержании кислорода, как в современной атмосфере, но на основании опубликованных данных нельзя понять, действительно ли пожары могли быть неразрешимой проблемой в гипотетической атмосфере каменноугольного периода. Учитывая катастрофические последствия современных лесных пожаров, трудно предположить, что высокое содержание кислорода в прошлом не угрожало всей растительности планеты, но следует учитывать два других фактора. Во-первых, источником большинства современных пожаров является человеческая деятельность — случайная или преднамеренная. Пожаров было бы намного меньше, если бы они возникали только в результате вспышки молнии. Если в прошлом угроза пожара была выше, этот дополнительный риск уравновешивался значительно меньшим числом источников огня, и пожаров, скорее всего, было не больше, чем теперь. Во-вторых, растения обладают удивительной способностью адаптироваться к регулярным опустошительным пожарам.
Наши знания об адаптации современных растений к огню позволяют заняться поиском аналогичных адаптаций в ископаемых образцах каменноугольного и раннего пермского периода. Этому вопросу был посвящен замечательный обзор, опубликованный в 1989 г. Дженнифер Робинсон, тогда работавшей в Университете Пенсильвании. Она утверждала, что высокое содержание кислорода в атмосфере во время каменноугольного периода могло привести к адаптации к огню, что должно было отразиться в палеонтологических образцах. Если же таких следов не найдено, это может опровергать предположение о повышении концентрации кислорода. Далее Робинсон утверждала, что, хотя адаптация растений к огню не доказывает высокого содержания кислорода в воздухе, более веским аргументом было бы наличие адаптаций даже у болотных растений каменноугольного периода. Это действительно любопытно. Большинство современных болотных растений не должны адаптироваться к огню, поскольку вероятность возникновения пожаров в заболоченной местности при современном уровне кислорода в атмосфере практически равна нулю.
Робинсон пришла к предварительному заключению, что болотные растения каменноугольного периода действительно адаптировались к огню. Я говорю «предварительному», поскольку интерпретировать результаты достаточно сложно. Например, листья суккулентов замедляют распространение огня, но могут быть адаптацией к уровню влажности или просто отражением биоразнообразия. Глубокие клубни (как у картофеля) способны запасать достаточно энергии для регенерации растения после пожара, но также могут быть результатом глубокого залегания почвы. Еще сложнее интерпретировать морфологические адаптации исчезнувших растений. Но, несмотря на все эти сложности, палеонтологические доказательства подтверждают идею адаптации к огню. Большинство крупных растений того времени имели глубоко расположенные клубни, толстую кору с высоким содержанием лигнина, листья суккулентного типа и ветви, расположенные высоко над землей — вне досягаемости для огня, распространяющегося по подлеску. Кроме того, существовало мало вьющихся растений, которые могли бы способствовать распространению огня на кроны деревьев.
Гигантские плауны — доминирующий вид деревьев в болотах каменноугольного периода — по виду напоминают пальмы, хотя они не родственники. Их толстая кора с чудесным геометрическим рисунком и высоким содержанием лигнина очень хорошо сохранилась (из этой коры изготовлено нескольких декоративных колонн в Музее естественной истории в Лондоне). Мы не знаем, адаптировались ли гигантские плауны к пожарам, но сжечь их действительно было непросто. Дошедшие до нас более мелкие представители той эпохи, такие как папоротники и хвощи, не выглядят защищенными от огня, но они очень плохо горят из-за высокого содержания огнеупорных веществ. Как пишет Робинсон, «современный хвощ практически не горит (личное наблюдение), возможно, из-за высокого содержания двуокиси кремния». Я представляю себе Робинсон — неудовлетворенного пиромана, топающего ногой от разочарования: хвощ не горит! Из страстей такого рода и возникает истинная наука.
Другие данные, в частности обилие и свойства ископаемого древесного угля, тоже указывают на периодические нашествия огня. Некоторые виды угля содержат более 15% по объему ископаемого древесного угля, что невероятно много, если учесть, что эти пласты формировались в болотах, которые в современных условиях практически никогда не горят. Ближайший современный аналог болот каменноугольного периода — болота Индонезии и Малайзии, но там древесный столь почти не встречается. Это несоответствие заставляло многих ученых задуматься об ином происхождении ископаемого древесного угля: может быть, это другой тип угля, который образовался не в результате обжига? Однако в конце концов в 1966 г. Гивен, Биндер и Хилл показали, что древесный уголь сформировался при температуре порядка нескольких сотен градусов. Это действительно древесный столь, а не какой-то другой, образовавшийся под высоким давлением. Сегодня почти все геологи сходятся во мнении, что раньше в болотистой местности частенько бушевали пожары, однако продолжают спорить по поводу их причин. Пожары могли быть связаны с высоким содержанием кислорода в воздухе, но также могли отражать локальные изменения климата и частоту высыхания болот.
Пересмотр имеющихся палеонтологических доказательств в свете новых данных об изменении содержания кислорода в атмосфере позволяет расставить акценты по-другому. Уголь, образовавшийся в условиях предполагаемого высокого содержания кислорода, как в каменноугольном и меловом периодах, содержит вдвое больше древесного угля, чем уголь, сформировавшийся в периоды с низким содержанием кислорода, такие как эоцен (от 54 до 38 млн лет назад). А значит, при высоком содержании кислорода в воздухе пожары бушевали чаще, и связано это не только с климатом. Такой вывод напрашивается в результате анализа некоторых свойств древесного угля. Блеск древесного угля зависит от температуры обжига древесины. Уголь, произведенный при температуре выше 400 °С, блестит сильнее, чем тот, что получен при более низкой температуре. Интенсивность блеска можно очень точно определить методом отражательной спектроскопии. Анализ ископаемого древесного угля каменноугольного и мелового периодов показывает, что оба типа угля образовались при очень высокой температуре — практически наверняка выше 400 °С, возможно, даже при 600 °С, то есть при очень сильном пожаре. Температура огня при пожаре, конечно же, зависит от множества факторов, включая тип растительности (современные хвойные растения горят при гораздо более высокой температуре, чем лиственные), теплопроводность древесины и уровень грунтовых вод. Но одним из важнейших факторов все же является содержание кислорода в воздухе. Поэтому простейшим объяснением сильного блеска древесного угля каменноугольного и мелового периодов является высокая концентрация кислорода.
Катастрофическое завершение мелового периода тоже поддерживает идею о высоком содержании кислорода в воздухе. Исчезновение динозавров могло быть связано с лавиной пожаров. Гипотеза о том, что 65 млн лет назад на Землю упал гигантский метеорит, основана на анализе тонкого слоя обогащенных иридием горных пород, по времени относящихся к границе между меловым и третичным периодами (так называемая К/Т-граница). Эта тонкая прослойка породы обнаружена более чем в ста различных местах на планете. На Земле иридий встречается редко, гораздо реже золота, но его довольно часто находят в метеоритах[30]. В образцах, относящихся к К/Т-границе, соотношение иридия к золоту составляет 2:1, что близко к аналогичному соотношению в метеоритах. Наличие иридия в тонкой прослойке горных пород повсюду на Земле говорит о том, что при ударе метеорит рассыпался в пыль, которая сначала повисла в высоких слоях стратосферы, а потом осела на поверхности Земли.
В 1988 г. аспирантка Венди Уольбах и ее коллеги из Университета Чикаго опубликовали в журнале
Результаты Уольбах нашли дальнейшее подтверждение. В 1994 г. Майкл Крюж и его коллеги из Университета Южного Иллинойса описали полосу ископаемого древесного угля трехметровой толщины в Эл-Мимбрал, на севере Мексики. На основании странного состава породы из наземных и морских отложений был сделан вывод, что наземные растения обуглились в процессе сильного пожара (возникшего в результате падения метеорита), а затем были смыты в воду огромной волной цунами («мегаволной»), вызванной попаданием метеорита в мелкое тропическое море. Такая интерпретация событий не является однозначной, но доказательства гигантского пожара кажутся бесспорными.
Если подобный пожар действительно имел место, богатая кислородом атмосфера могла способствовать исчезновению динозавров. Ведь на Землю падали и другие крупные метеориты, но они не вызывали массовой гибели всего живого. Например, 15 млн лет назад на территории современной Германии в результате падения метеорита возник кратер Райс. Удар был так силен, что гигантские булыжники разлетелись на расстояние до 95 км — в Швейцарию и в Чехию, а капли расплавленной породы оказались за сотни километров от места падения, но при этом не пострадала даже местная популяция млекопитающих. От падения метеоритов в Монтагнайс и Чесапик-Бей остались кратеры диаметром 45 и 90 км, но никакого массового вымирания видов тоже не произошло. Вполне вероятно, что для взрыва требуется дополнительный кислород.
Итак, две независимые экспериментальные модели (массовый баланс и изотопные подписи) подтверждают, что уровень кислорода в атмосфере во время каменноугольного и раннего пермского периода поднимался до отметки 35%. Древнейшие растения выдерживают высокую концентрацию кислорода и продолжают расти. В подобных условиях вероятность пожаров повышается, но даже в сухую погоду зеленому покрову Земли не грозит уничтожение. Дженнифер Робинсон также подметила, что современной аналогией может быть истонченная и местами поврежденная поверхность военных полигонов в регионах с сезонными засухами. Болота защищают от пожара, но даже болотные растения древности имеют морфологические признаки адаптации к огню, включая толстую кору с высоким содержанием лигнина, глубокие клубни и высокую крону. Некоторые хвощи и папоротники, дошедшие до нашего времени, отличаются высоким содержанием огнеупорных компонентов, таких как силикат. По-видимому, в ту пору частенько случались обширные пожары, что подтверждается обилием ископаемого древесного угля, который, скорее всего, образовался при высокой температуре, характерной для горения в богатой кислородом атмосфере. По некоторым данным, меловой период закончился катастрофическим пожаром. В целом этой информации достаточно, чтобы заставить ученых вернуться к старому вопросу о гигантизме насекомых. Связано ли это явление с высоким содержанием кислорода в воздухе?
В начале главы я процитировал слова датского геолога М. Г. Руттена. Он утверждал, что примитивные органы дыхания насекомых могут ограничивать их размер и эффективность полета. Воздух попадает в тело насекомого через тонкие трубочки (трахеи), которые открываются наружу прямо через поры внешнего скелета, а внутри разветвляются, доставляя воздух к каждой клетке тела. Идея Руттена заключается в том, что размер летающего насекомого ограничен диффузией кислорода в трахеях. При увеличении размера тела кислород должен преодолевать более значительное расстояние, так что полет становится менее вероятным. Эффективный верхний предел пассивной диффузии в столбике пробирки при современном содержании кислорода в воздухе составляет около 5 мм. По данным физиолога Роберта Дадли из Университета Техаса, повышение содержания кислорода в атмосфере до 35% увеличивает скорость диффузии кислорода примерно на 67%. Другими словами, при повышенном содержании кислорода в воздухе он распространяется по трахеям на более дальние расстояния. Это способствует насыщению кислородом летательных мышц, позволяет создавать более толстые ткани большего размера. Если другие факторы отбора, такие как хищничество, способствует увеличению размера тела, повышение концентрации кислорода сдвигает физический барьер, препятствующий росту.
До сих пор все ясно, однако эта линия рассуждений имеет изъян: возможно, дыхательную систему насекомых можно назвать примитивной, но никак не неэффективной: летающие насекомые имеют максимальную среди всех животных скорость метаболизма. Полет практически всех без исключения насекомых является аэробным процессом: для получения энергии они полностью зависят от кислорода. Человек снабжен хорошо вентилируемыми легкими, мощным сердцем, сложной системой циркуляции крови, наполненными гемоглобином эритроцитами, но при этом его метаболизм гораздо менее эффективен. Спринтеру не хватает энергии, которую он получает за счет дыхания, так что его мышцам приходится использовать значительно менее эффективный процесс получения энергии за счет анаэробного расщепления глюкозы (гликолиз), при котором в качестве побочного продукта вырабатывается ядовитая для организма молочная кислота. Чем дольше мы выполняем тяжелое физическое упражнение, тем больше молочной кислоты накапливается в теле, и может наступить паралич, даже если мы убегаем от смертельной опасности. Усталость ног — результат незнакомой насекомым недостаточности дыхания. Вы наверняка думали о том, что мухам никогда не надоедает жужжать, и, вероятно, вы правы: к нашему сожалению, они не отравляют себя молочной кислотой.
Определить пределы возможностей полета насекомых достаточно сложно. В нескольких экспериментах 1940-х гг. насекомых привязывали за ниточку, прикрепляли к их телу малюсенькие грузики, сокращали концентрацию кислорода в воздухе и заменяли азот легкими смесями гелия. Все эти эксперименты показали удивительно широкий предел возможностей насекомых. Некоторые из них могут летать даже в среде гелия с содержанием кислорода всего 5%. В большинстве экспериментов насекомые не получали никакого преимущества от увеличения концентрации кислорода до 35%. Общий вывод был таков, что летательная способность насекомых не ограничена диффузией кислорода в трахеях, так что кислород не может быть стимулом увеличения размера тела. Так до сих пор считают многие энтомологи, но постепенно ситуация меняется.
Высокая эффективность системы трахей объясняется тем, что кислород находится в газовой фазе, где быстро диффундирует, и поступает в водную фазу только в самый последний момент — уже в летательных мышцах. В результате скорость доставки кислорода по трахеям обычно превосходит скорость его расходования в тканях. Единственный неэффективный элемент системы — слепые окончания трахей, которые разветвляются на тонкие трубочки примерно так же, как наши бронхи разветвляются на бронхиолы. Как мы начинаем задыхаться, если не можем вдохнуть, так и дыхание насекомых лимитируется диффузией газов в слепых окончаниях трахей. Большинство насекомых, как и мы с вами, решают эту проблему путем более активной вентиляции трахеи.
У насекомых есть два способа вентиляции: механические сокращения брюшка и коллективная вентиляция. Наиболее «современные» насекомые, такие как осы, пчелы и домашние мухи, выполняют ритмичные сокращения брюшка, проталкивая воздух через трахею. Скорость сокращений зависит от доступности кислорода. Например, если пчел поместить в среду с низким содержанием кислорода, скорость метаболизма останется прежней (при полете они использует такое же количество кислорода), но потеря воды за счет испарения усилится на 40%. Это означает, что пчелы восполняют недостаток кислорода за счет очень интенсивных сокращений брюшка, повышая скорость вентиляции трахеи и, следовательно, скорость испарения. Процесс этот весьма эффективен и позволяет большинству насекомых спокойно переносить изменения внешних условий.
Стрекозы, саранча и некоторые жуки используют более примитивный способ вентиляции. Когда они машут крыльями, они как бы создают сквозняк. Они способны усилить поток воздуха в трахее путем повышения частоты или амплитуды биений крыльями. Тут, конечно, есть определенная трудность: чтобы махать крыльями, нужна энергия, и чем сильнее насекомое машет крыльями, тем больше энергии оно расходует. По сравнению с этим способом вентиляции сокращения брюшка требуют меньше энергии. Для получения энергии нужен кислород, а доступность кислорода повышается при активизации движений, для которых нужен дополнительный кислород. Поэтому такие насекомые действительно могут быть чувствительными к изменениям уровня кислорода в воздухе.
Теоретически повышение содержания кислорода в воздухе позволяет стрекозам реже махать крыльями или увеличить размер тела при такой же интенсивности маховых движений. Джон Харрисон из Университета Аризоны и Джон Лайтон из Университета Юты решили проверить эту гипотезу и описали свои выводы в статье, опубликованной в 1998 г. в
Стрекозы — не единственные гиганты каменноугольного периода, появились и другие существа невероятного размера: поденки с размахом крыльев до полуметра, многоножки метровой длины и гигантская паукообразная мегарахна[32] с ногами до 50 см, которая испугала бы даже Индиану Джонса. Длина тела страшных скорпионов достигала метра, тогда как самый крупный из их современных родственников не дотягивает и до 20 см. Среди наземных позвоночных встречались гигантские земноводные, достигавшие 5 м в длину. Самый крупный отпечаток лапы такого существа обнаружен в Хоувике (Англия): 18 см в длину и 14 см в ширину. Среди растений тоже были гиганты: папоротники напоминали деревья, а огромные плауны поднимались в высоту на 50 м. До наших дней дожили только миниатюрные травянистые плауны, такие как плаун темный (
Был ли гигантизм связан с концентрацией кислорода? Вполне возможно. Как и стрекозы, все эти организмы тем или иным образом зависят от пассивной диффузии газов. Например, размер земноводных ограничивается их способностью поглощать кислород, диффундирующий через кожу, а высота растений зависит от толщины их структурной основы, которая, в свою очередь, ограничена диффузией газов к внутренним тканям. Таким образом, вполне возможно, что высокая концентрация кислорода в воздухе способствует развитию крупных существ, однако доказать это напрямую достаточно сложно. Впрочем, анализ современных экосистем позволяет сделать весьма интересные предположения.
В разделе кратких сообщений майского номера журнала
Тысячи морских видов амфипод составляют основу пищевой цепи полярных животных, являясь главным пищевым ресурсом для молодняка трески, на которого охотятся тюлени, в свою очередь, становящиеся добычей белых медведей. В придонном иле может насчитываться до 40 тыс. особей амфипод на один квадратный метр. Причем в полярных регионах эти крошечные существа не такие уж и маленькие: самые крупные антарктические виды примерно в пять раз больше своих тропических родственников — настоящие гиганты в мире амфипод. И в этом отношении амфиподы не являются исключением. За последнюю сотню лет ученые составили целый список полярных гигантов. Обычно «полярный гигантизм» связывают с низкой температурой и уменьшенной скоростью метаболизма холоднокровных животных, но связь эта не совсем очевидна. Удивительно, что причины данного явления никогда не были окончательно установлены. Обратная корреляция между размером тела животных и температурой описывается нелинейной зависимостью и имеет ряд странных исключений. В частности, многие виды достигают гораздо большего размера в пресной воде, чем должны, если исходить только из температурной зависимости. Например, амфиподы из озера Байкал в два раза крупнее своих морских собратьев, обитающих при той же температуре.
У Шапелля и Пека родилась интересная идея. А вдруг размер связан не с температурой воды, а с концентрацией растворенного кислорода? Кислород лучше растворяется в холодной воде, и его растворимость в полярных регионах примерно в два раза выше, чем в тропиках. Растворимость кислорода зависит еще и от содержания соли: она на 25% выше в пресной воде, чем в соленой. Таким образом, максимальная растворимость кислорода достигается в пресноводных озерах арктической тундры (включая озеро Байкал), и именно там встречаются самые крупные ракообразные. Когда Шапелль и Пек построили график зависимости размера тела животных от концентрации кислорода в воде, они получили почти идеальную прямую линию (рис. 6). Конечно, корреляция не объясняет механизма, но вполне возможно, что недостаточность кислорода ограничивает размер многих видов организмов. Напротив, высокая концентрация кислорода позволяет увеличивать размер тела.
Зависимость метаболизма «гигантов» от доступности кислорода означает, что они могут погибнуть при снижении уровня кислорода в атмосфере. В конце статьи Шапелль и Пек предсказывают, что при глобальном потеплении или при сокращении концентрации кислорода гигантские амфиподы исчезнут одними из первых. Трудно себе представить. какое влияние это окажет на всю пищевую цепь.
Таким образом, невозможно отрицать колебания концентрации кислорода в атмосфере в разные геологические периоды. Этот вывод противоречит выдвинутой Лавлоком теории Геи, в соответствии с которой живая биосфера сама контролировала уровень кислорода на протяжении последних 500 млн лет. Возможно, для каких-то периодов времени это так, но иногда биосфера теряла контроль над данным параметром.
Тот факт, что Гея не в состоянии постоянно поддерживать физиологический баланс, усиливает беспокойство Лавлока по поводу антропогенного влияния на планету. Учитывая неоспоримые доказательства нескольких глобальных оледенений, ясно, что Гея не имеет полного контроля над температурой. По-видимому, то же самое относится и к содержанию кислорода в воздухе. Мы не очень хорошо представляем себе, какие именно факторы контролируют уровень кислорода или углекислого газа, но равновесие уже несколько раз нарушалось, так что это может повториться и, возможно, с нашей помощью. Механизмы обратной связи, о которых говорили Лавлок и другие ученые, какое-то время могут сдерживать изменения. Но если судить по колебаниям концентрации кислорода в прошлом, возможности таких механизмов не безграничны, и они не могут противостоять катастрофическим сдвигам. Об этом нельзя забывать.
За исключением опасности возникновения пожаров, у нас практически нет никаких серьезных доказательств негативного влияния на развитие жизни высокой концентрации кислорода. Напротив, она, возможно, в свое время открыла эволюционные пути, которые сегодня закрыты. Снижение концентрации кислорода перекрывает эти пути, и какие-то виды организмов исчезают. Например, большинство гигантов каменноугольного периода не дожили до конца пермского периода, когда, по расчетам Роберта Бернера, уровень кислорода снизился до 15%, а климат стал более прохладным и сухим.
Мы вынуждены заключить, что много кислорода — хорошо, а мало кислорода — плохо. Однако в главе 1 мы говорили о том, что кислород в высокой концентрации токсичен, нарушает функцию легких, вызывает конвульсии, кому и смерть, а радикалы кислорода считаются причиной старения и развития заболеваний. Так чему же верить: токсичен кислород или нет? Об этом парадоксе упоминали авторы книги «Свободные радикалы в биологии и медицине» Барри Холлиуэлл и Джон Гаттридж, которые лаконично заметили, что «растения и животные каменноугольного периода, по-видимому, усиливали антиоксидантную защиту, которую весьма интересно было бы изучить, если бы такие виды организмов появились вновь». Конечно, интересно! Как им удалось преодолеть токсичное влияние кислорода? Можем ли мы в какой-то степени использовать тот же механизм, чтобы защитить себя от опасных радикалов? Пришло время подробнее ознакомиться со странной токсичностью кислорода и с тем, как природа с ней борется.
Глава шестая. Предательство в воздухе. Отравление кислородом и ультрафиолетовое излучение — общность механизмов
В 1891 г.робкая двадцатичетырехлетняя польская девушка по имени Мария Саломея Склодовская прибыла в Париж, чтобы воплотить в жизнь свою мечту — стать ученым. В шовинистически настроенных научных кругах Франции того времени эта мечта вряд ли могла осуществиться, но Мария обладала блестящим умом, невероятной настойчивостью и не боялась трудностей. Мать девушки умерла, когда той было всего четыре года. Младшая из пяти детей в семье, она воспитывалась в бедности отцом-идеалистом. Польша в те годы являлась частью Российской империи. Мария училась в так называемом Летучем университете, который переезжал каждую неделю, поскольку был подпольной организацией. Поляки сопротивлялись политизации образования, и польская культура развивалась в подполье. Не удивительно, что страсть к учению оставила глубокий след в характере Марии.
Когда Марии исполнилось 18 лет, они с сестрой Брониславой договорились работать по очереди, чтобы помочь друг другу оплатить обучение. Сначала Бронислава отправилась в Париж, чтобы получить медицинское образование, а Мария на протяжении шести лет работала гувернанткой. При этом она продолжала подпольное обучение химии и математике и пережила несчастную любовь. Бронислава закончила учиться и вышла замуж за своего однокурсника. Теперь уже Мария приехала в Париж вполне подготовленной студенткой и поступила в Сорбонну. В 1893 г. она блестяще защитилась и получила степень магистра по физике, а в 1894 г. — по математике. Она искала место для самостоятельных исследований, и ее познакомили с не менее одаренным и свободомыслящим французским ученым, который уже составил себе репутацию благодаря трудам по кристаллографии и магнетизму. Они полюбили друг друга, и он писал ей о том, как хорошо было бы «прожить жизнь бок о бок, реализуя наши мечты: твои патриотические мечты, наши гуманистические мечты и наши научные мечты». Мария и Пьер поженились в 1895 г. и провели медовый месяц в поездке по Франции. Когда к Марии пришла научная известность, она носила имя Мария Кюри.
Затем Пьер получил место преподавателя, а Мария продолжала учиться, чтобы получить право преподавать. В 1897 г. родилась их первая дочь Ирен, и в этом же году Мария начала работу над диссертацией — еще один невероятный шаг для женщины того времени. Она стала первой женщиной в Европе, получившей степень доктора наук.
До этого времени Пьер и Мария в основном интересовались магнетизмом (температура, при которой материалы теряют свои магнитные свойства, была названа «точкой Кюри» в честь Пьера Кюри), но позднее они подружились с еще одним молодым и талантливым французским ученым — Анри Беккерелем. Беккерель унаследовал от отца-физика большую коллекцию фосфоресцирующих минералов. Однажды он обнаружил, что, если кристаллы сульфата урана осветить солнечным светом, а затем поместить на фотопластинку и завернуть в бумагу, при проявлении пластинки можно получить изображение кристалла. Сначала он подумал, что испускаемые кристаллом лучи являются результатом флуоресценции, возникающей под действием солнечного света, но не смог ничего проверить из-за пасмурной февральской погоды. В ожидании солнечных дней он сложил оборудование в ящик стола, однако через некоторое время решил все же проявить снимки, ожидая увидеть размытые изображения. К его удивлению, изображения оказались яркими и четкими, и Беккерель понял, что кристаллы испускали лучи даже без воздействия внешнего источника энергии, такого как солнечный свет. Вскоре он показал, что источником излучения был содержащийся в кристаллах уран и что все соединения урана испускают лучи. Кроме того, он обнаружил, что уран повышает электропроводность окружающего воздуха. Он сообщил о своих удивительных открытиях Кюри, и Мария решила заняться изучением этого странного явления, которое позже в диссертации назвала радиоактивностью.
Мария начала работать с урановой рудой, известной как уранинит (настуран). Они с Пьером поняли, что радиоактивность можно измерить по силе электрического поля, которое это вещество создает в окружающем пространстве, и Пьер сконструировал прибор для определения электрического заряда вокруг минеральных образцoв. С помощью этого инструмента Мария обнаружила, что радиоактивность уранинита была в три раза выше радиоактивности самого урана, и сделала вывод, что в этой руде должна содержаться примесь какого-то неизвестного вещества с гораздо более высокой радиоактивностью. Путем химического разделения компонентов уранинита и определения их радиоактивности она обнаружила новый элемент, радиоактивность которого в 400 раз превышала радиоактивность урана. Она назвала его полонием в честь своей родины. Позднее Мария обнаружила совсем небольшое количество еще одного радиоактивного элемента, который был в миллион раз активнее урана, и назвала его радием. Пьер исследовал влияние образца радия на свою кожу и выяснил, что радий вызывает ожоги и раны. Кюри предположили, что этот элемент может применяться в противораковой терапии. Впервые с этой целью радий использовался уже в 1903 г. С. В. Гольдбергом в Санкт-Петербурге. Радиевые иглы до сих пор применяют для облучения опухолей.
Для детального изучения свойств нового элемента супругам Кюри нужно было получить его в большом количестве. Они переработали тонны уранинита, выделив из него лишь несколько сотен граммов чистого элемента. Работали они в ужасных условиях. Один из современников писал, что их лаборатория была больше похожа на хлев или картофельный склад. Из гуманитарных соображений они отказались патентовать радий и, несмотря на финансовые трудности и тяжелые условия работы, получали удовольствие от исследований, особенно ночью, когда видели вокруг себя «светящиеся очертания стаканов и пробирок с образцами».
За открытие естественной радиоактивности супруги Кюри и Беккерель в 1903 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Через год в семье Кюри родилась дочь Ева. Наверное, это было самое счастливое время в их жизни. Но в 1906 г. ослабленный радиацией Пьер трагически погиб: он поскользнулся на мостовой, и голова его попала под колесо конного экипажа. Потрясенная Мария много лет пиcала ему письма в своем дневнике, но ее научный пыл не ослаб, и она в одиночку продолжала работу, которую они начали вместе. Она боролась с французской бюрократической машиной и наконец в 1908 г. смогла занять место покойного мужа: она стала первой женщиной-профессором за 650 лет существования Сорбонны. В 1911 г. Мария Кюри была удостоена второй Нобелевской премии — за выделение чистого радия, а в 1914 г. организовала Институт радия, который теперь называется Институтом Кюри. Цель создания института она видела в ослаблении человеческих страданий. Во время Первой мировой войны она обучала медсестер находить в ранах пули и шрапнель с помощью переносных рентгеновских аппаратов, а после войны вместе с дочерью Ирен начала разрабатывать способы использования радия в противоопухолевой терапии. В 1935 г. Ирен и ее муж Фредерик Жолио получили Нобелевскую премию за открытие искусственной радиоактивности.
Мария не узнала, что ее дочь тоже стала лауреатом Нобелевской премии. Она умерла от лейкоза 4 июля 1934 г. в возрасте 67 лет, измученная и почти ослепшая от катаракты, с пальцами, обожженными ее любимым радием. Она не была ни первым, ни последним человеком, погибшим от лучевой болезни. В 1920-х гг. несколько сотрудников Института радия умерли от рака, вызванного радиоактивным излучением. Мария не могла в это поверить и считала, что все дело в недостатке свежего воздуха. Ее дочь Ирен тоже умерла от лейкоза.
Современные люди, знакомые с историей Хиросимы и Чернобыля, воспринимают радиоактивное излучение не в таком радужном свете. Высокие дозы радиации убивают не только раковые клетки, но и нормальные клетки и ткани. После открытия рентгеновских лучей стали появляться сообщения о многочисленных заболеваниях среди исследователей, которые часами возились с испускающими рентгеновские лучи газоразрядными трубками. У многих выпадали волосы, повреждалась кожа, возникали глубокие ожоги. Низкие дозы изучения
Ужасная участь ожидала молодых женщин, занимавшихся нанесением радиевой краски на циферблаты часов, чтобы их было видно в темноте. Изначально светящиеся часы предназначались для солдат, воевавших в окопах на фронтах Первой мировой войны, но в 1920-х гг. такие часы вошли в моду. Чтобы заострить концы кисточек, работницы увлажняли их губами. В то время радий все еще считался панацеей от всех бед и рекламировался, например, как оздоровительное средство или средство для повышения сексуального влечения. Работницам говорили, что радий придаст яркость их румянцу, а их губы будут светиться в темноте. Иногда им даже позволялось красить радиевой краской ногти, губы и зубы. Через год зубы начинали выпадать, а челюсти рассыпаться. Многие женщины заболели и умерли, и в их телах, даже в костях, врачи обнаруживали большое количество радона и других радиоактивных веществ. Конечно, компании по производству часов отрицали свою причастность к гибели девушек, и правительство пришло к заключению, что существующие доказательства их вины не являются достаточно убедительными. В передовой статье в газете
В конечном итоге компании по производству часов согласились выплатить пострадавшим символическую компенсацию, но так никогда и не признали свою вину. Одна из работниц, Кэтрин Вольф Донахью, в 1938 г. подала в суд на компанию
Радиоактивные осадки — это осаждающиеся из атмосферы радиоактивные частицы, оставшиеся после ядерного взрыва, которые могут представлять опасность на протяжении длительного времени. При взрыве возникают огненные бури и смерчи, распространяющиеся в высокие слои атмосферы, что часто вызывает дождь. После взрывов в Хиросиме и Нагасаки в воздухе собралось столько радиоактивной золы, что дождь был темным и вязким — тот самый злосчастный «черный дождь». В Хиросиме черный дождь выпал на большой площади — от центра города до окраин, загрязнив воду и траву. В реках погибла рыба, а в полях коровы.
Десятки тысяч жителей Хиросимы и Нагасаки, пережившие взрыв, как выяснилось, не избежали его последствий. Через несколько дней у них начали выпадать волocы и кровоточить десны. Люди страдали от безумной слабости и головной боли; появилась тошнота, рвота, анорексия и диарея. Рот и горло покрылись болезненными язвами. Началось носовое, ротовое и кишечное кровотечение. Те, у кого симптомы были наиболее сильны, погибали за несколько месяцев. Другие за два года слепли от катаракты. Многие умерли от рака через несколько лет или даже десятков лет. Радиоактивное облучение чаще всего вызывает лейкоз. Характерным признаком лейкоза являются пурпурные пятна на коже, которые возникают из-за агрегации пролиферирующих белых клеток крови (лейкоцитов). На протяжении 30 лет после взрыва у жителей Хиросимы лейкоз диагностировали в 15 раз чаще, чем у жителей других областей Японии. Через 15 лет после взрыва стало расти число случаев других видов рака с более длительным периодом развития, таких как рак легкого, молочной или щитовидной железы.
Угроза ядерной войны отступила, и теперь основное беспокойство общественности вызывает безопасность атомных электростанций и других потенциальных источников излучения. Вера в безопасность ядерных реакторов была подорвана в результате двух серьезных аварий: на Трехмильном острове в Пенсильвании в 1979 г. и в Чернобыле на Украине в 1986 г. Чернобыльская авария была самой страшной в истории: во время аварии погиб 31 человек, и тысячи получили высокие дозы облучения. Но даже если не говорить об авариях, усиливаются опасения относительно возможной утечки радиоактивного материала и загрязнения окружающей среды. В деревнях, расположенных поблизости от завода по переработке ядерного горючего в Селлафилде (Англия), увеличилось число случаев заболевания лейкозом. В других группах населения, подверженных воздействию радиоактивного излучения выше фонового уровня, также повышен риск развития этого заболевания. «Балканский синдром» (который считается одной из форм лейкоза) у военных, дислоцированных в районе Косово, а также, возможно, у тысяч местных жителей, связывают с использованием бронебойных боеголовок из обедненного урана. В группу риска могут попадать даже летчики и бортпроводники, поскольку на большой высоте они подвергаются дополнительному воздействию радиации.
Поэтому не приходится удивляться, что даже медицинское рентгеновское оборудование и радиотерапия порой вызывают у людей страх радиационного отравления. С конца 1970-х гг. в США не было построено ни одной новой атомной станции. Существование «безопасной» дозы облучения вот уже десятки лет является предметом споров. Как заявил один из экспертов, самый лучший практический подход заключается в том, чтобы максимально ограничить воздействие ионизирующего излучения на человека и надеяться на лучшее.
Вы, я полагаю, пытаетесь понять, какое отношение все это имеет к кислороду. Ответ заключается в том, что механизм действия радиации на биологические системы аналогичен механизму кислородной интоксикации. Он основан на серии реакций, связывающих кислород с водой. Смертельное влияние радиации и кислорода опосредовано одним и тем же набором промежуточных продуктов. Эти промежуточные продукты образуются и из воды, и из кислорода (рис. 7). При радиационном облучении они получаются из воды, а при отравлении кислородом — из кислорода. Но они образуются и при нормальном дыхании! Таким образом, дыхание можно рассматривать в качестве очень медленно прогрессирующей кислородной интоксикации. Мы увидим, что старение и старческие заболевания во многом связаны с этой формой кислородной интоксикации.
Недолговечные промежуточные продукты, возникающие под действием излучения и в процессе дыхания, называют
Чтобы понять суть последующего повествования, вам нужно лишь усвоить, что свободные радикалы — это активные формы кислорода, которые в небольшом количестве постоянно образуются в организме в процессе дыхания. Конечно, это сильно упрощенное определение. Поэтому в данной главе мы несколько подробнее поговорим о них и о механизмах их образования.
Беккерель первым обратил внимание на расщепление воды под действием радиации. Он начал экспериментировать с радием вскоре после того, как Мария Кюри выделила достаточное для работы количество этого элемента. В конце 1890-х гг. Беккерель классифицировал известные варианты радиоактивного излучения в соответствии с их проникающей способностью. Излучение, которое можно перекрыть листом бумаги, названо
Беккерель обнаружил, что радий испускает альфа- и гамма-лучи. Под действием этого излучения вода расщепляется на водород и кислород. Сам по себе факт расщепления воды на составляющие элементы не был неожиданностью, поскольку еще Лаплас и Лавуазье в 1770-х гг. показали, что вода состоит из водорода и кислорода. Однако излучение не может сразу расщепить воду на газообразные молекулы водорода и кислорода (Н2 и О2) из-за «неправильного» соотношения атомов в молекуле воды (Н2О):
В школе вам наверняка приходилось составлять химические уравнения. Так вот это уравнение незакончено. Мы имеем два атома кислорода в правой части и лишь один атом в левой части. Чтобы придать уравнению законченный вид, удвоим число молекул воды:
Но когда речь идет об излучении, дело обстоит иначе. Это не химическая реакция между молекулами, а взаимодействие излучения с
Здесь Н+ — это протон (атом водорода, потерявший электрон), е- — растворенный (сольватированный) электрон, а ОН+ — свободный радикал, называемый гидроксильным радикалом. Эта безжалостная молекула относится к числу самых реакционноспособных химических частиц.
Свободными радикалами называют молекулы, которые можно выделить в виде индивидуальных частиц и которые обладают неспаренным электроном. Такие частицы характеризуются неустойчивой электронной конфигурацией. Они ищут стабильности, достичь которой могут в результате реакций с другими молекулами. Таким образом, многие свободные радикалы являются очень активными химическими частицами. Однако неправильно будет сказать, что все свободные радикалы очень реакционноспособны. Например, молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и поэтому в принципе может быть названа свободным радикалом. Но тот факт, что в присутствии кислорода немедленно не возникает пожар, свидетельствует, что не все свободные радикалы чрезвычайно активны. Мы поговорим об этом чуть позже.
В приведенной выше реакции атом кислорода потерял один электрон, но до образования газообразной молекулы О2 еще далеко. Для превращения молекулы воды в молекулу кислорода два атома кислорода должны отдать четыре электрона. В обратном процессе превращения кислорода в воду, как при дыхании, к двум атомам кислорода необходимо
Радиация может напрямую оказывать влияние на любые молекулы, но в человеческом теле она в основном взаимодействует с водой. В значительной степени это связано просто с фактором вероятности: человеческое тело на 45 — 75% состоит из воды, в зависимости от возраста и количества жировых отложений. Самое высокое содержание воды — в организме ребенка, до 75%, организм взрослого мужчины содержит 60% воды. В организме взрослой женщины обычно больше подкожного жира и около 55% воды. Кроме того, определенную роль играют молекулярные факторы. Например, некоторые формы радиации, такие как рентгеновские и гамма-лучи, взаимодействуют в первую очередь с химическими связями в молекуле воды, а уже затем со связями между атомами углерода в органических молекулах. Это означает, что полные пожилые женщины (со сравнительно низким содержанием воды в организме) с большей вероятностью выживут после воздействия такого излучения, чем маленькие дети.
Образующиеся при облучении воды промежуточные соединения в химическом плане ведут себя совершенно по-разному. Однако, поскольку все они связаны между собой и могут превращаться друг в друга, их можно считать одинаково опасными. Эти три частицы действуют сообща в единой каталитической системе. Мы поговорим о них в том порядке, в котором они появляются при превращении воды в кислород.
Первыми образуются гидроксильные радикалы. Это чрезвычайно активные частицы, настоящие разбойники, которые атакуют любые биологические молекулы со скоростью, приближающейся к скорости их диффузии. Они реагируют с первыми попавшимися молекулами, и остановить их практически невозможно. Если вы когда-нибудь видели рекламу антиоксидантов, которые «очищают» организм от гидроксильных радикалов, знайте, что это полная бессмыслица. Гидроксильные радикалы реагируют настолько быстро, что нападают на любые молекулы, включая «очищающие». Чтобы вывести гидроксильные радикалы из организма, «очищающих молекул» должно быть больше, чем всех других молекул, вместе взятых, тогда есть шанс, что они примут удар на себя. Но в такой высокой концентрации любое вещество, даже самое полезное, убьет вас, поскольку будет мешать нормальному функционированию клеток.
После образования гидроксильных радикалов начинается целая череда неприятностей. Когда гидроксильный радикал атакует молекулу белка, липида или ДНК, он отнимает у них электрон и превращается в спокойнейшую молекулу воды. Однако обворованной молекуле теперь не хватает электрона. Вместо гидроксильного радикала образуется другой радикал — радикал белка, липида или ДНК. Как будто обворованный человек теряет разум, сам становится грабителем и не успокаивается, пока не обворует кого-нибудь еще. В этом суть всех реакций с участием свободных радикалов: один радикал всегда порождает второй, и если этот радикал тоже активен, происходит цепная реакция. Таким образом, основное свойство свободных радикалов — наличие неспаренного электрона, а основное свойство свободнорадикальных процессов — цепные реакции.
Мы все знакомы с проявлениями свободнорадикальных цепных реакций. Например, из-за них портится сливочное масло: жиры окисляются, и вкус становится прогорклым. Аналогичные процессы происходят в клеточных мембранах, в значительной степени состоящих из липидов. Это так называемое переокисление липидов. Все мучительные попытки остановить переокисление липидов оказывались безуспешными. Повреждения белков и ДНК заметны в меньшей степени, однако повреждение ДНК свободными радикалами является одной из главных причин генетических мутаций и отчасти объясняет высокую вероятность развития рака у людей, подвергшихся радиоактивному облучению.
Ярким примером свободнорадикальных реакций в небиологических системах является повреждение озонового слоя атмосферы. Разрушительное влияние хлорфторуглеводородов (ХФУ), таких как фреон, связано с образованием свободных радикалов в верхних слоях атмосферы. ХФУ — прочные молекулы, которые не разрушаются в насыщенных водяными парами нижних слоях атмосферы. Но выше они расщепляются под действием ультрафиолетовых лучей, высвобождая атомы хлора. Атомам хлора до заполнения электронной оболочки не хватает всего одного электрона, и поэтому они чрезвычайно реакционноспособны. Они могут отнимать электроны практически у любых молекул. Всего одного атома хлора достаточно, чтобы запустить цепную реакцию, уничтожающую 100 тыс. молекул озона. По данным Агентства по охране окружающей среды США, 1 г фреона может разрушить 70 кг озона.
Остановить цепную реакцию с участием свободных радикалов можно лишь двумя способами: либо за счет реакции между двумя радикалами, в результате которой их неспаренные электроны образуют счастливый союз, либо за счет создания малоактивных свободных радикалов, не поддерживающих цепных реакций (как грабитель, который перестал воровать из-за угрызений совести). В этих процессах участвуют некоторые известные антиоксиданты, такие как витамины С и Е. Хотя продукты их реакций тоже являются свободными радикалами, они настолько неактивны, что цепные реакции прекращаются, не нанося большого вреда.
Если под действием излучения вода теряет второй электрон, образуется пероксид водорода (перекись), известный своими отбеливающими свойствами. Отбеливающий эффект — результат окисления органических пигментов, у которых пероксид водорода отнимает электроны. Благодаря окислительным свойствам пероксид водорода убивает бактерий, и отчасти этим вызвана слабая антисептическая активность меда, который с древних времен использовали для заживления ран. Основное промышленное применение пероксида водорода тоже связано с его окислительной активностью. Например, его употребляют для окисления примесей в воде и промышленных стоках, для отбеливания тканей и бумаги, а также для обработки пищевых продуктов, минеральных веществ, продуктов перегонки нефти и детергентов.
Хотя это вещество широко используют в качестве окислителя, по химической активности оно располагается между водой и кислородом, что объясняет двойственность его свойств. Пероксид водорода ведет себя в зависимости от окружения, как грабитель, который может встать на путь исправления. Более того, в реакции между двумя молекулами пероксида водорода происходят превращения одновременно в двух направлениях: одна молекула получает два электрона и становится водой, а другая отдает два электрона и образует кислород. Разложение пероксида водорода отчасти является причиной выделения кислорода из воды под действием радиации:
Однако значительно более важная и опасная реакция происходит в присутствии железа, которое может передавать пероксиду водорода поочередно по одному электрону, в результате чего образуются гидроксильные радикалы. Если в среде присутствует растворенное железо, пероксид водорода представляет реальную опасность. Организмы всеми силами стараются избежать поглощения растворенного железа. Реакцию между пероксидом водорода и железом называют реакцией Фентона по имени химика Генри Фентона из Кембриджа, впервые описавшего ее в 1894 г.:
Поделиться книгой: