Кислород. Молекула, изменившая мир

Фентон показал, что эта реакция может приводить к повреждению самых разных органов. Основная причина токсичности пероксида водорода заключается в том, что в присутствии растворенного железа он образует гидроксильные радикалы, но самая большая опасность кроется в низкой реакционной способности пероксида водорода в отсутствие железа. У пероксида водорода есть время на то, чтобы войти в клетку и даже проникнуть в ядро, где он смешивается с ДНК и в присутствии железа превращается в активный гидроксильный радикал[34]. Из-за этого коварного действия пероксид водорода оказывается еще опаснее, чем гидроксильные радикалы, образующиеся вне ядра. Железо содержится во многих белках, в том числе в гемоглобине. Если железосодержащие белки встречаются с пероксидом водорода, они мгновенно теряют активность. Пероксид водорода — как гангстер: тихий субъект, практически неопасный для большинства случайных прохожих, но мгновенно проявляющий агрессию при встрече с членом другой банды. Повреждение железосодержащих белков может быть столь же быстрым и специфичным, как удар под дых.

Итак, мы обсудили свойства двух из трех промежуточных соединений на пути превращения воды в кислород. Первое промежуточное соединение, гидроксильный радикал, является одним из самых реакционноспосооных химических веществ. Он реагирует со всеми биологическими молекулами за миллионные доли секунды, вызывая цепные реакции, усиливающие повреждение. Второе промежуточное соединение, пероксид водорода, гораздо менее активно, почти инертно, но лишь до тех пор, пока не встретится с железом (в растворе или в молекуле белка). В результате быстрой реакции с железом образуются гидроксильные радикалы, вновь возвращающие нас к первой стадии процесса. А что можно сказать о третьем промежуточном соединении, супероксидном радикале (О₂-+)? Подобно пероксиду водорода, это не очень активный радикал[35]. Однако он тоже имеет сродство к железу и выводит его из комплексов с белками и из тканевых депо. Чтобы понять, чем это грозит, нужно опять обратиться к реакции Фентона.

Опасность реакции Фентона заключается в том, что она приводит к образованию гидроксильных радикалов, но, когда все доступное железо использовано, она останавливается. Любая другая химическая реакция, приводящая к образованию растворимых форм железа, способствует возобновлению реакции Фентона. Поскольку у супероксидного радикала есть один лишний электрон, мешающий ему превратиться в молекулярный кислород, он с наибольшей вероятностью отдаст этот электрон, чем получит где-то еще три электрона и превратится в воду. Однако очень немногие молекулы способны принимать единственный электрон. Самым подходящим акцептором, которому супероксидный радикал может передать свой электрон, является ион железа. В результате железо опять переходит в ту форму, в которой может участвовать в реакции Фентона:

O₂-+ + Fe3+ → O₂ + Fe2+

Таким образом, три промежуточных соединения на пути между водой и кислородом образуют коварную циклическую систему, которая в присутствии железа повреждает биологические молекулы. Супероксидные радикалы высвобождают запасенное железо, переводя его в растворимую форму. Пероксид водорода взаимодействует с железом, образуя гидроксильные радикалы. Гидроксильные радикалы атакуют любые белки, жиры и ДНК, инициируя деструктивные цепные реакции, нарушающие функцию клеток.

Те же самые промежуточные соединения образуются из кислорода при дыхании. В начале 1950-х гг. на сходство между токсичностью кислорода и облучением обратила внимание Ребека Гершман, тогда работавшая в Университете Рочестера (в рамках Манхэттенского проекта там проводились исследования влияния радиации на биологические системы). На ее семинаре в 1953 г. этими данными заинтересовался молодой аспирант Даниел Гилберт, ранее изучавший физиологию мышечной ткани. Гершман и Гилберт предположили, что свободные радикалы кислорода ответственны за летальные повреждения организма при отравлении кислородом и при облучении. Их данные были опубликованы в знаменитой статье в журнале Science в 1954 г. под недвусмысленным заголовком «Отравление кислородом и ультрафиолетовое излучение — общность механизмов», который я использовал в названии данной главы. Проведенные с тех пор исследования подтверждают, что радиационные повреждения и кислородная интоксикация имеют между собой очень много общего.

Кислород — удивительный элемент. Теоретически кислород легче отбирает электроны у других молекул, чем вода отдает свои электроны. Вода — химически устойчивое вещество. Чтобы забрать у воды электроны, нужно затратить энергию, источником которой может быть ионизирующее или ультрафиолетовое излучение или солнечный свет (при фотосинтезе). Напротив, реакции с участием кислорода сопровождаются выделением энергии. Горение — реакция между кислородом и соединениями углерода, и выделяющееся в ходе этой реакции тепло свидетельствует о том, что реакция может протекать почти спонтанно. В энергетическом плане не важно, быстро ли сжигается топливо, как при горении, или медленно, как при дыхании. Вне зависимости от того, идет ли речь о метаболизме или горении, из 125 г сахара (столько его нужно для приготовления бисквитного пирога) образуется 1790 кДж (428 ккал) энергии — достаточно, чтобы вскипятить 3 л воды или поддерживать горение лампочки мощностью 100 Вт на протяжении 5 часов.

Тот факт, что при такой благоприятной энергетике и обилии кислорода в атмосфере все вокруг не возгорается самопроизвольно, указывает на непонятное нежелание кислорода вступать в химические реакции. Дело заключается в химических связях между атомами в молекуле кислорода. Химия кислорода сложна, но она объясняет не только образование свободных радикалов в человеческом организме, но и невозможность самопроизвольного возгорания. Давайте немного поговорим об этом. В 1891 г. великий шотландский химик сэр Джеймс Дьюар обнаружил у кислорода магнитные свойства. Это открытие было сделано в жестокой борьбе за получение жидкого кислорода. Соревнование выиграл француз Луи Кайете, который добыл несколько капель жидкого кислорода накануне Рождества 1877 г., едва опередив своего швейцарского соперника Рауля Пикте. Годом позже Дьюар демонстрировал изумленной публике получение жидкого кислорода во время одного из пятничных вечеров в Королевском институте. Дьюар был звездой на этих вечерах, которые традиционно проходили в знаменитой аудитории, где многие приглашенные совершенно терялись перед бьющим в зале «фонтаном красноречия». Но Дьюар был не только одаренным исполнителем, но и одним из лучших экспериментаторов того времени. К середине 1880-х гг. он усовершенствовал свой метод и смог получить достаточно жидкого кислорода, чтобы подробно изучить его свойства. Вскоре он обнаружил, что жидкий кислород (на самом деле озон, О₃) притягивается к полюсам магнита. В 1891 г. на одном из пятничных вечеров Дьюар с присущим ему артистизмом демонстрировал аудитории свое открытие, используя сильный магнит и недавно созданный им вакуумный сосуд, который теперь во всех лабораториях мира называют сосудом Дьюара. Этот опыт стал классическим, его показывают студентам во многих университетах (вы можете найти его демонстрацию в Интернете). Жидкий кислород выходит из сосуда Дьюара, притягиваемый магнитом. Жидкость повисает в воздухе и налипает на магнит, образуя облако, которое прогибается между полюсами магнита, а затем испаряется.

Что же при этом происходит? В 1925 г. Роберт Малликен смог объяснить магнитные свойства кислорода, применив сформулированную незадолго до того квантовую теорию. Магнитные свойства вещества объясняются спином неспаренного электрона, а как показал Малликен, в молекуле кислорода есть два неспаренных электрона[36]. Именно они определяют химические свойства этого элемента и усложняют получение молекулярным кислородом других электронов для образования химических связей (рис. 8). Из данного химического тупика есть два выхода. Во-первых, кислород может получить энергию от другой молекулы, возбужденной теплом или светом, что изменит спин одного из неспаренных электронов кислорода. Такое действие оказывают некоторые пигменты, что используется для фотодинамической терапии, основанной на способности активированного светом пигмента разрушать опухоли или другие патологические ткани.

 Рис 8. Заполнение электронных орбиталей в молекуле кислорода: (а) в основном состоянии («нормальный» кислород); (б) в возбужденном состоянии («синглетный» кислород). Крестиками обозначены пары электронов, а диагональными линиями ― единичные электроны. Кружки ― это электронные орбитали, пустые кружки ― незанятые орбитали. В соответствии с правилом Хунда сначала электроны по одному заполняют все орбитали с конкретным уровнем энергии (показаны на одном уровне), и лишь после заполнения всех свободных орбиталей образуются пары электронов. Вот почему атомарный кислород (показан сбоку в каждом случае) содержит два неспаренных электрона. При слиянии электронных орбиталей в ходе образования молекулы кислорода действует тот же самое правило, поэтому кислород в основном состоянии имеет два неспаренных электрона с параллельными спинами. Из-за этого кислород может принимать только по одному электрону с антипараллельным спинами, что приводит к образованию пар электронов. В синглетном кислороде один один из неспаренных электронов, нарушив правило Хунда, изменяет направление спина и спаривается со вторым электроном, освобождая орбиталь  с низким уровнем энергии. Вот почему синглетный кислород очень реакционноспособен.

Изменение спина одного электрона приводит к образованию электронной пары и освобождению одной орбитали, что позволяет кислороду вступать в реакции (снимаются так называемые спиновые ограничения). Кислород в такой форме называют синглетным кислородом. Он быстро реагирует с органическими молекулами. Если бы синглетный кислород был единственной формой кислорода, он никогда бы не накапливался ни в атмосфере, ни в океане.

Второй способ заставить кислород вступать в химические реакции заключается в том, чтобы передавать ему дополнительные электроны по одному, так чтобы каждый из двух неспаренных электронов получил подходящего партнера независимо от другого. Это может делать железо, поскольку оно имеет собственные неспаренные электроны (которые объясняют его магнитные свойства) и существует в разных состояниях окисления, которые в нормальных условиях характеризуются примерно одинаковой энергетической стабильностью. (Отчасти дело в том, что атом железа большой и удаленные от ядра электроны связаны с ним не очень прочно.) Способность железа передавать электроны по одному объясняет его сродство к кислороду и ржавление железных изделий и минералов. С этим же связана необходимость прятать железо в организме в молекулярные ловушки. Некоторые другие металлы, например медь, которые тоже могут существовать в двух или нескольких степенях окисления, эффективно передают электроны кислороду и поэтому в свободном виде тоже опасны.

Живые системы вынуждены учитывать странные химические свойства кислорода и, чтобы заставить его реагировать, передают ему электроны по одному. Клетки научились разделять процесс окисления пищи на отдельные стадии, на каждой из которых выделяется некоторое количество энергии, запасаемой в виде молекул АТФ (см. главу 3). К сожалению, на каждой стадии могут выделяться одиночные электроны, способные присоединяться к кислороду с образованием супероксидных радикалов. Непрерывное возникновение супероксидных радикалов в клетках означает, что, как ни странно, дыхание таит в себе ту же опасность, что и облучение.

Когда мы находимся в состоянии покоя, от 1 до 2% поглощенного клетками кислорода выделяется в виде супероксидных радикалов, а при физической активности этот показатель может достигать 10%. Эти цифры не кажутся угрожающими, но следует помнить, что при каждом вдохе мы поглощаем много кислорода. Взрослый человек с массой тела 70 кг за минуту вдыхает около четверти литра кислорода. Даже если лишь 1% превращается в супероксидные радикалы, за год человек производит 1,7 килограмма этих частиц. А из супероксидных радикалов в соответствии с приведенными выше реакциями могут возникать гидроксильные радикалы и пероксид водорода.

Они могут возникать, но возникают ли они на самом деле? Человеческий организм выработал эффективные механизмы устранения супероксидных радикалов и пероксида водорода до того, как они встретятся с железом и образуют гидроксильные радикалы (подробнее об этих механизмах мы поговорим в главе 10). Можно ли оценить, сколько гидроксильных радикалов все же образуется в организме, несмотря на указанные защитные механизмы?

К решению этой задачи можно подойти с двух сторон. Во-первых, теоретически мы способны рассчитать скорость образования гидроксильных радикалов на основе оценочных значений стационарной концентрации пероксида водорода и железа и известной кинетики реакции. По-видимому, в теле человека пероксид водорода и железо содержатся в стационарной концентрации около миллионной части грамма на килограмм массы тела. Это означает, что в организме образуется меньше 10-12 г гидроксильных радикалов на килограмм массы тела в секунду. Представить себе столь малую величину невозможно, но, если с помощью числа Авогадро перевести количество граммов в количество молекул, получаем значительно более понятное значение: в каждой клетке человеческого тела за секунду образуется примерно 50 гидроксильных радикалов[37]. Это означает, что за сутки каждая клетка выделяет 4 млн гидроксильных радикалов! Многие из них нейтрализуются тем или иным способом, а поврежденные молекулы ДНК или белков заменяются новыми, но со временем в организме, состоящем из 15 × 1012 клеток, накапливаются повреждения, которые вполне могут быть причиной старения.

Все хорошо, но пока это только теория. Если в клетках происходят такие серьезные повреждения, мы должны иметь возможность их измерить. Второй путь оценки количества выделяемых гидроксильных радикалов как раз и заключается в анализе нанесенных ими повреждений. Один метод анализа был разработан в конце 1980-х гг. Брюсом Эймсом и его группой в Беркли. Ученые следили за содержанием окисленных фрагментов расщепления ДНК в моче. Однако на этом пути возникает несколько сложностей. ДНК постоянно подвергается воздействию различных ферментов в нормальных процессах репликации и репарации, так что лишь некоторые типы окисленных фрагментов ДНК являются результатом действия гидроксильных радикалов, а другие могут возникать в нормальных физиологических процессах. Таким образом, мы должны точно знать, какие фрагменты являются результатом действия гидроксильных радикалов и какую часть всего набора фрагментов они составляют.

Одно такое основание — 8-гидроксидезоксигуанозин (8-ОНdG) — химически модифицированная форма дезоксигуанозина (G в четырехбуквенном коде ДНК). Эймс и его коллеги измеряли концентрацию этого вещества в моче крыс, а затем на основании полученных данных пытались рассчитать число гидроксильных радикалов, которые «атакуют» ДНК в каждой клетке тела крысы. Они пришли к выводу, что за сутки в каждой клетке происходит до 10 тыс. таких «атак», но бóльшая часть повреждений ликвидируется, и поэтому 8-OHdG оказывается в моче. В более поздних исследованиях аналогичный анализ был выполнен на людях. В клетках человека, по-видимому, выделяется меньше гидроксильных радикалов, чем в клетках крыс, но все же число «атак» за сутки в одной клетке достигает нескольких тысяч. Это на несколько порядков меньше, чем приведенное выше расчетное значение (4 млн радикалов), однако не стоит забывать, что речь идет только о повреждениях ДНК, но не о возможных повреждениях липидов клеточных мембран или белков, которых в клетке значительно больше, чем ДНК.

Несмотря на сильный разброс данных, тот факт, что гидроксильные радикалы образуются и при дыхании, и под действием излучения, позволяет сравнивать между собой эти процессы. Джеймс Лавлок использовал примерно такие же значения для расчета эквивалентной дозы облучения, которую мы получаем в процессе дыхания. По его оценкам, за год в процессе дыхания в организме возникают такие же повреждения, как при однократном поглощении дозы в 1 зиверт (1 Дж/кг). Доза облучения при стандартном рентгенологическом обследовании грудной клетки составляет 50 мкЗв, так что год дыхания кислородом оказывается в 10 тыс. раз более опасным, чем рентген грудной клетки, или в 50 раз более опасным, чем все излучение, которое мы в норме получаем из самых различных источников за всю жизнь.

Да, цифры впечатляющие, но не совсем честные. Для начала, мы не знаем, подвергается ли «атакам» функциональная или так называемая мусорная ДНК, которая ничего не кодирует, но составляет преобладающую часть человеческой ДНК. Кроме того, между дыханием и облучением есть одно важное различие — начальная точка. Под действием излучения из воды сразу образуются гидроксильные радикалы, случайным образом распределенные во внутриклеточном пространстве. Поскольку в норме мы не подвергаемся высоким дозам радиоактивного излучения, у нас нет механизма немедленной защиты. Напротив, при дыхании поначалу образуются в основном супероксидные радикалы, которые менее реакционноспособны, чем гидроксильные, и у клеток больше времени для их уничтожения. Кроме того, супероксидные радикалы образуются в строго определенном месте, и клетки умеют от них защищаться. Возможно также, что существует некий порог репарации, связанный с силой повреждений. При дыхании повреждения в ДНК накапливаются медленно, так что практически все они могут быть исправлены. Понятно, что при сильном облучении, сопровождающимся большим количеством повреждений за короткий промежуток времени, ситуация совсем иная.

Однако на качественном уровне средства защиты от радиационной и кислородной интоксикации одни и те же. Гершман, Гилберт и другие ученые, занимавшиеся данным вопросом в 1950-х гг., это поняли и установили, что некоторые антиоксиданты помогали защитить мышь от летальной дозы рентгеновских лучей и кислородной интоксикации.

Разобраться в этом помогла одна удивительная бактерия, которая невероятно устойчива к ионизирующему излучению — в 200 раз устойчивее всем известной кишечной палочки (Escherichia coli) и, возможно, в 3000 раз устойчивее человека. Это настолько неожиданно, что астрофизик Фред Хойл предположил, что эта бактерия попала на Землю из космоса. Хойл высказал свою идею в подтверждение теории панспермии (что означает «семена повсюду») в 1983 г. в книге «Разумная Вселенная». Споры бактерий настолько нечувствительны к излучению, что могут находиться в космосе, практически не испытывая влияния космических лучей. Это позволяет предположить, что жизнь могла быть привнесена на Землю из космоса. Идеи Хойла развил космолог Пол Дейвис в книге «Пятое чудо». Он считает, что такая высокая радиационная устойчивость имеет смысл только в том случае, если жизнь на какой-то стадии развития вынуждена была пройти через испытание излучением.

Маленький монстр, о котором пишут Хойл и Дейвис, представляет собой красноватую бактерию Deinococcus radiodurans, относящуюся к небольшому семейству из шести бактерий, и все они устойчивы к радиации. Эта бактерия является одним из самых радиационно устойчивых организмов на Земле. Впервые ее обнаружили в облученном консервированном мясе, а затем — в выветренных гранитных скалах почти безжизненной Антарктики, на стерилизованных излучением медицинских инструментах, а также во множестве вполне обычных мест, таких как комнатная пыль или экскременты животных. Бактерия устойчива не только к действию ионизирующего излучения, но и к разным другим типам физического и химического воздействия, включая ультрафиолетовое излучение, нагревание, высушивание и действие пероксида водорода и различных токсинов. Этот комплекс качеств, возможно, позволит использовать D. radiodurans для восстановления среды, пострадавшей от излучения и химического воздействия. Наличие коммерческого потенциала вызвало интерес к исследованиям генома (полного набора генов) данной бактерии. В ноябре 1999 г. в журнале Science Оуэн Уайт и большая группа ученых (в основном из Института геномных исследований в Роквилле, Мэриленд) опубликовали полную нуклеотидную последовательность ее генома. И теперь мы гораздо лучше понимаем, в чем дело.

Эта бактерия — химера, прекрасный пример способности природы быстро находить решение, исходя из уже существующих элементов, и придавать ему вид заранее продуманного плана. Здесь нет никакого волшебства, и космос тут ни при чем. Практически все механизмы репарации ДHK, имеющиеся у D. radiodurans, есть и у других бактерий, но они редко соединяются в одной клетке. Единственным уникальным свойством D. radiodurans является удивительно эффективная система удаления отработанного материала, с помощью которой все поврежденные молекулы удаляются из клетки до того, как они вновь встроятся в ДНК в процессе репарации или репликации. Удивительная живучесть бактерии объясняется наличием множества копий ее собственных генов, а также генов, полученных от других бактерий[38]. Большинству бактерий для счастливой жизни хватает всего нескольких защитных механизмов, тогда как D. radiodurans собрала их все, причем во множестве копий. Это позволяет бактерии процветать в неблагоприятных условиях, где у нее значительно меньше конкурентов.

Так что, скорее всего, речь не идет ни о каком испытании космическим излучением, о котором говорил Дейвис. По-видимому, Deinососсиs относительно недавно адаптировались к воздействию излучения. В статье в Science Уайт с коллегами сравнили геном D. radiodurans с геномами другиx бактерий и обнаружили, что ее ближайшим родственником является экстремальный термофил Thermus thermophilus. Из 175 генов T. thermophilus 143 имеют двойников в клетках D. radiodurans. Возможно, устойчивость бактерии к широкому спектру неблагоприятных воздействий возникла в результате модификации систем, изначально предназначавшихся для жизни при высокой температуре.

Здесь следует сделать одно важное замечание, к которому мы еще вернемся позднее. Гены, защищающие клетки от ионизирующего излучения, также оберегают от кислородной интоксикации и от многих других типов стресса, таких как нагревание, инфекция, тяжелые металлы или токсины. Человеческие гены, активированные излучением, защищают от кислородной интоксикации, малярии и отравления свинцом. Причина такой перекрестной защиты заключается в том, что многие стрессовые воздействия в клетках развиваются по одинаковому патологическому пути, и поэтому одни и те же механизмы могут защищать от разных видов стресса. Этот общий патологический путь представляет собой окислительный cmрecc — нарушение равновесия между производством свободных радикалов и антиоксидантной защитой. Однако окислительный стресс — не только патологический процесс, но и сигнал,сообщающий клетке об опасности. Таким образом, это одновременно и угроза, и сигнал, позволяющий противостоять этой угрозе. Так, бомбардировка Перл-Харбора японскими войсками была одновременно актом агрессии и сигналом Америке о необходимости вступить в войну.

Интеграция различных защитных механизмов для борьбы с окислительным стрессом позволяет предположить, что жизнь могла изобрести пути противостояния кислородной интоксикации задолго до появления кислорода в атмосфере — под воздействием ионизирующего излучения. Мы уже пришли к выводу, что увеличение концентрации кислорода в воздухе не было причиной массового исчезновения живых организмов в докембрийском периоде и после него. Поскольку кислород, безусловно, токсичен, жизнь должна была каким-то образом адаптироваться к этой угрозе заранее. Может ли быть, что жизнь сначала адаптировалась к космическому излучению и это cталo основой адаптации к другим источникам oпасности? Если это так, то Фред Хойл и Пол Дейвис были в определенном смысле правы. Жизнь действительно была подвергнута испытанию радиацией, но это произошло не в космосе, а на Земле, и не недавно, а 4 млрд лет назад.

Такой сценарий подтверждается открытиями, сделанными на Марсе с помощью космического аппарата «Викинг» в 1976 г. «Викинг» был оборудован инструментами для проведения трех экспериментов с целью поиска признаков жизни в марсианской почве. Результаты экспериментов не позволили сделать однозначных выводов, и корректность интерпретации обсуждается до сих пор. Однако результаты одного эксперимента, хотя и не давали очевидного ответа, оказались совершенно неожиданными. Эксперимент должен был выявить различия в составе газовой смеси, производимой микробами и химическими процессами. Образцы поверхности Марса инкубировали в сухой, чуть влажной или очень влажной среде, а затем в них анализировали газовую фазу. Предварительно образцы обрабатывали питательным бульоном, состоящим из смеси органических соединений и неорганических солей, которую Гилберт Левайн (один из ученых, стоявших у истоков создания «Викинга» и активный защитник идеи существования марсианской жизни) назвал «куриным бульоном». Эксперимент проходил в два этапа. Сначала с бульона снимали крышку, чтобы выходящие из него пары воды увлажнили почву в емкости с образцом. Затем на почву выливали небольшое количество бульона, чтобы запустить метаболизм любых присутствующих в образце организмов.

К удивлению ученых, удаление крышки сразу приводило к выделению из марсианской почвы большого количества кислорода — в 130 раз больше, чем показывали предварительные расчеты. Ученые решили, что бульон, возможно, стимулировал процесс фотосинтеза, однако те же самые реакции происходили и в темноте, и даже после того, как образцы выдерживали при температуре 145 °С на протяжении 3,5 часа, чтобы убить всех микробов. Но когда после активной фазы выделения кислорода к образцу добавляли свежий бульон, кислород больше не выделялся, что свидетельствовало о завершении процесса. Хотя этот эксперимент напрямую не отрицает наличие в почве живых организмов, его легче объяснить в рамках химии, чем биологии. По-видимому, xимический cocтaв почвы был очень богатым, поскольку выделение газа наблюдалось даже при добавлении простой воды. После некоторых размышлений ученые пришли к выводу, что в образцах почвы содержались супероксиды и пероксиды, образовавшиеся под действием ультрафиолетового излучения на атмосферу или на саму почву. Этот вывод был подтвержден анализом химического состава горных пород.

Что же произошло на Марсе? Можно предположить, что гидроксильные радикалы, пероксид водорода и супероксидные радикалы возникали на протяжении длительного времени в результате расщепления воды в почве или в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Поскольку воды больше не было, эти активные соединения стали взаимодействовать с железом и другими минеральными веществами в почве, что привело к образованию ржавчины и придало планете характерный красный цвет. На Земле эти соединения, скорее всего, разложились бы, но в сухих и стерильных условиях на Марсе они сохранились. Когда с емкости с бульоном снимали крышку, замершие химические реакции сразу доходили до конца. При распаде неустойчивых оксидов железа «законсервированные» радикалы вступали в реакции, заставляя горные породы выделять воду и кислород. Забавно, но героям из научно-фантастических романов, желающим обезвредить почву и наполнить марсианский воздух кислородом, понадобилось бы лишь немного теплой воды, и Красная планета могла бы стать голубой.

Из всего сказанного следует, что Марс находится в состоянии сильного окислительного стpeсса. Хотя в его неплотной атмосфере содержится лишь 0,15% кислорода, развитие любых гипотетических форм марсианской жизни ограничено токсичностью различных форм кислорода, образовавшихся под воздействием космического излучения. И если это так, на Земле 4 млрд лет назад имела место точно такая же ситуация. Земля расположена ближе к Солнцу и подвержена более интенсивному воздейcтвию излучения. Пока не было кислорода, отсутствовал и озоновый слой, и жесткие ультрафиолетовые лучи проникали до самой поверхности Земли. Но традиционная точка зрения о том, что континенты и мелкие моря были простерилизованы космическими лучами, больше не выдерживает критики. Hовые факты доказывают, что устойчивость к кислороду и излучению появилась у самых первых земных организмов. Значение этого факта для эволюции и для нашей с вами жизни чрезвычайно велико, о чем мы и поговорим в последующих главах.

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:

CО₂ + 2Н₂O → (СН₂О) + Н₂О + О₂

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:

СО₂ + 2Н₂S → (СН₂О) + Н,₂O + 2S

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:

2H₂O → O₂ + 4H++ 4e-

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:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

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?