Кислород. Молекула, изменившая мир

По-видимому, фотосинтезирующие бактерии, которые получали энергию путем расщепления сероводорода или солей железа еще до изобретения оксигенного фотосинтеза, уже имели каталазу. Между пероксидом водорода и этими древнейшими видами фотосинтетического топлива есть много общего. Для удаления электронов из молекулы пероксида водорода и сероводорода требуется одинаковое количество энергии, так что теоретически один и тот же бактериохлорофилл может осуществлять оба процесса. Поэтому пероксид водорода мог стать хорошим источником водорода для фотосинтеза. Конечно, его было меньше, чем сероводорода и солей железа, но все же он в достаточном количестве возникал в поверхностных слоях воды под действием солнечных лучей. Если это так, поначалу каталаза могла использоваться в качестве фермента для фотосинтеза. Поскольку при расщеплении пероксида водорода выделяется кислород, вовлечение каталазы в фотосинтез объясняет эволюционный переход между аноксигенным и оксигенным фотосинтезом.

Если же каталаза использовалась как фермент для фотосинтеза, вполне естественно, что молекулы каталазы локализовались там, где проходил фотосинтез. Две молекулы каталазы вполне могли объединиться, образуя прототип кислород-выделяющего комплекса. Возможно, сначала комплекс продолжал использовать пероксид водорода в качестве донора электронов, но (благодаря правильной энергетической настройке) мог расщеплять и воду. Мы уже знаем, что для изменения свойств бактериохлорофилла  требовались лишь три небольшие модификации, которые позволили ему поглощать свет с длиной волны 680 нм. И вот у нас уже есть прототип кислород-выделяющего комплекса (щипцы для колки орехов, способные расщеплять воду) и хлорофилл, который обеспечивает необходимую энергию (рука, давящая на щипцы). Вот так без составления плана и без неблагоприятных промежуточных стадий мы прошли путь от аноксигенного фотосинтеза к оксигенному фотосинтезу.

Таким образом, эволюция оксигенного фотосинтеза кажется практически неизбежной при наличии трех факторов: необходимости использовать воду, механизма расщепления воды и умения защищаться от токсичного кислорода. Необходимость использовать воду возникла в результате исчерпания запасов сероводорода и солей железа в изолированных водных бассейнах. Механизм расщепления воды возник за счет связывания двух молекул каталазы. Защиту от кислорода обеспечивала та же каталаза и, возможно, некоторые другие ферменты, которые уже эволюционировали в ответ на окислительный стресс, вызванный ультрафиолетовым излучением.

В океанских глубинах такие условия невозможны. Там сохранилось большое количество сероводорода и солей железа, и солнечный свет туда практически не доходил. Обитавшим там организмам не нужно было защищаться от кислорода. В таких местах, даже при наличии достаточного количества света, любые мутации, приводящие к превращенияю бактериохлорофилла в хлорофилл, были бы уничтожены естественным отбором ввиду их бесполезности. Они приводили к снижению эффективности поглощения света бактериями и взамен не давали никаких преимуществ.

Гипотеза «окислительного стресса до появления кислорода» может очень многое объяснить. Она переворачивает традиционные представления. Получается, что фотосинтез возник исключительно благодаря окислительному стрессу, вызванному ультрафиолетовым излучением. Жизнь не пряталась в океанских глубинах вблизи богатых сероводородом гидротермальных источников или черных курильщиков, а очень рано вышла на поверхность океана и адаптировалась путем эволюции мощных антиоксидантных ферментов типа каталазы. Если бы не ультрафиолетовое излучение и созданные им условия, фотосинтез за счет расщепления воды никогда бы не появился. Более того, эволюция оксигенного фотосинтеза буквально висела на волоске: она зависела от случайной связи, соединившей две молекулы каталазы.

Если вам кажется, что эта гипотеза держится лишь на вероятности одного случайного события, вспомните, что в отличие от способности летать или видеть, которая эволюционировала неоднократно, оксигенный фотосинтез появился лишь однажды. Все водоросли и растения, вся зеленая планета используют одну и ту же систему. Все получили ее в наследство от цианобактерий, которые изобрели ее лишь однажды, вероятно, 3,5 млрд лет назад. Никакие другие клетки на Земле самостоятельно не изобретали способов расщепления воды. Все известные кислород-выделяющие комплексы имеют родственную структуру, напоминающую структуру каталазы. Возможно, и на Марсе когда-то была жизнь, и она нашла другой способ превращения менее интенсивного солнечного излучения. Но каталазы там не было. Без каталазы невозможен оксигенный фотосинтез. Без фотосинтеза в воздухе не накапливается кислород. А без кислорода нет многоклеточных форм жизни, нет маленьких зеленых марсиан, нет войны миров.

Я вас убедил? Возможно, нет, но я привел не все доводы. Как мне кажется, самые убедительные доказательства предоставляет не моделирование атмосферных процессов или анализ cтруктурного и функционального сходства ферментов, а сравнительная генетика. Не генетика фотосинтеза, которую мы пока еще не прояснили в достаточной степени, а генетика дыхания. Как жизнь впервые смогла использовать кислород для извлечения энергии из пищи? И здесь интуиция нас подводит. Кажется невероятным, чтобы организмы, способные дышать кислородом, эволюционировали до появления кислорода в атмосфере. Конечно, они не могли появиться до изобретения оксигенного фотосинтеза! Мы просто не можем думать иначе. Но в соответствии с революционной гипотезой, которую предложили и доказательно отстаивали Жозе Кастрезана и Матти Сарасте из Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге, все было наоборот[45]. Кислородное дыхание эволюционировало до фотосинтеза, а существа, способные дышать кислородом, появились до появления кислорода в воздухе. Доказательством служит одноклеточное создание, называемое последним универсальным общим предком (LUCA, Last Universal Common Ancestor). Мы познакомимся с ним в следующей главе.

Глава восьмая. Портрет LUCA. Последний общий предок из докислородной эпохи

Название «последний универсальный общий предок» (LUCA, от Last Universal Common Ancestor) было придумано в солнечном Провансе, на юге Франции, в 1996 г. Это произошло во время удивительного, редкого собрания ученых. Здесь были химики, изучавшие химические основы возникновения жизни, молекулярные биологи, пытавшиеся проанализировать истоки и эволюцию генетической репликации, микробиологи, исследовавшие строение бактерий из гидротермальных источников  метаболические признаки самых первых организмов, а также генетики, сравнивавшие полные геномы живых организмов для выявления их эволюционного родства. Имя LUCA оказалось удачным компромиссом между LUA (Last Universal Ancestor) и LCA (Last Common Ancestor) и менее неуклюжим и уродливым, чем «центральный предок» или «прогенот». LUCA ассоциируется  с Люси — нашим африканским предком — и, кажется, отражает траекторию развития жизни на Земле. Она (это наверняка она!) представляла собой симпатичное существо, породившее жизнь на нашей планете. Эта клетка была не первым живым существом, а последним общим предком всех известных форм жизни, которые существуют сейчас или существовали когда-либо. Люди, бактерии, водоросли, грибы, рыбы, млекопитающие, динозавры, травы и деревья — все мы обязаны своим существованием LUСА.

Мы не знаем точно, когда и где обитал последний общий предок, однако большинство исследователей сходятся во мнении, что это было 3,5 или 4 млрд лет назад. Это одноклеточное существо (хотя некоторые считают, что оно даже не было клеткой в полном смысле слова) обитало в океане. Мы не знаем, жили ли эти клетки в полном одиночестве в пустом мире, обменивались ли генами с родственными клетками или вели непримиримую борьбу с какими-то другими ранними формами жизни. Если у LUСА и были современники, все они вымерли, не оставив никакого следа: LUСА стала прародительницей всех форм жизни на Земле, как Ева — прародительницей человечества.

Это означает, что свойства LUСА определили всю последующую эволюцию жизни на Земле. Поэтому резонно заключить, что любые признаки, свойственные всем живым организмам, когда-то были признаками самого последнего общего предка и перешли ко всем его потомкам с разной степенью модификации. Какие-то признаки современных форм жизни, например фотосинтез, есть только у некоторых групп, таких как цианобактерии, пурпурные бактерии и водоросли (которые дали начало растениям), так что они, по-видимому, эволюционировали только в этих группах уже после LUСА (если только эти признаки не были потеряны всеми другими потомками LUСА, что кажется маловероятным, но все же возможно). Таким образом, портрет LUСА можно составить, хотя бы теоретически, путем сравнения всех когда-либо живших на Земле организмов. Общие для всех организмов свойства, вероятнее всего, были унаследованы ими от LUCA.

Возможно, сравнение всех живых организмов кажется непосильной задачей, однако ученым удалось определить несколько свойств последнего общего предка. На первый взгляд, эти свойства могут показаться невероятными, но за ними скрывается определенная логика. Очень важно отметить, что эти данные согласуются с доказательствами, представленными в предыдущей главе. Скорее всего, LUCA могла использовать кислород для получения энергии еще в те времена, когда в воздухе отсутствовал кислород. Эта клетка была способна уберечь себя от окислительного стресса, вызванного ультрафиолетовым излучением. Сначала она создала средства защиты, что позволило изобрести оксигенный фотосинтез. Таким образом, первой движущей силой, стимулировавшей развитие сложных форм жизни на Земле, были свободные радикалы кислорода. В данной главе мы поговорим о том, какую информацию можно извлечь, изучая гипотетический портрет LUСА.

Поэт и эрудит Гёте однажды заметил, что нельзя понять Италию, не побывав на Сицилии. В биологии ничего нельзя понять, не поняв теорию эволюции, которая позволяет интерпретировать смысл невероятного биологического разнообразия. Справедливость идеи о том, что эволюция является результатом естественного отбора, в основном подкрепляется не отдельными впечатляющими экспериментами, а каждодневными наблюдениями миллионов биологов во всем мире. Эти бесчисленные наблюдения и oткрытия подтверждают фундаментальное единство жизни.

Когда мы оглядываемся вокруг, родство всего живого не кажется очевидным. Ну что общего у человека и шелковицы? Но, если копнуть поглубже, сходство проявляется все сильнее и сильнее. Например, последовательности ДНК человека и шимпанзе совпадают на 98,8%. И у человека, и у шимпанзе есть две ноги и две руки, голова, глаза, нос, уши, головной мозг, сердце, почки, кровеносная система и даже одинаковое число пальцев. Если не учитывать размер, многие из нас не отличат человеческую почку от почки шимпанзе. Даже в нашем поведении и манере ухаживания за партнером можно найти много общего. Кто возьмется утверждать, что это случайное совпадение? Более того, множество свойств объединяет нас с рыбами или даже с самыми первыми предками современных животных — низшими червями. Червь обладает двусторонней симметрией тела, имеет примитивное сердце, систему циркуляции крови, нервную систему, глаза, рот и анус. В отличие от растений, он движется и роет ходы в песке.

В учебниках 1950-х гг. все еще приводили список очевидных различий между растениями и животными в соответствии с классификацией Линнея, разделившего все формы жизни на царство растений и царство животных. Однако позднее эта двоичная система была заменена новой классификацией, предложенной в 1969 г. Р. Х. Уиттекером и основанной на существовании пяти царств: животные, растения, грибы, протисты (к которым относятся простейшие и водоросли) и бактерии. Новая система была удобна и проста и поэтому используется до сих пор. Но, несмотря на свои достоинства, она имеет очень серьезный недостаток. Дело в том, что разделение на пять царств основано на морфологических или поведенческих признаках организмов, а не их генетическом родстве. Представьте себе, что мы отнесем хищные растения и дятлов в одну и ту же категорию на том основании, что и те и другие являются многоклеточными и едят насекомых. На самом деле pастения, животные, грибы и протисты намного ближе друг к другу, чем кажется на первый взгляд. Но их родство проявляется на клеточном уровне, и обнаружить его можно только с помощью микроскопа. Как показывает анализ структуры клеток, представители этих четырех царств намного ближе друг к другу, чем к пятому царству — царству бактерий. Сходство между ними настолько фундаментальное, что все четыре царства объединяют в общую таксономическую гpyппy, или домен, эукариот (что по-гречески означает «имеющий истиннос ядро»). У всех эукариот есть ядро — самый крупный элемент клетки. Ядро имеет почти сферическую форму и отделено от остального содержимого клетки — цитоплазмы — двойной мембраной. Большинство эукариотических клеток имеют размер от сотых до десятых долей миллиметра (10 — 100 мкм), хотя бывают и исключения, например, протяженность отростков нервных клеток человека достигает одного метра. Цитоплазма эукариотической клетки содержит сотни или даже тысячи микроскопических специализиpoванныx органов (органелл), таких как митохондрии (которые есть у всех эукариот) и хлоропласты (у водорослей и растений), а также многочисленные складки и стопки мембран и белковый скелет. Такое сложное устройство эукариотических клеток позволяет предположить, что они эволюционировали путем конгломерации (так оно и было), о чем мы уже говорили в главе 3.

В ядре сосредоточен генетический материал эукариотической клетки — аморфный хроматин, состоящий из спиралей ДНК, обернутых вокруг белкового каркаса. При делении эукариотической клетки сначала происходит репликация ДНК, а затем хроматин конденсируется, образуя две плотные спирали (хромосомы), которые расходятся в стороны с помощью белкового каркаса и образуют два новых ядра. Изучение структуры генов эукариот преподнесло один из величайших сюрпризов в молекулярной биологии конца прошлого столетия. ДНК эукариот вовсе не является линейной кодирующей последовательностью, состоящей из генов, как ожерелье из бусин (так думали раньше, и так устроена бактериальная ДНК), а имеет прерывистую структуру, в которой гены составляют лишь несколько процентов. У большинства эукариот ДНК «состоит из кусочков»: гены белков чередуются с длинными некодирующими последовательностями ДHK, да и сами гены тоже прерываются участками, как кажется, бессмысленной ДНК. Бóльшая часть этой лишней ДНК, по-видимому, является «мусорной» и реплицируется клеткой, не принося ей никакой пользы. Какая-то часть — «обломки затонувших кораблей», фрагменты генов, измененных до неузнаваемости под действием мутаций, как нефункциональный человеческий ген витамина С[46]. Можно сказать, что эукариоты — клетки «с истинным ядром» — живут не под своим именем. Если бы мы придумывали им название сегодня, слово «истинный» следовало бы немедленно исключить. Эукариоты буквально «сотканы из лжи», в том смысле что они — совсем не то, чем представляются.

Бактерии устроены совсем по-другому. Прежде всего, у них нет ядра, и поэтому их относят к домену прокариот (что означает «не имеющий ядра»). Они гораздо мельче эукариот, обычно всего несколько миллиметров в диаметре, и окружены жесткой клеточной стенкой, что делает их похожими на малюсенькие капсулы. Клеточная стенка бактерий состоит из пептидогликанов — длинных цепей аминокислот и сахаров. Многие эукариоты тоже имеют клеточную стенку, но другого состава.

Бактериальные гены «голые»: их ДНК не опирается на белковый каркас. И число генов у бактерий значительно меньше, чем у эукариот, — несколько тысяч против десятков тысяч. Гены бактерий организованы в группы, объединенные общей функцией (опероны), и почти не содержат «мусорной» ДНК. В клетках бактерий нет складок внутренних мембран, белкового скелета или митохондрий. Простота организации позволяет бактериям размножаться с огромной скоростью просто путем деления пополам. Гены одних бактерий могут участвовать в рекомбинации с генами других бактерий в результате прямой инъекции генетического материала в процессе конъюгации. В результате такие свойства, как нечувствительность к антибиотикам, быстро распространяются по всей бактериальной популяции. По сравнению с неповоротливыми эукариотами, похожими на гигантские военные корабли, бактерии эволюционируют с ловкостью и скоростью истребителей.

Между прокариотами и эукариотами существует глубочайший провал, но две эти группы, безусловно, связаны между собой на самом фундаментальном уровне — на уровне биохимических механизмов. Это один из факторов, заставляющих биологов полагать, что все живые существа на Земле имеют между собой родственные связи. Все дороги ведут в Рим. Тoт факт, что все формы жизни систематически движутся по одному и тому же пути, означает, что все они изначально получили одни и те же инструкции. Например, гены всех клеток состоят из ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Четырехбуквенный генетический код ДНК определяет порядок расположения аминокислот в белках. Этот код является универсальным для всех живых организмов. Кроме того, все детали механизма синтеза белка на основе заключенной в ДНК информации тоже одинаковы. Последовательность букв в ДHK считывается (транскрибируется) в последовательность информационной РНК (рибонуклеиновой кислоты). Эта молекула содержит инструкции для построения конкретного белка специализированными молекулярными машинами, называемыми рибосомами. На рибосомах закодированная информация превращается в белок. Во всех клетках это превращение осуществляется по одной и той же схеме при участии специфических «адаптерных» молекул. Это тоже молекулы РНК (транспортные РНК), которые связывают соответствующие аминокислоты. Транспортная РНК каждого типа распознает «свою» последовательность знаков на информационной РНК и присоединяет к растущей цепи белка соответствующую аминокислоту. Практически во всех живых организмах этот процесс протекает одинаково — на основе уникального генетического кода, с помощью информационной РНК, транспортных РНК, рибосом и аминокислот. По-видимому, для матери-природы в Рим ведет лишь одна дорога.

Какой из всего этого следует вывод? Вывод такой, что общее происхождение всех живущих или живших на Земле существ в первую очередь подтверждается на самом фундаментальном уровне. Речь идет о симметрии биологических молекул. Многие биологические молекулы, включая аминокислоты и простые сахара, могут существовать в двух зеркальных версиях — как левая и правая рука или как две перчатки. В природе оба изомера встречаются в одинаковой пропорции, и на первый взгляд непонятно, почему живые организмы должны отдавать предпочтение одной из двух форм. Но, когда решение принято, менять что-то по пути уже невозможно. Левую перчатку нельзя надеть на правую pуку. Фермент, катализирующий превращения левовращающего изомера, не может использовать в качестве субстрата правовращающий изомер. И если в ДНК закодирована одна или другая форма фермента, ничего уже не изменить. Синтезировать два фермента, работающие с зеркально-симметричными формами молекул, весьма расточительно: жизнь должна принять решение и следовать ему. Учитывая случайность выбора, можно ожидать, что какие-то виды организмов используют правовращающие молекулы, а какие-то — левовращающие (и, таким образом, полнее используют природные ресурсы), но это не так. Все формы жизни предпочитают правовращающие изомеры. Единственное разумное объяснение этого факта заключается в том, что LUСА использовал правовращающие изомеры (так уж вышло) и передал это свойство по наследству всем своим потомкам.

Когда LUCA дал начало своему разнообразному потомству? Клетки, напоминающие современных прокариот, появились около 3,5 млрд лет назад (строматолиты в Юго-Западной Австралии, см. главу 3). Первые признаки появления эукариотических клеток (биомаркеры — мембранные стерины) относятся к периоду около 2,7 млрд лет назад. Самые старые ископаемые остатки эукариот имеют возраст 2,1 млрд лет. Взрыв разнообразия эукариот произошел примерно 1,8 млрд лет назад.

На фундаментальном (биохимическом) уровне эукариоты очень похожи на прокариот, но они крупнее и сложнее. По-видимому, только сложная структура эукариот могла обеспечить эволюцию многоклеточных форм жизни. Все истинные многоклеточные организмы являются эукариотами. Следовательно, можно предположить, что прокариоты были первыми примитивными клетками, которые позднее дали начало более сложным эукариотам.

Эта гипотеза подтверждается многими свойствами эукариот. В середине 1880-х гг. немецкие биологи Шмитц, Шимпер и Мейер предположили, что хлоропласты появились из цианобактерий. В 1910 г. русский биолог Константин Мережковский развил эту идею, заявив, что эукариоты возникли в результате союза между несколькими видами бактерий. Но недостаточная чувствительность микроскопического анализа того времени не позволила ему убедить биологическое сообщество в своей правоте. Идея Мережковского ждала своего часа около 70 лет, пока в конце 1970-х гг. Линн Маргулис из Университета Массачусетса в Амхерсте с помощью новых молекулярных методов не доказала, что когда-то органеллы эукариотической клетки действительно были свободноживущими бактериями.

Теперь уже всеми признано, что хлоропласты и митохондрии («электростанции» эукариотических клеток) когда-то были свободноживущими бактериями. Их выдают многие признаки. Во-первых, хлоропласты и митохондрии сохранили свой генетический аппарат, включая собственную ДНК, информационную РНК, транспортную РНК и рибосомы. Это указывает на их бактериальное происхождение. Например, митохондриальная ДНК, как и бактериальная ДНК, упакована в виде единственной кольцевой хромосомы и не связана с белками. Последовательность букв в ее генах очень напоминает соответствующую последовательность в генах пурпурной бактерии, называемой альфа-протеобактерией[47]. Митохондриальные рибосомы по размеру и структуре, а также по чувствительности к антибиотикам (например, к стрептомицину) напоминают рибосомы протеобактерий. Как и бактерии, митохондрии размножаются просто путем деления пополам, обычно независимо от других митохондрий и от самой клетки.

Но, несмотря на наличие этих древних признаков, митохондрии утратили свою независимость. За 2 млрд лет эволюции митохондрии потеряли почти весь геном. Их ближайшие родственники альфа-протеобактерии имеют 1500 генов, тогда как митохондрии большинства видов сохранили менее сотни. Как мы обсуждали в главе 3, эволюция в равной степени может приводить и к простоте, и к сложности. Все бактериальные гены, которые не были нужны для выживания внутри эукариотической клетки, быстро исчезли, поскольку ядерные гены не терпели конкуренции. Другие митохондриальные гены переместились в ядро: 90% генов, отвечающих за структуру и функцию митохондрий, теперь находятся в ядре эукариотической клетки. Мы до сих пор не знаем, почему митохондрии сохранили при себе 10% генов, но их локализация, очевидно, должна обеспечивать какие-то преимущества[48].

Составляя портрет LUCA, необходимо учитывать, что перемещение генов свободноживущих бактерий в эукариотические клетки повлияло на генетические связи между живыми организмами. Понятно, что в ядрах эукариот содержатся бактериальные гены, попавшие туда из митохондрий. Любые попытки проследить происхождение эукариот на основании этих генов приведут к ошибке, поскольку данные гены — не наследие предков, а более позднее приобретение. Но во многих отношениях за митохондриальными генами легко проследить. Во всяком случае, мы знаем их содержание и функцию. Что нам не известно, так это сколько других генов эукариот было приобретено таким же образом и какие именно. Эта проблема связана с горизонтальным переносом генов — способом передачи генетической информации, отличным от прямого наследования[49]. Если гены циркулируют так же свободно, как деньги в едином экономическом пространстве, практически невозможно установить их происхождение — они могли быть получены организмом по наследству от непосредственного предка, а могли быть перенесены из организма неродственного вида. И чем дальше мы отступаем в прошлое, тем запутаннее выглядят эти связи.

В конце 1960-х гг. генетические связи между организмами чрезвычайно заинтересовали молодого биофизика (ставшего позднее эволюционным биологом) Карла Вёзе из Университета Иллинойса. Везе понял, что определение полных последовательностей геномов организмов разных видов могло бы помочь установить степень родства между ними, невзирая на горизонтальный перенос генов. Однако в то время секвенирование таких больших массивов данных не представлялось возможным. Для определения родственных связей Вёзе решил использовать единственный ген, который не может передаваться за счет горизонтального переноса, а передается только по вертикали — из поколения в поколение. Судьба такого гена была бы однозначным образом связана с отдельными видами и, в принципе, позволяла бы восстановить ход эволюции.

Такой ген, кроме того, должен быть очень консервативным. Дело в том, что в последовательности генов в результате мутаций со временем накапливаются изменения в виде замен, вставок (инсерций) или выпадений (делеций) отдельных нуклеотидов. Большинство генетических мутаций, изменяющие последовательность РНК или белка, представляют серьезную опасность. Однако существуют «нейтральные» мутации (которые не оказывают влияния на синтез и функцию продукта гена), а иногда мутации даже могут приносить пользу. Поскольку нейтральные или благоприятные мутации не отбраковываются естественным отбором, они постепенно накапливаются. В результате, если вы сравните одинаковые гены в организмах двух разных видов, произошедших от одного предка, вы обнаружите, что их последовательности в какой-то степени различаются. Теоретически, чем ближе родство между видами, тем больше сходство последовательностей, поскольку после их отделения от общего предка прошло сравнительно мало времени и накопилось мало мутаций. Чем меньше степень родства, тем сильнее различаются последовательности генов.

Например, гены гемоглобинов у разных видов расходятся со скоростью около 1% за 5 млн лет. Это означает, что близкородственные виды, недавно разошедшиеся от общего предка, имеют очень похожие последовательности гемоглобинов, тогда как последовательности генов более дальних родственников различаются сильнее. Такая же картина наблюдается и для других важных и распространенных генов, таких как белок дыхательной цепи цитохром c. Человеческий ген цитохрома с примерно на 1% отличается от гена шимпанзе, на 13% от гена кенгуру, на 30% от гена тунца и на 65% от гена гриба Neurospora. Ясно, что при такой скорости изменений за миллиарды лет гены могут вообще потерять какое-либо сходство, даже если унаследованы от общего предка.

Одни последовательности ДНК изменяются быстрее, другие медленнее. Самые стремительные изменения происходят в «мусорной» ДНК, поскольку она ничего не кодирует и поэтому не подвергается очистительному влиянию естественного отбора. Напротив, некоторые гены настолько важны для функционирования клетки, что практически любое изменение их последовательности губительно для клетки. Поскольку за такие изменения клетка, скорее всего, расплачивается жизнью, эти важнейшие гены практически не меняются. Изменения почти никогда не передаются следующим поколениям, поскольку большинство поврежденных клеток погибает. И все же очень редко, но и в таких генах происходят изменения, не наказуемые естественным отбором. Эти изменения накапливаются чрезвычайно медленно и могут использоваться для построения дерева жизни, начиная от самых ранних предшественников.

Что же это за гены? Вёзе рассудил, что клетки зависят от наличия сырьевых материалов в той же степени, в какой общество зависит от наличия кирпича и стали для строительства школ, фабрик и больниц. Общественная жизнь остановится, если закончится сырье, и клетки не смогут жить без белков или ДНК, обеспечивающей непрерывную функцию белков. Таким образом, синтез белков является одним из древнейших и важнейших аспектов жизни, и процессы синтеза белка имеют для клетки решающее значение. Поскольку гены, контролирующие синтез белка, не должны меняться со временем и передаваться путем горизонтального переноса, LUСА, скорее всего, уже имел эти гены.

Белки синтезируются на рибосомах, которые состоят из нескольких белков и так называемой рибосомной ДНК. Как рибосомные белки, так и рибосомная РНК кодируются ДНК и предохраняются от мутаций естественным отбором. Вёзе понял, что из всех функциональных элементов клетки гены рибосомной РНК являются наилучшим кандидатом на роль «краеугольного камня» — абсолютно необходимого компонента клетки — и, следовательно, не должны подвергаться мутациям и передаваться путем горизонтального переноса. Более того, поскольку последовательность нуклеотидов в рибосомной РНК является точной репликой гена, последовательности рибосомной РНК можно сравнивать непосредственно между собой, не возвращаясь к последовательностям генов. В 1960-х и 1970-х гг. сделать это было невозможно, а рибосомную РНК гораздо легче выделить и секвенировать, чем последовательность соответствующего гена. Итак, в качестве рулетки для измерения эволюционного родства Вёзе выбрал рибосомную РНК. Он стал сравнивать последовательности рибосомных РНК, имевшиеся в его лаборатории и описанные в литературе, и на основе этих данных построил карту генетических связей между всеми формами жизни. За решение этой сложной задачи взялись сразу несколько исследовательских групп.

Как и все, кто работал над этим проектом, Вёзе надеялся нащупать генетическую связь между прокариотами и эукариотами — нечто напоминающее связь между митохондриями и альфа-протеобактериями. Ученых ждали два сюрприза. Во-первых, провал между бактериями и эукариотами продолжал углубляться. Не было найдено никакого промежуточного звена, никакого перехода между бактериальной и эукариотической рибосомной РНК, как должно было быть, если бы эукариоты произошли от бактерий. Вместо этого все последовательности РНК упрямо разбивались на две группы, как будто между ними не было ничего общего. Это означало только одно: разделение между бактериями и эукариотами произошло очень-очень давно, возможно, уже вскоре после появления самых первых форм жизни. Это, в свою очередь означало, что эукариоты не эволюционировали постепенно на протяжении 2 млрд лет, как предполагалось. Разделение должно было произойти быстро и очень рано.

В 1977 г. Вёзе и Фокс объявили о втором неожиданном открытии, которое теперь считают одним из важнейших прорывов в биологических исследованиях прошлого столетия. В самом домене прокариот тоже не было единства. Малоизвестная группа прокариот, большинство представителей которой обитали в экстремальных условиях, таких как горячие источники или очень рибосомной РНК этих организмов было исследовано, тем яснее становилось, что это не просто новое царство внутри домена прокариот, но что-то гораздо более фундаментальное — совершенно новый домен, который стали называть доменом архей (рис. 9). Сегодня уже не говорят о пяти царствах жизни, а выделяют три домена — бактерии, археи и эукариоты. Человек, как и все животные, является всего лишь одной из ветвей домена эукариот (рис. 10).

Рис. 9. Предсказанная структура рибосомной РНК из (а) археи Halobacterium volcanii, (б) эукариотической дрожжевой клетки и (в) митохондрии коровы. Молекула РНК состоит из одной нити, однако основания РНК, как и основания ДНК, могут связываться друг с другом, так что молекула образует петли и шпильки (тогда как знаменитая двойная спираль ДНК состоит из двух скрученных молекул). «Пузырьки» на рисунке соответствуют участкам однонитевой РНК, основания которой не участвуют в спаривании. Сравнительный анализ трех образцов показывает, что общая форма и структура рибосомной РНК (вторичная структура) сохранялись в процессе эволюции. Однако конкрентная последовательность оснований значительно менялась, и сходство последовательностей весьма незначительное. Структура митохондриальной РНК напоминает структуру бактериальной РНК, от которой она произошла. Воспроизводится (с модификациями) с разрешения из Gutell et al., Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology

Рис. 10. «Укорененное» универсальное древо жизни, отражающее связь между тремя доменами жизни. Дерево построено на основе сравнительного анализа образцов рибосомной РНК, проведенного Карлом Вёзе и его коллегами. Порядок расхождения и длина ветвей отражают сходство последовательностей РНК представителей разных доменов и царств. Другими словами, они пропорциональны степени генетического родства между видами. Возможно, кому-то неприятно осознавать, что все животные, растения и грибы составляют лишь небольшую ветвь эукариот и что последовательности рибосомной РНК представителей всего царства животных различаются между собой меньше, чем последовательности РНК представителе разных групп метаногенных бактерий. Общим «корнем» этого дерева является LUCA — последний универсальный общий предок всех бактерий, архей и эукариот. Обратите внимание, что археи занимают промежуточное положение между бактериями и эукариотами, что определяется их морфологическими и биохимическими свойствами, а также последовательностями рибосомной РНК. Числа указывают минимальный возраст ветвей, определенный на основании палеонтологических доказательств и биохимических маркеров, таких как характерные мембранные стероиды, обнаруженные Йохеном Броксом и его коллегами в отложениях железа в Хамерсли (Австралия). Воспроизводится (с модификациями) с разрешения из A. Knoll, Science

С учетом существования архей мы можем составить гораздо более убедительное изображение LUCA, сравнивая признаки представителей трех доменов жизни. Археи, безусловно, похожи на бактерий тем, что не имеют ядра, так что они тоже относятся к прокариотам. И организация их геномов напоминает организацию геномов бактерий: они имеют единственную циклическую хромоcoму, гены собраны в кластеры (опероны), и почти нет «мусорной» ДНК. Однако по другим признакам, таким как структура и функции белков в клеточной мембране, они меньше напоминают бактерий. Большинство архей имеют клеточную стенку (но не все, в отличие от бактерий), не содержащую пептидогликанов. Таким образом, сходство между двумя доменами весьма ограниченное.

В других отношениях археи гораздо ближе к эукариотам. У них меньше генов, чем у эукариот, но все же примерно вдвое больше, чем у бактерий. ДНК архей обернута вокруг белков, напоминающих соответствующие белки эукариот. Механизмы репликации ДНК и синтеза белка гораздо больше напоминают аналогичные механизмы у эукариот, чем у бактерий. Например, археи включают и выключают свои гены примерно таким же образом, как эукариоты. Структура рибосомных белков тоже напоминает структуру соответствующих белков эукариот. Другие аспекты функционирования рибосом, включая инициацию синтеза белка, элонгацию белковой цепи и стадию терминации, аналогичны таковым у эукариот. Наконец, результаты генетического анализа так называемых паралогичных генов (генов, которые образовались в результате удвоения одного гена у общего предка, а затем развивались разными эволюционными путями в разных группах потомков) показывают, что археи действительно ближайшие родственники эукариот. Таким образом, археи — это прокариоты, имеющие многие признаки эукариот. Они напоминают то связующее звено между эукариотами и бактериями, которое мы тщетно пытаемся найти[51].

Как все это поможет нам описать LUСА? По-видимому, бактерии и археи разошлись от общего предка очень рано, возможно, 3,8 — 4 млрд лет назад. Мы предполагаем, что и те и другие сохранили какие-то признаки LUСА. Расчеты показывают, что эукариоты отделились от архей позже, возможно, от 2,5 до 3 млрд лет назад, поскольку у них гораздо больше общего с археями, чем с бактериями (см. рис. 10). Мы знаем, что эукариоты приобрели митохондрии и хлоропласты примерно 2 млрд лет назад за счет поглощения бактерий. Также нам известно, что часть бактериальных генов была включена в хромосомы эукариотических клеток. Но здесь мы возвращаемся к проблеме горизонтального переноса генов. Если эукариоты — результат слияния бактерий и архей, получается, что горизонтальный перенос генов происходит и между доменами. Если мы хотим нарисовать портрет LUСА, проводя сравнительный анализ разных доменов, можем ли мы быть уверены, что они не перемешаны полностью?

К счастью, мы знаем, что горизонтальный перенос генов между доменами — явление редкое. Появление эукариот, по-видимому, было уникальным событием, возможно, связанным с какими-то необычными внешними условиями, сложившимися в процессе глобального оледенения Земли 2,3 млрд лет назад (см. главу 3). Но в целом археи остаются археями и очень мало изменяются со временем. Не существует патогенных архей, способных инфицировать эукариотические клетки, так что археи не могут смешивать свои гены с генами эукариот. И с бактериями они не конкурируют. Предпочтение экстремальных условий обитания отделяет их от других организмов, даже от бактерий. Гипертермофильные археи, такие как Pyrolobus fumaris, живут в глубоководных гидротермальных источниках при температуре около 100 °С и в условиях высокого давления. Некоторые археи, такие как Sulfolobus acidocaldarius, обитают не только в горячей, но и в кислой среде — в серных источниках Национального парка Йеллоустон с рН около 1 (как в разбавленной серной кислоте). Другие предпочитают щелочную среду, например щелочные озера Восточно-Африканской рифтовой долины. Вода в этих озерах имеет рН 13 и выше (там расползаются резиновые сапоги). Галофильные археи — единственные организмы, способные жить в сверхсоленых озерах, например в Великом соленом озере в Юте или в Мертвом море. Психрофилы любят холод и лучше всего растут в Антарктике при температуре 4 °С (при более высокой температуре их рост замедляется).

Условия в этих специфических экологических нишах мало изменились за миллиарды лет. Без катастроф и конкуренции нет стимула для естественного отбора, способствующего изменениям и инновациям. Конечно, многие археи живут и в обычных местах (среди планктона на поверхности океана, в болотах, канализационных стоках и рубце жвачных животных), но гены их родственников «экстремалов» совершенно точно не смешивались с генами других видов организмов.

Удивительные свойства архей вызывают большой научный и коммерческий интерес; в 1990-х гг. исследование архей стало отдельным научным направлением. Широкое применение нашли ферменты, активные в условиях высокой температуры или давления. Их добавляют в моющие средства и используют для очистки загрязненных территорий, например разливов нефти. Поскольку для промышленного применения микроорганизмов требуется знание их генетического строения, на сегодняшний день уже определены полные нуклеотидные последовательности представителей всех групп архей. Полученные данные еще раз подтверждают древнейшее происхождение архей и их изолированное существование на протяжении миллиардов лет. Но самым большим сюрпризом оказалось удивительное сходство между многими генами архей и генами бактерий.

Среди генов, участвующих в производстве энергии при аэробном или анаэробном дыхании, как минимум 16 были найдены и у бактерий, и у архей. Сходство последовательностей означает, что эти гены были у LUCA, а затем перешли по наследству обеим группам. Жозе Кастрезана и Матти Сарасте с помощью двух независимых методов подтвердили, что LUCА имел эти 16 дыхательных белков.

Первая линия доказательств связана с эволюционным деревом. Сходство последовательностей генов 16 дыхательных белков можно использовать для построения дерева жизни, а затем совместить его с деревом, созданным по последовательности рибосомной РНК. Если гены дыхательных белков передавались за счет горизонтального переноса генов, родственные гены дыхательных белков можно обнаружить у видов с очень дальним родством. Иными словами, в этом случае пути эволюции генов дыхательных белков должны отличаться от путей эволюции организмов-хозяев — как история митохондриальных генов отличается от истории ядерных генов эукариот. Если же гены дыхательных белков не передавались путем горизонтального переноса, тогда эволюционные деревья, построенные на основе рибосомной РНК и генов дыхательных белков, должны совпадать. Тик оно и оказалось: эволюционные деревья проанализированных до сих пор генов дыхательных белков в основном соответствовали дереву, построенному на основе анализа рибосомной РНК. Это означает, что между бактериями и археями не происходило горизонтального переноса генов.

Вторая линия доказательств связана с более новыми метаболическими способностями, такими как фотосинтез. LUСА, судя по всему, не умел осуществлять фотосинтез. У архей не обнаружено никаких форм фотосинтеза, связанных с использованием хлорофилла. Так называемые галобактерии (семейство архей, обитающих в среде с высокой концентрацией соли) используют совершенно иную форму фотосинтеза, основанную на действии фоторецепторного пигмента бактериородопсина, напоминающего фоторецепторные пигменты наших глаз. У бактерий такая форма фотосинтеза неизвестна. Две формы фотосинтеза в бактериях и археях, по-видимому, эволюционировали независимым путем после отделения от LUCА. Если столь важные метаболические инновации, как фотосинтез, не передаются из одного домена в другой, вряд ли передаются другие формы дыхания. Таким образом, вид эволюционных деревьев не позволяет обнаружить следов обмена генами дыхательных белков между доменами.

Если обмен генами между бактериями и археями является редчайшим событием, значит, LUСА уже имел 16 генов дыхательных белков, которые затем были унаследованы различными линиями бактерий и архей. Поскольку эти гены кодируют белки, участвующие в производстве энергии из таких соединений, как нитриты, нитраты, сульфиты и сульфаты, LUCA, судя по всему, был достаточно сложным в метаболическом плане организмом. Последовательности одного из 16 генов обладают наиболее сильно выраженным сходством в клетках бактерий и архей, и именно этот ген Кастрезана и Сарасте использовали для создания портрета LUCA.

Этот ген кодирует метаболический фермент цитохромоксидазу, осуществляющий перенос электронов на молекулу кислорода (с образованием воды) на последней стадии дыхательной цепи. Если у LUСА была цитохромоксидаза, приходится заключить (хотя это, казалось бы, противоречит здравому смыслу), что аэробное дыхание появилось раньше фотосинтеза. Иными словами, LUCA имел возможность дышать до того, как в воздухе появился кислород! Кастрезана и Сарасте, несомненно, оценили значение этого открытия: «Доказательства того, что аэробное дыхание могло эволюционировать до выделения в атмосферу кислорода фотосинтезирующими организмами, противоречат тому, что сказано в учебниках».

Механизм восстановления кислорода при участии цитохромоксидазы — чудо наноинженерии. Фермент использует электроны, выделяющиеся при окислении глюкозы. Он поочередно передает четыре электрона и четыре протона на молекулу кислорода, в результате чего образуются две молекулы воды. Эта реакция противоположна реакции расщепления воды при фотосинтезе:

О₂ + 4е- + 4Н+ → 2Н₂О

Реакция соединения водорода с кислородом — самая важная стадия процесса аэробного дыхания. Возможно, многие помнят демонстрацию этой реакции на уроке химии, поскольку она сопровождается взрывом. Как и во всех реакциях с участием кислорода, электроны передаются по одному. Поэтому сложнейшая задача цитохромоксидазы заключается в том, чтобы cобpать выделяющуюся энергию, но не допустить утечки свободных радикалов. И эта задача выполняется с высочайшей точностью. В митохондриях современных организмов цитохромоксидаза практически не выпускает свободных радикалов (все свободные радикалы ухитряются сбежать из других белковых комплексов электронтранспортной цепи). Благодаря способности впитывать весь кислород и превращать его в воду, не допуская выделения токсичных промежуточных продуктов, цитохромоксидазу можно считать мощнейшим антиоксидантом, не имеющим себе равных. Дополнительным преимуществом данного процесса является извлечение из молекулы глюкозы четырехкратного количества энергии по сравнению со всеми другими формами дыхания.

На протяжении многих лет эволюцию цитохромоксидазы связывали именно с ее антиоксидантным действием. Фермент изначально возник при повышении содержания кислорода в воздухе в результате фотосинтеза и только потом стал использоваться в качестве дыхательного фермента. Такой сценарий подтверждался наличием второй (несвязанной в эволюционном плане) формы цитохромоксидазы у некоторых протеобактерий, включая Еscherichia coli и Azotоbacter vinelandii. Вторая форма в сто раз менее избирательна по отношению к кислороду (она, в частности, не отличает кислород от таких молекул, как оксид азота NО), но работает намного активнее, очень быстро перерабатывая избыток кислорода. Более того, эта оксидаза включается только тогда, когда бактерия попадает в среду с высоким содержанием кислорода, где действует как пылесос, засасывая кислород и аналогичные молекулы.

Таким образом, активность цитохромоксидаз двух типов зависит от содержания кислорода в среде. Действительно очень похоже, что эти ферменты появились для защиты клеток от кислорода. В таком случае ревизионистская гипотеза Кастрезаны и Сарасте повисает в воздухе. Если у LUCA была цитохромоксидаза, она не могла возникнуть в ответ на повышение концентрации кислорода, которое произошло только через миллиард лет. Так как и зачем появился этот фермент? В главе 7 мы говорили о том, что озера и мелкие моря находились в состоянии окислительного стресса, вызванного ультрафиолетовым излучением, расщеплявшим воду с образованием свободных радикалов кислорода и пероксида водорода. Такие ферменты-антиоксиданты, как супероксиддисмутаза (СОД), найдены у представителей всех трех доменов жизни и, вполне вероятно, могли быть у LUCA. Возможно, цитохромоксидаза тоже возникла как средство защиты от ультрафиолетового излучения, а не в ответ на повышение концентрации кислорода в воздухе?

Точного ответа мы не знаем, но, скорее всего, это не так. Если бы данный фермент возник как антиоксидант для защиты от ультрафиолетового излучения, его функция в дыхательной цепи (накопление энергии от передачи электронов кислороду, а не только поглощение газообразного кислорода) эволюционировала бы позднее независимым путем в различных ветвях бактерий и архей. В таком случае эти группы клеток должны иметь разные механизмы накопления энергии. Однако механизмы чрезвычайно похожи и поэтому унаследованы от общего предка[52]. Таким образом, если исходно цитохромоксидаза возникла не как антиоксидант, значит, она была нужна для реализации ее теперешнего предназначения — получения энергии от передачи электронов на молекулу кислорода. Вам такой сценарий кажется более правдоподобным? Мы видели, что окислительный стресс без кислорода возможен, но можно ли представить себе кислородное дыхание без кислорода? Все зависит от того, что значит «без кислорода». Понятие «аноксические условия» (отсутствие кислорода) чрезвычайно расплывчатое и для геологов, зоологов и микробиологов имеет разное значение. Геологи называют «аэробной средой» такую среду, в которой содержание кислорода не ниже 18% современного содержания кислорода в атмосфере, а «дизаэробной средой» они называют среду с более низким содержанием кислорода. Среду с содержанием кислорода менее 1% геологи называют «азоической» или «аноксической». Зоологи говорят о «нормоксических» и «гипоксических» условиях: гипоксией называют такое содержание кислорода, при котором нарушается процесс дыхания, обычно это ниже 50% современного содержания кислорода в атмосфере. Микробиологи оперируют другими терминами, в частности, используют такой показатель, как точка Пастера — концентрация кислорода, при которой некоторые микроорганизмы переключаются с аэробного дыхания на брожение (обычно ниже 1% современного содержания кислорода в воздухе). Однако некоторые микробы дышат кислородом даже при его очень низком содержании в воздухе, ниже 0,1% нормального уровня. Такие условия — очевидно аноксические для геологов — вполне могли существовать на древней Земле, особенно в мелких водоемах за счет расщепления воды.

Удивительно, что некоторые современные микроорганизмы способны использовать кислород в еще более низкой концентрации. Например, некоторые виды протеобактерий живут в симбиозе с бобовыми растениями, поселяясь в их клубеньках. В обмен на кров и защиту они снабжают растения нитратами, которые синтезируют из азота воздуха. Активность нитрогеназы, катализирующей эту реакция, ингибируется кислородом даже в очень низкой концентрации. Бобовые растения и азотфиксирующие бактерии устроены таким образом, чтобы поддерживать минимальную концентрацию кислорода в клубеньках. Бактерии окружают себя толстым слоем слизи, препятствующей проникновению кислорода. Если этой защиты недостаточно, они активируют фермент, который быстро захватывает кислород, не производя энергии. Бобовые растения синтезируют родственный гемоглобину кислород-связывающий фермент леггемоглобин, регулирующий концентрацию свободного кислорода. Благодаря этим адаптациям уровень кислорода в клетках бактерий ниже 0,01% атмосферного уровня, так что кислород не мешает действию нитрогеназы.

Удивительно, что при всех этих адаптациях, призванных минимизировать концентрацию кислорода, некоторые азотфиксирующие бактерии, такие как Bradyrhizobium japonicum, являются аэробами. Их форма цитохромоксидазы, известная как FixN, отличается чрезвычайно высоким сродством к кислороду. Этот фермент — дальний родственник митохондриальной цитохромоксидазы; вероятно, обе формы произошли от общего предка. По некоторым данным, FixN функционально связана с леггемоглобином, который высвобождает связанный кислород только при очень низком содержании кислорода в среде. Таким образом, поддержание низкой концентрации кислорода достигается за счет нескольких механизмов, и весь кислород, которому удается прорваться через эту защиту, связывается леггемоглобином. При очень низкой концентрации кислорода (ниже 0,01%) леггемоглобин передает связанный кислород оксидазе FixN, использующей его для получения энергии в форме АТФ. Система в целом очень стабильна и направлена на регуляцию содержания кислорода, а не на его ликвидацию.

Система клубеньков — пример метаболизма при крайне низком содержании кислорода, но в целом практически то же самое происходит и в клетках человеческого тела. Наша очевидная зависимость от кислорода скрывает от нас тот факт, что клетки внутренних органов совсем не адаптированы к приему кислородных ванн. Развитие многоклеточных организмов, возможно, отчасти было вызвано необходимостью защищаться от кислорода, поскольку внутри организма концентрация кислорода ниже, чем снаружи. Нашу элегантную систему циркуляции крови, которую в первую очередь рассматривают в качестве системы распределения кислорода между индивидуальными клетками, вполне можно воспринимать как средство защиты от кислорода или по крайней мере контроля его содержания.

Давайте остановимся на этом чуть подробнее. Атмосферное давление сухого воздуха на уровне моря составляет около 760 мм рт. ст. Примерно 78% этого давления обеспечивает азот, а 21% — кислород. Таким образом, давление кислорода в атмосфере составляет около 160 мм рт. ст. В легких кислород связывается с гемоглобином, в большом количестве содержащимся в эритроцитах циркулирующей крови. В артериальной крови гемоглобин насыщен кислородом на 95%, и давление кислорода составляет около 100 мм рт. ст. По мере прохождения крови через органы и ткани гемоглобин отдает кислород, так что давление кислорода снижается и на уровне сердца составляет около 85 мм рт. ст., на уровне артериол — 70 мм рт. ст., и в сети капилляров — 50 мм рт. ст. Здесь гемоглобин насыщен кислородом примерно на 60 — 70%. Кислород отделяется от гемоглобина и диффундирует в клетки тканей по градиенту концентрации. Этот градиент постоянно поддерживается за счет выведения кислорода в процессе дыхания. В большинстве клеток давление кислорода составляет 1 — 10 мм рт. ст. Наконец, кислород попадает в митохондрии, где за счет интенсивного дыхания его содержание снижается еще больше. Давление кислорода внутри митохондрий обычно ниже 0,5 мм рт. ст., что эквивалентно 0,3% содержания кислорода в атмосфере, или 0,07% общего атмосферного давления. Таким образом, содержание кислорода в митохондриях почти такое же, как в гипотетических «аноксических» условиях на первозданной Земле. Не является ли это отголоском прошлого?

Можно также сравнить функции гемоглобина и родственных ему белков, включая мышечный белок миоглобин, в клубеньках бобовых растений и в клетках животных. После всего, что вы уже узнали из данной главы, вас не должно удивлять наличие похожего на гемоглобин белка (с очень близкой последовательностью) у археи Halobacterium salinarum, о чем в 2000 г. в журнале Nature сообщил Шаобин Хоу и его коллеги из Университета Гонолулу на Гавайях. Древнейшее происхождение гемоглобина и миоглобина уже никого не удивляет; аналогичные последовательности обнаружены и у бактерий. Но открытие Хоу показывает, что подобные молекулы могли существовать уже у LUCA.

Зачем LUСА или другим одноклеточным организмам нужен гемоглобин — белок, который переносит кислород в крови животных? Взгляните на проблему под другим углом, и все встанет на свои места: гемоглобин следует рассматривать не как переносчик кислорода, а как регулятор уровня кислорода. Именно такую функцию выполняет леггемоглобин в клубеньках бобовых растений — он поддерживает очень низкую внутриклеточную концентрацию кислорода, высвобождая кислород только по требованию. Так же работает миоглобин, ответственный за красный цвет мышц животных. Структура миоглобина похожа на структуру одной субъединицы гемоглобина, а его сродство к кислороду выше, чем сродство гемоглобина. Именно поэтому миоглобин может выводить кислород из кровотока и запасать его в мышцах. В мышцах китов и других глубоководных животных очень много миоглобина, связывающего большой объем кислорода, что позволяет животным часами находиться под водой. Однако уровень свободного кислорода в их мышцах постоянно остается низким.

Такая же система реализуется и в одноклеточных организмах. Их гемоглобиноподобные белки сначала запасают, а потом постепенно высвобождают кислород, поддерживая в клетках его низкую концентрацию, пригодную для дыхания. Именно эту регуляторную функцию подтверждает открытие Хоу и его коллег. Обнаруженная ими в клетках Halobacterium salinanim молекула действует в качестве кислородного датчика, позволяющего клетке определять уровень кислорода и перемещаться в зону его оптимальной концентрации. Некоторые бактерии тоже имеют аналогичные датчики. Общий знаменатель во всех этих механизмах — способность поддерживать внутриклеточную концентрацию кислорода на определенном уровне.

В таком ключе утверждение Кастрезаны и Сарасте о том, что LUCA мог дышать кислородом, приобретает смысл. Клеткам LUСА нужно было совсем немного кислорода, возможно, едва детектируемое количество, но они могли запасать его и использовать при необходимости. Если это так, многие потомки LUСА, по-видимому, потеряли способность применять кислород для производства энергии в связи с адаптацией к жизни в специфических условиях. Другие утратили возможность перерабатывать сульфиты или нитриты. Предки эукариот, очевидно, потеряли гены большинства белков дыхательной цепи, включая ген цитохромоксидазы, но затем получили некоторые из них обратно от пурпурныx бактерий, превратившихся в митохондрии. Изменившиеся до неузнаваемости обломки этих генов, наверное, по-прежнему составляют часть «мусорной» ДНК[53]. Самое удивительное заключается в том, что LUСА мог использовать кислород для получения энергии уже 4 млрд лет назад. Безусловно, эта клетка умела защищаться от кислорода и, возможно, использовала для этого гемоглобиноподобные белки и антиоксидантные ферменты, такие как СОД. В очередной раз, теперь уже с помощью генетических данных, мы доказали несостоятельность гипотезы о том, что антиоксиданты появились в ответ на увеличение концентрации кислорода в воздухе.

Конечно, это гипотетический сценарий, но он подтверждается интересными и согласованными доказательствами. Вывод о том, что LUСА имел гибкий метаболизм, позволяет разрешить ряд старых парадоксов, в частности эволюцию фотосинтеза, древнейшее происхождение гемоглобина и аэробного дыхания. Если основные тезисы нашего сценария верны, традиционные представления придется пересматривать практически полностью.

Итак, давайте кратко сформулируем базовые положения новой эволюционной схемы. LUСА жил в среде, сформированной под действием космического излучения. Гдe бы жизнь ни появилась изначально, LUCA должен был жить на поверхности океана, хотя бы какое-то время. Поскольку археи произошли от LUСА (а не наоборот), серные термофильные организмы не могли быть самыми первыми формами жизни, как считают некоторые. Напротив, если LUСА обладал гибким метаболизмом, он жил в изменяющемся мире, в том числе на поверхности океана.

Действие излучения на поверхность океана не привело к исчезновению всех форм жизни, как иногда пытаются изобразить. Путем расщепления воды с образованием свободных радикалов и пероксида водорода ультрафиолeтовые лучи обеспечили дополнительный источник энергии. Пероксид водорода — сравнительно устойчивое соединение, которое способно накапливаться в мелких водоемах, а затем расщепляться на воду и кислород. Клетки могли захватывать и запасать этот кислород с помощью гемоглобина. Затем кислород высвобождался для получения энергии при участии цитохромоксидазы. Гемовая группа, как в цитохромоксидазе и гемоглобине, могла стать основой эволюции химически родственных хлорофиллов, способных превращать энергию света в сахара с помощью вариантов дыхательных цепей[54].

Вероятно, первые фотосинтезирующие организмы расщепляли сероводород или соли железа, но по мере исчерпания этих ресурсов в результате окислительного стресса в изолированных водоемах им пришлось переходить на другие субстраты — пероксид водорода и воду. С появлением оксигенного фотосинтеза в атмосфере и в океанах начал накапливаться свободный кислород. Однако оптимальная для дыхания концентрация кислорода осталась практически такой же, какой она была в момент возникновения первых дыхательных ферментов. Даже сегодня человеческая цитохромоксидаза лучше всего функционирует при концентрации кислорода ниже 0,3% атмосферного уровня. И человеческое тело поддерживает концентрацию кислорода в митохондриях именно на этом уровне.

Такая версия событий позволяет сделать выводы, имеющие непосредственное отношение к новейшим результатам медицинских исследований oтносительно использования антиоксидантов. Постоянное несоответствие между концентрацией кислорода во внешней и во внутриклеточной среде является причиной многих заболеваний человека и разрешается на уровне индивидуальных клеток. Сохранение древнейшего антиоксидантного равновесия можно сравнить с сохранением солевого состава жидкостей организма, по-прежнему соответствующего составу морской воды, в которой возникли наши одноклеточные предки. (Дж. Б. С. Холдейн называл весь комплекс клеток человеческого тела «морским монстром».)

Поддержание антиоксидантного равновесия — обязательная функция клетки, предсказуемым образом изменяющейся при различных cпособах лечения. Некоторые молекулы (о них мы говорили в данной главе) выполняют антиоксидантную функцию. Каталаза расщепляет пероксид водорода с образованием кислорода, но без образования свободных радикалов. Гемоглобины и миоглобины связывают кислород и высвобождают его только тогда, когда его концентрация снижается до безопасного уровня. Цитохромоксидаза вычищает избыток кислорода, опять же не приводя к выделению свободных радикалов. Все эти реакции регулируют внутриклеточное содержание кислорода и тем самым препятствуют выделению свободных радикалов кислорода. Вполне логично предположить, что каталаза возникла и для того, чтобы производить кислород из пероксида водорода, и для того, чтобы снижать концентрацию токсичного кислорода. Гемоглобин тоже мог эволюционировать для связывания кислорода в те времена, когда этот газ был редким и ценным ресурсом. Цитохромоксидаза, по-видимому, эволюционировала как метаболический фермент, а не как антиоксидант. Их эволюционное прошлое неотделимо от их современной функции, но мы, к сожалению, ничего об этом не знаем.

Такая многофункциональность может объяснять странные несоответствия, связанные с самим словом «антиоксидант» и с представлением о том, чтo молекулы эволюционируют для какой-то одной цели. Mногиe так называемые антиоксиданты имеют несколько функций и задействованы в различных регуляторных механизмах в клетке. И поэтому антиоксиданты поддерживают концентрацию кислорода в клетке в каких-то физиологических пределах, а не просто устраняют свободные радикалы. Это очень важно. Часто пищевые добавки антиоксидантов принимают для устранения свободных радикалов, но это может повлиять на регуляторные механизмы в клетках. Таким образом, нельзя заниматься только изучением болезни как таковой, необходимо в эволюционной перспективе задаваться вопросом, почему дело обстоит именно так и что может произойти, если мы попытаемся вмешаться. В следующих двух главах мы увидим, насколько плотно антиоксиданты вплетены в механизмы жизнедеятельности клетки. Мы попробуем понять, как все вышесказанное может помочь нам повлиять на процессы старения и развития заболеваний.

Глава девятая. Парадокс. Витамин C и двуличье антиоксидантов

 Съедай по яблоку в день, и врач тебе не понадобится — гласит народная мудрость. Так ли это? И если так, то почему? Ответ на первый вопрос в наш просвещенный век формулируется просто: если в рацион питания ежедневно включать пять 80-граммовых порций овощей и фруктов, это позволяет снизить риск смерти от сердечного приступа, инсульта и некоторых видов рака, особенно дыхательной и пищеварительной системы. И этот фактор действует вне зависимости от других факторов или привычек, таких как курение, избыточный вес, повышенный уровень холестерина и артериального давления. Большинство людей регулярно съедают по три порции овощей и фруктов. В нескольких широких эпидемиологических исследованиях было показано, что повышение потребления этих продуктов до пяти порций в день может снизить риск развития рака на 20%, а риск сердечного приступа или инсульта — на 15%. Как однажды заметил Клемент Фрейд[55], люди, заботящиеся о своем здоровье, не только чувствуют себя лучше, но действительно живут дольше. В эпидемиологических исследованиях, продолжавшихся на протяжении 17 лет, было показано, что уровень смертности среди 11 тыс. человек, посещавших магазины здорового питания или магазины или клубы вегетарианцев, был в два раза ниже, чем в общей популяции. Это исследование было проведено врачами из Госпиталя Джона Рэдклиффа в Оксфорде и опубликовано в British Medical Journal, а не в каком-нибудь популярном журнале для сторонников здорового образа жизни. Даже с учетом всех методологических сложностей в проведении подобных исследований и моей собственной нелюбви к фруктам приходится признать, что богатая овощами и фруктами диета полезна для здоровья. Трудность заключается в том, чтобы убедить детей и взрослых, особенно жителей севера Европы и США, соответствующим образом изменить рацион питания.

Польза овощей и фруктов не вызывает сомнения, однако эпидемиология питания со всеми связями и корреляциями имеет два измерения. Чтобы разобраться в проблеме, нужно ответить на вопрос «почему?», а это интереснее и сложнее. Ясно, что фрукты и овощи полезны, но это все, что нам известно. Глубину нашего невежества выразили Джон Гаттридж и Барри Холлиуэлл: «Двадцать лет исследований в области диетологии подвели нас к тому, что в „развитых“ странах путь к здоровому образу жизни проходит через употребление большего количества растительной пищи, что было известно уже Гиппократу. Только мы по-прежнему не знаем почему».

Если любого из нас попросят объяснить это наблюдение, я думаю, большинство людей станут рассуждать о витамине C, антиоксидантах и т. п. Реальность, конечно же, гораздо сложнее. Оздоровительный эффект сотен, если не тысяч, биологически активных веществ, выделенных из овощей и фруктов, так и не был окончательно подтвержден. Учитывая невероятное количество разнообразных данных, не приходится удивляться, что мы возвращаемся к нескольким давно известным витаминам, которые действительно заменяют потребление многих других веществ. Хороший пример — исследование Кей-Ти Кхау и ее группы в Кембридже. Результаты были опубликованы в медицинском журнале The Lancet в 2001 г., а затем широко и неверно истолкованы прессой: потребление витамина С продлевает жизнь. На самом же деле, в работе было показано, что риск смерти от различных причин выше у людей с низким уровнем витамина С в плазме крови. Напротив, за время исследований люди с высоким уровнем витамина С в плазме умирали реже. Люди с самым высоким уровнем витамина С умирали вдвое реже, чем люди с самым низким показателем. Кхау и ее соавторы подчеркивали, что не обнаружили связи между приемом добавок витамина С и смертностью. Скорее, наблюдалась связь с общим рационом питания. Авторы не пытались установить количество витамина С и других веществ в каждой порции еды (не из-за лени: постановка специфического вопроса позволяет отсечь несущественные детали). Например, они не измеряли уровень витамина Е или бета-каротина. Если бы их определяли, наверняка нашли бы аналогичную корреляцию, поскольку во фруктах содержится множество различных антиоксидантов. Однако это не означает, что именно они отвечают за снижение уровня смертности. А потому в данном исследовании уровень витамина С в плазме был просто неким усредненным показателем, отражавшим общее потребление фруктов. А о роли самого витамина С нам по-прежнему мало что известно.

Поскольку витамин С, с одной стороны, всем знаком, а с другой стороны, по-прежнему остается загадкой, мы начнем обсуждение функции антиоксидантов именно с него. Часто витамин С называют просто водорастворимым антиоксидантом, но на этом примере можно показать, насколько сложно описать действие антиоксиданта. Вот слова Тома Кирквуда, занимающегося проблемами старения в Университете Ньюкасла, которые он произнес на ритовской лекции[56] службы Би-би-си в 2001 г.:

«Когда молекула витамина С встречает свободный радикал, oна переходит в окисленную форму, а свободный радикал становится неопасным. Затем окисленный витамин С возвращается в исходное состояние под действием фермента, называемого редуктазой. Витамин — как боксер, который выходит на ринг, получает удар в челюсть, отходит в свой угол, чтобы передохнуть, а затем повторяет все сначала».

Описание Кирквуда нельзя назвать неправильным, но оно одностороннее. Эта замечательная простота является источником множества проблем. Да, молекулярная функция витамина С так же проста и однообразна, как подбрасывание монеты, вот только действие оказывается чрезвычайно разнообразным, непредсказуемым и в значительной степени зависит от среды, в которой действует витамин. Как монета может повернуться двумя сторонами, так и витамин С может, с одной стороны, защитить от болезни, с другой стороны, убить опухоль или самого человека. Мне нравится образное высказывание по этому поводу химика и диетолога Уильяма Портера, нехарактерное для научного журнала:

«В списке всех парадоксальных соединений витамин С, наверное, занимает первое место. Вот уж действительно двуликий Янус, доктор Джекилл и мистер Хайд, оксюморон среди антиоксидантов».

Лишь несколько тем вызывают в медицинской среде такую бурную и бессмысленную дискуссию, как функция витамина С. И если искать виновного, придется указать на знаменитого химика, борца за мир и дважды лауреата Нобелевской премии Лайнуса Полинга. Я расскажу немного о его жизни, поскольку к его взглядам нельзя относиться с пренебрежением. Но, как мы увидим далее, принимать их без всякой критики тоже нельзя.

Совершенно несправедливо, если память о Полинге окажется навсегда связанной с его противоречивыми идеями о роли витамина С. Никто другой не оставил такой глубокий след в химии ХХ в., как Полинг. Один из рецензентов классического учебника Полинга «Природа химической связи и структура молекул и кристаллов», вышедшего в 1939 г., писал, что благодаря Полингу химию теперь можно не только выучить, но и понять. Первую Нобелевскую премию Полинг получил в 1954 г. «за исследования природы химической связи и их приложение к изучению сложных соединений». Это означает, что Полинга наградили не за какое-то отдельное исследование, а за цикл работ, выполненных на протяжении 20 лет, что редко случалось в истории Нобелевского института. Все ранние исследования Полинга были связаны общей идеей — применением законов квантовой механики к анализу структуры химической связи. Полинг находил длину и направление отдельных связей с помощью методов рентгеновской дифракции, магнетизма и калориметрии (измерения количества тепла, выделяемого или поглощаемого в ходе химической реакции). На основании полученных значений он воссоздавал трехмерные структуры сложных молекул.

Одним из первых и важнейших достижений Полинга было применение к анализу структуры молекул теории резонанса, в соответствии с которой электрон «делокализуется» (распределяется) в молекуле таким образом, чтобы максимально рассредоточить заряд и тем самым стабилизировать молекулы. Это очень помогает при анализе функции витамина C и других антиоксидантов.

В середине 1930-х гг. Полинг начал использовать свои аналитические методы для изучения структуры белков. Он продемонстрировал роль слабых электрических зарядов (водородных связей) в стабилизации трехмерной структуры белка и первым описал основные элементы структуры белка, такие как альфа-спирали и бета-слои, которые теперь известны любому студенту-биохимику. В начале 1950-х гг. Полинг попытался исследовать неизвестную на тот момент структуру ДНК. В книге «Двойная спираль» Джеймс Уотсон описывал смятение, которое охватило их с Френсисом Криком, когда они узнали, что проблемой ДНК занялся «величайший химик мира». Они ускорили работы, применяя методы самого Полинга, и страшно обрадовались, когда поняли, что тот допустил банальную ошибку.