О том, что наследственность существует, люди знали всегда. Признаки передаются от предков к потомкам и у человека, и у животных, и у растений. Простой крестьянин, живший век или два назад, мог не иметь ровно никаких теоретических представлений об устройстве природы, но уж то, что детям положено быть похожими на родителей, он знал твердо. И это имело для него ясное практическое значение: в русских деревнях невесту присматривали “по породе”, стремясь, чтобы у нее в роду не было наследственных заболеваний, калек или сумасшедших. Не менее наглядным был опыт разведения домашних животных и растений. Никто из людей, имевших хоть какое-то отношение к сельскому хозяйству, в существовании наследственности не сомневался.

Примечательно, что ни в одном из трех дореволюционных изданий словаря Даля слова “наследственность” все же нет. Очевидно, народному сознанию это явление представлялось настолько естественным, что особое обозначение для него не требовалось. Скорее наоборот, удивление вызывали слишком явные отклонения от точного наследования (мол, “в кого ты такой уродился?”). Для подобных отклонений в науке придумано понятие “изменчивость”. В целом — на это стоит обратить внимание — о наследственности обычно говорят в том случае, если она хотя бы потенциально не является абсолютно точной, то есть если хоть какая-то изменчивость все же налицо. Эти понятия — взаимодополняющие.

Любому, кто пытался осмыслить явление наследственности, было ясно: дети получают от своих родителей нечто, решающим образом влияющее на их качества. Как же это “передаваемое нечто” можно назвать? Отец биологических наук Аристотель воспользовался тут довольно сложным понятием “энтелехия”. Аристотелевская энтелехия — это нематериальная сущность, определяющая форму и структуру развивающегося организма. Жизнь этой концепции оказалась очень долгой, некоторые биологи обращались к ней еще в первой половине XX века. Но сейчас энтелехию окончательно вытеснило другое понятие, гораздо более четкое: наследственная информация.

Почему энтелехия исчезла из науки? Не в последнюю очередь потому, что ее так никто никогда и не сумел количественно измерить. Информация же вполне измерима, о чем прекрасно знает любой пользователь современного компьютера. А ведь наследственная информация по своей природе ничем принципиально не отличается от той, которая записывается и копируется в технических устройствах.

Есть два способа записи информации — аналоговый и цифровой. При аналоговой записи кодирующий параметр может меняться сколь угодно постепенно: например, форма звуковой дорожки на виниловой пластинке (если в наше время еще кто-нибудь помнит, что это такое) повторяет форму той самой звуковой волны, которую нужно записать. При цифровой записи кодирующий параметр может принимать всего несколько строго определенных значений безо всяких промежутков между ними. Предельный случай цифровой записи — это двоичный код, где кодирующий параметр может принимать всего два значения: или 0, или 1. Технология записи обычного текста — тоже типично цифровая. Есть строго определенный набор букв, промежуточные состояния между которыми не предусматриваются.

Важнейший для понимания всей современной биологии факт состоит в следующем: наследственная информация — цифровая. В XVIII веке об этом догадался французский физик Пьер Луи Моро де Мопертюи. А через 100 лет к тому же выводу пришел всем известный Грегор Мендель — тоже физик, но увлекшийся ботаникой и ставший в ней первоклассным специалистом. Причем если Мопертюи опирался на наблюдения, то Мендель доказал цифровой характер наследственной информации уже экспериментально. Конечно, ни Мопертюи, ни Мендель не знали терминов, которые мы сейчас употребляем, но с нашей формулировкой насчет цифровой записи они наверняка согласились бы.

 

Отступление об основателях

Пьер Луи Моро де Мопертюи был одним из самых блестящих умов французского Просвещения. Он не преподавал в университетах, не имел профессорского звания, а просто занимался наукой в свое удовольствие, время от времени публикуя результаты исследований. И это очень рано сделало его известным ученым и членом нескольких академий — в XVIII веке такое еще было вполне возможно. Именно Мопертюи получил решающие данные о форме Земли, доказав, что она представляет собой сплюснутый с полюсов эллипсоид вращения, как и было несколько ранее предсказано Ньютоном. Мопертюи открыл (и математически обосновал) принцип наименьшего действия — один из самых общих принципов физики, оказавшийся полезным для вычислений как в механике, так и в оптике. Убежденный космополит, Мопертюи по приглашению короля Фридриха Великого переехал из Парижа в Берлин и там стал президентом Прусской академии наук. Это создало ему большие проблемы на родине через несколько лет, когда началась Семилетняя война между Францией и Пруссией, — увы, жизнь мыслителей в разделенном мире редко бывает безоблачной. Умер он в возрасте 61 года в эмиграции, в Базеле, в 1759 году, военные события которого, по мнению многих историков, определили поражение Франции в борьбе за мировое господство.

Заинтересовавшись теорией наследственности, Мопертюи не стал пытаться разглядывать структуру клеток под микроскопом: он прекрасно понимал, что текущее состояние естественных наук не позволит там ничего толком разобрать. Он выбрал совершенно другой путь, а именно занялся исследованием человеческих родословных. Фактически он применил известный кибернетический принцип “черного ящика”: если мы и не можем пока вскрыть механизм наследственности, то некоторые его черты наверняка можно будет описать, если аккуратно сопоставить данные “на входе” и “на выходе”.

Прежде всего Мопертюи показал, что наследственные качества совершенно равноправно передаются потомкам от обоих родителей. Это называлось бипарентальной теорией наследственности, и в XVIII веке в этом были убеждены далеко не все. Одни ученые считали, что зародыш получает наследственные качества в основном от отца (анималькулисты), другие — что в основном от матери (овисты). Мопертюи с фактами в руках опроверг обе эти теории. Что же касается его собственных взглядов на наследственность, то их можно сформулировать в нескольких пунктах.

* Предки передают потомкам наследственное вещество, состоящее из материальных частиц (“задатков”), между которыми существует химическое сродство еще неизвестного типа. Эти частицы являются носителями памяти. Для каждой части организма существует своя наследственная частица, определяющая свойства этой части.

* При размножении организмов наследственные частицы по каким-то еще не известным закономерностям расходятся и комбинируются заново.

* В одном организме могут сочетаться разные наследственные частицы, контролирующие один и тот же признак. В этом случае одна частица может “перекрывать” (l'emporte) влияние другой. Здесь Мопертюи открыл явление, которое Мендель в следующем веке назовет доминированием.

* Комбинация наследственных частиц при возникновении нового организма может быть неточной. Если какая-то частица потеряна, возникает урод, лишенный соответствующего органа (monstre par defaut). Если какая-то частица лишняя, то возникает урод с избыточными органами (monstre par exces). Здесь пока можно лишь сказать, что современная генетика действительно знает подобные эффекты.

* Спонтанные изменения наследственных частиц могут мгновенно создавать новые наследуемые признаки. Хорошей иллюстрацией тут послужило явление человеческой многопалости. У двух нормальных родителей, не имевших в обозримом прошлом никаких многопалых предков, может внезапно родиться ребенок с многопалостью, которая потом оказывается наследственной. Документально подтвердив такой случай, Мопертюи фактически открыл мутации (хотя этого термина тогда еще не было).

* При скрещиваниях могут создаваться новые сочетания наследственных частиц и, тем самым, новые разновидности организмов. Именно это делает человек при разведении домашних животных и растений. Нет никаких оснований считать, что те же самые процессы не происходят в дикой природе. Здесь у Мопертюи теория наследственности естественным образом переходит в теорию эволюции: получается, что одного без другого не бывает. Насколько мы сейчас понимаем, это абсолютно верно. Хотя даже ученые XIX–XX веков, знавшие гораздо больше, чем Мопертюи, пришли к этой мысли далеко не сразу.

Интересно, что Мопертюи не допускал никакого наследования благоприобретенных признаков, в отличие от многих ученых XIX и даже XX веков, державшихся так называемого ламаркизма — версии эволюционной теории, согласно которой приобретенные полезные признаки постепенно, в ряду поколений, трансформируются в наследственные. Это особенно важно для Франции, где ламаркизм долгое время был очень влиятелен. На самом деле “мопертюистская” традиция старше ламаркистской. Именно ее по большому счету и продолжает современная генетика.

Есть версия, что Пьер Луи Моро де Мопертюи послужил одним из прототипов доктора Моро, героя знаменитого романа Уэллса “Остров доктора Моро”. Прямых доказательств этому нет, но совпадение первой части фамилии — Моро — с фамилией доктора, скорее всего, не случайно. И атмосфера в этом романе в целом подходящая.

Итак, Мопертюи первым пришел к выводу, что материальная основа наследственности (какой бы она ни была) образована дискретными частицами, которые не смешиваются между собой. В XIX веке это было подтверждено экспериментально. Например, французский ботаник Огюстен Сажрэ скрещивал дыни разных сортов, отличающихся друг от друга формой плодов. Поначалу Сажрэ ожидал, что у межсортовых гибридов форма плодов будет какой-нибудь промежуточной. Вместо этого оказалось, что у разных особей гибридов встречаются признаки, свойственные или одному, или другому исходному сорту, и эти признаки как бы “конкурируют” между собой в ряду поколений, переходных же состояний между ними нет. Эти и другие данные убедили Сажрэ, что наследственные качества определяются некими устойчивыми единицами (он называл их “зачатками”), которые не могут сливаться или смешиваться. Передаваясь от родителей к детям, они вступают в самые разные комбинации, но сами по себе остаются стабильными, примерно как атомы в химических реакциях.

Через 20 лет после Сажрэ австриец Грегор Мендель продемонстрировал в серии аккуратнейших опытов, что такой механизм наследственности действительно работает — по крайней мере, у некоторых растений. Более того, Мендель показал, что знание этого механизма позволяет делать проверяемые количественные предсказания. “Задатки” Мопертюи, “зачатки” Сажрэ или “факторы” Менделя — это разные названия для дискретных частиц наследственности, в некотором смысле эквивалентных буквам, составляющим текст; недаром в классической генетике их именно буквами и обозначали. Любая отдельно взятая частица такого типа либо унаследована данным организмом, либо нет. Это и есть цифровой способ передачи информации.

Закончить этот разговор, как всегда, можно подходящей цитатой из Станислава Лема. В его рассказе “Одиссей из Итаки” говорится о вымышленном (к сожалению) ученом, который пришел к идее цифровой записи наследственной информации еще в начале эпохи Возрождения:

“...Есть среди них увесистый том некоего Мираля Эссоса из Беотии, который изобретательностью превзошел Леонардо да Винчи; после него остались проекты логической машины из спинного мозга лягушек; задолго до Лейбница он додумался до идеи монад и предустановленной гармонии; он применил трехценностную логику к некоторым физическим феноменам; он утверждал, что живые существа рождают подобных себе потому, что в их семенной жидкости содержатся письма, написанные микроскопическими буковками, и комбинации таких “писем” определяют строение взрослой особи; все это — в XV веке”.

Вот с теми самыми “микроскопическими буковками”, которыми написаны эти “письма”, мы сейчас и познакомимся.

 

Атомы наследственности

Открытия Мопертюи, Сажрэ и Менделя были несовершенны в одном важном для нас аспекте. Частицы, которые они принимали за элементарные единицы наследственности, таковыми на самом деле вовсе не были. Все эти “задатки” и “факторы” вполне поддаются дроблению на более мелкие части (как мы сейчас совершенно точно знаем). В XIX веке просто не существовало методов, позволяющих это увидеть. А вот в XX веке, с началом так называемых исследований тонкой структуры гена, сразу стало ясно, что “атомы наследственности” — если они и есть в природе — должны быть гораздо мельче.

И все-таки сторонники дискретности оказались в конечном счете правы. Неделимые носители наследственной информации действительно существуют. Это — нуклеотиды. Вот они-то и есть те самые “буквы”, которыми написан генетический текст. Надо заметить, что нуклеотид — это достаточно крупная молекула по меркам обычной химии (см. главу 7). И если его расщепить на части, то они носителями наследственной информации уже не будут. Таким образом, “атом наследственности” можно считать обнаруженным.

В оправдание исследователей прошлых веков надо сказать, что они очень многое угадали верно. Дело в том, что дискретность существует на разных уровнях. Нуклеотиды объединяются в гораздо более крупные комплексы, которые бывают чрезвычайно устойчивыми и очень часто (хотя и не всегда!) в самом деле ведут себя как независимые друг от друга единицы. Вот именно это явление и зафиксировал Мендель. Ну а о существовании самих нуклеотидов ни он, ни тем более его предшественники не имели никакого понятия: время для этого еще не пришло.

Зато к середине XX века биохимики со всей определенностью выяснили, что главным носителем наследственной информации служит ДНК (см. главу 8). Молекула ДНК — это, попросту говоря, длинная цепочка нуклеотидов, которые бывают четырех типов: адениновый (А), тиминовый (Т), гуаниновый (Г) или цитозиновый (Ц). Итак, генетический “алфавит” — четырехбуквенный. В общем-то, ничего особенного. В двоичном коде всего две “буквы”, в наиболее ходовой версии латинского алфавита 26, ну а здесь четыре.

Цепочка ДНК вполне подобна тексту, где записана некая информация четырехбуквенным алфавитом. С той особенностью, что эта цепочка — двойная. Надо, впрочем, заметить, что такая особенность не является абсолютно необходимой для хранения генетической информации: она просто полезна, но не больше. Дублирование молекулы ДНК заметно повышает надежность системы (если одна цепь почему-то разрушится — есть вторая), но ничего не прибавляет к самому содержанию записанных нуклеотидным текстом сообщений.

Однако что же это за сообщения? Как раз к тому времени, когда биологи выяснили генетическую роль ДНК, ответ (полученный другими биологами и оказавшийся правильным) был готов. Крупные устойчивые комплексы нуклеотидов — гены — должны каким-то образом нести информацию о структуре белков, тех самых огромных молекул, которые делают в клетке почти все (см. главу 3). Множество генов (геном) некоторым неизвестным нам пока способом определяет собой множество белков (протеом). Вот именно этот вывод и оформился в сознании биологов к середине 1950-х годов.

Тут надо оговориться, что геном — это вообще-то не только набор генов. В геномах обычно есть и другие участки ДНК, ни в какие гены не входящие (но они нас пока не интересуют). Что касается самих генов, то каждый из них включает тысячи нуклеотидов, а очень часто и десятки тысяч. Целые геномы обычно состоят из миллионов нуклеотидов, а иногда и из миллиардов. И в принципе все эти нуклеотиды можно пересчитать, современные биохимические методы вполне позволяют это сделать.

Как же геном кодирует белки?

Начнем с того, что любой белок — это цепочка аминокислот. Причем всегда линейная, то есть неветвящаяся. Именно здесь это становится очень важно. Порядок аминокислот в цепочке называется первичной структурой белка (см. главу 3). Все остальные уровни структуры — вторичная, третичная и четвертичная — относятся уже к сворачиванию аминокислотной цепи в объеме, в трехмерном пространстве.

И вот тут возникает важнейший факт, который вообще-то относится к физической химии, но — внезапно — оказывается ключевым для понимания такой тонкой материи, как наследственность. Факт этот следующий. Первичная структура белка (то есть аминокислотная последовательность), как правило, однозначно определяет все остальные уровни его структуры, то есть всю укладку молекулы в объеме. Именно поэтому простая линейная последовательность нуклеотидов — иначе говоря, нуклеотидный текст — может полностью определить все свойства любой сколь угодно сложной белковой молекулы. Ведь первичная структура такой молекулы тоже линейна, и ее тоже можно считать текстом. Только вот “буквы” в этих текстах разные.

И перед нами немедленно возникает следующий вопрос: каким образом нуклеотидный “алфавит” переводится в аминокислотный?

 

Генетический код

Пока большинство биологов считало гены белками, все было относительно просто. Белок, как мы знаем, представляет собой линейную цепочку аминокислот, которые могут чередоваться в любом порядке. Двадцать аминокислот — это количество, вполне сравнимое с количеством букв в каком-нибудь древнем алфавите, вроде греческого или финикийского. Такая система кодирования позволяет хранить любую информацию не хуже, чем в обычной книге. Получается, что “белок является как бы длинным предложением, записанным с помощью двадцати букв”.

Правда, надо тут же заметить, что до открытия великой двойной спирали практически никто из биологов в таких понятиях не рассуждал. Перейти с привычного “аналогового” языка традиционной биологии на “цифровой” язык новой биологии, изучающей информационные процессы, им и в дальнейшем было непросто. Многим даже очень крупным ученым, профессионально сложившимся до 1953 года, это вообще так никогда и не удалось. Идея цифровой записи наследственной информации вживалась в биологию с удивительным трудом, несмотря на то что со времен работ Менделя к тому времени прошло уже почти 100 лет. Впору предположить, что эта идея противоречила какой-то фундаментальной особенности склада ума большинства людей, выбиравших биологию своей профессией.

Так или иначе после открытия генетической роли ДНК все заметно усложнилось. Стало понятно, что “базой данных”, хранящей последовательности белков, служит не какой-то особый белок, специально приспособленный для записи информации (как это вполне можно было бы вообразить), а совершенно другой полимер, резко отличающийся от белка химически и к тому же содержащий всего-навсего четыре типа мономеров вместо 20. Так возникла проблема перекодировки, или, в более привычных нам терминах, проблема генетического кода.

Тут обязательно нужно пояснение. В сети и публицистике довольно часто встречается мнение, будто генетический код — примерно то же самое, что и генетическая информация. Так вот, это совершенно неправильно. Код — это не сама информация, а словарь, с помощью которого ее можно прочитать. Или более строго: генетический код — это способ перевода друг в друга текстов, записанных с помощью двух разных алфавитов — нуклеотидного и аминокислотного. Своего рода шифровальный ключ. Последнее — даже не метафора: первые теоретики, писавшие о генетическом коде, сразу предложили использовать для его расшифровки математический аппарат криптографии, благо эта наука после Второй мировой войны была развита отлично.

Итак, чего стоит ожидать от генетического кода? У тех ученых, которые сразу после открытия двойной спирали ДНК первыми занялись этим вопросом, получилось примерно следующее:

* аминокислот в составе белков 20, а разновидностей нуклеотидов в ДНК всего четыре. Значит, каждая аминокислота должна кодироваться не одним нуклеотидом, а неким их сочетанием. Примерно так, например, вводятся с помощью клавиш китайские и японские иероглифы;

* отличающихся друг от друга двоек нуклеотидов (дублетов) может существовать максимум 16. Для кодирования всех аминокислот этого не хватит. Значит, генетический код должен быть как минимум триплетным [64] ;

* отличающихся друг от друга троек нуклеотидов (триплетов) может существовать максимум 64. То есть их намного больше, чем аминокислот. Значит, каждая аминокислота, скорее всего, кодируется не одним триплетом, а несколькими разными. Таким образом, надо ожидать, что генетический код — избыточный (иногда это называют заимствованным из квантовой физики термином “вырожденный”).

Человека, который первым опубликовал эти соображения, звали Георгий Антонович Гамов. Это был крупный физик-теоретик, причастный к созданию теории Большого взрыва. Занятия биологией для него были эпизодом, но очень плодотворным. Гамов вычислил “на кончике пера” основные параметры генетического кода, и вскоре эксперименты показали, что предсказал он их в основном правильно.

Почти одновременно с Гамовым и, похоже, даже немного раньше очень сходные выкладки совершенно независимо подготовил другой ученый — молодой советский эмбриолог Александр Александрович Нейфах. Но его статью не приняли к публикации! “Редакция “Известий Академии наук. Серия биологическая” отклонила статью, сославшись на то, что формальные математические соображения неприменимы к такой самобытной науке, как биология”. Эта история как нельзя лучше показывает, насколько трудно было подавляющему большинству биологов переключиться с “аналогового” мышления на “цифровое”. А Нейфах в результате остался без приоритета, и вся советская наука вместе с ним. После Гамова публиковать статью с теми же расчетами было уже бессмысленно.

“Самым трудным в проблеме кода было понять, что код существует, — писал соавтор Гамова Мартинас Ичас. — На это потребовалось целое столетие. Когда это поняли, то для того, чтобы разобраться в деталях, хватило каких-нибудь десяти лет”.

Полный генетический код выглядит достаточно просто. Это таблица из 64 ячеек, в каждой из которых значится определенная тройка нуклеотидов (вернее, азотистых оснований, входящих в их состав, — ведь все остальные части в нуклеотидах, составляющих ДНК, одинаковы). Эти тройки называются кодонами. Генетический код состоит из 61 кодона, кодирующего аминокислоты, и трех стоп-кодонов, на которых синтез белковой цепи останавливается. Есть всего две аминокислоты, кодирование которых не является избыточным, то есть подчиняется правилу “одна аминокислота — один кодон”. Это метионин и триптофан. Любая другая аминокислота кодируется как минимум двумя разными кодонами. Многие аминокислоты кодируются четырьмя кодонами, а некоторые даже шестью.

Кодоны, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называются синонимичными. Например, кодон ТТТ (три тимина подряд) кодирует аминокислоту фенилаланин, и кодон ТТЦ (тимин-тимин-цитозин) — тоже. Довольно часто (но не всегда!) бывает, что синонимичные кодоны отличаются друг от друга только последней “буквой”, как мы это в случае с фенилаланином и видим.

Вместо тимина (Т) в таблице генетического кода можно везде поставить урацил (У) и наоборот (см. рис. 9.1). Эти два азотистых основания в данном контексте взаимозаменяемы. Дело в том, что они очень похожи друг на друга по структуре: урацил, так же как и тимин, может комплементарно спариваться с аденином, и только с ним. Единственная метильная группа, которой тимин отличается от урацила, никак на это его свойство не влияет.

 

Откуда берутся белки

Разобравшись в самых общих чертах с тем, как генетическая информация записывается, посмотрим теперь, как она читается. Процесс чтения информации всегда подразумевает, что эта информация вызывает в воспринимающей системе некоторое активное ответное действие. В случае генетической информации таким действием, очевидно, будет синтез белка с “продиктованной” геном аминокислотной последовательностью. Итак, откуда же в клетке берутся белки?

Это хорошо известно. Для синтеза белков служит специальная сложная молекулярная машина, называемая рибосомой (см. рис. 9.2). Любая рибосома “собрана” из нескольких молекул РНК и довольно большого набора (несколько десятков) особых белков, дело которых — обеспечивать сборку других белков. РНК, образующая основу рибосом, так и называется рибосомной РНК, сокращенно рРНК. Например, у животных и растений молекул рРНК в каждой рибосоме четыре. Рибосомная РНК обычно составляет около 70% всей РНК клетки, потому что рибосом очень много: молекулы всевозможных белков со временем изнашиваются, и их надо постоянно производить взамен.

Любой белок по определению кодируется собственным геном и синтезируется на рибосоме. Именно этим белки отличаются от других пептидов (см. главу 3). Мимоходом отметим, что пептиды, не являющиеся белками, в живой природе тоже встречаются. В их состав могут входить непротеиногенные аминокислоты — в том числе бета-аминокислоты и D-аминокислоты, которых в белках никогда не бывает. Небелковые пептиды всегда короткие, и для их синтеза нужны ферменты, то есть опять же “нормальные” белки рибосомного происхождения.

Сам процесс синтеза белка на рибосоме называется трансляцией. Отметим два момента, очень важных для того, чтобы понять ее механизм.

Во-первых, аминокислоты, из которых строится белок, поступают в рибосому из окружающего внутриклеточного раствора — там они всегда есть. Но поступают они оттуда вовсе не в свободном виде. Каждая аминокислота предварительно связывается со специальным, предназначенным только для нее переносчиком, и воспринимается рибосомой только в этом состоянии.

Во-вторых, нуклеиновая кислота, с молекулы которой рибосома считывает транслируемую последовательность, — как ни странно, отнюдь не ДНК. Прямо с ДНК трансляция в живой природе не идет никогда. Это редкий в биологии случай, когда можно сделать категоричное утверждение без всяких оговорок.

Ну а с чего же тогда трансляция идет? Молекулярно-биологические исследования довольно быстро выявили два факта, помогающих ответить на этот вопрос.

* Для синтеза белка совершенно необходима РНК, причем — внимание! — не только рибосомная, но и какая-то еще.

* У таких организмов, как животные и растения, ДНК находится в клеточном ядре, в то время как синтез белка всегда идет снаружи от ядра, в цитоплазме. То есть эти процессы четко разделены в пространстве.

При таких вводных было весьма логично предположить следующее. Накануне трансляции где-то в ядре (если оно есть) синтезируется некая молекула-посредник, копирующая нуклеотидную последовательность того участка ДНК, который надо транслировать в белок. (В английском молекула с такой функцией называется словом messenger, однокоренным с широко известным словом message — сообщение, послание.) Затем эта молекула-посредник покидает ядро, перемещается к месту синтеза белка и дает рибосоме “инструкцию”, в каком порядке соединять аминокислоты. В результате получается белок с последовательностью, определенной соответствующим геном. Но сама ДНК при этом остается в покое — с рибосомой она ни в какой момент не контактирует.

Описанная молекула-посредник действительно существует. Она называется информационной РНК, или сокращенно иРНК. Информационная РНК точно повторяет последовательность заданного участка ДНК — разумеется, с заменой дезоксирибозы на рибозу, а тимина на урацил (см. главу 8). Иногда информационную РНК называют матричной (мРНК) — тут заодно получается калька с английского термина messenger RNA, mRNA. Информационная и матричная РНК — синонимы. Но в целом в русском научном языке термин “информационная РНК” встречается чаще, и тут мы будем пользоваться именно им. Итак, информационная РНК — та молекула, с которой непосредственно идет трансляция. Именно с нее считывается информация, необходимая для синтеза белка.

 

Что делают гены

Перенос информации с ДНК на РНК называется транскрипцией (переписыванием). Это достаточно интересный процесс, механизм которого хорошо изучен. Но, прежде чем о нем рассказывать, давайте сделаем краткое отступление на тему того, как вообще современный человек может узнать что-то о законах природы.

Проблема состоит вот в чем. Когда идет разговор о науке, почти невозможно сообщить кому-то что-то важное, не опираясь, как на ступеньку, на уже существующее знание каких-нибудь элементарных (а иногда и не слишком элементарных) вещей, которые должны быть заранее знакомы всем собеседникам. Как замечал главный программист Института чародейства и волшебства Александр Привалов, “невозможно, например, объяснить термин “гиперполе” человеку, плохо разбирающемуся в теории физического вакуума”. И даже более того, от авторитетных коллег этого ученого мы узнаем, что “курс управления умклайдетом (то есть волшебной палочкой) занимает восемь семестров и требует основательного знания квантовой алхимии”. Стоит ли удивляться, что “самые интересные и изящные научные результаты сплошь и рядом обладают свойством казаться непосвященным заумными и тоскливо-непонятными”? Увы и увы, все это намного ближе к истине, чем широко известное неосторожное высказывание Ричарда Фейнмана: “Если вы ученый и не можете в двух словах объяснить пятилетнему ребенку, чем вы занимаетесь, — вы шарлатан”. Крайне сомнительно, что сам Фейнман (при всей его признанной гениальности) смог бы быстро, внятно и без потерь для смысла объяснить пятилетнему ребенку основы своей любимой квантовой электродинамики. Во всяком случае, в реальности ему понадобились для такого объяснения несколько пространных лекций, причем не перед пятилетними детьми, а перед студентами, которые уж точно лучше, чем дети, были подготовлены к восприятию подобного материала. И то он потом признавался, что долго обдумывал, как бы подойти к теме.

С другой же стороны, любая область науки всегда открывается небольшим числом базовых понятий, которые, как правило, сами по себе очень просты. А уж если они известны, то и по-настоящему сложную вещь становится возможно сообщить в одной короткой фразе. Вот тут-то и обнажается красота чистых идей.

Короче говоря, научное (и в том числе биологическое) знание сугубо иерархично. Это следует принять как факт. И сейчас у нас есть возможность оценить, насколько это на самом деле полезно. Ведь мы теперь уже знаем, что такое водородная связь, фермент, мономер, полимер, нуклеозид, нуклеотид, ДНК, РНК, 3'-конец, 5'-конец, комплементарность и антипараллельность. Про все эти понятия рассказано в предыдущих главах (со 2-й по 8-ю). Вот почему в рассказе про транскрипцию мы обойдемся без введения.

Итак, в начале процесса транскрипции двойная спираль ДНК частично раскручивается, ее цепи разделяются (естественно, с разрывом водородных связей), и фермент под названием ДНК-зависимая РНК-полимераза ползет по одной из цепей от 3'-конца к 5'-концу, синтезируя комплементарную этой цепи РНК. Отметим, что синтезируемая РНК точно так же, как и вторая цепочка ДНК, антипараллельна той цепи, которой она комплементарна. Это означает, что 5'-конец и 3'-конец у нее направлены в другую сторону (см. рис. 9.3).

Цепь ДНК, с которой идет транскрипция, называют кодирующей, противоположную — некодирующей. Тут возникает вопрос: откуда РНК-полимераза “знает”, какая из цепей — кодирующая? Ответ: РНК-полимераза распознает кодирующую цепь по наличию в ней особой сигнальной нуклеотидной последовательности — промотора. В некодирующей цепи промотора нет, а есть комплементарная ему последовательность, которая распознана РНК-полимеразой не будет.

Пока мы еще не запутались, обратим внимание, что получающаяся в итоге иРНК будет повторять нуклеотидную последовательность именно некодирующей цепи (в том значении этого термина, которое мы сейчас приняли). Только, конечно, с повсеместной заменой тимина на урацил, как и при любом переносе информации с ДНК на РНК.

Ну, а мономерами, из которых строится новая молекула нуклеиновой кислоты, в клетке всегда служат нуклеозидтрифосфаты, то есть нуклеотиды с дополнительными фосфатными группами. В данном случае это АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ. “Лишние” фосфатные группы от них в процессе транскрипции отсекаются, а то, что остается, монтируется в сахарофосфатный остов новой РНК.

Вот, собственно, и все. Теперь мы знаем, что делают гены. Если отбросить всевозможные оговорки, ответ будет простым: они транскрибируются. Смысл существования любого гена состоит в том, чтобы рано или поздно синтезировалась РНК, повторяющая его нуклеотидную последовательность. Иначе говоря, чтобы произошла транскрипция. А механизм транскрипции — вот он, перед нами.

 

Центральная догма

Теперь мы можем объединить наши знания о транскрипции и трансляции в простую общую схему. Вот она:

ДНК

⇩ транскрипция

РНК

⇩ трансляция

белок

Именно так устроен поток генетической информации, который почти непрерывно бурлит в любой живой клетке. Он направлен от ДНК к белкам и проходит через РНК, служащую в передаче информации совершенно необходимым посредником.

Ключом к передаче информации тут, конечно, служит генетический код. Заглянув в таблицу генетического кода, мы можем, например, убедиться, что РНКовая последовательность АУГААГУУУУАГ кодирует аминокислоты метионин (АУГ), лизин (ААГ) и фенилаланин (УУУ). Четвертый присутствующий здесь кодон — УАГ — является стоп-кодоном. Это как бы “знак препинания”, на котором транскрипция прерывается. Если же подняться по пути потока информации выше, к ДНК, мы увидим, что обсуждаемому фрагменту соответствует последовательность АТГААГТТТТАГ в некодирующей цепи ДНК и ТАЦТТЦААААТЦГ — в кодирующей. Почему именно так, сразу станет понятно, если взглянуть на уже знакомый нам механизм транскрипции и вспомнить правила комплементарности: А в двойной цепи ДНК всегда спаривается с Т, а Г с Ц.

Переведем дух и поздравим себя. Отныне мы знакомы с великой формулой “ДНК → РНК → белок”, которая с легкой руки Фрэнсиса Крика получила название центральной догмы молекулярной биологии. Эта формула (как и большинство подобных кратких формул) на самом деле требует множества оговорок, но самое главное о потоке генетической информации мы теперь знаем. Информация передается с ДНК на белок через посредство РНК (см. рис. 9.4).

Заодно мы сейчас видим, почему таблицу генетического кода лучше сразу давать в РНКовом варианте, то есть с заменой Т на У. Во-первых, в реальной живой природе трансляция всегда идет именно с РНК. А во-вторых, в ДНК нам пришлось бы постоянно разбираться в том, какая цепь кодирующая, а какая некодирующая (причем аминокислотной последовательности белка будет парадоксальным образом соответствовать последовательность некодирующей цепи, которая не транскрибируется). С точки зрения существа дела это ничего не меняет, а вот запутать может здорово. Переходя сразу к РНК, мы этих сложностей избегаем.

 

Центральная догма (дополнение)

Не нами замечено, что читателей научно-популярных книг по биологии, а также слушателей научно-популярных лекций и тому подобную публику можно приближенно разделить на две группы: тех, для кого заклинание “ДНК-РНК-белок” имеет какой-то смысл, и тех, для кого оно пока ничего не значит. Первая категория — это, что называется, “продвинутые пользователи”, у вторых, вероятно, все еще впереди. Мы с вами теперь знаем, что такое “центральная догма”, а значит, относимся к первой категории. Как видим, тут нет ничего особенно сложного. Но давайте посмотрим на нее, на “догму”, повнимательнее.

Само слово “догма” в этом контексте является просто провокационной шуткой Фрэнсиса Крика (термин “центральная догма” предложил именно он). Ясно, что на самом деле в естественных науках никаких догм не бывает. И история “центральной догмы молекулярной биологии” отлично подтверждает это.

Сначала “центральная догма” выглядела просто: информация в клетке движется строго однонаправленно, по пути ДНК — РНК — белок. Однако на большинстве современных схем мы увидим не только стрелочку, направленную от ДНК к РНК (это транскрипция), но еще и другую стрелочку, направленную, наоборот, от РНК к ДНК. Примерно вот так:

ДНК ⇔ РНК ⇒ белок

Эта новая стрелочка обозначает обратную транскрипцию, то есть синтез ДНК, воспроизводящей последовательность заданной РНК. Обратная транскрипция — очень серьезное отступление от первоначально сформулированной “центральной догмы”, настолько серьезное, что поначалу в него просто-напросто не поверили. Сейчас известно, что это вполне реальный процесс (на нем специализируются некоторые вирусы). Однако важнее всего тут сам факт: встречный поток генетической информации все-таки существует. Фермент, синтезирующий ДНК по последовательности данной РНК, называется, естественно, РНК-зависимой ДНК-полимеразой.

Обратная транскрипция упоминается в знаменитой повести Стругацких “За миллиард лет до конца света”. Один из героев этой повести, биолог Валентин Вайнгартен, говорит друзьям: “Вы этого, отцы, понять не можете, это связано с обратной транскриптазой, она же РНК-зависимая ДНК-полимераза, она же просто ревертаза, это такой фермент в составе онкорнавирусов, и это, я вам прямо скажу, отцы, пахнет нобелевкой…” Между прочим, Стругацкие здесь поразительно точны. Действие повести “За миллиард лет до конца света” происходит в 1972 году, именно в тот исторический момент, когда открытие обратной транскрипции было актуальной научной новостью.

 

Кодаза и код

А теперь вернемся к процессу трансляции. В нем остались интересные детали, которые нам стоит обсудить.

Откуда рибосома “знает”, какую именно аминокислоту она должна в данный момент присоединить к растущей белковой цепочке? Оказывается, в этом ей помогает еще одна разновидность РНК. Это — транспортная РНК (тРНК), занимающаяся только переносом аминокислот.

Транспортная РНК — одноцепочечная, но она причудливым образом фигурно сложена (см. рис. 9.5А). И, кроме того, на разных ее отрезках есть комплементарные друг другу участки, способные, сближаясь друг с другом, образовывать двойные спирали. Типичная конформация тРНК, перехваченная этими двойными спиралями в трех местах, имеет характерный вид трилистника и называется “клеверным листом”. (Между прочим, именно стилизованный “клеверный лист” тРНК является официальной эмблемой биологического факультета МГУ.) Для каждой аминокислоты есть своя тРНК, и чаще всего не одна.

Мимоходом отметим, что у транспортных РНК есть еще одна интересная особенность: в их состав входит много разных химически модифицированных нуклеотидов, которые называют минорными. Например, буквой ψ (“пси”) принято обозначать минорный нуклеотид псевдоуридин, в состав которого входит вместо урацила один его довольно экзотичный изомер. Транспортная РНК кодируется собственными генами, синтезируется путем транскрипции (точно так же, как информационная РНК), а потом некоторые нуклеотиды в ней модифицируются. Тем не менее по общей формуле это обычная нуклеиновая кислота.

Транспортная РНК — относительно небольшая молекула, ее длина обычно всего 70–90 нуклеотидов. Вблизи ее 3'-конца находится универсальная для всех тРНК концевая последовательность ЦЦА. (Тут стоит обратить внимание на то, что нуклеотидные последовательности по умолчанию принято читать от 5'-конца к 3'-концу, подобно тому, как обычный буквенный текст читают слева направо.) Именно к 3'-концу тРНК всегда присоединяется аминокислота.

Само присоединение аминокислоты выглядит так (см. рис. 9.5Б). Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза (он же просто кодаза) сшивает с выделением воды 3'-гидроксил концевого аденозина тРНК и карбоксильную группу аминокислоты. Последняя тем самым временно превращается в ковалентно связанный с рибозой остаток R–CH(NH2)–CO–, который называется аминоацилом. Также в этой реакции участвует АТФ, который расщепляется в ходе нее до АМФ. Но главный продукт реакции — это аминоацил-тРНК, то есть молекула транспортной РНК с висящей на “черешке клеверного листа” ковалентно пришитой аминокислотой, временно превратившейся в аминоацил.

На вершине самой дальней от “черешка” петли тРНК всегда находится антикодон — нуклеотидный триплет, комплементарный кодону той самой аминокислоты, которую данная тРНК переносит. Например, если аминокислота фенилаланин кодируется кодоном УУУ, то соответствующая транспортная РНК несет антикодон ААА (поскольку, как мы знаем, урацил комплементарен аденину). Чтобы соединение произошло правильно, активный центр кодазы должен одновременно распознать и молекулу тРНК, и аминокислоту — не какую угодно, а ту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону этой тРНК. Это сложная задача, но кодаза с ней обычно справляется.

Дальше вступает в действие простой механизм (см. рис. 9.6). Во время трансляции любая проплывающая мимо аминоацил-тРНК может чисто случайно столкнуться с тем кодоном иРНК, который в данный момент находится в активном центре рибосомы. Но свяжется она с ним только в том случае, если ее антикодон будет этому кодону комплементарен. Тогда рибосома отрежет аминокислоту от тРНК, присоединит ее к растущей белковой цепочке, а сама продвинется по иРНК на один шаг вперед (в сторону 3'-конца). После чего цикл повторится.

Антикодон тРНК, связанной с рибомосой, всегда комплементарен кодону, находящемуся в данный момент в активном центре этой рибосомы. Иначе трансляция не пойдет. Добавим, что белок при трансляции всегда синтезируется от N-конца к C-концу, то есть от свободной аминогруппы к свободному карбоксилу, но не наоборот (см. главу 3). Именно поэтому аминокислотные последовательности белков в таком же порядке и записываются в базах данных.

Источниками энергии для трансляции (и для транскрипции тоже) служат нуклеозидтрифосфаты. Причем в данном случае это не столько уже знакомый нам АТФ, сколько гораздо менее распространенный ГТФ. Почему так? Ведь АТФ в клетке больше, а с точки зрения энергии выбор между АТФ и ГТФ не дает ни заметного проигрыша, ни заметного выигрыша, энергетическая “цена” реакций распада этих веществ примерно одна и та же.

Поставим вопрос иначе: почему вообще самой универсальной “энергетической валютой” стал АТФ, а не ГТФ, ЦТФ или УТФ? Простейшую подсказку можно получить, если взглянуть на формулы четырех азотистых оснований. Аденин — единственное из них, в котором нет ни одного атома кислорода. В молекулах гуанина, цитозина и урацила кислород есть. На древней Земле, где свободного кислорода в атмосфере было очень мало, аденин наверняка легче всего синтезировался, и, соответственно, адениновые нуклеотиды тоже. Клетки использовали тот химический субстрат, который был самым доступным. Возможно, как раз поэтому именно молекула АТФ стала универсальным переносчиком энергии.

Но универсальность АТФ имеет и свои минусы. Дело в том, что из-за особой важности этого вещества его концентрация (а точнее, соотношение концентраций [АТФ]/[АМФ]) очень жестко контролируется внутриклеточными регуляторными системами. В многоклеточном организме слишком резкое отклонение этого параметра от нормы может вызвать даже “самоубийство” целой клетки, так называемый апоптоз. На ГТФ этот контроль не распространяется, поэтому менять его концентрацию можно гораздо свободнее. Возможно, смысл “подключения” транскрипции и трансляции к ГТФ состоит как раз в том, чтобы сделать эти жизненно важные процессы автономными, снизив их зависимость от всего остального происходящего в клетке.

Открытие механизма трансляции тут же дало ученым превосходный ключ к расшифровке генетического кода. Например, что будет, если синтезировать искусственную иРНК, в которую из всех азотистых оснований входит только урацил, и поместить ее в обычный водный раствор, предварительно добавив туда рибосомы, полный набор аминоацил-тРНК и источники энергии? Оказалось, что в этом случае прямо в пробирке, без всякого участия живых клеток, может синтезироваться белок, состоящий из одной-единственной аминокислоты, а именно из фенилаланина. Этот эксперимент был реально поставлен в 1960 году, и в результате его был расшифрован первый кодон — УУУ. Это кодон фенилаланина. Расшифровка всех остальных кодонов после этого была уже только делом биохимических опытов, пусть и непростых технически, но абсолютно прозрачных по смыслу. Завершить ее удалось всего за каких-то пять лет. К 1965 году генетический код был полностью взломан (cracked). Именно так это тогда называли в статьях, а еще чаще в разговорах, вполне в духе основоположника научного мировоззрения сэра Фрэнсиса Бэкона, некогда заявившего на весь мир, что знание — сила.

 

Экспрессия

Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы в который раз, и теперь уже вплотную, сталкиваемся с понятием “ген”. И пора, пожалуй, немного его обсудить, прежде чем идти дальше.

Итак, что же такое ген? Слово это слышал каждый. Но вот дать строгое определение гена на самом деле не так уж и легко. Довольно часто встречается мнение, что ген — это участок ДНК, кодирующий структуру одного белка (концепция “один ген — один белок”). Для большинства генов это верно. Но не для всех. Например, белок, у которого есть четвертичная структура, кодируется несколькими генами. В самом деле, такой белок по определению состоит из нескольких аминокислотных цепочек, которые могут синтезироваться отдельно, а объединяться только после трансляции.

Еще большую проблему для “белкового” определения гена составляют РНК. Все клеточные РНК транскрибируются с генов, но довольно многие из них потом не транслируются ни в какие белки. Например, это относится ко всем рибосомным и транспортным РНК. Между тем те участки ДНК, на которых закодированы последовательности рРНК и тРНК, — это тоже гены, нет никаких оснований не считать их таковыми.

Обойти эти трудности можно, если решить, что ген — это единица транскрипции, то есть участок ДНК, кодирующий одну любую РНК (информационную, транспортную или рибосомную). Правда, к этому определению при желании тоже можно придраться: например, в некоторых геномах встречаются гены, которые транскрибируются обычно вместе, хотя кодируют разные белки. Словом, ген — это типичный пример общего понятия, которое в разных случаях может применяться немного по-разному.

Условимся, что если к слову “ген” не сделано никаких оговорок, то речь идет, скорее всего, о гене, который кодирует один белок, состоящий из одной аминокислотной цепочки, то есть из одного полипептида (см. главу 3). О рядовом гене, так сказать. В этом случае определение “один ген — один белок” будет верным.

Число генов у каждого отдельного живого существа обычно измеряется тысячами или первыми десятками тысяч. Например, у многоклеточных животных генов чаще всего 15 000–20 000. У бактерий — всего несколько тысяч или, в редких случаях, даже несколько сотен (правда, обладатели таких маленьких геномов могут жить только внутри чужих клеток, от которых и получают большую часть нужных веществ — своих ферментов им для этого, как правило, не хватает). А у некоторых цветковых растений число генов переваливает за 40 000, и вот это, видимо, уже близко к естественному пределу. Во всяком случае, сотен тысяч и миллионов генов ни у какого земного живого организма нет.

Всевозможные процессы “включения” и “выключения” генов, ослабления и усиления их активности и тому подобного в сумме называются регуляцией экспрессии. Надо сказать, что способы регуляции экспрессии невероятно многообразны. Прежде всего, экспрессию гена можно регулировать как на уровне транскрипции (запуск или прекращение синтеза РНК), так и на уровне трансляции (ускорение или задержка синтеза белка на готовой иРНК). Регуляция на уровне транскрипции — более базовая, на уровне трансляции — более тонкая, и ее мы пока не будем касаться.

Но и транскрипцию можно регулировать по-разному. Давайте рассмотрим рядовой ген, то есть отрезок ДНК, несущий полную информацию о некотором белке (см. рис. 9.7А). Он состоит из кодирующей части, где записана последовательность аминокислот, и нескольких некодирующих участков, нужных только для регуляции работы самого гена. Главный из этих некодирующих участков называется промотором. Промотор — это та самая последовательность, которую обязательно должна распознать РНК-полимераза, чтобы транскрипция гена вообще произошла. А вот перед промотором находятся дополнительные регуляторные участки, которые нужны для связывания белков, влияющих на активность гена. Главный из таких белков: конечно, РНК-полимераза, которая, собственно говоря, транскрипцию и осуществляет. И ей в этом помогают еще несколько белков — так называемые общие факторы транскрипции, необходимые для самого процесса синтеза РНК. Но, кроме того, есть еще и регуляторные факторы транскрипции, которые в синтезе РНК непосредственно не участвуют. Их работа — связываться с ДНК, или облегчая, или затрудняя посадку РНК-полимеразы на соответствующий ген (см. рис. 9.7Б). ДНК-связывающий белок, усиливающий таким образом транскрипцию, называется активатором, а ДНК-связывающий белок, блокирующий транскрипцию, — репрессором. Белок-репрессор просто не дает РНК-полимеразе сесть в нужную точку ДНК, а белок-активатор, наоборот, меняет конформацию ДНК так, чтобы РНК-полимеразе было удобнее с ней связаться. Несколько упрощая, можно сказать, что белок-активатор включает ген, а белок-репрессор выключает его.

Самое тут интересное, что регуляторные белки (и активаторы, и репрессоры, и любые другие), разумеется, тоже являются продуктами каких-то генов. И эти гены тоже должны быть кем-то или запущены, или заторможены. Гены, кодирующие регуляторные белки, очень легко взаимодействуют через свои продукты, включая и выключая друг друга и образуя в результате целые цепочки и сети. Неудивительно, что генные сети (gene regulatory networks, сокращенно GRN) стали популярнейшим объектом изучения современной биологии.

Еще один способ регуляции экспрессии — прямая химическая модификация ДНК. Самый частый вид такой модификации — метилирование цитозина (см. рис. 9.7В). В этом случае на определенном отрезке ДНК каждый цитозин получает дополнительную метильную группу и превращается в 5-метилцитозин. Такие участки ДНК транскрибируются слабее, “замолкают”. Метилирование ДНК обратимо и может быть снято соответствующими ферментами, если выключенные этим способом гены потребуется опять включить.

 

Репликация

Теперь нам осталось поговорить еще про репликацию, то есть копирование ДНК. Как-никак самовоспроизводство — одно из самых главных свойств живых организмов, а без репликации оно совершенно невозможно.

Репликация ДНК — полуконсервативная (см. рис. 9.8А). Двойная спираль расшивается с разрывом водородных связей, после чего к каждой нити ДНК достраивается комплементарная нить из находящихся в растворе нуклеозидтрифосфатов (превращающихся попутно в нуклеозидмонофосфаты). И в результате получается две двойные спирали, в каждой из которых одна цепь “старая”, а другая — “новая”.

Фермент, который синтезирует из мономеров новую цепь ДНК, комплементарную к имеющейся, называется ДНК-полимеразой. На самом деле в любой клетке есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся по функциям. Заодно тут сразу возникает несколько проблем, которые с одним классом ферментов в любом случае не решить (см. рис. 9.8Б).

Во-первых, чтобы репликация стала возможна, комплементарные цепи ДНК надо как-то разделить. Для этого фермент хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, а фермент топоизомераза раскручивает двойную спираль ДНК, разрывая для этого ковалентные связи между нуклеотидами и тут же сшивая их заново. Последнее неизбежно, потому что двойную спираль невозможно раскрутить, не разрывая, если нам недоступны ее концы. Для простоты можно представить себе вместо нее обыкновенный узел, концы шнурков от которого уходят куда-то в бесконечность, а нам тем не менее надо разделить шнурки, чтобы они шли параллельно и не перепутывались. Не будет другого выхода, кроме как разрезать их и потом сшить. Вот это топоизомераза и делает.

Во-вторых, ДНК-полимераза не может начать создавать новую цепь с нуля. Ей нужна затравка в виде короткой комплементарной РНК, которую синтезирует фермент праймаза. Новая ДНК может синтезироваться в виде целой серии фрагментов, ковалентно связанных с РНК-затравками (фрагменты Оказаки). Потом особые ферменты вырезают РНК, помещают на ее место комплементарные исходной цепи дезоксирибонуклеотиды, и ДНК-лигаза сшивает все это в единую цепь ДНК.

В-третьих, цепи ДНК антипараллельны. А любая ДНК-полимераза может двигаться по исходной цепи от 3'-конца к 5'-концу, но никак не наоборот. Это означает, что новая цепь ДНК синтезируется начиная с 5'-конца, так же как и РНК при транскрипции. ДНК-полимеразы, способной ползти по цепи в обратную сторону, в природе не существует. Поэтому две цепи ДНК вынужденно реплицируются по-разному. Цепь, по которой ДНК-полимераза может непрерывно ползти от 3'-конца к 5'-концу, называется лидирующей. Тут механизм репликации упрощен: ДНК-полимераза начинает с единственной РНКовой затравки и дальше может сколько угодно наращивать новую цепь вдоль исходной по мере того, как та раскрывается. Цепь, вдоль которой ДНК-полимераза непрерывно ползти не может, называется отстающей. ДНК-полимераза проходит ее отрезок за отрезком, как бы перемещаясь скачками и каждый раз начиная с новой затравки. Тут как раз и образуются фрагменты Оказаки, а потом лигаза сшивает их вместе.

Мы видим, что кроме ДНК-полимераз в репликации участвуют белки, раскручивающие ДНК и удерживающие ее в раскрученном состоянии, создающие затравку для новой цепи, и другие — в общей сложности несколько десятков белков. Очевидно, что в таком сложном, многоступенчатом, затратном процессе не может не быть ошибок. Собственно говоря, ошибки и так неизбежны в любом процессе копирования информации — просто из-за случайного характера движения молекул. Но чем больше этапов и состыковок, тем больше возможностей сделать что-то неточно. И действительно, процесс репликации ДНК всегда включает некоторую вполне заметную долю ошибок, которая отличается у разных живых организмов, но никогда не равняется нулю. Часть этих ошибок тут же исправляется (репарация), а часть сохраняется и передается следующим поколениям (конвариантная редупликация). Наличие конвариантной редупликации — это важнейшее свойство всех живых систем, отличающее их от всех неживых.

Тут не помешает историческая справка. Термин “конвариантная редупликация” придумал выдающийся генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, и означает он самокопирование информационных молекул с сохранением случайно возникающих изменений. А еще это означает, что сейчас мы наконец добрались до самого смыслового ядра современной биологии. The very heart, как говорят англичане. Ведь биология — это, по сути, и есть наука о поведении конвариантно редуплицирующихся структур и их всевозможных надстроек. Именно благодаря конвариантной редупликации происходит биологическая эволюция. Более того, для любой конвариантно редуплицирующейся структуры эволюция физически неизбежна просто потому, что точность копирования информации никогда не бывает абсолютной и изменения накапливаются из поколения в поколение.

В современных научных и научно-популярных книгах молекулы, способные к самокопированию, принято называть репликаторами. Любой ген — это типичный репликатор. Он потому и существует, что способен создавать собственные копии, а вернее — побуждать организмы к созданию таких копий. От этих соображений остается один шаг до современной эволюционной теории.

 

А сейчас обсудим одну особую группу живых организмов, которая называется эукариотами. Раньше мы уже встречались с этим названием (см. главы 5 и 8). К эукариотам относятся животные, растения, грибы и многие (но не все) одноклеточные существа — такие, как описанные в традиционных школьных учебниках зоологии амебы, эвглены и инфузории. Две другие главные группы клеточных организмов, кроме эукариот, — это бактерии и археи. Причем молекулярные данные показывают, что эукариоты произошли, скорее всего, от архей, а не от бактерий. Архей и бактерий вместе часто называют прокариотами, но надо иметь в виду, что это не название эволюционной ветви, а сборное понятие, образованное методом исключения: вот, мол, есть эукариоты, а есть все прочие.

Самые древние предполагаемые эукариоты, остатки которых удалось найти палеонтологам, имеют возраст 2,2 миллиарда лет. При этом общепризнанный возраст планеты Земля равен 4,6 миллиарда лет, а возраст самых древних предполагаемых следов жизни составляет, по-видимому, 4,1 миллиарда лет (см. главу 16). Первые живые клетки на Земле, несомненно, были прокариотными. И, судя по датам, они оставались такими в течение двух миллиардов лет. Иначе говоря, получается, что на протяжении половины времени своего существования земная жизнь обходилась безо всяких эукариот. В эту эпоху она была чисто прокариотной, то есть бактериальной и архейной.

Если кратко просуммировать основные отличия эукариотной клетки от прокариотной, у нас получится примерно следующий список (см. рис. 10.1):

* большой размер клеток: средний одноклеточный эукариот крупнее среднего одноклеточного прокариота примерно в 10 раз по длине и примерно в 1000 раз по объему;

* ДНК эукариот всегда заключена в клеточное ядро, окруженное оболочкой из двух мембран;

* ДНК эукариот линейна, в отличие от кольцевой ДНК бактерий и архей;

* эукариотная клетка пронизана сложной системой внутренних мембранных полостей и пузырьков ( эндоплазматическая сеть , аппарат Гольджи , вакуоли );

* у эукариот есть система внутриклеточных опорно-двигательных образований, называемая цитоскелетом;

* у эукариот широко распространены дополнительные внутриклеточные структуры, окруженные собственными мембранами, — митохондрии (обеспечивают дыхание) и хлоропласты (обеспечивают фотосинтез).

Чтобы познакомиться с эукариотами, мы должны поговорить про эти отличия чуть подробнее.

 

ЭПС и ядро

Начнем с самого общего. В любой эукариотной клетке впридачу к наружной мембране есть внутренняя система взаимосвязанных мембранных полостей и каналов, которая называется эндоплазматической сетью (ЭПС). Основные функции ЭПС, если описать их буквально парой слов, — синтез и транспорт белков, липидов и некоторых других веществ. Принято различать шероховатую и гладкую ЭПС. На шероховатой ЭПС снаружи сидят рибосомы, а на гладкой — нет. Поскольку единственной функцией рибосом является синтез белка, то и связанная с ними шероховатая ЭПС занимается в первую очередь тем, что накапливает и транспортирует белки. У гладкой ЭПС функции другие, более разнообразные.

Благодаря ЭПС и другим мембранным структурам эукариотная клетка, как принято говорить, очень сильно компартментализована. Это означает, что она разделена на ограниченные мембранами отсеки (компартменты), переход веществ между которыми, как правило, возможен только с помощью специальных транспортных белков. Надо сказать, что это куда более фундаментальная особенность, чем может показаться на первый взгляд. Прокариотную клетку, ни на какие отсеки не разделенную, можно в грубом приближении рассматривать как единый мешок с раствором (пусть и вязким). А вот для эукариотной клетки такое приближение не работает в принципе. Внутри прокариотной клетки ДНК, белки и другие молекулы перемещаются из конца в конец путем простой физической диффузии, как в любом сосуде с обычным водным раствором. В эукариотной клетке такое совершенно невозможно: там практически все молекулы вынуждены добираться от места синтеза до “места работы” с помощью сложных транспортных систем, обеспечивающих направленные переходы из отсека в отсек, часто еще и с затратой энергии. Все это означает, что у эукариотной клетки гораздо выше внутренняя упорядоченность, или, говоря научным языком, ниже энтропия. Справедливо замечено, что с точки зрения физики более фундаментальное отличие трудно придумать.

Специализированное разрастание ЭПС, заключающее в себе почти всю ДНК клетки, называется клеточным ядром (см. рис. 10.2). Пространство между двумя мембранами ядра непосредственно продолжается во внутреннюю полость ЭПС. Во избежание путаницы надо сразу пояснить, что ДНК находится не в этой полости, а снаружи от нее, между цистернами ЭПС, сомкнутыми в шар. Этот шар и есть ядро (хотя бывают и ядра куда более сложной формы). Часть содержимого клетки, находящуюся за пределами ядра, принято называть цитоплазмой.

Транспорт из ядра в цитоплазму и обратно происходит через ядерные поры — отверстия, пронизывающие обе ядерные мембраны и окруженные довольно сложными белковыми комплексами, которые избирательно пропускают разные молекулы в ту или другую сторону. Белки, которые образуют ядерные поры, называются нуклеопоринами.

Основное содержимое ядра — ДНК, связанная со специальными белками. Важнейшие, хотя и далеко не единственные, из этих белков — гистоны, на которые ядерная ДНК эукариот буквально наматывается. В гистонах всегда много лизина и аргинина — положительно заряженных аминокислот, заряды которых облегчают взаимодействие с ДНК (ведь ее молекула заряжена, как мы знаем, отрицательно). Кроме того, гистоны часто подвергаются дополнительным химическим модификациям, которые бывают важны для регуляции экспрессии генов.

Совершенно особая часть ядра — ядрышко, в котором экспрессируются рибосомные гены и формируются составные части рибосом. В целые рибосомы они собираются уже в цитоплазме, потому что целая рибосома не пройдет сквозь ядерную пору. По-латыни ядро называется nucleus, а ядрышко — nucleolus.

Клеточное ядро — важнейший признак эукариот. Собственно говоря, “эукариоты” буквально и значит “обладающие настоящим ядром”. У всех современных эукариот ядро полностью сформировано, так что никаких переходных состояний между эукариотами и прокариотами мы не видим. Происхождение клеточного ядра — на сегодняшний день одна из самых больших загадок во всей эволюционной биологии.

 

Вакуоли и цитоскелет

Любая находящаяся внутри клетки замкнутая полость с жидкостью, ограниченная мембраной, называется вакуолью. Строго говоря, вся эндоплазматическая сеть — это не что иное, как сложная система ветвящихся, сливающихся, переходящих друг в друга вакуолей. Но в любой эукариотной клетке есть еще и множество самостоятельных мелких вакуолей, функции которых очень разнообразны. Они могут служить для переваривания захваченных клеткой пищевых объектов (пищеварительная вакуоль), для собирания и удаления лишней воды (сократительная вакуоль) или просто для транспорта разных веществ.

Кроме того, в эукариотной клетке обычно есть специализированная транспортная система, которая называется аппаратом Гольджи (по имени итальянского биолога Камилло Гольджи). Это стопка крупных плоских вакуолей, от краев которых могут отшнуровываться подвижные маленькие вакуоли. Разные молекулы “упаковываются” в эти маленькие вакуоли и отправляются в них по назначению.

Как правило, аппарат Гольджи развит тем лучше, чем больше веществ клетка должна транспортировать внутри себя и (или) выделять наружу. Например, очень мощный аппарат Гольджи имеют нервные клетки, что и понятно: они должны постоянно и в довольно большом количестве выделять сигнальные вещества — нейротрансмиттеры.

Сложные формы клеток эукариот, а заодно и все виды их внутриклеточной подвижности возможны только благодаря системе внутриклеточных опорных структур, которая называется цитоскелетом. Ни у бактерий, ни у архей цитоскелета нет (по крайней мере, полноценно развитого, насколько мы сейчас знаем).

Цитоскелет эукариот делится на микротрубочки (состоящие из белка тубулина), микрофиламенты (состоящие из белка актина) и промежуточные филаменты (они имеют разнообразный состав). Очень важным свойством цитоскелета является динамическая нестабильность. Это означает, что ни микротрубочки, ни микрофиламенты, ни промежуточные филаменты не образуются раз и навсегда — они могут постоянно собираться и разбираться. Эти процессы требуют затрат энергии, но именно благодаря им эукариотные клетки бывают крупными, сложными по форме, а очень часто и подвижными.

Взглянув на элементы цитоскелета по отдельности, мы обнаружим, что они достаточно сильно отличаются друг от друга. Микротрубочки — это полые цилиндры, собранные из множества молекул белка тубулина (см. рис. 10.3А). Надо заметить, что молекулы тубулина бывают нескольких разных типов, например альфа- и бета-тубулин. Они кодируются отдельными генами и входят в микротрубочки в строго определенных соотношениях. Сборка и разборка микротрубочек питается энергией за счет расщепления ГТФ.

Именно микротрубочки, как правило, придают эукариотным клеткам постоянную форму. Но это далеко не единственная их задача. Микротрубочки служат еще и своего рода “рельсами”, по которым ездят по клетке мелкие транспортные вакуоли. Разумеется, это всегда происходит при участии дополнительных двигательных белков, которые расщепляют АТФ и движутся вдоль микротрубочек за счет высвобожденной энергии. Еще более важно участие микротрубочек в клеточном делении.

И наконец, микротрубочки образуют основу специализированных двигательных структур — жгутиков и ресничек (см. рис. 10.3Б). Эти структуры есть у одноклеточных эукариот, ставших широко известными благодаря попаданию в школьный учебник зоологии, — эвглены (жгутики) и инфузории-туфельки (реснички). Внутри каждого жгутика и каждой реснички проходит пучок микротрубочек, организованный строго определенным образом. Обычно это две самостоятельные микротрубочки в центре и девять сдвоенных микротрубочек по краю, так называемая схема 9+2 (см. рис. 10.3В). С помощью специальных моторных белков эта система микротрубочек совершает ритмичные движения, изгибая жгутик и помогая в итоге двигаться всей клетке.

Микрофиламенты состоят не из тубулина, а из актина, и имеют форму не трубочек, а гораздо более тонких нитей (см. рис. 10.3Г). Они меньше подходят для поддержания постоянной формы клетки, но зато (в отличие от микротрубочек) могут сокращаться. Делают они это с помощью белка миозина, расщепляющего АТФ. Если микротрубочки — это в полном смысле слова внутриклеточный скелет (цитоскелет), то микрофиламенты скорее своего рода внутриклеточная мускулатура (“цитомускулатура”). Правда, надо всегда иметь в виду, что в отличие от скелета и мышц многоклеточного животного тубулиновый цитоскелет и актиновая “цитомускулатура” вовсе не являются образованиями, данными клетке раз и навсегда. Они могут легко собираться и разбираться. Образно говоря, трудно представить животное с настолько пластичным скелетом, чтобы его перестройки на протяжении жизни превращали это животное, например, из крысы в морскую звезду или из змеи в осьминога. А вот цитоскелет такие возможности клетке дает.

Большинство типов клеточной подвижности, свойственных эукариотам, связаны не с микротрубочками, а с микрофиламентами. Утверждение, что микрофиламенты способны сокращаться, строго говоря, неточно. На самом деле длина каждого отдельного микрофиламента при сокращении не меняется. Вместо этого микрофиламенты скользят относительно друг друга по молекулам моторного белка миозина таким образом, что в результате вся клетка или ее часть меняет форму — например, становится короче. Мышечное сокращение устроено именно так. Любая мышечная клетка буквально набита микрофиламентами, которые движутся согласованно. Но, кроме того, микрофиламенты ответственны и за многие другие виды движения клеток. Например, взаимные перемещения микрофиламентов могут вызывать амебоидное движение, при котором клетка постоянно меняет форму, выпуская и втягивая временно существующие выросты — ложноножки (см. рис. 10.3Д). Так ползает амеба и многие похожие на нее одноклеточные существа. А заодно тем же способом ползают внутри организма некоторые клетки тел животных, в том числе и человеческого тела.

 

Фагоцитоз

Актин, связанный с миозином, кратко называют актино-миозиновым комплексом. Это основа большинства типов движения, на которые способны эукариотные клетки. Самый внешне впечатляющий из них, конечно, мышечное сокращение. Но оно есть только у многоклеточных животных (и то не у всех). Это далеко не самый древний и не самый распространенный способ движения из тех, что имеют подобную природу.

Например, только благодаря актино-миозиновому комплексу возможен такой вид активности, как фагоцитоз — захват клеткой посторонней частицы с ее изоляцией внутри пищеварительной вакуоли и последующим перевариванием (см. рис. 10.4). Открывший фагоцитоз в XIX веке Илья Ильич Мечников сразу понял, что это важнейший механизм иммунитета. Действительно, в организме многоклеточного животного, в том числе и в человеческом, обычно есть подвижные клетки с ложноножками, готовые буквально проглотить и переварить любого подходящего по размеру незваного гостя, например какую-нибудь бактерию. Однако, кроме того, фагоцитоз очень часто используется просто для питания. Одноклеточным эукариотам он вообще только для этого и нужен. Но и многоклеточные животные нередко по старинке усваивают пищу с помощью фагоцитоза. (У человека, правда, фагоцитоз в пищеварении не участвует.)

Вакуоль, образующаяся непосредственно в результате фагоцитоза и заключающая в себе проглоченные объекты, называется фагосомой. Она транспортируется цитоскелетом до места слияния с другой вакуолью — лизосомой, содержащей пищеварительные ферменты, которые могут расщепить слишком крупные молекулы до мономеров (например, белки до аминокислот). После слияния вакуолей образуется фаголизосома, в которой захваченные частицы и перевариваются.

При фагоцитозе клетка может потерять за счет включения в фагосому довольно большую часть наружной мембраны, особенно если она “проглотила” что-то очень крупное. Но это ненадолго: по мере того как проглоченная пища переваривается, от фаголизосомы отделяются маленькие вакуольки, которые перемещаются к наружной мембране и встраиваются в нее, чтобы вернуть мембранные липиды обратно. Этот процесс называется рециклизацией мембран. У прокариот такого активного круговорота мембран нет, а вот для эукариотных клеток он очень характерен.

Именно путем фагоцитоза питается, например, попавшая в школьный учебник зоологии обыкновенная амеба. Клетки, активно занимающиеся фагоцитозом, есть и в человеческом теле. Это разновидности белых кровяных клеток (лейкоцитов), которые называются нейтрофилами и моноцитами, а также подвижные клетки рыхлой соединительной ткани — макрофаги. Последние есть во всех органах человека, и в них могут превращаться моноциты, выползающие из кровеносных сосудов. Макрофаги постоянно ползают по организму амебоидным способом, меняя форму клетки и образуя с помощью своего актино-миозинового комплекса временные выросты, то есть ложноножки. А в наружной мембране макрофага при этом сидят специальные белки-рецепторы, которыми он “проверяет” все встречные объекты. Любые клетки, на внешней поверхности которых нет некоторого определенного набора белков и липидов, макрофаг тут же заглатывает. Это довольно эффективный способ борьбы, например, с вредными бактериями. Разумеется, работа макрофага строго регулируется в зависимости от того, какие химические сигналы он получает из внешней среды. В его наружной мембране есть рецепторы, срабатывание которых запускает фагоцитарную активность, а есть и такие, срабатывание которых, наоборот, тормозит ее.

Правда, бактерии тоже сопротивляются клеткам, которые пытаются их съесть. И иногда это сопротивление бывает крайне изощренным. Например, возбудитель проказы — грамположительная бактерия, которую в честь первооткрывателя называют палочкой Хансена, — научился жить аж внутри макрофагов. Как мы знаем из главы 6, грамположительные бактерии отличаются от грамотрицательных отсутствием второй клеточной мембраны, так что их самой наружной оболочкой является толстая клеточная стенка. У палочки Хансена клеточная стенка в основном полисахаридная. Но, кроме того, в ней содержится много очень необычных жирных кислот с длинными разветвленными цепями и трехуглеродными замкнутыми кольцами в них (по этим кольцам формулу такой кислоты сразу можно опознать). Они называются миколовыми кислотами. Молекулы миколовых кислот делают поверхность бактерии чрезвычайно гидрофобной и устойчивой к внешним воздействиям — в том числе и к действию лизосомных пищеварительных ферментов, которые, по идее, должны расщеплять все что угодно. В каком-то смысле миколовые кислоты и есть главная тайна возбудителя проказы. Именно благодаря им палочки Хансена, поглощенные макрофагами, с большим удовольствием живут и размножаются прямо в цитоплазме этих клеток. К счастью, у большинства бактерий таких невероятных биохимических способностей все-таки нет.

Фагоцитоз есть далеко не у всех эукариот. Во-первых, многим из них хватает других способов питания, а во-вторых (и это еще важнее), фагоцитоз несовместим с наличием клеточной стенки. Сквозь клеточную стенку, которая находится снаружи от мембраны и часто бывает довольно толстой, никого проглотить невозможно. А если от клеточной стенки отказаться, это сразу же делает клетку и менее прочной, и менее защищенной. Как раз по этим причинам нет фагоцитоза, например, у зеленых растений — им-то клеточная стенка уж точно нужнее. Но у самых древних эукариот он, скорее всего, был.

 

Рождение чудовища

Все эти истории рассказываются вот к чему. Мы теперь знаем, что фагоцитоз возможен только при наличии актино-миозинового комплекса. Это чисто эукариотное свойство. У бактерий и архей актино-миозинового комплекса нет, поэтому к фагоцитозу они неспособны. Хищные прокариоты (очень, надо заметить, немногочисленные) всегда меньше своих жертв и являются на самом-то деле скорее паразитами. Такой бактериальный “хищник” вбуравливается в толщу клеточной стенки более крупной бактерии, питается находящимися там белками, липидами и полисахаридами и там же размножается. А вот проглотить свою жертву целиком никакая бактерия не может в принципе.

Это означает, что до появления эукариот — то есть в первые два миллиарда лет истории жизни — на Земле не было настоящих хищников. Самыми крупными и сложными живыми объектами тех времен были строматолиты, подушкообразные многослойные колонии прокариотных синезеленых водорослей (они же цианобактерии). Наработанная ими биомасса в основном просто захоранивалась в морских осадках: поедать и разлагать ее, возвращая в итоге в атмосферу в виде углекислого газа, было некому. Цепи питания были очень короткими и простыми.

Появление хищника, способного к фагоцитозу, мгновенно изменило ситуацию. Адекватным ответом жертвы на давление такого хищника был естественный отбор в сторону увеличения размера, чтобы хищник не смог ее проглотить. Но и хищники стали увеличивать размеры в ответ. Возникла положительная обратная связь, и началась эволюционная гонка вооружений. (Это не метафора, подобные процессы описываются теми же дифференциальными уравнениями, что и гонка вооружений в экономике.) Клетки постепенно становились все более крупными и сложными. И наконец, когда увеличивать размер отдельной клетки стало уже некуда, в ход пошел последний довод эукариот: многоклеточность.

Этот сценарий навел некоторых ученых на мысль, что именно появление цитоскелета, и особенно актино-миозинового комплекса, было тем самым начальным звеном, за которым последовало возникновение всего остального набора эукариотных признаков. Эндоплазматическая сеть, вакуоли, аппарат Гольджи, ядро — все это появилось несколько позже, чтобы структурировать внутренний объем разросшейся громадной клетки. В начале же был цитоскелет, и только он.

Эта гипотеза хороша тем, что поддается проверке фактами. Есть ли основания считать, что цитоскелет действительно появился раньше других признаков эукариот? Да, есть. В последние несколько лет было обнаружено, что белки, очень близкие к актину и тубулину, имеются у некоторых архей. Правда, фагоцитоз эти археи еще не освоили: они умеют создавать в лучшем случае выросты клеток, но не впячивания, а последнее для фагоцитоза необходимо. Однако то, что белки цитоскелета действительно очень древние, теперь ясно.

Итак, если мы посмотрим на предка эукариот с точки зрения бактерии, то увидим невероятного монстра. Лишенный клеточной стенки и постоянной формы тела, он компенсирует это гигантским размером, а главное — направо и налево пожирает своих соседей по сообществу, как Безликий Бог из знаменитого аниме “Унесенные призраками”. В общем, это поистине прокариотный ночной кошмар, nightmare.

Хорошей иллюстрацией этого эволюционного сценария служит один из самых древних и архаичных эукариот, доживших до современности, — пресноводный жгутиконосец Collodictyon (см. рис. 10.5). Это крупный одноклеточный хищник, обладающий как жгутиками, так и ложноножками. Он склонен питаться очень крупными объектами, вплоть, например, до колоний зеленых водорослей, состоящих из восьми клеток. Причем зеленые водоросли тоже эукариоты, так что клетки у них довольно большие, но коллодиктиона и это не останавливает. Весьма вероятно, что первые эукариоты были на него во многом похожи (см. главу 15). Трудно даже представить, какую революцию в мирном прокариотном сообществе должно было произвести появление такого суперхищника.

Тут мы видим сюжет, интересный с точки зрения общих закономерностей биологической эволюции. На первый взгляд кажется очевидным, что хищник всегда зависит от жертвы (например, его численность напрямую зависит от численности жертв: чем больше зайцев, тем больше рысей). И это действительно так — в экологическом масштабе времени, то есть на коротких временных отрезках, где эволюцией самих хищников и жертв можно пренебречь. А вот в эволюционном масштабе времени картина сплошь и рядом меняется на обратную: хищник начинает диктовать жертве условия, задавая направление ее эволюции. Это называется эффектом опережающей специализации хищника. Появление первых эукариот, пожалуй, самый яркий пример этого эффекта во всей истории Земли (во всяком случае, до появления нового сверхуниверсального суперхищника — человека). При этом эукариоты моментально начали охотиться и друг на друга. Некоторых из них на время спасла многоклеточность, дававшая крупный размер и тем самым какую-никакую защиту. Судя по всему, эукариотным хищникам было гораздо сложнее стать многоклеточными, чем эукариотам с растительным типом питания (см. главы 15, 16). Отсюда — множество эволюционных ветвей многоклеточных водорослей (красные, бурые, золотистые, желтозеленые, зеленые, харовые). Многоклеточность послужила для них своего рода “убежищем” — хоть и временным, но время это было долгим. Эффект опережающей специализации хищника вообще часто работает ускорителем эволюции, порождающим новые формы живых организмов.

 

Симбиогенез

Обычно считается, что именно путем фагоцитоза были приобретены такие клеточные структуры эукариот, как митохондрии и хлоропласты. Напомним, что митохондрии осуществляют дыхание, то есть распад глюкозы до углекислого газа и воды с получением химической энергии, запасаемой в виде АТФ. Митохондрии есть у подавляющего большинства эукариот. Что касается хлоропластов, их задача — фотосинтез, то есть синтез глюкозы из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Хлоропласты есть у многих эукариот, но далеко не у всех. Тем, у кого они есть, для питания в принципе достаточно углекислого газа и света, без дополнительных источников энергии они могут обойтись.

Сейчас является общепринятой следующая гипотеза. И митохондрии, и хлоропласты — это потомки бактерий, которые когда-то были поглощены эукариотной клеткой и остались в ней жить, снабжая своего хозяина полезными продуктами обмена веществ. Митохондрии в первую очередь поставляют хозяйской клетке АТФ, хлоропласты — глюкозу. Если это верно, значит, мы видим тут типичный пример симбиоза, то есть взаимовыгодного сожительства разных организмов. Симбиоз, один из участников которого живет внутри другого, называется эндосимбиозом. А теорию, согласно которой многие важные признаки эукариот возникли в результате симбиоза, принято называть симбиогенетической или просто теорией симбиогенеза.

В пользу симбиогенетической теории есть ряд очень веских доводов. Во-первых, и митохондрии, и хлоропласты могут сохранять собственную ДНК. Причем эта ДНК, как правило, кольцевая, как у бактерий. Во-вторых, и хлоропласты, и особенно митохондрии могут сохранять собственный аппарат синтеза белка со своими рибосомами, причем это (опять же) рибосомы бактериального типа: они меньше эукариотных и несколько отличаются от них по строению. Таким образом получается, что в эукариотной клетке действуют одновременно два типа рибосом: обычные эукариотные рибосомы в цитоплазме и бактериальные рибосомы в хлоропластах и митохондриях. В-третьих, ни митохондрии, ни хлоропласты никогда не образуются de novo, то есть с нуля. Они самостоятельно размножаются делением, примерно как обычные свободноживущие бактерии. В-четвертых, оболочка митохондрий и хлоропластов всегда состоит минимум из двух мембран (а не из одной, как у простых вакуолей). Логично предположить, что внешняя мембрана митохондрии или хлоропласта — это мембрана пищеварительной вакуоли хозяина, а внутренняя — мембрана самой проглоченной бактерии.

Идея симбиогенеза “витала в воздухе” еще с конца XIX века, мелькая в самых разных научных работах. Но первым, кто сформулировал ее совершенно четко и во всеуслышание, был русский ботаник Константин Сергеевич Мережковский (старший брат знаменитого писателя Дмитрия Мережковского). Его первая статья на эту тему вышла в 1905 году. Мережковский был уверен, что хлоропласты высших растений и большинства водорослей — это не результат дифференциации цитоплазмы материнской клетки, а внешние по отношению к ней симбионты, имеющие независимое происхождение. Причем предками хлоропластов он считал прокариотные синезеленые водоросли (цианобактерии), как это потом и подтвердилось.

Из биологов первой половины XX века теорией симбиогенеза не заинтересовался почти никто. Слишком уж она была смелой и (по тогдашним меркам) необычной. Например, американский биолог Эдмунд Уилсон, автор самого авторитетного в первой половине XX века учебника по биологии клетки, высказывался о теории симбиогенеза как о чистой фантастике. “Дальнейший полет воображения Мережковского, — писал Уилсон, — приводит его к допущению, что зеленые растения возникли от симбиоза бесцветных ядросодержащих клеток и мельчайших синезеленых водорослей, из которых последние дали начало хлоропластам. Без сомнения, многим такие спекуляции могут показаться слишком фантастичными, чтобы о них можно было упоминать теперь в приличном обществе биологов”.

Второе рождение теории симбиогенеза было связано с работами выдающейся женщины — американского биолога Линн Маргулис. Она настаивала на симбиотическом происхождении не только хлоропластов, но и митохондрий, и некоторых других клеточных структур, например жгутиков. Последнее, как мы сейчас понимаем, неверно. Но зато симбиотическое происхождение митохондрий и хлоропластов с тех пор подтверждено очень надежно. На данный момент это скорее твердо установленный факт, чем гипотеза. Союз предков митохондрий и хлоропластов с эукариотами, безусловно, настоящий симбиоз. Бывшие бактерии снабжают своего хозяина полезными веществами, получая взамен стабильные условия и защиту от других хищников.

Известно даже, какие именно это были бактерии. Митохондрии, скорее всего, произошли от пурпурных альфа-протеобактерий, а хлоропласты — от уже упоминавшихся цианобактерий, они же синезеленые водоросли. В этом пункте Мережковский оказался совершенно прав.

Митохондрии, несомненно, появились гораздо раньше, чем хлоропласты. Во многих эволюционных ветвях эукариот (в том числе и в нашей) никаких хлоропластов просто нет и, судя по всему, никогда не было. С митохондриями ситуация совершенно иная. На данный момент можно твердо сказать, что практически у всех современных эукариот есть или собственно митохондрии, или их маленькие остатки, сохранившие часть биохимических функций, или — на худой конец — отдельные митохондриальные гены, успевшие когда-то мигрировать в ядро и встроиться в ядерный геном. Это означает, что у общего предка всех современных эукариот митохондрии уже были. Их отсутствие (по крайней мере, у современных эукариот — не забудем про эту оговорку) бывает только вторичным, то есть результатом утраты.

Приобретение митохондрий — единственный доступный для эукариот способ быть аэробными, то есть получать энергию с помощью кислорода. Предки современных эукариот стали аэробными только после того, как приобрели митохондрии. Если же какой-нибудь эукариот теряет митохондрии, то он, наоборот, становится анаэробным, приспособленным жить в бескислородной среде. В этом случае кислород бесполезен, кислородное дыхание невозможно, а глюкоза распадается только до молочной кислоты или этилового спирта, что дает в несколько раз меньше полезной энергии.

Между тем потеря митохондрий может случаться у эукариот очень легко (по эволюционным меркам, конечно). Обычно это происходит при переходе к жизни в бескислородных условиях, где митохондрии бесполезны. Причем такое бывает не только с одноклеточными эукариотами, но и с многоклеточными. Бескислородные условия, в которых митохондрии не нужны, — это чаще всего или чей-нибудь кишечник, или некоторые типы морских и пресноводных донных отложений. Например, митохондрий нет у некоторых представителей лорицифер, очень своеобразных мелких морских червей с выворачивающимся хоботом и пластинчатым панцирем. И вероятно, они не одни такие. В случае с этими многоклеточными животными уж точно нет никаких сомнений, что митохондрии у них когда-то были, а исчезли вторично, за ненадобностью.

Отдельный интересный сюжет, связанный с митохондриями, касается вариабельности генетического кода. Когда генетический код только расшифровали, считалось, что он абсолютно единый и всеобщий для всех живых существ Земли — от вируса до слона. Это почти так и есть, но не совсем. Митохондриальные геномы как раз одно из тех мест, где в генетическом коде встречаются отклонения, причем достаточно многочисленные и разные у разных эукариот. Например, генетический код митохондрий человека отличается от “базового” генетического кода, действующего у того же человека в ядерном геноме, значениями четырех кодонов. Кодон УГА, в “базовом” коде являющийся стоп-кодоном, в митохондриях соответствует триптофану, а кодон АУА, в “базовом” коде соответствующий изолейцину, здесь кодирует метионин — и так далее. Для клетки в целом это некритично: поскольку митохондрия имеет собственный аппарат синтеза белка, то на работу ядерных генов изменения в ее генетическом коде никак не влияют. Просто получается, что в одной и той же клетке одновременно функционируют два разных генетических кода — ядерный и митохондриальный.

Скорее всего, изменения в генетическом коде митохондрий стали накапливаться уже после того, как митохондрии окончательно стали внутриклеточными симбионтами. Со временем большая часть митохондриальных генов перешла в ядро, а оставшийся митохондриальный геном стал таким маленьким, что сбой его работы (который неизбежен при любом изменении генетического кода) перестал быть непременно смертоносным. Надо учитывать, что митохондриальные гены, мигрировавшие в ядро и вошедшие в состав ядерного генома, экспрессируются там, где они теперь находятся, то есть в ядре. А их белковые продукты (даже если эти белки нужны только для митохондрий) синтезируются на обычных эукариотных рибосомах, находящихся в цитоплазме, и внутрь митохондрий попадают уже оттуда, с помощью специальных переносчиков.

После того как в митохондриальном генетическом коде накопилось некоторое количество изменений, митохондриальные белки стало уже невозможно правильно синтезировать на эукариотных рибосомах. Вот тогда-то миграция митохондриальных генов в ядро и прекратилась. Если бы не это, митохондрии, вероятно, в конце концов совсем потеряли бы свой генетический аппарат, и тогда разгадать их симбиотическое происхождение было бы гораздо труднее.

И наконец, еще один важнейший факт состоит в том, что — как мы сейчас знаем — эукариоты эволюционно близки не к бактериям, а к археям. Это выяснилось еще тогда, когда археи как отдельная эволюционная ветвь были только открыты (см. главу 5). Скорее всего, эукариоты прямо от них и произошли. А вот предки митохондрий и хлоропластов, наоборот, не археи, а бактерии. Тут произошло довольно редкое событие, а именно слияние совершенно разных эволюционных ветвей.

 

“Первичный фагоцит”

Факты, которые мы теперь знаем, легко встраиваются в следующий довольно простой эволюционный сценарий (см. рис. 10.6). Когда-то в далекой древности (вероятно, два с лишним миллиарда лет назад) некая бесцветная архея приобрела сложный цитоскелет, включающий актино-миозиновый комплекс. Клеточную стенку она, наоборот, потеряла. Получился “первичный фагоцит” — подвижная клетка, способная активно ползать, выпуская ложноножки, и фагоцитировать (то есть заглатывать целиком) любые более мелкие объекты, в том числе и клетки бактерий. Это оказалось очень выгодным способом питания. Но такое питание непременно предполагает, что хищник должен быть крупнее жертвы. И действительно, современные эукариотные одноклеточные хищники — амебы и жгутиконосцы — по линейным размерам примерно в десять раз превосходят бактерии, которыми они питаются.

Оговорка про линейные размеры тут очень важна. Если увеличить линейный размер клетки в десять раз (обычный порядок разницы между эукариотами и прокариотами), то — по законам геометрии — ее объем увеличится примерно в 1000 раз, с пропорциональным ростом нагрузки на все внутриклеточные системы синтеза и транспорта. Вот для того, чтобы структурировать огромный внутренний объем, у предков эукариот и образовалась система внутренних мембран, включающая ЭПС, аппарат Гольджи, множество вакуолей и ядро. Возникший в результате организм представлял собой что-то вроде крупной бесцветной хищной амебы. Ничего особенного, подобные эукариоты есть и сейчас, разве что они нередко обладают еще и жгутиками в придачу к ложноножкам.

Питание путем фагоцитоза предопределило возможность появления у эукариот внутриклеточных сожителей, то есть, по-научному говоря, симбионтов. Для прокариот, лишенных способности заглатывать кого бы то ни было, приобретение симбионтов таким способом невозможно. А вот амебоидный эукариот может легко превратить некоторые захваченные клетки из пищи в симбионтов, если “примет решение” не переваривать их, а предоставить им жить в хозяйской клетке, делясь с хозяином полезными продуктами обмена веществ. В современных научных статьях такой захват эукариотами чужих клеток часто буквально называют порабощением (enslavement). Именно путем такого “порабощения” эукариотная клетка и приобрела сначала митохондрии, а потом хлоропласты.

К сожалению, на самом деле все не так просто. Познание природы имеет свои закономерности: как правило, чем больше мы узнаем, тем больше возникает новых вопросов, причем таких, которые на предыдущем уровне знания просто не могли бы никому прийти в голову. И проблема происхождения эукариот может послужить отличной иллюстрацией того, что так бывает очень часто. Мы сейчас увидим, что есть как минимум два соображения, заново затуманивающих, казалось бы, предельно ясно описанную картинку.

Прежде всего, в ядерных геномах эукариот обнаружено много генов бактериального происхождения, причем — что самое интересное — полученных не только от предков митохондрий и хлоропластов, но и от других групп бактерий, которые внутри эукариотных клеток никогда не жили. Напомним еще раз, что центральная часть эукариотной клетки, включающая ядро, несомненно, произошла от клетки какой-то древней археи (а не бактерии). Между тем подробный анализ эукариотных белков и генов, которые их кодируют, показывает следующее. Непосредственно от архей эукариоты унаследовали в первую очередь белки, работа которых связана с передачей генетической информации, — например, белки транскрипции, трансляции и репликации. А вот белки, обеспечивающие обмен веществ в цитоплазме, оказались в большой степени унаследованными от бактерий, причем от разных (см. рис. 10.7). Сильно упрощая, можно сказать, что “информационные” гены, ответственные за работу самого генома, эукариоты получили в основном от архей, а вот “операционные” гены, ответственные за питание клетки и ее взаимодействие с внешней средой, — в основном от бактерий.

Судя по всему, эти данные невозможно объяснить без введения нового для нас понятия — горизонтальный перенос генов. Вообще говоря, то, что одновременно живущие и часто вовсе не родственные друг другу живые организмы более или менее постоянно обмениваются между собой генами “по горизонтали”, — это на сегодняшний день общепризнанный факт. Причем перенос может происходить как в результате прямого захвата клеткой обрывков ДНК из внешней среды, так и более сложными способами — например, с помощью РНК-содержащих вирусов, которые приносят с собой копии некоторых чужеродных генов и встраивают их в геном хозяина посредством обратной транскрипции (см. главу 9). У прокариот горизонтальный перенос генов распространен настолько широко, что любое эволюционное древо, построенное по последовательностям большого набора прокариотных генов, будет на самом-то деле представлять собой не древо, а сеть. То, что предков эукариот это тоже коснулось, само по себе совершенно неудивительно. Но интенсивность горизонтального переноса генов там, где жил предок эукариот, должна была быть чрезвычайно высокой. Вероятно, это было какое-то сложное многовидовое сообщество, в котором нахвататься соседской ДНК было легче, чем не нахвататься.

Второе соображение вот какое. При взгляде на эволюционное древо у непредвзятого наблюдателя невольно складывается довольно стойкое впечатление, что эволюционная история митохондрий и хлоропластов была принципиально различна. Хлоропласты в самом деле достаточно легко приобретаются путем обычного фагоцитоза, этому есть прямые свидетельства. А вот в отношении митохондрий таких свидетельств нет. Хлоропласты совершенно достоверно приобретались разными эукариотами много раз. Митохондрии — только один раз, общим предком всех современных эукариот. Мы даже и представить себе не можем, как должен был бы выглядеть эукариот, никогда не имевший митохондрий.

Интересно, а были ли такие эукариоты вообще? Собранные факты как-то уж слишком упорно наводят на мысль, что митохондрии (но не хлоропласты!) — это древнейший признак эукариот как таковых. Возможно, не менее древний, чем ЭПС и ядро. И вполне вероятно, что приобретение митохондрий произошло каким-то особым способом, отличающимся от обычного фагоцитоза, — недаром же во всей дальнейшей эволюции больше ни разу не случилось ничего подобного.

 

“Кунинский сценарий”

И тут возникает парадоксальная гипотеза. По мнению биоинформатика Евгения Викторовича Кунина, “эукариогенез был инициирован эндосимбиозом, а система внутренних мембран, включающая ядро, развилась как защита против инвазий бактериальной ДНК”. На всякий случай это высказывание надо пояснить. Мудреным словом “эукариогенез” тут назван сам процесс приобретения эукариотных признаков. Эндосимбиоз — это, как мы уже знаем, такой симбиоз, один из участников которого живет внутри другого. Ну а “инвазия” значит просто “вторжение”. Итак, Кунин фактически считает, что появление митохондрий было не следствием, а причиной превращения древней археи в эукариота (см. рис. 10.8).

Новый сценарий предполагает примерно следующую последовательность событий:

1 Предком эукариот была древняя архея, лишенная клеточной стенки, зато имевшая зачатки актинового цитоскелета. Это позволило архейной клетке стать крупной и приобрести сложную форму.

2 В складках наружной мембраны крупной археи стали поселяться разнообразные бактерии, которые паразитировали на ней или просто находили удобное убежище.

3 Близость этих бактерий создала поток чужеродных генов, от которого архее надо было защищаться, чтобы ее собственный геном не разладился. Именно защищаясь от чрезмерного проникновения генетического материала бактерий-паразитов, архея выработала сложную систему внутренних мембран, усовершенствовала внутриклеточный транспорт и цитоскелет. А паразитизм в конце концов превратился в симбиоз.

4 Один из бактериальных сожителей оказался настолько полезным в плане получения энергии, что архея навсегда замкнула его внутри собственной клетки, превратив из внешнего симбионта во внутреннего. Так появились митохондрии.

5 Фагоцитоз возник только в самом конце этих событий, как побочный эффект от усложнения цитоскелета и появления системы рециклизации мембран (последнее совершенно необходимо при постоянном обороте временных мембранных пузырьков, с которым связана работа ЭПС и аппарата Гольджи).

“Кунинский сценарий” имеет несколько красивых подтверждений. Например, известны современные морские археи с гигантскими клетками сложной формы, которые действительно покрыты снаружи симбиотическими бактериями. Причем эти внешние симбионты — не кто-нибудь, а протеобактерии, дальние родственники тех самых пурпурных бактерий, от которых произошли митохондрии. Кроме того, сравнительный анализ белковых последовательностей показывает, что актиновый цитоскелет, скорее всего, сначала был неподвижным. Белки, позволяющие актиновым микрофиламентам еще и сокращаться, появились заметно позже. А это означает, что начаться прямо с фагоцитоза эволюция эукариот не могла.

 

Споры вокруг митохондрий

На самом деле сейчас конкурируют по меньшей мере два сценария происхождения эукариот: “раннемитохондриальный” (mito-early) и “позднемитохондриальный” (mito-late). Первый предполагает, что появление митохондрий было очень ранним событием, может быть даже запустившим эукариогенез как таковой. Второй гораздо ближе к уже рассмотренным классическим представлениям: сначала сформировалась полноценная эукариотная клетка с ядром, прочими мембранными структурами и фагоцитозом, а потом она проглотила будущую митохондрию и сделала ее своим симбионтом.

В последние несколько лет “раннемитохондриальная” гипотеза успела если не утвердиться, то, во всяком случае, набрать большую популярность. И, как и следовало ожидать, ее сразу начали подвергать скептическим проверкам. Например, недавняя работа испанских биоинформатиков показала, что эукариотные белки делятся по уровню древности на три группы.

К самой древней группе относятся белки архейного происхождения, в основном ядерные и (или) выполняющие функции, связанные с передачей генетической информации. Эти белки унаследованы прямо от архейного предка основной части эукариотной клетки, включающей ядро и цитоплазму. (Иногда эту часть клетки называют “ядерно-цитоплазматический компонент”, ЯЦК.)

Более молодые белки имеют бактериальное происхождение и локализуются в цитоплазме, но не в ядре. Их функции часто связаны с мембранными структурами — эндоплазматической сетью (ЭПС) и аппаратом Гольджи. Причем вновь показано, что эти белки были заимствованы не от одной группы бактерий, а от нескольких разных — вероятнее всего, путем горизонтального переноса генов, когда архейный предок жил в составе какой-то сложной многовидовой колонии. Пока что, как видим, все соответствует модели Кунина.

А вот третья группа белков — самая молодая — происходит от альфа-протеобактерий и локализуется в митохондриях. Несомненно, они были приобретены вместе с бактериальными симбионтами, которые этими самыми митохондриями стали. Вот это уже противоречит модели Кунина, которая, совсем наоборот, предполагает, что симбиоз с предками митохондрий был “спусковым крючком эукариотизации”: сначала появились они, а потом уже ЭПС, ядро и все остальное. А тут получается, что субъектом, который приобрел митохондрии, была достаточно сложная клетка, уже являвшаяся генетической химерой, то есть совмещавшая в себе архейные и бактериальные гены.

Тем не менее считать, что модель Кунина опровергнута, пока не стоит. Ведь если архейная клетка к моменту захвата митохондрий уже имела множество бактериальных генов, то возникает вопрос: откуда она этих генов набралась? А как раз модель Кунина дает на этот вопрос очень внятный ответ. Кунин считает, что предком эукариот была неподвижная архея, имевшая зачатки цитоскелета и в связи с этим создавшая крупную “ветвящуюся” клетку со множеством складок внешней поверхности. В этих-то складках и поселились многочисленные бактерии — как альфа-протеобактерии, так и разные другие. Альфа-протеобактерии в дальнейшем были поглощены архейной клеткой и стали митохондриями — вот это, скорее всего, и запустило новый этап миграции их генов в ядро. Все остальные бактерии не были заключены внутри архейной клетки и эндосимбионтами не стали (скорее всего, потому, что архейной клетке это было не столь выгодно), но своими генами все равно успели щедро поделиться.

При всем этом не исключен (во всяком случае, не может считаться опровергнутым) и такой сценарий, согласно которому альфа-протеобактериальных симбионтов было два — древний и более поздний, причем митохондрии произошли от последнего. Эту гипотезу мы подробно обсудим в главе 14.

 

Предок, вывернутый наизнанку

Дальнейшим развитием “кунинского сценария” стала еще более парадоксальная гипотеза, согласно которой основная часть предковой архейной клетки соответствует ядру, и только ему. Цитоплазма же, по этой гипотезе, произошла от слившихся между собой внешних выростов архейной клетки, которые поначалу служили для обмена веществами с наружными симбионтами — предками митохондрий (см. рис. 10.9). Эту гипотезу предложили в 2014 году два американских биолога, двоюродные братья Дэвид и Базз Баумы .

Гипотеза Баумов сразу объясняет, почему от архей у эукариот остались в основном белки, связанные с генетическими процессами. Да потому, что остаток собственно архейной клетки — это ядро! Кроме того, из новой гипотезы следует, что эндоплазматическая сеть — это на самом деле участок внешнего пространства, охваченный сомкнувшимися разрастаниями первичной клетки. Тогда получается, что внутри эндоплазматической сети могут найтись остатки архейной клеточной стенки. И действительно, там обнаружены белки, очень похожие на такие остатки. Это так называемые N-гликозилированные белки, в которых к боковым цепям аминокислоты аспарагина через атом азота присоединены остатки сахаров. То, что эти белки найдены у эукариот не на поверхности клетки, а глубоко в полости ЭПС, в самом деле заставляет очень серьезно задуматься.

Ну а происхождение митохондрий в новой версии уж точно выглядит совершенно не связанным с фагоцитозом. Хлоропласты — иное дело, но они и приобретены были намного позже. Впрочем, в любом случае надо иметь в виду, что если само по себе симбиотическое происхождение митохондрий — твердо установленный факт, то все подробности того, как это случилось, относятся к области гипотез, которые пока что проверяются. В главе 15 мы еще вернемся к этой теме.

 

Дела генетические

Между прокариотами и эукариотами есть несколько серьезных отличий, касающихся не столько устройства клетки (которое можно воочию увидеть под микроскопом), сколько принципов функционирования генетического аппарата. Перечислим важнейшие из этих отличий очень кратко.

Во-первых, прокариоты и эукариоты различаются способом “упаковки” генов в геном. Молекулу ДНК, заключающую в себе весь геном либо его существенную часть и связанную тем или иным способом со специальными белками, принято называть хромосомой. У прокариот хромосома чаще всего одна, а у эукариот почти всегда несколько, и они линейные, а не кольцевые.

Во-вторых, у эукариот полностью разобщены в пространстве процессы транскрипции и трансляции. При наличии ядра иначе и быть не может. У прокариот вполне возможна ситуация, когда на торчащий “хвост” информационной РНК, синтез которой еще продолжается, сразу же садится рибосома и начинает трансляцию. У эукариот такое полностью исключено. Транскрипция идет только в ядре, трансляция — только в цитоплазме. Даже те белки, которые в силу своих функций используются исключительно внутри ядра (например, гистоны), у эукариот синтезируются в цитоплазме и потом переправляются в ядро через ядерные поры.

В-третьих, между окончанием транскрипции и началом трансляции иРНК эукариот проходит через достаточно сложное созревание (процессинг), в ходе которого она химически модифицируется. Самая важная из этих модификаций называется кэпированием и относится к 5'-концу РНК (см. рис. 10.10А). Вот тут нам хорошо бы кое-что вспомнить. “Нормальная” — то есть прокариотная — иРНК оканчивается на 5'-конце нуклеозидтрифосфатом: это неудивительно, поскольку именно нуклеозидтрифосфаты служат исходными “кирпичиками”, из которых РНК собирается (см. главу 9). У эукариот к этому концевому нуклеозидтрифосфату присоединяется особый гуаниновый нуклеотид, в котором гуанин помечен дополнительной метильной группой. Причем присоединяется он через очень экзотическую, не используемую больше нигде 5'-5'-трифосфатную связь, то есть как бы задом наперед по отношению к нормальному расположению нуклеотидов в РНК. Вот этот добавочный перевернутый модифицированный нуклеотид и называется кэпом. Его функция исключительно сигнальная: без кэпа, например, эукариотная рибосома не может узнать иРНК и начать трансляцию. Ни у каких прокариот нет ничего подобного, и зачем это нужно эукариотам — никогда толком не было понятно.

В-четвертых, в эукариотных генах, как правило, полно некодирующих вставок, которые называются интронами. Это бессмысленные отрезки ДНК, не кодирующие никаких полезных аминокислотных последовательностей и расположенные прямо внутри гена. В типичном эукариотном гене кодирующие участки (экзоны) чередуются с некодирующими — интронами — таким образом, что последние как бы разбивают кодирующую последовательность на части. В одном гене вполне могут быть десятки и сотни интронов, причем обычно они длиннее экзонов (см. рис. 10.10Б). Представим себе литературный текст, где аккуратно построенные фразы в случайных местах разрываются длинными последовательностями букв, лишенными знаков препинания и какого бы то ни было намека на смысл. Вот примерно так выглядят интроны в гене. При транскрипции вся последовательность гена (и экзоны, и интроны) переписывается на иРНК целиком, но в ходе процессинга интроны вырезаются, экзоны сшиваются и получается гораздо более короткая зрелая иРНК, состоящая из одних экзонов. Ее уже можно транслировать. Сам процесс вырезания интронов из РНК называется сплайсингом. Это еще одна составная часть процессинга, в придачу к кэпированию.

Эти особенности генетического аппарата было бы неплохо как-то объяснить. Причем в идеале — все сразу, ведь породивший их эволюционный процесс был единым. К сожалению, такого единого объяснения пока нет, но начать можно и по отдельности. Попробуем.

 

Интроны и ядро

Проще всего, как это ни странно, с интронами. Ключ к разгадке тут может дать вот какой факт. У прокариот интроны тоже встречаются, но в основном в генах, кодирующих рибосомные или транспортные РНК. Почему? А потому, что эти РНК не транслируются. Они проходят процессинг (вернее, сплайсинг), а потом используются по назначению как есть, образуя рибосомы или транспортируя аминокислоты. А вот процессинг информационных РНК у прокариот почти невозможен по уже названной причине: эти РНК очень часто начинают транслироваться до завершения полной транскрипции, еще буквально вися на ДНК, с которой транскрипция идет. Резать и сшивать их некогда и негде. Именно поэтому в генах, кодирующих белки, у прокариот интроны не накапливаются. Они вынужденно сразу удаляются естественным отбором — иначе белки будут получаться ни к чему не пригодными, ведь сплайсинга-то нет, а значит, не только в иРНК, но и в белке останутся большие бессмысленные куски.

Разделение процессов транскрипции и трансляции, вызванное появлением ядра, сняло это ограничение. Поэтому у эукариот интроны стали стремительно “размножаться”, а сплайсинг стал совершенно необходимым этапом подготовки эукариотной иРНК к трансляции.

Заодно это привело к тому, что появился дополнительный способ регуляции экспрессии генов — альтернативный сплайсинг (см. рис. 10.10В). Например, если в некотором гене есть пять экзонов (1, 2, 3, 4 и 5), то в одном случае можно транслировать все пять из них, во втором — только четыре (скажем, 1, 2, 4 и 5), а в третьем — тоже только четыре, но в другом составе (скажем, 1, 2, 3 и 5). Во втором и третьем случаях ненужные экзоны будут вырезаны вместе с интронами. И таким образом, манипулируя ферментами сплайсинга, можно будет получать с одного гена три разных белка. В реальности таких белков, кодируемых одним и тем же геном, может быть гораздо больше — вплоть до многих тысяч. Количество экзонов в эукариотных генах вполне допускает такое число комбинаций. И иногда это бывает очень полезно (например, для белков иммунной системы позвоночных, которым в силу их функций нужна высочайшая изменчивость).

Таким образом, в данном случае усложнение и самого генома, и механизма его работы оказалось побочным эффектом главной, “титульной” особенности эукариот — появления ядра. Откуда же оно все-таки взялось?

В 2001 году австралийский биолог Филип Белл и японский биолог Масахару Такемура почти одновременно предложили вирусную теорию происхождения ядра . Вирусы — это неклеточная и чисто паразитическая форма жизни. У вируса есть гены, но нет собственного аппарата синтеза белка. Генетическая информация у разных вирусов может записываться как на РНК, так и на ДНК. Так вот, известно, что некоторые ДНК-содержащие вирусы (например, вирус оспы) имеют оболочку из двух липидных мембран, очень похожую на клеточное ядро. Там есть даже аналоги ядерных пор. ДНК у таких вирусов линейная — тоже как в эукариотном ядре. И что самое интересное, у них есть собственный аппарат транскрипции (но не трансляции), и этот вирусный аппарат транскрипции включает механизм обязательного кэпирования иРНК — опять же устроенный так же, как у эукариот. В принципе нет ничего невероятного в предположении, что эукариоты получили этот механизм от каких-то ДНК-содержащих вирусов путем горизонтального переноса генов. Но Белл и Такемура пошли дальше. Они предположили, что все ядро целиком произошло от крупного вируса, который вселился в будущую эукариотную клетку, превратился из паразита в постоянную внутриклеточную структуру и постепенно включил в себя почти весь хозяйский геном. Эта теория хороша тем, что она логично объясняет сразу несколько особенностей эукариотной клетки: двумембранное ядро, разобщение транскрипции и трансляции, линейность ДНК, кэпирование.

Правда, популярность вирусной теории происхождения ядра, взлетевшая было несколько лет назад, сейчас снижается. То, что в ядерном аппарате эукариот есть кое-какие белки вирусного происхождения, — установленный факт. Но вот вирусное происхождение всего ядра — это совсем иное дело. К тому же вирусная теория происхождения ядра решительно противоречит уже обсуждавшейся нами теории Баумов, согласно которой ядро произошло от клетки археи, а цитоплазма — от ее сомкнувшихся выростов. Тут уж придется выбрать или одно, или другое.

В любом случае надо честно признать, что происхождение клеточного ядра на данный момент неизвестно. Если с митохондриями дело хотя бы в общих чертах ясное, то с ядром о такой степени ясности пока что и мечтать не приходится. Загадка его происхождения не решена. Хотя и можно надеяться, что она решится в ближайшее время: биология сейчас развивается быстро.

Независимо от того, какая теория происхождения ядра правильна, мы можем совершенно точно сказать, что эукариотная клетка — это химерная структура, “собранная” из составных частей нескольких неродственных организмов. Если бы обитатели Земли три миллиарда лет назад могли мыслить, эукариотная клетка, скорее всего, была бы для них таким же нелепым и невероятным созданием, как для нас — самое фантастическое чудовище из древней мифологии, вроде той же химеры, василиска или уж вовсе невероятного мирмиколеона. А с другой стороны, именно на примере с возникновением эукариот мы прекрасно видим, что ветви эволюционного древа могут не только расходиться, но и сливаться. В этом месте древо жизни превращается в “кольцо жизни” (см. рис. 10.11).

 

Фундамент многоклеточности

У эукариот есть две особенности, очень облегчающие всевозможные межклеточные взаимодействия. Это наличие цитоскелета и — в некоторых группах — полная потеря клеточной стенки. Скорее всего, именно благодаря своему цитоскелету эукариоты, в отличие от прокариот, относительно легко становятся многоклеточными. Без цитоскелета слишком трудно сориентировать делящиеся клетки в пространстве таким образом, чтобы они создали упорядоченную трехмерную структуру.

Но и становиться многоклеточными можно по-разному. Есть многоклеточные эукариоты, которые питаются путем фотосинтеза, то есть синтезируя глюкозу из воды и углекислоты с использованием энергии солнечного света. Такое питание называется фототрофным. Многоклеточных фототрофов принято называть растениями (в широком смысле этого слова). Жизненная форма растений возникала в эволюции эукариот несколько раз совершенно независимо, на основе разных эволюционных ветвей. Примерами тому служат зеленые наземные растения, а также красные, бурые, золотистые и другие водоросли.

Другие многоклеточные эукариоты фотосинтезировать не умеют. Некоторые из них питаются, выделяя во внешнюю среду пищеварительные ферменты, расщепляющие крупные молекулы до мелких, и всасывая потом эти мелкие молекулы сквозь свою клеточную мембрану. Такое питание называется осмотрофным, то есть всасывательным. Оно требует огромной относительной поверхности тела, поэтому многоклеточность у таких эукариот на самом деле очень условная. Как правило, большая часть их тела на протяжении большинства стадий жизненного цикла представляет собой систему тонких — толщиной в одну клетку — ветвящихся нитей, которые пронизывают субстрат (например, почву) и всасывают оттуда питательные вещества. По-настоящему сложными у таких организмов бывают только органы размножения. Самые типичные осмотрофы — это грибы. Жизненная форма гриба возникала как минимум два раза независимо в разных эволюционных ветвях эукариот (у настоящих грибов и у так называемых ложных грибов, или оомицетов).

И наконец, есть эукариоты, которые ухитрились совместить многоклеточность с фаготрофным питанием, основанным на захвате пищевых частиц отдельными клетками путем фагоцитоза. Многоклеточные фаготрофы — это животные. Насколько мы знаем, жизненная форма животных возникла за всю историю Земли только один раз, в единственной эволюционной ветви.

Как раз потому, что у животных нет клеточной стенки, разнообразие способов межклеточных взаимодействий у них особенно велико (см. рис. 10.12А–Г). Есть по меньшей мере четыре типа межклеточных контактов, очень важных для животных:

* плотные контакты , в которых мембраны соседних клеток предельно сближены и сшиты особыми интегральными белками (клаудинами и окклюдинами). Система таких контактов может объединить клетки в непроницаемый слой, что и требуется животным довольно часто. Со стороны цитоплазмы белки плотных контактов всегда связаны с актиновыми микрофиламентами;

* десмосомы — контакты, обеспечивающие прочное механическое сцепление клеток. Интегральные белки, создающие такое сцепление, называются кадгеринами (они довольно разнообразны). Десмосомы особенно важны в тех тканях, которые часто подвергаются давлению или растяжению. Со стороны цитоплазмы белки десмосом связаны с сетью промежуточных филаментов, которая тоже достаточно прочна;

* щелевые контакты , сквозь которые клетки обмениваются молекулами и ионами, плывущими по цитоплазме. Такой контакт представляет собой группу ультрамикроскопических белковых “трубочек” (правильнее говоря, каналов), пронизывающих мембраны сразу двух соседних клеток. Эти каналы могут открываться и закрываться. Состоят они из белка коннексина;

* фокальные контакты , которые, строго говоря, нельзя назвать межклеточными. Они соединяют клетки с внеклеточными структурами — обычно белковыми волокнами или перепонками. Благодаря фокальным контактам клетки могут ползать, менять форму, а могут и сидеть на перепонке постоянно. Со стороны клетки фокальный контакт образуют молекулы белка интегрина, прикрепленные к актиновым микрофиламентам.

Надо обязательно добавить, что это описание, во-первых, сильно упрощено и, во-вторых, строго говоря, относится только к позвоночным животным (включая человека). У других животных межклеточные контакты могут быть устроены немного иначе, а главное — они могут состоять из других белков. Но по функциям они все равно будут аналогичны.

Кроме того, у многих животных есть и более сложные типы межклеточных контактов — например, синапсы, через которые передаются сигналы между нервными клетками. Но разговор о них уже выходит за пределы тем, охваченных этой книгой.

У растений система межклеточных контактов устроена совершенно по-другому. Главная особенность, отличающая растительную клетку от животной, — это наличие клеточной стенки, причем довольно толстой (см. главу 6). Из-за нее между клетками крайне затруднены любые другие контакты, кроме пронизывающих клеточные стенки цитоплазматических мостиков — плазмодесм (см. рис. 10.12Д). Через них могут передаваться любые вещества. В плазмодесмах мембраны соседних клеток сливаются (чего никогда не бывает в щелевых контактах животных), и их цитоплазма становится единой. Наличие системы плазмодесм означает, что все клетки данного растения слиты в единое “соклетие” — как говорят ботаники, симпласт. Это обычная ситуация для наземных зеленых растений.

Межклеточные взаимодействия — в некотором смысле самое главное, что происходит в любом многоклеточном организме. “Элементная база” этих взаимодействий, состоящая из белков с многообразными функциями, очень богата и способна быстро эволюционировать. И в то же время корни этого явления очень древние. Например, такие белки, как кадгерины и интегрины, совершенно точно есть уже у одноклеточных родственников животных. Это и есть молекулярный фундамент многоклеточности — явления, породившего самые большие и сложные живые организмы на Земле.

 

Из всех понятий, порожденных наукой, энергия упоминается в обыденной речи едва ли не чаще всего. Пожалуй, разве что про информацию современные люди говорят еще чаще (но в этой главе тема информации нас, для разнообразия, интересовать не будет). Слово “энергия” вызывает ассоциации со светом, теплом, электричеством, огнем, пищей, распадом атомных ядер, нефтью и природным газом, с ветром, полетом, потоками и взрывами, бурей и натиском и, наконец, просто с любым движением. Что же это такое?

Простое определение, в то же время не слишком далекое от истины, можно сформулировать вот как: энергия — это способность совершать работу, то есть осуществлять любое движение или превращение, требующее приложения силы. Ее можно хранить, накапливать, передавать или тратить с разной степенью полезности. В отличие, например, от света (кванты которого называются фотонами), энергия не связана ни с каким особым видом частиц. Но тем не менее она вполне измерима, то есть может быть точно выражена в числах. Общепринятой единицей энергии является джоуль. А ее оборот во Вселенной ограничивается законом сохранения энергии, он же первый закон термодинамики. Этот закон гласит, что энергия никогда не появляется и не исчезает. Она может сколько угодно переходить из одной формы в другую, но не может ни возникнуть из ничего, ни пропасть бесследно. Альберт Эйнштейн показал, что у любого тела, имеющего массу, есть определенная энергия покоя, которая при разрушении тела может высвободиться. Поэтому закон сохранения энергии иногда переименовывают в закон сохранения массы и энергии. Суть дела от этого не меняется.

Представление об энергии имеет очень древние истоки. О том, что за любыми процессами движения скрывается вездесущий невидимый огонь, говорили еще античные философы, например Гераклит Эфесский. Последний очень точно сформулировал идею энергии как универсального эквивалента движения: “На огонь обменивается все, и огонь — на все, как на золото — товары и на товары — золото”. Но охарактеризовать этот “огонь” как-то поточнее, а тем более соотнести его с какой-нибудь величиной, поддающейся измерению на практике, у исследователей долго не получалось.

В конце XVII века Готфрид Вильгельм Лейбниц ввел в физику понятие “живая сила” (vis viva), уже очень близкое к тому, что мы сейчас называем энергией. В современных терминах “живая сила” Лейбница — это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело просто в силу факта своего движения (в состоянии покоя она равна нулю). Но распространить это понятие на другие виды энергии Лейбницу не удалось, слишком уж мало было в его время про все это известно.

Между тем разновидностей энергии во Вселенной достаточно. Энергия бывает механическая, электромагнитная, ядерная, тепловая, химическая и так далее. К счастью, в этой главе нас будут интересовать исключительно те виды энергии, которыми могут пользоваться в своих интересах живые организмы. А их, как мы увидим, не так уж и много.

 

Две валюты

Любой живой клетке постоянно нужна энергия — примерно так же, как она нужна, например, холодильнику или всякому другому непрерывно работающему электроприбору (самая простая и понятная для современного человека аналогия). Эту энергию нужно, во-первых, откуда-то получать, во-вторых, где-то хранить и, в-третьих, иметь налаженную технологию ее использования. Надо сразу отметить, что последний пункт тут не менее важен, чем первые два. От энергии, которую невозможно высвободить, нет никакого проку. А с другой стороны, если слишком много энергии высвободится беспорядочно, то она скорее разрушит все вокруг, чем принесет какую-нибудь пользу.

Итак, начнем с пункта первого. Откуда энергию можно взять? Большинство природных видов энергии по тем или иным причинам не подходят для того, чтобы живые организмы — не считая, конечно, человека — использовали их как внешние ресурсы. Например, это относится к тепловой и ядерной энергии. Чтобы полезным источником энергии служила теплота, нужен очень большой перепад температур, который в живых организмах (в отличие от искусственных тепловых машин) практически невозможен. А чтобы таким источником служили ядерные реакции, нужны очень изощренные и опасные механизмы их проведения, которых ни у кого, кроме человека, просто нет. (В прекрасном рассказе Айзека Азимова “Паштет из гусиной печенки” фигурирует гусыня, в буквальном смысле несущая золотые яйца, и ученые приходят к выводу, что в ее организме есть ферменты, катализирующие ядерные реакции. К сожалению, такое пока бывает только в научной фантастике.) В общем, на практике земные живые существа могут утилизировать энергию всего лишь двух видов: энергию электромагнитных волн (как правило, световую) и химическую энергию. Световая энергия идет от Солнца, а химическая выделяется при перестройках молекул во время химических реакций.

Способы утилизации энергии света, довольно разнообразные по своей биохимической природе, объединяются под общим названием “фотосинтез”. Способы утилизации химической энергии еще разнообразнее, один из них — это знакомое нам по собственному опыту дыхание. Но в любом случае каждый живой организм так или иначе получает свою энергию. А что он делает с ней дальше? Ясно, что использует, но как?

Тут возникает вот какая проблема. Дело в том, что энергоемких биологических процессов — великое множество. Даже в самой простой бактериальной клетке одновременно идет несколько десятков таких процессов, причем совершенно разных по своей природе. Все они, естественно, требуют обеспечения энергией, которая именно для этого и усваивается организмом. Но очевидно, что при таком разнообразии конечных потребителей энергия, откуда бы она ни поступала, должна храниться в клетках в какой-то универсальной форме. Тогда она будет “свободно конвертируемой” и сможет пригодиться для чего угодно.

Долгое время биологи думали, что есть только одна — абсолютно универсальная — разновидность такой “свободно конвертируемой энергетической валюты”. Это молекулы аденозинтрифосфата, сокращенно АТФ (см. главу 7 и рис. 11.1). При распаде этих молекул выделяется энергия, которую очень удобно использовать в других химических реакциях. Действительно, значение АТФ для жизни на Земле колоссально. Но на самом деле есть не одна универсальная “энергетическая валюта”, а как минимум две. Первая — это АТФ (и некоторые аналогичные ему молекулы), а вот вторая вовсе не имеет химической природы — по крайней мере в энергии химических связей там ничего не запасается. Второй тип “энергетической валюты” — это ионные потенциалы на мембранах. Что это такое, мы узнаем чуть ниже. Сначала разберемся с уже более-менее знакомым нам АТФ, а потом — с ионными потенциалами.

 

АТФ и полифосфат

Мы уже знаем, что молекула АТФ состоит из пяти частей (см. главу 7):

* аденин;

* рибоза;

* фосфатные группы (три штуки).

Энергия, пригодная для использования в живых клетках, выделяется при разрыве связей между фосфатными группами. Обратим внимание, что фосфатных групп в АТФ три, а вот связей между ними две. Если забыть про все подробности, структуру молекулы АТФ можно записать так: А–Р–Ф~Ф~Ф. Здесь А — аденин, Р — рибоза, Ф — фосфат, а волнистыми линиями по принятой традиции обозначены те самые связи, которые соединяют фосфаты между собой. Как мы уже знаем, эти связи называются макроэргическими. Именно разрыв макроэргической связи служит источником энергии, когда молекула АТФ используется по назначению. “Макроэргические” — буквально значит высокоэнергетические. На языке обычной химии связь данного типа, возникающая между двумя фосфатами с отщеплением воды, называется фосфоангидридной. На самом деле бывают и другие типы макроэргических связей, фосфоангидридная просто самая распространенная из них.

Теперь обратим внимание еще вот на что. Источником энергии в АТФ служат фосфоангидридные связи между фосфатами, и только они. К чему эти фосфаты прикреплены — не так уж важно (по крайней мере, с точки зрения получаемой энергии). Их носителем может быть рибоза в комплекте с аденином, а может быть и что-то другое. И действительно, существуют биохимические реакции, в которых источником энергии вместо АТФ (аденозинтрифосфата) служит ГТФ (гуанозинтрифосфат) или даже УТФ (уридинтрифосфат). Энергетический выход от них примерно такой же. Например, ГТФ используется как “топливо” при синтезе белка и при сборке микротрубочек, а УТФ — при создании бактериальной клеточной стенки.

А не может ли послужить источником энергии просто цепочка фосфатных групп? Оказывается, может. Без органического носителя тут вполне удается обойтись. Биохимики уже давно обнаружили, что в живых клетках довольно часто накапливается полифосфат — полимер, состоящий из множества фосфатов, соединенных друг с другом теми самыми фосфоангидридными связями. В молекуле полифосфата может быть до тысячи фосфатных остатков. Первое время биохимики думали, что это просто запасы фосфорной кислоты, и ничего больше. Возможно, у большинства организмов так и есть. Но еще в середине XX века польский биохимик Мариан Шимона обнаружил, что существуют бактерии, у которых полифосфат участвует в обмене углеводов точно так же, как АТФ. Значит, эти соединения в принципе взаимозаменяемы.

Реакцией, которую подробно изучил Шимона, было фосфорилирование глюкозы (см. главы 6 и 7). Именно с этой реакции обычно начинается усвоение глюкозы в энергетическом обмене. К молекуле глюкозы “пришивается” фосфат, и получается соединение, которое называется глюкозо-6-фосфат (цифра во всех подобных названиях относится к номеру углеродного атома в сахаре). У подавляющего большинства живых организмов источником фосфата для этой реакции всегда служит АТФ. Полифосфат используется вместо АТФ только у некоторых бактерий.

Что же это за бактерии? Заинтересовавшись этим вопросом, ученые из Института биохимии и физиологии микроорганизмов в городе Пущино провели серию сравнительных исследований (“мозгом” и руководителем этой группы был профессор Игорь Степанович Кулаев). Оказалось, что полифосфат используется вместо АТФ всего у нескольких близких друг к другу групп бактерий. Это пропионовые бактерии, микрококки, тетракокки, микобактерии и еще некоторые. Все они грамположительные, и все входят в одну достаточно компактную эволюционную ветвь, которая в современной систематике называется актинобактериями. Молекулярно-биологические данные подтверждают, что эта ветвь находится не слишком далеко от общего корня эволюционного древа клеточных организмов.

Это позволило Кулаеву высказать следующую гипотезу. Фосфорилирование глюкозы с помощью полифосфатов — это “ископаемая” биохимическая реакция, которая, возможно, была свойственна очень древним формам жизни. Актинобактерии — единственная эволюционная ветвь, где она до сих пор сохранилась. А вот все остальные живые существа вместо полифосфата стали использовать АТФ.

Отсюда один шаг до предположения, что полифосфаты вообще были главными макроэргическими соединениями на заре жизни. В конце концов, они гораздо более распространены в обычной неживой природе, чем АТФ, который синтезируется практически только живыми организмами. И ведь должен же был энергетический обмен с чего-то начаться! Кулаев считал, что начаться он мог именно с полифосфатов, а уже потом переключиться на АТФ, оборот которого значительно легче регулировать.

Есть и еще одна молекула, служащая у некоторых бактерий источником энергии. Это пирофосфат, или пирофосфорная кислота (H4P2O7). Ее молекула — это два фосфата, соединенных уже хорошо знакомой нам фосфоангидридной связью. Естественно, при разрыве этой связи выделяется энергия. Известный биохимик Фриц Липман — тот самый, с именем которого связаны понятия “макроэргическая связь” и “макроэргическое соединение”, — еще в 1960-х годах говорил, что первичным для земной жизни источником энергии, вероятно, был именно пирофосфат. Потом его заменили полифосфаты, которых на древней Земле наверняка было много. И только после этого на смену полифосфатам пришел АТФ. Одним словом, Липман считал, что главные энергоносители жизни замещали друг друга в такой последовательности:

пирофосфат → полифосфат → АТФ

Надо учитывать, что пирофосфат — это ведь, по сути, просто маленький обрывок полифосфата. А полифосфатов на древней Земле, по всем данным, хватало. Геологи говорят, что в них легко конденсировались летучие соединения фосфора, содержавшиеся в вулканических газах, — а вулканическая активность в те времена, когда возникала жизнь, была очень высока. Так что в качестве внешнего источника фосфатных групп полифосфаты наверняка пригодились первым живым существам. Вот в какой мере они служили энергетическими посредниками во внутреннем обмене — тут еще надо разбираться. Но, во всяком случае, невероятными гипотезы Кулаева и Липмана не выглядят.

 

АТФ и прочие молекулы

Итак, в ходе биологической эволюции цепочка фосфатных групп с высокоэнергетическими связями была посажена на органический носитель. И этим носителем оказалась рибоза с присоединенным к ней аденином. В результате получился АТФ, который и стал самым универсальным энергоносителем во всей живой природе. Естественно задать вопрос: чем же эта молекула так хороша?

Признаемся честно, на данный момент мы вряд ли сможем обосновать дедуктивным методом (то есть идя от общего к частному) утверждение, что АТФ в этой роли лучше любой другой молекулы. В конце концов, это может оказаться просто неверно. В состоявшемся выборе могла сыграть роль и обыкновенная случайность. Но перечислить несколько — если так можно выразиться — параметров оптимизации, по которым АТФ в этой роли лучше некоторых других молекул, вполне можно уже прямо сейчас.

Прежде всего, АТФ — это молекула, далеко не чуждая клетке и сама по себе, то есть независимо от своей энергетической функции. Она служит одним из четырех “кирпичиков”, из которых в обязательном порядке собирается любая РНК. А РНК — это, судя по всему, основа основ древней жизни (см. главу 8). Тогда, однако, сразу возникает следующий вопрос: почему в качестве главного энергоносителя была выбрана именно молекула АТФ, а не ГТФ, ЦТФ или УТФ? Ведь для синтеза РНК они имеют точно такое же значение.

Одна из причин может быть в том, что аденин — единственное из широко распространенных азотистых оснований, в котором нет атомов кислорода. Можно поэтому предположить, что на древней Земле, где свободного кислорода в атмосфере практически не было, аденин самопроизвольно синтезировался особенно легко (см. главу 7). Но есть и другой фактор. Широко известно, что в современной атмосфере Земли есть озоновый слой, который отражает ультрафиолетовую составляющую солнечных лучей. Озон — это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (O3), и образуется он из обычного молекулярного кислорода (O2). Но в эпоху, когда жизнь на Земле только возникла, кислорода в атмосфере не было. И озона, соответственно, тоже. Ультрафиолетовые лучи свободно достигали поверхности Земли. Так вот, показано, что аденин в силу структуры своей молекулы прекрасно эти лучи улавливает. А если квант ультрафиолетового излучения будет “пойман” молекулой АДФ, то она с заметной вероятностью может спонтанно присоединить еще один фосфат и превратиться в АТФ. Это явление называется фотофосфорилированием. То, что так бывает, проверено экспериментально, и попутно показано, что нуклеотиды, содержащие другие азотистые основания, этим свойством не обладают. Получается, что именно особенности взаимодействия с ультрафиолетовыми лучами могли создать на заре жизни небольшой избыток АТФ и в результате, так сказать, дать этому веществу “преимущество на старте”, которое и сделало главным источником энергии именно его, а не какую-нибудь другую аналогичную молекулу.

Чисто энергетические характеристики АТФ тоже по-своему интересны. Но чтобы их понять, надо предварительно сказать несколько слов о том, от чего зависят направления химических реакций.

Начнем с того, что любая материальная система обладает некоторой внутренней энергией. И эта внутренняя энергия может уменьшаться, а может прирастать. При этом известно, что в природе есть два способа передачи энергии: работа (упорядоченное движение любого рода) и теплота (хаотичное движение отдельных частиц). Часть внутренней энергии системы, которую можно превратить в работу, называется свободной энергией. Любой процесс, и в том числе химическая реакция, может идти самопроизвольно только в том случае, если суммарная свободная энергия системы в результате уменьшается. Это следует из второго закона термодинамики, вникать в который мы сейчас не будем, но который, безусловно, является одним из фундаментальных законов природы.

Свободную энергию системы можно вычислять разными способами. В химии, в том числе и биологической, чаще всего используют свободную энергию Гиббса, которая рассчитывается для условий с постоянной температурой и давлением. Ее принято обозначать буквой G. Химическая реакция может протекать самопроизвольно, если энергия Гиббса в результате уменьшается, и не может, если она увеличивается. В естественных науках принято обозначать изменение какого-либо параметра греческой буквой Δ (“дельта”). Итак, любая химическая реакция может самопроизвольно пойти, если ΔG<0, и не может, если ΔG>0. Повторим, что ΔG — это происходящее в результате данной реакции изменение свободной энергии Гиббса той системы, где реакция идет.

Надо учитывать, что свободная энергия всегда рассчитывается для строго определенного количества вещества и для строго определенных условий, принятых за стандартные. Единица ее измерения — килоджоуль на моль (кДж/моль). Килоджоуль — это единица энергии (1 килоджоуль = 1000 джоулей), а моль — это принятая в химии единица количества вещества, характеризующая число молекул или любых других частиц просто в штуках. Без остальных подробностей мы сейчас можем обойтись.

Как же это работает? Возьмем для примера какую-нибудь химическую реакцию, прекрасно идущую самопроизвольно, например реакцию водорода (H2) с кислородом (O2). Если эти газы смешать и нагреть, произойдет весьма впечатляющий взрыв, в результате которого водород с кислородом соединятся, образовав воду (H2O). Вот уравнение этой реакции:

H 2 + ½O 2 → H 2 O

Коэффициент ½ перед кислородом тут означает, что для образования любого данного количества воды нужно вдвое меньше молекул кислорода, чем молекул водорода. Ну а изменение энергии Гиббса для этой реакции будет следующим:

ΔG = –237,6 кДж/моль

Поскольку это намного меньше нуля, то самопроизвольное протекание реакции вполне возможно, что, собственно, и будет наблюдать каждый, кто умудрится поджечь водород. Между прочим, именно из-за большого отрицательного изменения энергии Гиббса в этой реакции происходили все пожары и взрывы водородных дирижаблей, в том числе знаменитая катастрофа германского дирижабля “Гинденбург”, погибшего над Северной Америкой в 1937 году. Если уж летать на дирижаблях, то гораздо лучше наполнять их гелием, который с кислородом не реагирует. “Гинденбург” погиб потому, что немцам в 1930-х годах добыча промышленных количеств гелия была недоступна: на Земле, в отличие от космического пространства, это очень редкий газ.

Ну а теперь вернемся к АТФ. Вернее, не только к нему. Дело в том, что кроме полифосфатов и нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ...) в биохимии встречается и много других молекул, содержащих фосфатные группы. Как правило, фосфат может отрываться от такой молекулы с участием воды, то есть путем гидролиза (разрыв фосфоангидридной связи в АТФ — это и есть типичный пример гидролиза). И эта реакция сопровождается снижением свободной энергии, а значит, может идти самопроизвольно. Но точная величина ΔG тут будет для каждого соединения своя.

Рассмотрим еще две молекулы, содержащие фосфат, но совсем не родственные АТФ по структуре. Первая из них — фосфоенолпируват, трехуглеродная молекула с карбоксильной группой и двойной связью (производное пировиноградной кислоты). Вторая — глицерофосфат, трехуглеродная молекула с двумя гидроксильными группами и без двойных связей (производное спирта глицерина). Обе эти молекулы могут отдавать фосфат путем гидролиза, точно так же, как и АТФ. Вот упрощенные уравнения этих реакций:

АТФ + H 2 O → АДФ + фосфат

глицерофосфат + H 2 O → глицерин + фосфат

фосфоенолпируват + H 2 O → пируват + фосфат

Во всех этих реакциях происходит один и тот же процесс, а именно отрыв фосфата. Изменение свободной энергии, однако, в этих трех случаях будет совершенно разным. Давайте посмотрим на цифры.

Для гидролиза глицерофосфата ΔG = –9,2 кДж/моль.

Для гидролиза АТФ ΔG = –31,8 кДж/моль.

И наконец, для гидролиза фосфоенолпирувата ΔG = –58,2 кДж/моль.

Что мы тут видим? Во-первых, все три значения меньше нуля, то есть реакции, бесспорно, самопроизвольные. Во-вторых (это тоже важно), можно заметить, что все три значения по численной величине намного меньше, чем ΔG реакции сгорания водорода (см. выше), которую можно назвать более-менее типичной для “обычной” неорганической химии. Отсюда мы видим, что перепады энергии в биохимических реакциях на самом-то деле обычно не так уж и велики. Потому что слишком большие могли бы стать разрушительными.

И главное: из приведенных цифр хорошо видно, что АТФ далеко не самое высокоэнергетическое соединение из тех, что доступны обычной земной биохимии. Например, от распада фосфоенолпирувата энергетический выход гораздо больше. Видимо, от вещества-энергоносителя вовсе не требуется, чтобы порция энергии, которую несет его молекула, была огромной. Гораздо важнее, чтобы эта порция подходила для как можно большего числа процессов-потребителей и могла быть ими сразу усвоена (тогда никакая часть энергии не будет пропадать зря). Вот этому условию АТФ, надо думать, и отвечает. Как и во многих других случаях, тут выбрано не максимальное, а оптимальное значение ключевого параметра.

 

Протоны и энергия

Представим себе два водных объема, разделенных мембраной. Это вполне может быть обычная липидная мембрана, изолирующая от внешней среды живую клетку или любой компартмент внутри нее (см. главы 5, 10). Нам сейчас абсолютно неважно, что по какую сторону, важно только, что мембрана отделяет друг от друга два заполненных водой “отсека”.

Теперь представим, что в один из “отсеков” добавили кислоту. Кислота — это любая молекула, которая в водном растворе распадается с выделением иона водорода H+, то есть, иначе говоря, протона (см. главу 1). В результате по одну сторону мембраны станет намного больше ионов H+, чем по другую (см. рис. 11.2А). Клеточная мембрана практически непроницаема для ионов H+, если только в ней нет специальных каналов для них. Итак, по разные стороны мембраны возникнет устойчивая разность концентраций ионов H+.

Между тем известно, что при отсутствии препятствий концентрация любого вещества в любом объеме всегда стремится выравняться. Этот процесс выравнивания называется диффузией. Диффузия всегда идет самопроизвольно: любое вещество как бы само собой стремится занять весь отведенный ему объем. Это относится и к газу, который перемешали с другим газом, и к сахару, растворенному в чашке чая, и к кислоте, которая попала в воду.

Но в нашем случае на пути диффузии стоит преграда. По одну сторону мембраны концентрация ионов H+ намного выше, чем по другую, и при этом пройти сквозь мембрану они не могут. Точнее, они бы еще как прошли, если бы их пропустили! И в результате существующая разность концентраций протонов обращается в запас потенциальной энергии, которую, в свою очередь, вполне можно превратить в работу.

Сделать это очень просто. Нужно создать в мембране каналы, через которые протоны смогут свободно проходить. Тогда они тут же сами собой потекут с той стороны мембраны, где их больше, на ту, где их меньше. И вот энергию этого движения протонов вполне можно будет использовать для работы — для любой работы, в том числе и для синтеза АТФ. Для этого понадобится “всего лишь” ухитриться совместить протонный канал с молекулярным аналогом старинной водяной мельницы, которая будет крутиться под напором протонов, переводя их энергию в какую-нибудь другую, более полезную форму. Сама мембрана в этом случае играет роль плотины, с которой водяная мельница связана. А разность концентраций протонов аналогична разности уровня воды выше и ниже этой плотины.

Внимание: мы только что познакомились с принципом работы реально существующего и очень важного белка, который называется протонная АТФ-синтаза (см. рис. 11.3). Это огромный белок со сложнейшей четвертичной структурой, то есть собранный из целого набора отдельных субъединиц. Строго говоря, это даже целый комплекс белков, работающих как единое целое. Этакая “супермолекула”. Единым белком ее называют только ради простоты. На электронной микрофотографии протонная АТФ-синтаза выглядит как грибовидная структура, вставленная в мембрану. Активный центр, синтезирующий АТФ, находится в “шляпке гриба” (она всегда обращена на ту сторону мембраны, где протонов меньше). А в “ножке гриба” проходит протонный канал, пропускающий протоны с одной стороны мембраны на другую.

Как и многие другие белки, молекула АТФ-синтазы представляет собой полноценную механическую машину, вполне сравнимую по сложности с настоящей мельницей или, скажем, с каким-нибудь револьвером (если отвлечься от тонких деталей субатомного уровня). Активных центров, которые синтезируют АТФ, в типичной протонной АТФ-синтазе на самом деле три. Все они расположены в “шляпке”. Под действием протонов, текущих сквозь находящийся в “ножке” канал, “шляпка” вращается, как барабан трехзарядного револьвера, и в ней происходят конформационные изменения активных центров, превращающие АДФ в АТФ. Причем “спусковым крючком”, запускающим это вращение, служит протонирование карбоксильной группы в боковой цепи определенного остатка аминокислоты аспартата — тем самым отрицательный заряд этой аминокислоты меняется на нулевой (см. главу 3). На всякий случай вспомним, что протонирование — это переход карбоксильной группы из формы –COO– в форму –COOH, происходящий, если в окружающем растворе много протонов (H+). Уж где-где, а в открытом протонном канале, по которому протоны сами текут, это условие выполняется.

Протонная АТФ-синтаза — великолепный образец того, что биофизики называют молекулярными машинами. Фактически молекула протонной АТФ-синтазы представляет собой самый настоящий электродвигатель с роторным механизмом. Это один из высших примеров сложности, которой могут достигать белковые молекулы. В 1997 году два биохимика, англичанин Джон Уокер и американец Пол Бойер, получили за открытие роторного механизма АТФ-синтазы Нобелевскую премию по химии. Одна известная обзорная статья на эту тему прямо так и называется: “АТФ-синтаза — чудесный роторный двигатель клетки”.

А теперь следует сказать вот что. Есть огромное количество живых организмов, у которых основным источником АТФ является именно работа протонных АТФ-синтаз (по крайней мере, с большим отрывом от любых других поставляющих энергию процессов). В частности, именно протонные АТФ-синтазы создают большую часть тех нескольких десятков килограммов АТФ, которые ежесуточно синтезируются в организме человека (см. главу 7). Это уже достаточная причина, чтобы присмотреться к роли протонных АТФ-синтаз повнимательнее.

 

Великая протонная альтернатива

Все началось в 1929 году, когда немецкий биохимик Карл Ломан открыл АТФ. Сначала ему удалось выделить из тканевых экстрактов некое доселе неизвестное бесцветное вещество, содержащее азот и фосфор и явно принимающее участие в энергетическом обмене. Потом Ломан показал, что гидролиз этого вещества (то есть его распад с участием воды) дает две части фосфорной кислоты, одну часть аденина и одну часть рибозо-5-фосфата. Мысленно собрав все эти части вместе, как элементы конструктора, Ломан в итоге совершенно правильно установил структуру исходной молекулы, которая и оказалась аденозинтрифосфатом.

После этого стали очень быстро накапливаться разнообразные данные, показывающие, что АТФ служит в живых организмах универсальным резервуаром химической энергии. Стало ясно, что он активно участвует и в дыхании, и в мышечном сокращении, и во многих других жизненно важных процессах. Вывод, что АТФ является всеобщей “энергетической валютой”, был сделан биохимиками уже к началу 1940-х годов. Именно тогда Фриц Липман (кстати, работавший некоторое время в одной лаборатории с Карлом Ломаном) предложил уже знакомое нам понятие макроэргической связи, подразумевая, конечно, в первую очередь связи между фосфатами в АТФ.

Следующий важный вопрос возник при изучении дыхания, то есть производимого живыми организмами окисления глюкозы до углекислого газа и воды. В результате дыхания синтезируется очень много АТФ — это было ясно. Проблема была в том, что ученым никак не удавалось найти химическую реакцию, непосредственно “привязывающую” окончательный распад глюкозы к синтезу АТФ из АДФ и фосфата. В конце концов им пришлось предположить, что между этими этапами дыхания есть какой-то добавочный макроэргический посредник: энергия, высвобожденная в результате распада глюкозы, сначала передается на этот посредник, а потом уже с него на АТФ. Но и молекулу-посредник найти тоже никак не удавалось. Как раз наоборот, чем тщательнее биохимики исследовали процесс дыхания, тем более неуловимым этот загадочный посредник начинал выглядеть.

Проблему решил английский биохимик Питер Митчелл. Он сначала предположил, а потом и сумел строго доказать, что никакой молекулы-посредника вообще не существует. Хотя промежуточное энергетическое звено действительно есть. Но это не молекула (какая бы то ни было), а всего лишь разность концентраций протонов по разные стороны мембраны. Именно разность концентраций протонов создает так называемую протондвижущую силу, действие которой, в свою очередь, приводит к синтезу АТФ. Получается, что в живых организмах есть еще один — альтернативный — резервуар энергии, не имеющий ни с какими макроэргическими связями ничего общего. Неудивительно, что, когда открытие Митчелла подтвердилось, он получил за него Нобелевскую премию — правда, почему-то по химии (в 1978 году). Кстати, это один из немногих примеров, когда Нобелевская премия за экспериментальное исследование получена в одиночку. Митчелл был очень самостоятельным гением. В науке XX века такие фигуры редки, но Митчелл был именно таков.

Ну а теперь подведем итог тому, что мы уже знаем, с помощью строгих определений. Потенциальная энергия ионов H+, скопившихся по одну сторону непроницаемой для них мембраны, называется протонным потенциалом. (Уточним, что потенциальной энергией мы называем — если можно так выразиться — запас способности произвести работу, связанный с расположением неких объектов в пространстве относительно друг друга. Потенциальная энергия может превратиться в работу, если эти объекты получат возможность переместиться. С точки зрения такой почтенной науки, как физика, это пояснение довольно-таки неуклюже, но нам здесь его хватит.) В общем случае величина протонного потенциала зависит, во-первых, от концентрации самих протонов и, во-вторых, от того, как по разные стороны мембраны распределены электрические заряды (созданные самими протонами или любыми другими частицами независимо от них). Мы ведь помним, что протоны заряжены положительно, поэтому при прочих равных условиях они будут сильнее стремиться туда, где преобладает отрицательный заряд. По этому поводу ученые говорят, что протонный потенциал имеет две составляющие — концентрационную и электростатическую (см. рис. 11.2А, Б).

Разность протонных потенциалов между двумя мембранными отсеками обозначается ∆μH (“дельта-мю-аш”). Здесь ∆ — символ разности, H означает водород, а буквой μ принято обозначать величину, которая называется химическим потенциалом и является, по сути, химической разновидностью потенциальной энергии. Протонный потенциал — это очень простой частный случай химического потенциала. В реальных задачах всегда, без исключений, обсуждается только разность протонных потенциалов между некоторыми двумя точками или отсеками (например, между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны). Поэтому протонный потенциал и ∆μH — это фактически одно и то же, слово “разность” тут сплошь и рядом опускают.

Итак, мы теперь знаем, что в клетке есть по меньшей мере две совершенно разные “энергетические валюты” — концентрация АТФ и протонный потенциал, — которые могут достаточно свободно “конвертироваться” друг в друга:

∆μH ⇌ АТФ

Задачей уже знакомой нам протонной АТФ-синтазы является (в этих терминах) не что иное, как “конвертирование” энергии протонного потенциала в энергию связей АТФ. Впрочем, обратная операция тоже вполне возможна. Белок, способный с затратой АТФ переносить протоны через мембрану против разности потенциалов (то есть туда, где их и так больше), называется протонной АТФазой, или протонным насосом. Очевидно, что протонный насос, наоборот, превращает энергию связей АТФ в энергию протонного потенциала. Бывают ситуации, когда это нужно.

 

Третий резерв

Есть еще и третья разновидность широко распространенной “энергетической валюты”. Это натриевый потенциал, устроенный точно так же, как протонный.

Натрий — это металл. Он обозначается химическим символом Na, а в водном растворе образует положительно заряженные ионы Na+. Наиболее широко известное соединение натрия — поваренная соль NaCl, кристаллы которой состоят из положительно заряженных ионов натрия (Na+) и отрицательно заряженных ионов хлора (Cl–).

Ионы натрия, как и протоны, практически не проходят через клеточную мембрану. (Оговорка насчет “практически” тут добавлена не просто так. Она означает, что подтекать сквозь мембрану ионы на самом деле все-таки могут, но по сравнению с типичными скоростями внутриклеточных процессов это происходит настолько медленно, что в большинстве случаев может вовсе не учитываться. С протонами ситуация точно такая же. В нужном нам сейчас приближении клеточная мембрана практически непроницаема как для натрия, так и для протонов.) Поэтому, если по одну сторону мембраны скопилось много ионов натрия, а по другую сторону их нет (или мало), разность концентраций надолго останется устойчивой. И в результате возникнет натриевый потенциал ∆μNa. Как и протонный потенциал, он включает в себя не только концентрационную составляющую, но и электростатическую. Это означает, что, если концентрации окажутся одинаковыми, натрий, дай ему волю, будет течь туда, где электрический заряд отрицательный, а не положительный, в полном соответствии с законом Кулона (см. главу 1).

Энергию натриевого потенциала можно перевести в энергию связей АТФ, если дать натрию протечь через специально предназначенные для него каналы. Роль биохимической “водяной мельницы” при этом исполнит белок, родственный протонной АТФ-синтазе, — натриевая АТФ-синтаза. Можно и создать натриевый потенциал с нуля, если, наоборот, потратить энергию АТФ на перекачку натрия. Для этого служат натриевые насосы. В общем, тут, как и в случае с протонным потенциалом, возможно “конвертирование” энергии в обе стороны:

∆μNa ⇌ АТФ

Можно утверждать, что протонный и натриевый потенциалы взаимозаменяемы — по крайней мере, у микроорганизмов. Служить источником энергии может и тот и другой. В клетках эта энергия извлекается одинаковыми способами, хотя оба варианта имеют свои мелкие достоинства и недостатки. В целом натриевая энергетика служит полноценной альтернативой по отношению к протонной. В условиях, которые распространены на Земле сейчас, протонный потенциал, как правило, производительнее, поэтому у современных бактерий и архей он используется гораздо чаще. Но бывают и ситуации, когда натриевая энергетика становится выгоднее протонной. Это происходит или при очень низкой кислотности (иными словами, в щелочном растворе), или при очень высокой, по меркам живых организмов, температуре, например около 60 °С. В щелочном растворе протонов просто слишком мало. А при высокой температуре клеточные мембраны начинают пропускать протоны, в то время как натрий они все еще “держат”. В этих случаях может дойти и до полного отказа от протонного потенциала в пользу натриевого.

Современных микробов с чисто натриевой мембранной энергетикой относительно немного. Большинство из них приспособлены или к щелочной среде (алкалофилы), или к жизни в горячей воде (гипертермофилы). Но не все. Исследования последних десятилетий показали, что натриевая энергетика распространена у микробов гораздо шире, чем думали раньше. Возможно, это связано с тем, что данный тип обмена эволюционно очень древний. Более того, есть основанная на сравнительном исследовании разных АТФ-синтаз гипотеза, что натриевая энергетика древнее протонной. Это означает, что когда в глубине веков первый микроб “научился” синтезировать АТФ, пропуская сквозь мембрану ионы, то это были именно ионы натрия. Аналогичный механизм, использующий протоны, возник позже. Если эти выводы подтвердятся, они, в свою очередь, могут подсказать нам много интересного о самых ранних этапах биологической эволюции и о среде, в которой возникла жизнь. Чуть ниже мы об этом еще поговорим.

Натриевые и протонные потенциалы важны для многих областей биологии, вплоть до физиологии человека и животных. У животных (в том числе, разумеется, и у человека) внешняя клеточная мембрана относительно плохо “держит” протоны, поэтому протонный потенциал на ней не используется в качестве источника энергии. А вот натриевый — используется. Правда, там это реализуется не путем синтеза АТФ, а некоторыми другими способами, с которыми мы тоже сейчас познакомимся.

 

Мембраны и транспорт

Хорошо известно, что одной из главных задач, постоянно решаемых любым живым организмом, является поддержание так называемой внутренней среды (которая противопоставляется внешней, или окружающей, среде и в идеале никогда не должна с ней смешиваться). Это относится и к отдельной клетке. Внутриклеточная жидкость и внеклеточная среда отличаются друг от друга содержанием практически всех молекул, включая самые простые. Например, цитоплазма абсолютного большинства живых клеток содержит гораздо больше ионов калия (K+), чем ионов натрия (Na+), хотя и в пресной, и в морской воде соотношение обратное: там солей натрия больше, чем солей калия. А уж по части более сложных молекул различия между клеткой и внешней средой еще сильнее. Как же эти различия создаются?

Ответ нам известен. Границей между любой живой клеткой и окружающей средой служит мембрана (в данном случае — внешняя, или плазматическая). Она всегда замкнутая. Внешняя мембрана есть даже у некоторых вирусов, а уж клетка без нее немыслима вовсе. В 1940-е некоторые биологи считали, что клетка — это безмембранный компартмент, поддерживающий свою структуру за счет физических свойств полужидкой цитоплазмы, а вовсе не благодаря мембране, существование которой эти ученые отрицали. Споры на эту тему закончились, когда мембрану удалось воочию увидеть под электронным микроскопом. С тех пор никто не сомневается, что любая живая клетка просто по определению ограничена мембраной.

Самое важное с точки зрения живого организма свойство мембраны называется избирательной проницаемостью. Попросту говоря, это значит, что одни молекулы сквозь нее проходят, а другие нет. Например, вода проходит через мембрану очень хорошо (хотя все равно с некоторыми ограничениями), а вот белки не проходят совсем, потому что их молекулы для этого слишком велики. Что касается молекул среднего размера, то с ними все бывает по-разному. Относительно хорошо сквозь мембрану проходят гидрофобные молекулы, которые несут очень мало локальных электрических зарядов (см. главу 2). Именно таковы, например, молекулы стероидных гормонов, которые могут поэтому проникать прямо в клеточное ядро (см. главу 5). И наоборот, гидрофильные молекулы, где локальных электрических зарядов много, проходят сквозь мембрану с трудом.

Но ведь при всем этом любая живая клетка является открытой системой. А это значит, что она должна постоянно обмениваться с внешней средой не только энергией, но и веществом. (Система, способная обмениваться с внешней средой только энергией, называется закрытой, но в биологии таких систем практически не бывает.) Короче говоря, клетка должна получать нужные вещества и выводить ненужные. Само собой разумеется, что весь этот обмен идет через мембрану.

Молекулы любого вещества, во-первых, находятся в непрерывном хаотическом движении и, во-вторых, всегда стремятся переходить из области с более высокой концентрацией этого вещества в ту область, где его концентрация ниже. Мы уже знаем, что этот процесс называется диффузией. Принято говорить, что диффузия идет по градиенту концентрации. (Словом “градиент” в естественных науках называют направленное изменение некоторого параметра в пространстве. Например, бывают градиенты концентрации, температуры, плотности, солености, освещенности.) Движение молекул по градиенту концентрации идет самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии. А вот движение молекул против градиента (то есть от низкой концентрации к высокой) не может быть самопроизвольным ни при каких условиях. Для этого нужна энергия, подводимая извне.

Однако ясно, что и движение молекул по градиенту, энергетически “разрешенное” и даже выгодное, не сможет осуществиться, если для него есть непреодолимая преграда. Вот такой преградой и служит клеточная мембрана. Например, ионы натрия, которых снаружи клетки обычно гораздо больше, чем внутри, “стремятся” попасть внутрь, но при замкнутой мембране сделать этого не могут.

Для молекул, которые с трудом преодолевают мембрану, но при этом нужны клетке (или, наоборот, совершенно не нужны и должны быть из нее выведены), существуют специальные переносчики. Обычно таким переносчиком служит встроенный в мембрану интегральный белок (см. главу 5). Молекула этого белка захватывает ту молекулу, которую нужно перенести, на одной стороне мембраны и высвобождает ее на другой. Никакой энергии, кроме той, что потребовалась на создание переносчика и его встраивание в мембрану, клетка при этом не тратит. Белок-переносчик просто облегчает молекулам путь сквозь мембрану, который они в принципе могли бы пройти и сами, но гораздо медленнее. Это называется облегченной диффузией.

Белки, производящие облегченную диффузию, принято называть каналами (рис. 11.4А, Б). Молекула белка-канала часто бывает устроена как вставленный в мембрану колодец (обычно со створкой, которая может открываться и закрываться). Очень важное свойство белков-каналов — селективность, то есть избирательность. Как правило, каждый из них предназначен только для одной молекулы или иона. Например, натриевый канал плохо пропускает калий и наоборот. Ионные каналы — натриевые, калиевые, протонные, хлорные — очень широко распространены в природе, их разнообразие просто огромно.

В отличие от облегченной диффузии активный транспорт — это перемещение молекул против градиента концентрации (см. рис. 11.4Д). При активном транспорте молекулы переходят оттуда, где их концентрация низка, туда, где она и без того уже высока, и на это тратится энергия. Мембранные белки, производящие активный транспорт, называются насосами. Широко известен, например, натрий-калиевый насос, который одновременно переносит ионы натрия изнутри клетки наружу, а ионы калия снаружи внутрь — и то и другое против градиента концентрации. Нечего и говорить, что энергии на это нужно немало. На самом деле для многих клеток именно работа мембранных насосов образует одну из главных “статей расхода”, на которую тратится огромное количество АТФ. Насос устроен сложнее, чем канал. Селективность у него ничуть не хуже: любой мембранный насос, как правило, переносит только ту молекулу, для которой он изначально предназначен.

Кроме того, существует сопряженный транспорт, когда один и тот же белок-переносчик одновременно переносит через мембрану разные молекулы — одну по градиенту концентрации, а другую — против. Тут есть как минимум два разных варианта.

Сопряженный транспорт, при котором две молекулы (или ионы) переносятся белком-переносчиком в одну и ту же сторону, называется симпортом. Какая от него может быть польза? Вот, например, представим себе животную клетку, которой нужна глюкоза (то есть в общем-то любую животную клетку). Глюкоза — важнейший промежуточный продукт обмена веществ, ее концентрация в любой клетке заведомо гораздо выше, чем во внеклеточной среде. Тем не менее переправить ее из этой среды внутрь клетки как-то нужно. Конечно, эту задачу можно было бы решить, просто потратив АТФ. Но есть и обходной путь, причем очень удобный. Мы уже говорили, что в любой живой клетке, в том числе и животной, обычно очень мало натрия. Снаружи от клетки — в крови, в тканевой жидкости, где угодно — его намного больше. Сам по себе натрий клетке не нужен. Но если все-таки дать ему в нее войти, это будет диффузия, приводящая к снижению свободной энергии, попросту говоря, энергетически выгодный процесс. Так вот, существует белок-переносчик, который одновременно пропускает внутрь клетки ионы натрия и молекулы глюкозы (рис. 11.4, В). В результате перенос глюкозы энергетически “оплачивается” ценой переноса натрия — без всякой траты АТФ! Именно с помощью такого глюкозного транспортера происходит, например, всасывание глюкозы клетками нашего кишечника.

Сопряженный транспорт, при котором молекулы или ионы переносятся одним и тем же белком-переносчиком в разные стороны, называется антипортом. Тут возможно точно такое же энергетическое сопряжение, как и в симпорте: одна молекула переносится по градиенту, вторая — против градиента, и перенос первой “оплачивает” перенос второй. Например, допустим, что из животной клетки нужно вывести накопившиеся там лишние ионы H+, при том что в жидкости снаружи от клетки их еще больше. Белок, способный решить эту задачу, называется натрий-протонным антипортером (рис. 11.4, Г). Он впустит в клетку некоторое количество ионов натрия (которых снаружи всегда больше, поэтому их вход энергетически выгоден) и в обмен на них выведет из клетки протоны. Этот механизм действует, например, в наших почках: именно с помощью натрий-протонного антипортера ненужные протоны выбрасываются в мочу, чтобы быть окончательно удаленными из организма.

Очень широко используют натрий-протонный антипорт бактерии. Обменивая протоны на ионы натрия, они фактически конвертируют натриевый мембранный потенциал в протонный (или, с тем же успехом, наоборот):

∆μNa ⇌ ∆μH.

Это позволяет одной и той же бактерии использовать в качестве запасов энергии и протонный, и натриевый потенциалы, переходя от одного к другому в зависимости от условий внешней среды. Раз уж такая возможность есть, почему бы ею не пользоваться? Вот бактерии и пользуются, для них это полезный инструмент адаптации.

Как видим, транспорт через клеточную мембрану занимает в энергетическом обмене важнейшее место. Настолько важное, что впору задать вопрос: не началась ли жизнь как таковая именно с мембранной энергетики? И в самом деле, такую мысль иногда высказывают. Мы еще вернемся к ней.

 

Окислительно-восстановительные реакции

В зависимости от того, откуда живые организмы берут энергию, их можно разделить всего на две главные категории: фототрофы, для которых источником энергии является свет, и хемотрофы, для которых источником энергии являются окислительно-восстановительные химические реакции. В отношении света нам вполне достаточно понимать, что это разновидность электромагнитных волн. А вот что такое окислительно-восстановительные реакции — придется пояснить, благо все необходимые для этого понятия мы из предыдущих глав уже знаем.

Итак, представим себе любое вещество, состоящее из молекул. Атомы в типичной молекуле соединены между собой ковалентными связями, каждая из которых образована парой электронов. Число ковалентных связей, которые может образовать данный атом, называется его валентностью (см. главу 1). Валентность водорода равна 1, кислорода 2, азота 3, углерода 4 и фосфора 5. В соединениях с ионными связями, где электроны целиком переходят от одного атома к другому, валентность каждого иона приравнивается к величине его заряда.

Ковалентные связи делятся на полярные и неполярные (см. главу 2). В неполярной ковалентной связи электроны, условно говоря, расположены точно посредине, а в полярной они смещены в сторону одного из атомов. Сила, с которой этот атом оттягивает на себя электроны, называется его электроотрицательностью. На самом-то деле правильнее говорить, что смещаются не целые электроны, а максимум плотности электронного облака. Но так или иначе из-за этого частичного смещения электронов атомы, участвующие в полярной ковалентной связи, приобретают маленькие (намного меньше единицы) электрические заряды. На одном атоме этот заряд положительный, на другом отрицательный. Например, на кислороде он обычно отрицательный, потому что электроотрицательность кислорода очень высока. Это означает, что он почти во всех своих соединениях оттягивает электроны на себя.

Еще древние философы знали, что человеческому уму гораздо удобнее работать с дискретными единицами, чем с непрерывными совокупностями. Вот поэтому химики и придумали чисто формальное, зато достаточно емкое понятие под названием “степень окисления”. Степень окисления — это условный заряд данного атома, вычисленный исходя из предположения, что все его связи являются ионными (независимо от того, так ли это на самом деле). Неполярные ковалентные связи, в которых партнеры строго равноправны, в рамках этого определения игнорируются. А вот любую полярную ковалентную связь мы мысленно заменяем на ионную и воображаем, что каждый участвующий в ней электрон целиком захвачен каким-нибудь из атомов. Каким именно — зависит от электроотрицательности. Но в любом случае степень окисления может быть только целым числом. Например, молекула воды (H2O) состоит из одного атома кислорода (O) и двух атомов водорода (H), каждый из которых соединен с атомом кислорода одинарной ковалентной связью. Электроотрицательность кислорода больше, чем у водорода, поэтому электроны, образующие ковалентные связи, он оттягивает на себя. Это означает, что в молекуле воды атом кислорода имеет степень окисления –2, а каждый из атомов водорода +1. Молекула углекислого газа (CO2) состоит из атома углерода и двух атомов кислорода, соединенных с ним двойными ковалентными связями. В этой молекуле атом углерода имеет степень окисления +4, а каждый из атомов кислорода –2. Сумма степеней окисления всех атомов в любой частице равна ее полному электрическому заряду. Если эта частица — незаряженная молекула, то сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. На примере углекислого газа и воды мы видим, что это действительно так.

Теперь посмотрим на вещи чуть шире. Некоторые химические реакции приводят к тому, что распределение электронной плотности у атомов существенно меняется. Попросту говоря, это означает, что около каких-то атомных ядер электронов становится меньше, а около каких-то больше. Понижение электронной плотности у данного атома называется окислением, а ее повышение — восстановлением. Говоря формально, окисление — это потеря электронов, а восстановление — приобретение электронов. Если атом, степень окисления которого до реакции была равна нулю, в результате реакции окислился, то его степень окисления становится положительной, а если восстановился, то отрицательной (поскольку заряд электрона равен –1). В реальных химических реакциях электроны могут только переходить от одних атомов к другим, поэтому процессы окисления и восстановления всегда идут одновременно. Вот те реакции, в которых они идут, и называются окислительно-восстановительными. Особо подчеркнем, что к этой категории относятся не все химические реакции, а только некоторые.

Например, уже знакомая нам реакция взаимодействия водорода и кислорода с образованием воды является типично окислительно-восстановительной. Посмотрим еще раз на уравнение этой реакции:

H 2 + ½O 2 → H 2 O.

В левой части этого уравнения степени окисления водорода и кислорода по определению равны нулю. В правой же части мы видим, что водород окислился, а кислород восстановился. Иначе говоря, произошло перераспределение электронной плотности: у водорода она уменьшилась, а у кислорода увеличилась. Эта реакция (как мы уже знаем) энергетически выгодна. И неудивительно, что есть бактерии, способные реально использовать ее как источник энергии, — они называются водородными бактериями.

Вот еще один пример окислительно-восстановительной реакции, используемой некоторыми живыми существами для получения энергии:

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O.

Здесь происходит превращение углекислого газа (CO2) в метан (CH4), в результате которого атом углерода восстанавливается. В подобных случаях часто говорят попросту: углекислый газ восстанавливается до метана. Агентом-восстановителем в данном случае служит водород, который сам при этом окисляется. (Водород вообще часто бывает восстановителем, а его отнятие, наоборот, во многих реакциях равносильно окислению.) И это дает энергию, которую можно запасти в виде АТФ. Восстановление углекислого газа до метана — реакция, на которой основана вся жизнь метанообразующих архей, для краткости называемых метаногенами. Это очень древние и широко распространенные микробы, живущие в самых разных средах — от болот и горячих источников до кишечника млекопитающих.

Окислительно-восстановительные реакции, которыми пользуются живые организмы как источниками энергии, довольно разнообразны. Например, дыхание — это тоже окислительно-восстановительная реакция. В ходе нее углерод не восстанавливается, как у метаногенов, а, наоборот, окисляется до состояния углекислого газа (CO2). Эта реакция исключительно энергетически выгодна, так что АТФ в ходе нее получается очень много.

Для некоторых живых существ источниками энергии могут служить и неорганические окислительно-восстановительные реакции, идущие без всякого участия углерода. Простой пример такой реакции — окисление сероводорода (H2S) до чистой серы (S), степень окисления которой при этом меняется с отрицательной на нулевую:

H 2 S + ½O 2 → H 2 O + S.

Микроорганизмы, владеющие этим способом получения энергии, называются серобактериями (в данном случае это именно бактерии, а не археи). Энергетический обмен бактерий вообще очень многообразен. Есть, например, бактерии, которые не окисляют, а восстанавливают серу. А есть и такие, которые используют для получения энергии неорганические реакции с участием других элементов, например железа или азота. Кроме того, многие бактерии умеют получать энергию сразу несколькими способами, переключаясь с одного на другой в зависимости от внешних условий. Например, зеленые серобактерии владеют одновременно и окислением сероводорода, и фотосинтезом, то есть могут получать энергию просто из света. Надо еще раз оговорить, что под энергией мы сейчас фактически подразумеваем АТФ. “Способ получения энергии” — это любой процесс, позволяющий его синтезировать.

Интересно, что есть некоторое количество бактерий, вообще не умеющих (или почти не умеющих) самостоятельно синтезировать АТФ. Это — внутриклеточные паразиты, которые ухитряются довольствоваться готовым АТФ, синтезируемым клеткой хозяина. Их часто называют “энергетическими паразитами”. Весь их механизм получения энергии может сводиться к АТФ-транспортерам, встроенным во внешнюю мембрану. Судя по современным данным, такими транспортерами служат в основном белки-антипортеры, одновременно переправляющие ненужный АДФ наружу и полезный АТФ внутрь.

 

Источники углерода

Мы хорошо знаем, что жизнь на Земле построена на основе соединений углерода. Любому живому организму необходимы как минимум аминокислоты, сахара, азотистые основания и липиды, иначе он просто не сможет существовать. Откуда все эти молекулы берутся? Очевидно, что их можно получить с пищей, а можно синтезировать самостоятельно. По типу питания живые организмы делятся на две большие группы, границу между которыми принято проводить (как мы сейчас понимаем) достаточно произвольно. Организмы, которые нуждаются только в углекислом газе (CO2) и могут самостоятельно синтезировать все остальные углеродные соединения из него, называются автотрофами. А организмы, которым надо дополнительно получать из внешней среды еще какие-нибудь углеродные соединения, называются гетеротрофами. (Тут есть одно исключение, до которого мы скоро дойдем, но пока примем эти понятия как данность.)

Если с автотрофностью все более-менее ясно, то степень гетеротрофности бывает очень разной. С одной стороны, некоторым бактериям-паразитам жизненно необходимо получать из внешней среды полный набор аминокислот, нуклеотиды и даже целые белки. А с другой стороны, есть и такие бактерии, которым хватает ровно одного органического источника углерода. Этим источником может быть, например, глюкоза, или мочевая кислота (соединение, родственное аденину), или какой-нибудь спирт, а все другие углеродные соединения такие организмы умеют синтезировать сами. Но в любом случае они гетеротрофы, раз уж нуждаются во внешнем источнике органики.

То, что граница между автотрофами и гетеротрофами по своей сути несколько искусственна, становится очень наглядным, если взглянуть на используемые микробами одноуглеродные соединения. Дело в том, что есть достаточно большой набор молекул, содержащих только один углеродный атом, любая из которых реально служит единственным источником углерода для какой-нибудь группы бактерий или архей. Примеры таких молекул — углекислый газ (CO2), угарный газ (CO), муравьиная кислота (HCOOH), формальдегид (НСНО), метиловый спирт (CH3OH), метиламин (CH3NH2) и метан (CH4). Помимо бактерий, использующих углекислый газ, к автотрофам можно отнести еще и тех, кто использует угарный газ CO (редкий пример соединения, где валентность углерода равна не 4, а 2). Это и есть то исключение, о котором говорилось выше. А все остальные номинально относятся к гетеротрофам, поскольку муравьиная кислота, формальдегид, метиловый спирт, метиламин и метан принято считать органическими веществами. Хотя реальная биохимическая разница между автотрофами и гетеротрофами, живущими на одноуглеродных субстратах, может быть совсем невелика.

Деление живых существ на автотрофов и гетеротрофов сложилось в XIX веке, когда в поле зрения биологов были в основном растения и животные. Растения — типичные автотрофы, животные — типичные гетеротрофы, ну а промежуточные случаи тогда были просто неизвестны. Что ж, такое деление по крайней мере наглядно. В любой современной экосистеме автотрофы создают органическое вещество, а гетеротрофы разлагают его, превращая обратно в углекислый газ и выдыхая (если, конечно, у них есть дыхание). Это картина, привычная жителю современной Земли. С более объективной точки зрения — например, с точки зрения исследователя из другой галактики, которому любая разновидность углеродной биохимии одинаково чужда, — было бы, возможно, правильнее классифицировать типы обмена не по отношению к углекислому газу, а по наличию или отсутствию в источнике углерода химических связей между углеродными атомами (C–C). Очевидно, что ни в каких одноуглеродных молекулах этих связей нет, и столь же очевидно, что для создания биологически активных соединений они абсолютно необходимы.

Впрочем, есть особое понятие, объединяющее всех микробов, которые питаются восстановленными одноуглеродными субстратами (то есть любыми одноуглеродными молекулами, кроме углекислого и угарного газов). Такие микробы называются метилотрофами. Потребители муравьиной кислоты, формальдегида, метилового спирта, метана — все это типичные примеры метилотрофов. Существует старая, но подтверждаемая данными современной биохимии гипотеза, что древние живые организмы освоили потребление муравьиной кислоты и формальдегида раньше, чем связывание углекислоты. Причем способность связывать CO2, вероятно, появилась несколько раз независимо в разных эволюционных ветвях. Если все это верно — значит, автотрофность исторически развилась на основе метилотрофности. Иное дело, что сейчас все многочисленные разновидности метилотрофности отошли на второй план, вытесненные гораздо более выгодным, как показали события последних трех миллиардов лет, усвоением углекислого газа.

 

Формы жизни

В 1907 году известный революционер и ученый Николай Александрович Морозов опубликовал удивительно интересный рассказ под названием “Эры жизни”. Жанр рассказа обозначен автором как “научная полуфантазия”, а его действие происходит в XIX столетии, в царствование Александра II. Герой рассказа — безымянный ученый, арестованный властями за участие в политической деятельности, — сидит в одиночной камере Петропавловской крепости и размышляет об отдаленном будущем земного шара. По его представлениям (общепринятым для того времени), через много тысячелетий Земля остынет, вся вода на ней замерзнет и жизнь исчезнет. Но ученый задается вопросом — что будет дальше? — и приходит к выводу, что на ледяной Земле может возникнуть новый океан, состоящий из жидкой углекислоты (CO2). Обращаясь затем к далекому прошлому, он предполагает, что на древней раскаленной Земле, где вода была только в виде пара, мог существовать океан из расплавленного кварца (SiO2), то есть в буквальном смысле из стекла. В итоге перед мысленным взором героя проходит целая последовательность грандиозных эпох, за время которой континенты и океаны возникали на Земле много раз, при разных температурах и на разной химической основе. Стеклянный океан, водный океан, углекислотный океан — звенья этой последовательности. И почему бы в любую из этих эр не существовать жизни, в том числе и разумной, конечно, основанной не на белках, а на их химических аналогах, приспособленных к совершенно другим условиям?

Взволнованный этими мыслями, герой рассказа прикладывает ладонь к холодной каменной стене своей комнаты, расположенной в печально знаменитом Алексеевском равелине.

“И эти твердые камни, — тихо прошептал он, — когда-то бушевали могучими волнами и грозно били в давно минувшие берега. И неужели из всей этой бесконечной цепи океанов лишь один наш водный океан населен живыми существами? Неужели только азотисто-углеводородные соединения, всецело приспособленные лишь к современной эре земной жизни, одни способны к построению живого, чувствующего и разумного существа, когда та же единая и вечная материя, прибавив или убавив в каждой их частице несколько атомов, может образовать другие вещества, совершенно аналогичные им и способные к той же функции создания жизни и физиологического обмена, но при других температурах и стихиях?”

Николай Александрович Морозов был исключительно самостоятельно мыслящим человеком. Он прожил долгую насыщенную жизнь, в которой 25-летнее заключение в Шлиссельбургской крепости за терроризм оказалось лишь эпизодом, и всегда непрерывно пополнял свои знания, генерируя “на выходе” весьма оригинальные идеи. Его самый известный научный труд — это многотомная ревизия всемирной истории с поистине невероятными выводами, которые многим сейчас знакомы по работам последователя Морозова, академика Анатолия Тимофеевича Фоменко. Нечего и говорить, что, с точки зрения специалистов-историков (которые, конечно, абсолютно правы), эти построения несерьезны. Однако именно Морозов одним из первых высказал и обосновал совершенно верную мысль, что атомы не являются неделимыми единицами материи, а имеют способную к перестройкам внутреннюю структуру. Что касается рассказа “Эры жизни”, то мнения о нем разделились даже среди личных знакомых автора. Революционерка Вера Николаевна Фигнер отозвалась об этом рассказе как о “настоящей галлюцинации сумасшедшего” и усомнилась, в своем ли уме был Морозов, когда его писал. Сейчас, через 100 лет, поддержать такой резкий отзыв никак невозможно. Наоборот, многие рассуждения Морозова выглядят в начале XXI века удивительно современными. Например, возможность жизни в углекислотном океане рассматривается нынешними учеными вполне всерьез, она не противоречит никаким известным фактам или законам (см. главу 2). Правда, описанная Морозовым грандиозная последовательность “эр жизни” все-таки малореальна — но не по фундаментальным причинам, а потому, что для нее, как мы сейчас понимаем, скорее всего, просто-напросто не хватит времени существования Земли как планеты.

В любом случае Морозов и его литературный герой с редкой проницательностью оценили размах, до которого многообразие проявлений жизни может доходить. Реальные формы жизни, существующие на Земле прямо сейчас, почти так же разнообразны, как морозовские “эры жизни”; если это и преувеличение, то не слишком большое. Разные формы жизни совершенно по-разному взаимодействуют и с энергией, и с веществом. Чтобы наглядно убедиться в этом, достаточно сравнить, например, человека и дерево. Но даже различия между животными и растениями — это всего лишь краешек огромного многообразия обменных процессов, большая часть которого относится к невидимому простым глазом миру микробов.

Совокупность химических реакций, идущих в организме для поддержания жизни, называется метаболизмом. Термины “метаболизм” и “обмен веществ” часто используют как синонимы. Нечего и говорить, что любой метаболизм очень сложен. Для удобства его делят на две группы процессов, которые в некотором приближении можно рассматривать отдельно друг от друга:

* энергетический метаболизм, результатом которого является получение энергии, пригодной для превращения в работу;

* конструктивный метаболизм, результатом которого является синтез сложных молекул — белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.

Конечно, энергетический и конструктивный метаболизм связаны между собой и иногда очень тесно (бывает, например, что исходным субстратом для них служит одно и то же вещество). Но деление все равно полезное. Обо всех главных разновидностях этих уровней метаболизма мы на самом деле уже говорили. По типу энергетического метаболизма все живые организмы делятся на фототрофов и хемотрофов, а по типу конструктивного метаболизма — на автотрофов и гетеротрофов. Фототрофы синтезируют АТФ за счет энергии света, хемотрофы — за счет энергии окислительно-восстановительных химических реакций. Автотрофы получают углерод из углекислого газа (или иногда из угарного), гетеротрофы — из более сложных углеродных соединений, которые люди называют органическими. Захват углекислого газа или любой другой простой молекулы для включения в более сложные соединения принято называть фиксацией, так что автотрофы — это те, кто живет за счет фиксации CO2 или CO. Скомбинировав оба деления друг с другом, мы тут же получаем четыре возможных типа жизненных форм:

1 Фотоавтотрофы, которые (1) синтезируют АТФ за счет энергии света и (2) не нуждаются ни в каких источниках углерода, кроме углекислого газа. Энергия света посредством некоторого достаточно сложного механизма переводится в энергию АТФ и попутно используется для фиксации углекислоты. Весь этот процесс принято называть фотосинтезом. На Земле сейчас особенно распространен кислородный фотосинтез, в ходе которого расходуется вода (H2O). Отобранный у нее водород восстанавливает углекислоту, а оставшийся кислород выводится в атмосферу как побочный продукт. Этим типом фотосинтеза обладают цианобактерии и растения. Бывает и бескислородный фотосинтез, в котором расходуется не вода, а другие восстановители — например, сероводород (H2S), молекулярный водород (H2) или некоторые соединения железа. Выделением кислорода он не сопровождается. Если кислородным фотосинтезом пользуются цианобактерии и растения, то бескислородным — пурпурные, зеленые и некоторые другие бактерии. У эукариот бескислородного фотосинтеза нет.

2 Хемоавтотрофы, которые (1) синтезируют АТФ за счет энергии неорганических химических реакций и (2) не нуждаются ни в каких источниках углерода, кроме углекислого или угарного газа. В самом простом случае такие организмы могут использовать одно и то же вещество и для получения энергии, и для синтеза органики. Например, это осуществили уже упоминавшиеся метаногены, которые получают энергию, восстанавливая углекислый газ до метана, и из продуктов фиксации того же углекислого газа синтезируют абсолютно все нужные им органические вещества. Метаногенам не нужны никакие источники углерода и энергии, кроме углекислого газа и водорода. В свете они не нуждаются, а перерабатывать внешнюю органику все равно не умеют, даже живя прямо в ее гуще (например, в чьих-нибудь кишках).

К этой же категории относятся довольно разнообразные бактерии, окисляющие или восстанавливающие соединения серы, азота, железа (из них мы упоминали серобактерий, получающих энергию путем окисления сероводорода). За счет полученной в ходе неорганических реакций энергии эти бактерии фиксируют углекислый газ, который нужен им только для конструктивного метаболизма, то есть для синтеза собственной органики. То же самое делают водородные бактерии, способные жить за счет окисления молекулярного водорода. И наконец, к этой же категории приходится отнести карбокситрофов, которые питаются угарным газом. Они получают энергию, окисляя угарный газ до углекислого, а образующийся углекислый газ фиксируют и используют в конструктивном метаболизме. Окислительно-восстановительная реакция, на которой основана жизнь карбокситрофных бактерий, выглядит так:

СO + H 2 O → CO 2 + H 2 .

Этим бактериям не нужны никакие источники углерода и энергии, кроме угарного газа и воды. Обратим внимание, что в качестве побочного продукта они выделяют водород, который вполне могут потом использовать другие организмы — например, те же метаногены и водородные бактерии. Так образуются микробные сообщества.

3 Хемогетеротрофы, которые (1) синтезируют АТФ за счет энергии окисления органических молекул и (2) нуждаются во внешних источниках этих молекул, потому что синтезировать всю нужную им органику из углекислого газа не могут. Под “окислением органических молекул” мы сейчас подразумеваем окисление входящего в них углерода, то есть, говоря более предметно, уменьшение электронной плотности на этом углероде. Этот процесс дает энергию очень многим живым организмам, в том числе и людям.

Хемогетеротрофы — группа огромная и сборная. В нее входит большинство прокариот и все эукариоты, кроме фотосинтезирующих. Прежде всего, к хемогетеротрофам по определению должны быть отнесены метилотрофы, окисляющие одноуглеродные субстраты — муравьиную кислоту, формальдегид, метиловый спирт, метан, метиламин и т.п. Надо еще раз подчеркнуть, что бактерии, питающиеся угарным газом, по сути своей делают то же самое, что и метилотрофы: окисляют частично восстановленный одноуглеродный субстрат до углекислоты. То, что им приписывается иной тип питания, есть чистейший формализм, вызванный людскими привычками.

Кроме того, многие хемогетеротрофы (включая нас) питаются гораздо более сложными веществами, содержащими целые цепочки атомов углерода. Это могут быть сахара, спирты, карбоновые кислоты, аминокислоты или азотистые основания. При окислении такие вещества распадаются на более простые молекулы с разрывом углерод-углеродных связей (C–C).

Есть два способа переработки сложных органических веществ: брожение и дыхание. Брожение не требует участия молекулярного кислорода (для многих бродильщиков он даже ядовит) и может от начала до конца идти в обычном растворе, где нет никаких мембран и связанных с ними переносчиков протонов. В отличие от брожения, дыхание требует непосредственного участия кислорода (или хотя бы богатых им окислителей вроде нитратов или сульфатов) и обязательно включает этап переноса протонов через мембрану, сопровождаемого синтезом АТФ. В ходе дыхания протоны, отобранные у молекул субстрата, сначала скапливаются по одну сторону непроницаемой для них мембраны, а потом образовавшийся протонный потенциал разряжается с помощью протонной АТФ-синтазы: ∆μH → АТФ.

Конечные продукты брожения разнообразны, но это всегда вещества, в которых углерод окислен не до конца: молочная кислота (C3H6O3), этиловый спирт (C2H5OH), пропионовая кислота (CH3CH2COOH), ацетон (CH3–СO–CH3) или некоторые другие. А конечным продуктом дыхания является углекислый газ (CO2), в котором углерод окислен до крайнего предела, дозволенного законами химии. Организмы, владеющие дыханием, всегда владеют и брожением, но не наоборот.

Можно для наглядности сравнить суммарные уравнения реакций распада глюкозы путем широко распространенного молочнокислого брожения (при котором глюкоза распадается на две молекулы молочной кислоты) и путем классического кислородного дыхания:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6 H 2 O

Для первой реакции ∆G = –197 кДж/моль, а для второй ∆G = –2870 кДж/моль. Это означает, что дыхание примерно в 15 раз энергетически выгоднее.

4 Фотогетеротрофы, которые (1) получают энергию в виде света, но (2) при этом все-таки нуждаются во внешнем источнике органического углерода. Этот удивительный для нас тип метаболизма возникает в случае, если фотосинтез используется для синтеза АТФ, а вот механизма фиксации углекислоты при этом нет. Такой неполноценный фотосинтез обязательно сочетается с брожением. Типичные обладатели фотогетеротрофности — гелиобактерии, живущие в почве, в болотах или на заливаемых водой рисовых полях.

Помимо прочего, гелиобактерии известны своим умением фиксировать азот, то есть брать прямо из атмосферы молекулы чистого азота (N2) и включать этот азот в состав органических соединений. Эта способность не уникальна для гелиобактерий, но у них она очень хорошо развита, и именно от нее в большой степени зависит плодородие рисовых полей. Как известно, азот составляет 78% современной атмосферы Земли, и примерно так же было более-менее во все известные времена. Наша атмосфера — в первую очередь азотная. Казалось бы, это прекрасно: ведь азот необходим для синтеза любой аминокислоты и любого нуклеотида, а вот и его источник “под боком”. Но, к сожалению, азот в форме молекулы N2 почти недоступен для использования живыми существами. Дело в том, что в этой молекуле атомы соединены тройной связью (N≡N), которую очень трудно разорвать. Поэтому фиксация азота — чрезвычайно энергоемкий процесс. Для усвоения одной молекулы азота надо потратить энергию 12 молекул АТФ. Так что гелиобактериям есть на что расходовать АТФ, заработанный путем фотосинтеза. Добавим, что никакие эукариоты самостоятельно фиксировать азот не умеют: в этом плане они полностью зависят от бактерий.

Классификация, с которой мы только что познакомились, — почти всеобъемлющая.

Она охватывает все живые организмы, кроме вирусов, у которых вообще нет собственного метаболизма (во всяком случае, независимого от метаболизма зараженных ими клеток; см. об этом главу 12). Иначе говоря, эта классификация относится к любым клеточным организмам. Все они делятся на фотоавтотрофов, фотогетеротрофов, хемоавтотрофов и хемогетеротрофов.

Однако нетрудно заметить, что эти четыре типа обмена веществ распределены по древу жизни очень неравномерно. Например, все типы обмена, которыми владеют эукариоты, — это кислородный фотосинтез, брожение (причем далеко не все его разновидности) и дыхание. Больше эукариоты не умеют ничего — по крайней мере, без помощи бактериальных симбионтов, которые иногда встречаются в их телах. А вот у бактерий и архей способов метаболизма, принципиально отличающихся друг от друга, можно насчитать десятки. Например, никакие эукариоты не могут питаться метаном или угарным газом, или чистым водородом, или муравьиной кислотой, или железом. Зато бактерии или археи — иначе говоря, прокариоты — все это умеют. На уровне простой прокариотной клетки жизнь невероятно пластична. И это, кстати говоря, дает нам немалые шансы найти хотя бы прокариотную жизнь (или ее аналоги) на других планетах, пусть даже условия там и сильно отличаются от земных.

 

Три закона биоэнергетики

В конце XX века биохимик Владимир Петрович Скулачев сформулировал — во многом на основе своих собственных открытий — серию обобщений, которые он назвал законами биоэнергетики. Нелишне будет сказать, что на момент написания этих строк (февраль 2017 года) Владимир Петрович жив и активно работает — в частности, он остается деканом им же основанного факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ; это к вопросу о том, что далеко не все классики уже умерли и существуют только в виде пыльных портретов на стенах. Само название “биоэнергетика”, означающее изучение преобразований энергии в живых организмах, стало общепринятым именно благодаря Скулачеву, который посвятил этой науке полвека своей жизни. Протонные и натриевые потенциалы, связь синтеза АТФ с окислительно-восстановительными реакциями, механизмы фотосинтеза и дыхания — все это типичные предметы биоэнергетики. Как и азимовских законов роботехники, законов биоэнергетики по Скулачеву насчитывается ровно три. Давайте же их сформулируем, благо все нужные для этого понятия нам теперь уже знакомы.

Первый закон биоэнергетики: живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов (света или химических реакций) для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии (“энергетических валют”), а именно в АТФ, ∆μH или ∆μNa, и уже эти “валюты” расходуются на разные энергоемкие процессы.

Примером такого энергоемкого процесса может послужить самая обыкновенная механическая работа. Чаще всего на нее тратится АТФ: например, именно за счет расщепления АТФ сокращаются мышцы. Между прочим, когда в 1939 году Энгельгардт и Любимова открыли АТФазную активность миозина (см. главу 10), то многие коллеги вначале не хотели им верить: ну не может же вся мышечная клетка быть набита расщепляющим АТФ ферментом! Оказалось, вполне может. Жгутик какой-нибудь эвглены (или любого другого жгутиконосца) тоже работает за счет распада АТФ.

Правда, это относится только к эукариотному жгутику, который представляет собой покрытый плазматической мембраной вырост клетки с проходящим внутри пучком микротрубочек. Бактериальный жгутик устроен совершенно иначе (см. рис. 11.5). Это тонкая жесткая трубка из белка флагеллина, изогнутое основание которой (в его состав входит еще несколько разных белков) вмонтировано в клеточную стенку бактерии таким образом, что может относительно нее свободно вращаться. Если бактерию поймать за жгутик (например, если она им за что-нибудь зацепится), она станет вращаться относительно жгутика сама. В нормальной же ситуации жгутик обеспечивает бактериям очень быстрое движение, хотя ни с какими белками, расщепляющими АТФ, он не связан. Проще говоря, на вращение бактериального жгутика АТФ не тратится. Его вращение происходит не за счет энергии АТФ, а за счет протонного потенциала ∆μH, который преобразуется в работу без всякого химического посредника. Механизм этого оказался относительно простым. Основание бактериального жгутика связано с клеточной мембраной, на которой поддерживается разность концентраций протонов — снаружи их гораздо больше. Когда открываются протонные каналы, протоны текут внутрь клетки и попутно действуют на специальные моторные белки таким образом, что заставляют вставленный в мембрану диск крутиться. А вместе с ним крутится и жгутик. Установлено, что на один оборот жгутика расходуется энергия примерно 1000 протонов.

Стоит добавить, что если бактерия грамотрицательная, то все рассказанное относится к ее внутренней мембране, а не к наружной (см. главу 5). Через наружную мембрану жгутик проходит насквозь (там тоже для этого есть специальные белки), но в генерации движения она не участвует.

Самое интересное, что существуют и такие бактерии, у которых жгутик работает не на протонах, а на ионах натрия. Энергия натриевого потенциала может точно так же переходить в механическую работу и вращать жгутик, механизм там очень схожий. Более того, есть морские бактерии, которые имеют сразу два типа жгутиков — с протонными “моторами” и с натриевыми, и пользуются теми или другими в зависимости от солености окружающей среды, благо жгутики можно по мере надобности собирать и разбирать. В морской воде, где снаружи много натрия, выгоднее пользоваться натриевым движителем, а вне моря можно перейти на протонный. Эта история очень наглядно показывает, что протонный и натриевый потенциалы взаимозаменяемы.

Жгутик архей по своей конструкции похож на бактериальный, хотя и показано, что он сформировался независимо на основе других белков. У общего предка бактерий и архей никакого жгутика не было. Но при этом архейный жгутик тоже вращается и тоже работает на протонном потенциале. Это означает, что механизм вращения жгутика за счет потока протонов возник в ходе эволюции по меньшей мере дважды — у бактерий и у архей.

Второй закон биоэнергетики: любая живая клетка располагает как минимум двумя основными “энергетическими валютами”. Одна из них — всегда АТФ, вторая — или ∆μH, или ∆μNa.

Нередко бывает, что у одной и той же бактерии в клетке есть все три “валюты” — и АТФ, и ∆μH, и ∆μNa (с возможностью между ними переключаться). Впрочем, это зависит от среды: например, у пресноводных бактерий ∆μNa обычно не используется, потому что натрия в среде обитания просто маловато. Все три “валюты” есть и в животной клетке. Там они разделены в пространстве: на внешней (плазматической) мембране энергетика натриевая, а на внутриклеточных мембранах протонная. У животных натриевая энергетика очень активно используется и для транспорта веществ, и для обеспечения работы нервных клеток. У растений значение натриевой энергетики меньше, но нередко она тоже есть (а сочетание протонной энергетики и АТФ есть всегда). Живых организмов, обходящихся только одной энергетической валютой, по-видимому, просто не существует. Этих валют всегда не меньше двух. Исключение — только вирусы, у которых нет собственных энергетических систем.

Третий закон биоэнергетики: все три “энергетические валюты” могут свободно конвертироваться друг в друга. Поэтому одной из них (любой) в принципе достаточно для поддержания жизнедеятельности.

Например, при фотосинтезе за счет энергии захваченных квантов света сначала образуется протонный потенциал (∆μH) на специально предназначенной для этого мембране, а потом уже с помощью протонной АТФ-синтазы энергия этого потенциала трансформируется в энергию связей АТФ. То же самое происходит и при дыхании. Но есть морские бактерии, у которых в процессе дыхания генерируется не протонный потенциал (как у большинства других дышащих бактерий и у всех эукариот), а натриевый. Тут мы снова видим, насколько эти потенциалы взаимозаменяемы.

Благодаря ионным АТФ-синтазам и ∆μH, и ∆μNa могут свободно конвертироваться в энергию АТФ. И наоборот — тоже; если, например, клетке выгодно “инвестировать” энергию АТФ в протонный потенциал, она всегда может это сделать. Дело в том, что роторный механизм любой АТФ-синтазы можно раскрутить в другую сторону, и тогда она будет делать строго обратное тому, что делает “штатно”: расщеплять АТФ, перекачивая ионы против градиента концентрации. Так что с переводом энергии протонного (или натриевого) потенциала в энергию АТФ или обратно нет никаких трудностей. И наконец, ∆μH и ∆μNa могут свободно конвертироваться друг в друга вообще без всяких посредников, с помощью уже упоминавшегося натрий-протонного антипортера.

 

Загадка дыхания

Теперь мы в общих чертах представляем себе, насколько многообразны биохимические пути (то есть цепочки реакций), служащие живым существам для превращений энергии. И тут будет уместно задаться вопросом: есть ли у этого многообразия какие-нибудь пределы?

В 1960-х годов, на волне впечатлений от открытого тогда единства генетического кода, среди биологов распространилось убеждение, что и все другие важные биологические механизмы столь же едины: “То, что верно для бактерии, верно и для слона”. В этот период Джеймс Уотсон — тот самый, который прославился открытием двойной спирали ДНК, — регулярно говорил на лекциях своим студентам, что, по его мнению, на текущем этапе развития науки биологам вообще не следует изучать никакие многоклеточные организмы: ведь все интересующие нас молекулярные основы жизни есть и у бактерий, экспериментировать с которыми гораздо проще. (Уотсон продолжал твердить это студентам, несмотря на недовольство многих коллег. Всяческих зоологов, ботаников и эмбриологов он в те годы откровенно считал биологами второго сорта.)

Но первые свидетельства того, что на самом деле не все так просто, появились очень быстро. По словам некоторых генетиков, уже в 1970-х годах было бы гораздо правильнее сказать: “То, что верно для бактерии, неверно даже для дрожжей”. А с тех пор данных о разнообразии механизмов жизни накопилось еще больше. Где же истина?

Здесь может помочь вот какая аналогия. Знаменитый лингвист Ноам Хомский сумел убедить большинство своих коллег, что все земные языки объединены одной и той же универсальной грамматикой, основы которой “встроены” в мозг человека. По Хомскому, если бы на Землю попал марсианский ученый, он наверняка решил бы, что все земляне говорят на диалектах одного языка. Так вот, в этом смысле с разнообразием живых организмов дело обстоит примерно так же, как и с разнообразием языков. У живых организмов есть своя “универсальная грамматика”, роль которой исполняет единство набора аминокислот, генетического кода и аппарата трансляции. А уже на ее основе развились бесчисленные варианты и формы — “бесконечное число самых прекрасных форм”, как сказал когда-то Чарльз Дарвин; но сама “универсальная грамматика” при этом осталась незыблема. Правда, живые организмы (в противоположность языкам) явно отличаются друг от друга по сложности, так что для корректности нам лучше ограничить сравнение биохимическими механизмами. В этом случае тут же окажется, что биохимия человека отличается от биохимии какой-нибудь водородной бактерии примерно так же, как, например, китайский язык от алгонкинского, — не больше и не меньше.

В этой книге у нас нет ни возможности, ни цели подробно рассмотреть все многочисленные биохимические пути, снабжающие жизнь энергией. Некоторые из них, правда, мы уже мимоходом упомянули. А сейчас обсудим (очень кратко и бегло) только один выбранный в качестве примера путь, который называется кислородным дыханием. Есть целых три причины, чтобы особо его выделить. Во-первых, так уж сложилось, что мы, люди, относимся к тем формам жизни, для которых кислородное дыхание — вещь исключительно важная. Во-вторых, механизм дыхания сам по себе очень интересен; даже марсианский ученый с этим, скорее всего, согласился бы. И в-третьих, дыхание как бы венчает собой несколько других важных биохимических путей: оно служит продолжением как брожения (вернее, его начального этапа), так и фотосинтеза.

Природа процесса дыхания долго оставалась для ученых полной загадкой. Сейчас-то мы понимаем, что вопрос об этой природе было невозможно не то что решить, но даже адекватно поставить, пока не возникла полноценная научная химия. Базовая идея, что при дыхании организм поглощает и усваивает некоторую составную часть воздуха, отвергая другие его части, была впервые четко сформулирована только в XVI веке — ее автором считается Парацельс, который вообще ратовал за химический подход к жизненным явлениям. Но что это за составные части воздуха, Парацельс выяснить не мог. Это выяснил больше чем через 200 лет после него Антуан Лоран Лавуазье, к тому времени уже знавший, что такое кислород. Лавуазье опытным путем установил, что “чистый воздух, войдя в легкие, выходит из них частично в виде связываемого воздуха или меловой кислоты. Следовательно, чистый воздух, проходя через легкие, претерпевает такое разложение, которое имеет место при горении угля”. Меловой кислотой Лавуазье называл не что иное, как хорошо знакомый нам углекислый газ. Растворяясь в воде, он и правда моментально превращается в кислоту, которая сейчас называется угольной (H2CO3) и соли которой действительно составляют основу мела. Таким образом Лавуазье фактически сказал, что дыхание — это процесс, с химической точки зрения строго тождественный горению. И он был прав. В процессе дыхания глюкоза (C6H12O6) с помощью кислорода (O2) превращается в углекислый газ (CO2) и воду (H2O). Точно такой же результат получится, если эту глюкозу просто сжечь. И в самом деле, люди испокон веку жгут для обогрева древесину, которая (если она сухая) представляет собой массу пустых растительных клеточных стенок. А главный материал, из которого состоят растительные клеточные стенки, — это целлюлоза, полимер глюкозы, о котором мы говорили в главе 6.

Разница между дыханием и горением в том, что при горении энергия выделяется сразу, а при дыхании — постепенно, маленькими порциями, в процессе, состоящем из ряда регулируемых этапов. Именно эта разбивка на порции позволяет захватывать выделяемую энергию и запасать ее в молекулах АТФ. Это было бы невозможно, если бы выделение энергии происходило бурно, как при горении или тем более при взрыве.

Дыхание — это окислительно-восстановительная реакция. Как мы уже знаем, окислительно-восстановительными называются такие реакции, в которых происходит перенос электронов от некоего донора (восстановителя) к некоему акцептору (окислителю). Окислительно-восстановительные реакции, идущие в живых организмах, катализируются ферментами, которые называются оксидоредуктазами. Таких ферментов очень много. Само собой разумеется, что каждая оксидоредуктаза катализирует только одну реакцию — ту, для которой она предназначена.

Дыхание используется гетеротрофными организмами. Значит, исходным субстратом для него всегда будет органическое вещество. Как вообще может выглядеть окисление органических молекул? Например, можно отобрать атомы водорода у двух соседних атомов углерода, вынудив последние образовать между собой двойную связь. Есть и другой широко распространенный вариант: отнятие водорода у спиртовой группы (C–OH), на месте которой в результате образуется альдегидная или кетонная группа (C=O). Вот уравнения соответствующих реакций:

–CH 2 –CH 2 – → –CH=CH– + 2H + + 2e –

–CHOH– → –CO– + 2H + + 2e –

Обратим особое внимание на правую часть этих уравнений, где значится отобранный у органических молекул водород. Мы знаем, что атом водорода состоит из одного протона (H+) и одного электрона (e–). Сейчас в наших уравнениях эти частицы записаны по отдельности. И не случайно: их дальнейшая судьба может быть разной.

Итак, куда же деваются частицы, отобранные у окисленной органической молекулы (H+ и e–)? С протонами все просто: их всегда можно сбросить в водный раствор, где они прекрасно себя чувствуют (другими словами, для них энергетически выгодно нахождение там). При надобности их легко можно будет оттуда же и взять. Реакция диссоциации воды (H2O ⇌ H+ + OH–) идет постоянно, поэтому любой водный раствор в любой момент содержит практически неограниченный запас протонов.

А вот электроны в свободном виде в водном растворе существовать не могут. Для них нужен специальный переносчик. Любой фермент, отнимающий у кого-то водород, должен обязательно содержать в себе ловушку для электронов. Причем в реальности такими ловушками служат не аминокислоты, входящие в состав фермента (как можно было бы подумать), а особые молекулы, связанные с ферментом, однако сами имеющие небелковую природу. Их называют коферментами или кофакторами. Любой белок, катализирующий окислительно-восстановительную реакцию, обязательно содержит тот или иной кофактор, который сам может обратимо окисляться и восстанавливаться. По химической структуре кофакторы очень разнообразны — они бывают даже неорганическими; но чаще всего это небелковая органика. Многие кофакторы связаны с белками постоянно и настолько прочно, что не отделяются от них никогда (во всяком случае, пока не развалится сам белок). Но бывают и свободные кофакторы, которые взаимодействуют с ферментами только непосредственно в ходе реакций, а остальное время просто плавают в растворе. Познакомимся для начала с одним связанным кофактором и с одним свободным.

Самый распространенный связанный кофактор называется гемом (см. рис. 11.6А). Это органическая молекула, представляющая собой довольно-таки сложную конструкцию: четыре пятичленных кольца с четырьмя атомами углерода и одним атомом азота в каждом, соединенные перемычками с двойными связями и имеющие вдобавок несколько разнообразных боковых цепочек (с метильными, карбоксильными и прочими группами — их точный набор зависит от разновидности гема). Иногда гем связан со своим белком ковалентно, а иногда другими способами, но все равно очень прочно. А в центре гема обязательно находится атом железа (Fe). Это — сердце гема. Дело в том, что железо, как и любой металл, достаточно легко превращается в положительно заряженный ион, но при этом оно является элементом с переменной валентностью: ионы железа бывают двухвалентными (Fe2+), а бывают и трехвалентными (Fe3+). Присоединяя электрон, ион железа переходит из трехвалентной формы в двухвалентную, а отдав его — наоборот. Кстати, это тоже окислительно-восстановительная реакция, хоть и очень простая:

Fe 3 + + e – ⇌ Fe 2 +

Именно за счет этой реакции гем и служит отличным переносчиком электронов. Когда надо, он присоединяет электрон, когда надо — отдает.

Самый распространенный свободный кофактор — никотинамидадениндинуклеотид, сокращенно НАД (см. рис. 11.6Б). Эта молекула не так сложна, как гем. Вот из каких компонентов она состоит:

* рибоза (две штуки);

* фосфат (две штуки);

* аденин;

* амид никотиновой кислоты, он же просто никотинамид.

Фактически молекула НАД — это два нуклеотида, соединенных друг с другом через свои фосфатные группы фосфоангидридной связью. В одном из этих нуклеотидов азотистым основанием служит обыкновенный аденин. А вот во втором азотистое основание необычное. Представим себе замкнутое кольцо, состоящее из пяти атомов углерода и одного атома азота, с такой же системой двойных связей, как в бензоле (см. главу 1). Эта молекула будет называться пиридином (см. главу 7). Теперь представим себе, что к одному из атомов углерода в пиридине (но не к соседнему с азотом, а через один) присоединена карбоксильная группа. Вот это и будет молекула, которая называется никотиновой кислотой. Она была когда-то впервые получена при окислении известного растительного яда никотина — того самого, что содержится в табаке. А теперь представим себе, что от карбоксильной группы никотиновой кислоты (–COOH) оторвали гидроксил (–OH) и присоединили взамен него аминогруппу (–NH2). Тогда вместо карбоксила получится группа –CONH2. Производное кислоты, образовавшееся в результате такой операции, называется амидом.

В молекуле НАД никотинамид связан с сахаром через атом азота, находящийся в пиридиновом кольце. В результате этот азот становится четырехвалентным — ничего удивительного здесь нет, мы можем сейчас вспомнить, что уже видели подобное в ионе аммония NH4+ (см. главу 1). В этих молекулах четырехвалентный азот образует структуру, очень похожую на четырехвалентный углерод, но с другим зарядом ядра центрального атома. А в результате молекула никотинамида, оказавшаяся в составе НАД, приобретает положительный заряд в области атома азота. Это ее характерная особенность. Поэтому если молекула НАД находится в состоянии покоя (то есть никого не присоединила), то ее сокращенное название обычно пишут с указанием заряда: НАД+.

Именно остаток никотинамида служит в молекуле НАД+ коллектором электронов, способным восстанавливаться и окисляться (см. рис. 11.6В). Когда он восстанавливается, в пиридиновом кольце становится на одну двойную связь меньше и на один атом водорода больше, а положительный заряд исчезает. Уравнение этой реакции выглядит вот как:

НАД + + 2 H ⇌ HAДH + H +

Молекула НАД+ присоединяет один атом водорода целиком (электрон и протон), а от второго — только электрон. Оставшийся от второго атома протон уходит в окружающий раствор. Это, как мы уже знаем, не беда, поскольку протон из раствора можно в любой момент взять обратно.

В названии восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида — НАДH — первая буква — это русская Н, а последняя — латинская “аш”, их не надо путать. И НАД+, и HAДH хорошо растворяются в воде, так что использовать их во всевозможных реакциях очень удобно. В общем, молекула НАД+ отлично подходит для приема электронов, отобранных у окисленного субстрата.

В некоторых биохимических реакциях (не в дыхании) вместо НАД+ участвует его фосфорилированное производное, носящее еще более замечательное название никотинамид-адениндинуклеотидфосфат (НАДФ+). На самом деле это тот же НАД+, в состав которого вместо обычной рибозы входит рибозо-2-фосфат. Иными словами, НАД+ и НАДФ+ не отличаются ничем, кроме одной фосфатной группы. Обычно НАДФ+ принимает участие в конструктивном метаболизме, то есть во всевозможных синтезах. На свойства молекулы, касающиеся переноса электронов, наличие “пришитой” к сахару фосфатной группы никак не влияет. Скорее всего, она нужна просто затем, чтобы ферменты не путали НАД+ и НАДФ+ между собой, а использовали их в разных реакциях. А это, в свою очередь, нужно для того, чтобы энергетический и конструктивный метаболизм не были связаны друг с другом через общий кофактор, а были разделены: тогда их будет легче независимо регулировать.

Многие кофакторы синтезируются из содержащихся в нашей пище биологически активных веществ, которые называются витаминами. Собственно говоря, большинство витаминов — это и есть либо кофакторы, либо их прямые химические предшественники. Время жизни молекул кофакторов велико, так что они могут использоваться в реакциях огромное число раз повторно. Поэтому организму они нужны в довольно малом количестве. И по этой же причине человеку требуется лишь очень небольшое количество витаминов. Но если того или иного витамина в пище нет совсем, могут начаться серьезные проблемы. Например, никотиновая кислота, без которой невозможен синтез НАД+, организмом человека не синтезируется. Она должна поступать в него с пищей. А если никотиновой кислоты в пище не хватает, начинается серьезная болезнь — пеллагра. Вылечить ее можно, если давать больному никотиновую кислоту или даже прямо никотинамид. Неудивительно, что никотиновая кислота иначе называется витамином PP, что значит “предотвращающий пеллагру” (pellagra preventing).

Еще один важный свободный кофактор называется убихиноном, или коферментом Q (см. рис. 11.6Г). Его структура несложна, но по-своему интересна. Представим себе бензольное кольцо (с соответствующей системой двойных связей), к которому друг против друга присоединены две гидроксильные группы (–OH). Это будет спирт. Теперь представим, что у каждой гидроксильной группы отобрали по атому водорода. Это типичная окислительно-восстановительная реакция, в результате которой кислороду бывшего гидроксила ничего не останется, кроме как образовать с углеродом двойную связь. А поскольку валентность углерода в органике всегда равна 4, то система двойных связей в бывшем бензольном кольце вынужденно перестроится: их станет две вместо трех. И получится молекула, которая называется хиноном. Так вот, убихинон — это типичный хинон, к ядру которого добавлено несколько боковых цепей, а именно метильная группа, две группы –O–CH3 и (это самое главное) длинная углеводородная цепочка, которая может включать несколько десятков атомов углерода. Присоединив к себе два атома водорода, убихинон может легко восстановиться и превратиться в спирт:

убихинон (окисленная форма) + 2H + + 2e – ⇌ убихинол (восстановленная форма)

Вот на этой реакции и основано использование убихинона в качестве кофактора. Однако убихинон отличается от НАД+ тем, что он из-за своей длинной углеводородной боковой цепи совершенно нерастворим в воде. Растворяться он может только в гидрофобных веществах, то есть в липидах. Это тоже иногда бывает нужно. Убихинон действует как кофактор прямо внутри мембраны, в ее гидрофобной фазе.

Убихинон в норме синтезируется организмом человека, но при некоторых заболеваниях его может там не хватать. Поэтому к витаминам его можно отнести только с оговорками (витаминами принято называть молекулы, которые не синтезируются организмом человека вовсе). Но иногда убихинон все-таки считают витамином и тогда обозначают его как витамин Q. Это жирорастворимый витамин, в отличие от никотиновой кислоты, которая относится к водорастворимым витаминам.

Ну а теперь поговорим о дыхании.

 

От глюкозы до пирувата

Первый этап процесса дыхания — гликолиз — представляет собой цепочку из 10 последовательных реакций, в результате которых молекула глюкозы (C6H12O6) превращается в две молекулы пировиноградной кислоты, или пирувата (C3H4O3). Это замечательное вещество с красивым названием открыл в 1835 году великий шведский химик Йенс Якоб Берцелиус, автор терминов “протеин”, “органическая химия” и многих других (см. главу 3). Пировиноградная кислота — это трехуглеродная кислота, состоящая из карбоксильной группы, кетогруппы и метильной группы (см. главу 1 и рис. 1.8). Вот суммарное уравнение гликолиза:

C 6 H 12 O 6 + 2НАД + + 2АДФ + 2H 3 PO 4 → 2C 3 H 4 O 3 + 2НАДH + 2H + + 2АТФ + H 2 O

Здесь мы на самом деле видим сразу три сопряженных процесса. Первый из них — распад глюкозы (C6H12O6) до пирувата (C3H4O3); еще раз напомним, что в биохимии различие между кислотами и их анионами часто игнорируется, так что пировиноградная кислота и пируват для нас одно и то же. Второй процесс — восстановление двух молекул НАД+ до состояния “НАДH + H+”. Разумеется, это произошло за счет водорода, отнятого у глюкозы. (Если быть точным, атомы водорода отбираются не прямо у глюкозы, а у одного из промежуточных продуктов ее распада, и происходит это во время шестой по счету из составляющих гликолиз десяти реакций.) Ну а третий процесс, ради которого все, вообще говоря, и затевалось, — это синтез двух молекул АТФ. Уравнение показывает, что АТФ синтезируется из АДФ и фосфорной кислоты (H3PO4) с выделением воды (H2O). На уровне начальных и конечных продуктов так и есть, хотя реальный механизм тут гораздо сложнее. Но в любом случае образовавшиеся молекулы АТФ захватили свободную энергию, выделившуюся при распаде глюкозы и частичном окислении продуктов этого распада. Именно ради их синтеза вся эта система реакций и была нужна.

Гликолиз хорош тем, что абсолютно не требует участия молекулярного кислорода (O2). Поэтому, если кислородное дыхание по какой-то причине невозможно, гликолиз в принципе можно превратить в единственный способ получения энергии. И некоторые живые организмы на это действительно способны. В том случае, если гликолиз не предполагает продолжения в виде кислородного дыхания, к нему добавляется еще одна реакция, а именно восстановление пировиноградной кислоты (пирувата) до молочной кислоты (лактата):

C 3 H 4 O 3 (пируват) + НАДH + H + → С 3 H 6 O 3 (лактат) + НАД +

Как ни странно, смысл этой реакции вовсе не в пирувате и не в лактате. Ее истинный главный продукт — это кофактор НАД+. Дело в том, что запасы кофакторов в клетках обычно очень малы: мы уже говорили, что их молекулы оборачиваются в одних и тех же реакциях несчетное число раз. Но если молекулы НАД+ уже загружены водородом (то есть перешли в состояние НАДH), то использовать их для новых актов гликолиза невозможно. Чтобы продолжить переработку поступающей в клетку глюкозы, нужно сначала окислить НАДH до НАД+, вернув кофактор в рабочее состояние. На ученом языке это называют регенерацией НАД+. Вот именно для этого реакция образования лактата и нужна. Сам лактат является тут только побочным продуктом. А гликолиз вместе с реакцией образования лактата складывается в процесс, который называется молочнокислым брожением.

Надо учитывать, что гликолиз и молочнокислое брожение не синонимы, но в них совпадают 10 из 11 реакций (то есть все, кроме последней). Есть и другие типы брожения, основу которых тоже составляет гликолиз, но с иными “надставками”.

Достойно внимания, что биохимический путь молочнокислого брожения одинаков у молочнокислых бактерий, с помощью которых мы получаем кисломолочные продукты, и у многих эукариот, включая человека. Открытие этого биохимического пути было в свое время, пожалуй, исторически первой полученной наглядной иллюстрацией фундаментального единства жизни на Земле. Человек, конечно, не способен полностью перейти на брожение, но тем не менее наши клетки могут на него временно переключаться в случаях, когда дыхательные ферменты не успевают до конца окислять глюкозу — например, при очень сильных мышечных нагрузках. Это та самая ситуация, когда молочная кислота накапливается в мышцах. После прекращения нагрузки накопившуюся молочную кислоту приходится все-таки метаболизировать: с кровью она поступает в печень и там вновь превращается в пируват, который уже можно использовать в кислородном дыхании.

Нельзя не сказать, что у биохимического пути гликолиза есть второе красивое название: путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса. Это имена трех биохимиков, каждый из которых посвятил десятки лет своей жизни изучению обмена углеводов. Густав Георг Эмбден и Отто Фриц Мейергоф были блестящими представителями классической немецкой биохимии. Эмбден умер в 1933 году, не успев получить Нобелевскую премию, хотя несколько раз номинировался на нее. Мейергоф получил свою Нобелевскую премию еще в 1922 году, а в 1938-м эмигрировал из Германии, спасаясь от нацистов, и закончил свою жизнь профессором в Пенсильвании. И наконец, судьба последнего из этой тройки оказалась еще более сложной. Якуб Кароль Парнас, он же Яков Оскарович Парнас, родился в Западной Украине, которая тогда входила в состав Австро-Венгрии. Высшее образование он получил в Германии, затем в роли самостоятельного исследователя сотрудничал с университетами Кембриджа, Неаполя, Страсбурга, Гента и Цюриха, но в качестве основного места работы выбрал Львов, к тому времени уже принадлежавший независимой Польше. При Львовском университете Парнас создал целый Институт медицинской химии с группировавшейся вокруг него мощной научной школой. В сентябре 1939 года Польша рухнула, и ее бывшая восточная часть — то есть Западная Украина и Западная Белоруссия — была присоединена к СССР. Парнас мог бы попытаться эмигрировать, но предпочел остаться во Львове и продолжить свою работу. Советская власть поначалу приняла его очень хорошо, он — к тому времени уже всемирно известный ученый — стал академиком АН СССР. В конце июня 1941 года Парнас успел эвакуироваться из Львова за считаные сутки, если не часы, до вступления в город немецких войск; если бы он задержался, то, скорее всего, был бы убит нацистами, как десятки оставшихся во Львове польских профессоров и тысячи простых евреев. Парнас переехал в Москву, где стал первым директором созданного в 1944 году Института биологической и медицинской химии (этот институт существует до сих пор под названием ИБМХ РАН). Однако в начале 1949 года он был арестован советским министерством государственной безопасности по надуманному обвинению в шпионаже и умер в тюрьме прямо в день ареста то ли от инфаркта, то ли от диабетической комы. Никаких подтверждений обвинения против Парнаса в дальнейшем не получили — причины его ареста явно были чисто политическими, возможно, связанными с тем, что он, как и Мейергоф, был евреем по национальности. Это одна из многих трагических судеб ученых в страшную “эру разобщенного мира” первой половины XX века.

 

Цикл лимонной кислоты

Итак, мы остановились на том, что молекула глюкозы распалась до двух молекул пирувата, то есть пировиноградной кислоты. Ее формула нам уже давно знакома, и сейчас достаточно просто напомнить, что это — молекула с тремя атомами углерода. Если к пировиноградной кислоте добавить вторую карбоксильную группу, она превратится в молекулу, которая называется щавелевоуксусной кислотой (ЩУК). Это соединение с четырьмя атомами углерода, двумя карбоксильными группами и кетогруппой. А из щавелевой кислоты можно при желании получить еще более великолепную на вид молекулу, которая называется лимонной кислотой: соединение с шестью атомами углерода, тремя карбоксильными группами и одной гидроксильной группой в придачу (см. главу 1 и рис. 1.8). В дальнейших биохимических событиях эти вещества принимают самое активное участие. Итак, запомним, что пировиноградная кислота — это трехуглеродная молекула, щавелевоуксусная — четырехуглеродная, а лимонная — шестиуглеродная.

Местом “приключений” всех этих веществ служит митохондрия. Если гликолиз происходит в обычной цитоплазме, то все дальнейшие процессы, составляющие дыхание, могут идти только внутри митохондрий (если мы говорим об эукариотной клетке, конечно). Поэтому именно сейчас есть смысл рассмотреть митохондрии чуть детальнее, чем мы делали это до сих пор.

Митохондрии были открыты с помощью микроскопа еще в XIX веке В то время их описывали как находящиеся внутри клеток палочки или зерна. На самом деле форма митохондрий весьма разнообразна. В некоторых клетках митохондрии вообще сливаются друг с другом, образуя сложные ветвящиеся структуры. Кроме того, митохондрии обычно связаны с цитоскелетом (точнее, с микротрубочками). Это помогает им занимать фиксированное положение, а когда нужно, то и перемещаться по клетке.

Любая митохондрия имеет две мембраны — наружную и внутреннюю. Промежуток между ними называется межмембранным пространством. Это типичный пример компартментализации — разделения клетки на мембранные отсеки (см. главу 10). В наружную мембрану митохондрии в изобилии встроены каналообразующие интегральные белки (порины), которые пропускают туда и обратно практически все не слишком крупные молекулы. Грубо говоря, наружная мембрана митохондрии похожа на сито. Поэтому химический состав межмембранного пространства примерно такой же, как у окружающей митохондрию цитоплазмы, то есть у обычного содержимого клетки.

Наоборот, внутренняя мембрана митохондрии очень мало проницаема для молекул и особенно для ионов (свойства липидного состава этой мембраны таковы, что ее проницаемость уменьшена до предела). Пространство, ограниченное внутренней мембраной митохондрии, называется матриксом. Кроме того, внутренняя мембрана митохондрии всегда имеет множество складок, которые принято называть кристами. Это нужно для увеличения ее поверхности. Переход молекул из межмембранного пространства в матрикс возможен только с помощью особых мембранных белков, часто использующих сопряженный транспорт. Именно в матриксе и происходят дальнейшие превращения пирувата.

Превращения эти, прямо скажем, довольно сложны. Мы сейчас ограничимся предельно упрощенным описанием, в котором будем обращать внимание в основном на судьбу атомов углерода. В конечном итоге путь этих атомов всегда завершается тем, что они окисляются до углекислого газа (CO2). Углекислый газ — бесполезный для дышащих существ конечный продукт, из которого вся энергия уже извлечена; дальше его можно только выдохнуть. Помня об этом, дальнейшую судьбу пировиноградной кислоты (то есть пирувата) легко разбить на четыре стадии.

* Вначале пировиноградная кислота декарбоксилируется. Это означает, что от нее отрывается карбоксильная группа, остаток которой в данном случае сразу же окисляется до углекислого газа (CO 2 ).

* Фрагмент, оставшийся от пировиноградной кислоты и содержащий теперь только два атома углерода, уносится специальным кофактором и присоединяется к щавелево-уксусной кислоте (четырехуглеродной), которая превращается тем самым в лимонную кислоту (шестиуглеродную).

* Молекула лимонной кислоты еще дважды декарбоксилируется, попутно перестраиваясь. Последнее означает, что во всех реакциях, кроме первой, на самом деле фигурирует уже не сама лимонная кислота, а ее производные, но мы не будем их тут перечислять, а удовольствуемся конечным результатом. Важно то, что на этой стадии в итоге образуется еще две молекулы углекислоты (CO 2 ). Таким образом, все три атома углерода, которые были в пировиноградной кислоте, теперь окислены до предела. Эти реакции требуют расхода воды (H 2 O), потому что кислорода, содержащегося в самой пировиноградной кислоте, на такое полное окисление не хватит.

* В конечном счете четырехуглеродный фрагмент, оставшийся от лимонной кислоты после реакций декарбоксилирования, превращается обратно в щавелевоуксусную кислоту. Тем самым цепочка реакций замыкается в цикл, который называют циклом лимонной кислоты, или циклом Кребса (см. рис. 11.7).

Большинство реакций, входящих в цикл Кребса, являются окислительно-восстановительными. Вот типичный пример такой реакции:

HOOC–CH 2 –CHOH–COOH + НАД + → HOOC–CH 2 –CO–COOH + НАДH + H +

Здесь перед нами окисление яблочной кислоты (слева) до щавелевоуксусной (справа). Между этими двумя кислотами есть одно-единственное различие: там, где в яблочной кислоте находится гидроксильная группа (–CHOH–), в щавелевоуксусной кислоте на ее месте кетогруппа (–CO–). Чтобы превратить гидроксильную группу в кетогруппу, нужно отнять у молекулы два атома водорода (H). Именно это и делает фермент под названием малатдегидрогеназа. Это название легко расшифровать: малат — анион яблочной кислоты, а дегидрогеназы — общее название всех ферментов, отнимающих водород. Ферменты-дегидрогеназы — это одна из подгрупп ферментов-оксидоредуктаз, о которых мы говорили выше. Как и во многих других подобных реакциях, отобранные у яблочной кислоты два атома водорода тут же захватывает кофермент НАД+, который превращается при этом в НАДН (плюс протон в растворе).

Итак, в матриксе митохондрий идет целая серия окислительно-восстановительных реакций, конечные продукты которых, во-первых, углекислый газ и, во-вторых, отобранный у субстрата водород (см. рис. 11.8). Углекислый газ — это отход, который просто выдыхается (его молекулы так малы, что даже внутренняя мембрана митохондрии для них проницаема). Теперь от исходного субстрата, то есть от глюкозы, ничего не осталось, кроме отобранных атомов водорода, судьба которых совершенно особая.

 

Дыхательная цепь

Итак, молекула глюкозы, с которой мы начали разговор о дыхании, наконец-то полностью распалась. И произошло это в ходе цикла лимонной кислоты. Давайте посмотрим на главные особенности этого процесса.

Во-первых, он идет в матриксе митохондрий (то есть в замкнутом пространстве, ограниченном внутренней мембраной митохондрии), и только там.

Во-вторых, он не требует молекулярного кислорода (O2).

В-третьих, он хотя и сопровождается синтезом АТФ, но в очень малом количестве (всего одна молекула на каждый оборот цикла).

Главный продукт цикла лимонной кислоты — восстановленные формы свободных кофакторов. “Восстановленные” в данном случае, конечно, значит “нагруженные водородом”. Кофакторов с такой функцией, фигурирующих на выходе из цикла лимонной кислоты, существует два. Первый из них — это уже хорошо знакомый нам НАД+. Со вторым же мы еще не сталкивались. Не будем вникать в его молекулярную структуру, а ограничимся названием, благо оно красивое: флавинадениндинуклеотид, сокращенно ФАД. Химический предшественник ФАД хорошо известен медикам как водорастворимый витамин B2. Молекула ФАД может присоединить к себе два атома водорода, перейдя в восстановленную форму, а может и отдать их обратно:

ФАД + 2H ⇌ ФAДH 2

В грубом приближении (которого мы и будем тут придерживаться) можно вообще игнорировать ФАД и свести весь “окислительно-восстановительный сюжет” к обороту НАД, вклад которого все равно существенно больше. Если говорить точно, в результате каждого оборота цикла лимонной кислоты восстанавливаются три молекулы НАД+ и одна молекула ФАД. Легко сосчитать, что вместе они поглощают восемь атомов водорода.

Проблема в том, что никакой механизм регенерации этих кофакторов в цикле лимонной кислоты не предусмотрен. А это должно означать, что использовать их можно только один раз. Дальше они нагружаются водородом и в рамках самого цикла лимонной кислоты разгружены быть не могут. Что же с ними делать?

Вот тут-то и начинается самое интересное. Но чтобы оценить, насколько это интересно, нужно (в который уже раз) небольшое вступление.

Начать тут лучше всего с немецкого биохимика Эдуарда Бухнера. В 1880-х годах, когда Бухнер начинал работать, химики и биологи вовсю спорили о природе брожения. Имело место противостояние двух мнений. Одни ученые были уверены, что брожение есть физиологический акт, неотделимый от живой материи по самой своей природе, и воспроизвести его вне живой клетки принципиально невозможно. Другие же считали, что брожение — это чисто химический процесс, требующий, конечно, определенных катализаторов, но потенциально вполне способный протекать и без всяких клеток, в любом растворе, где эти катализаторы есть. Обе точки зрения имели своих яростных защитников, и спор растянулся на несколько десятилетий. В 1897 году Бухнеру удалось наконец-то однозначно решить эту проблему. Он превратил клетки дрожжей в бесклеточный экстракт, растерев их в ступке с песком, и показал, что если добавить этот экстракт в раствор сахара, то там произойдет брожение, абсолютно идентичное естественному (в данном случае это было спиртовое брожение, конечными продуктами которого являются углекислый газ и этиловый спирт). Между прочим, это отличный пример того, как биолог вынужденно разрушает живое тело, превращая его в неживое, чтобы выяснить действующие там механизмы, а потом мысленно воссоздать живой объект, уже понимая, как он устроен. Такая аналитическая наука, как биохимия, основана на этом подходе практически целиком. А историю современной биохимии часто отсчитывают именно от работы Бухнера, экспериментально доказавшего, что брожение — это обычный химический процесс, в котором ферменты играют роль катализаторов.

Сам Бухнер сразу понял огромное значение своего открытия. Зная высочайшую требовательность немецких химиков (как-никак лучших в то время в мире), он потратил еще месяц на тщательное проведение повторных опытов и только потом опубликовал сообщение о них. И оно произвело сенсацию. Теперь Бухнеру была обеспечена блестящая профессорская карьера, а в 1907 году он получил одну из первых Нобелевских премий по химии. К сожалению, жизнь Бухнера оказалась не слишком долгой из-за того, что он, как и многие другие немецкие интеллектуалы кайзеровской эпохи, был настроен довольно милитаристски. В момент начала Первой мировой войны ему было уже 54 года, но он все равно вступил в армию, где через некоторое время получил Железный крест и чин майора. В 1917 году он погиб от ранения на второстепенном и, по сути, не нужном никому из участников этой войны Румынском фронте.

Почему все это для нас важно? А вот почему. После открытия Бухнера у биохимиков сложилось стойкое убеждение, что живая клетка — это в общем-то просто мешок с ферментами. В 1901 году австриец Франц Хофмейстер, известный исследователь белков, выступил с четким предсказанием: для любой жизненно важной химической реакции должен найтись специфический внутриклеточный фермент. Буквально за считаные годы эта позиция стала общепринятой. Теперь для посвященных клетка выглядела не таинственным вместилищем жизни, а просто неким объемом с раствором, где идут реакции, вызываемые набором довольно сложных, но вполне поддающихся обычному химическому исследованию белковых катализаторов (то есть ферментов). И это, конечно, была правда. Но вот беда — не вся.

Дело тут вот в чем. И гликолиз, и брожение, и цикл лимонной кислоты — это цепочки химических реакций, идущих в однородной (гомогенной) жидкой среде, в которой ферменты просто растворены. Вопрос о направлении такой реакции в пространстве не только не имеет ответа, но и вообще лишен смысла (как и для подавляющего большинства реакций, изучаемых “обычной” химией). А вот дальше нам придется иметь дело с реакциями, организация которых в пространстве имеет важнейшее значение, потому что в них происходят строго направленные переходы молекул между разными фазами. Среду, где идут такие реакции, уже невозможно рассматривать как простой мешок с раствором ферментов. Это система с внутренней структурой, где есть направления, границы, поверхности раздела. И первым, кто это понял, был гениальный Питер Митчелл. Однако давайте обо всем по порядку.

Согласно общепринятому определению, фаза — это часть объема системы, однородная по составу и свойствам и отделенная от других частей той же системы поверхностью раздела. Последнее очень важно. Там, где никакой поверхности раздела нет, говорить о разных фазах нельзя. Например, если растворить в воде поваренную соль, получится система, не разделенная на фазы (обычный раствор). Но если насыпать в воду столько соли, чтобы она начала выпадать в осадок, то получится уже система с двумя фазами — жидкой (раствор) и твердой (кристаллы соли). Еще более простой пример системы c жидкой и твердой фазами — обычная вода, в которой плавают куски льда.

Система с двумя жидкими фазами тоже вполне возможна. Например, вода и бензол не растворяются друг в друге, потому что бензол — ярко выраженное гидрофобное вещество (см. главы 1 и 2). Если попытаться их смешать, в сосуде образуется два слоя: сверху бензол (он легче), снизу вода. И между ними будет четкая поверхность раздела.

Давно известно, что и клеточную мембрану можно в неплохом приближении рассматривать как гидрофобную жидкость, зажатую в очень тонком слое. И таким образом, на арене, где происходит дыхание (то есть внутри митохондрии), мы видим систему из трех жидких либо полужидких фаз: (1) матрикс, (2) внутренняя мембрана митохондрии и (3) межмембранное пространство. Первая и третья из этих фаз — гидрофильные, а вот вторая — гидрофобная. И она тут никак не менее важна, чем остальные две. Мы уже видели, что есть специальные кофакторы, способные работать только в гидрофобных условиях, то есть внутри мембраны: например, убихинон, который нерастворим в воде, зато хорошо растворяется в “жирных” средах. Но главное, прямо в мембране находится несколько ферментов-оксидоредуктаз, называемых вместе дыхательной цепью. И эти ферменты могут не только присоединять к себе остатки атомов водорода (то есть электроны), но и передавать их друг другу по цепочке — потому они так и названы.

Ферменты дыхательной цепи сами по себе очень интересны. Они были открыты еще в XIX веке и активно изучаются биохимиками до сих пор. Это огромные белки со сложнейшей четвертичной структурой, дрейфующие в фосфолипидном море мембраны, подобно айсбергам, верхушки которых высовываются наружу — в водную фазу. Каждый фермент дыхательной цепи обязательно связан со своим кофактором, который, собственно, и захватывает электроны (это может быть упоминавшийся выше гем, но могут быть и другие кофакторы, которые мы не обсуждали, потому что “нельзя объять необъятное”). Поскольку мембрана по своим физическим свойствам близка к жидкости, ферменты и кофакторы могут в ней перемещаться, сталкиваясь друг с другом и передавая электроны по цепи. Причем один из этапов этого переноса электронов внутри мембраны осуществляет даже не белок, а гораздо более простой свободный кофактор — уже знакомый нам убихинон.

Ну а теперь вернемся к тому, что происходит дальше с конечными продуктами цикла лимонной кислоты.

Главный из этих продуктов — конечно, НАДH. Напомним, что это восстановленный вариант НАД+, присоединивший к себе два электрона (e–) и один протон (H+). При наличии желания и возможности молекулу НАДH можно разложить на составные части:

НАДH ⇌ НАД + + H + + 2e –

Именно это разложение ферменты дыхательной цепи и осуществляют. Молекуле НАДH, плавающей в матриксе, нужно только приблизиться к мембране, чтобы соответствующий фермент дыхательной цепи (он называется комплексом I) отобрал у нее оба электрона. А пройдя всю цепь, электроны доходят до комплекса IV, который тут же захватывает молекулярный кислород — только сейчас он наконец-то понадобился! — и объединяет его с электронами и протонами (последних, как мы знаем, всегда хватает в окружающем растворе). В результате два электрона, один атом кислорода и два протона монтируются в молекулу воды:

½O 2 + 2H + + 2e – → H 2 O

Теперь глюкоза “сгорела” окончательно — до углекислого газа и воды. Процесс дыхания завершен.

А заодно произошла регенерация НАД+. Его теперь можно заново использовать в цикле лимонной кислоты или в любых других реакциях, в каких только захочется. Мы видим, что в данном случае именно кислород забрал у восстановленного НАДH атомы водорода, которыми тот был нагружен. Вот зачем, собственно, и нужен кислород при дыхании: чтобы послужить окислителем, отбирающим электроны у НАДH. Суммарное уравнение этого процесса выглядит так:

НАДH + H + + ½O 2 → НАД + + H 2 O

Справа у нас тут восстановленный НАДH (с протоном) и кислород, а слева — окисленный НАД+ и вода. Таким образом, мы имеем полное формальное право сказать, что НАДH окисляется кислородом. Хотя физически молекула НАДH вообще не взаимодействует с молекулой O2: они разделены целой цепочкой ферментов, передающих электроны.

Осталось выяснить, каким же, собственно говоря, способом организм получает при этом энергию. Ведь к моменту окончания цикла лимонной кислоты молекул АТФ у нас пока еще мало, в несколько раз меньше, чем могло бы синтезироваться за счет полного сгорания глюкозы, если исходить из свободной энергии этого процесса. Чтобы понять, откуда в дыхательной цепи берется энергия, нужно обратить внимание на обмен протонов.

 

Зубчатые колеса

Что происходит с протонами, пока во внутренней мембране митохондрии работает дыхательная цепь (она же цепь переноса электронов)?

Дать ответ на этот вопрос нам сейчас уже не составит особого труда. Но, прежде чем к нему перейти, отметим несколько важных фактов, которые мы на самом-то деле уже знаем.

Во-первых, из-за того, что вода постоянно диссоциирует (Н2О ⇌ H+ + OH–, см. главу 1), запас протонов в водных растворах неограничен. С точки зрения подавляющего большинства реакций они там всегда в избытке. Но — внимание! — этот избыток отнюдь не означает, что концентрации протонов всюду равны. Их вполне может быть где-то больше, а где-то меньше.

Во-вторых, внутренняя мембрана митохондрии практически непроницаема для всех ионов, не исключая и протоны (особенности ее состава таковы, что она даже более непроницаема для них, чем другие мембраны в той же клетке).

В-третьих, внутренняя мембрана митохондрии строго асимметрична: две ее стороны обладают разными свойствами. Белки дыхательной цепи “высовываются” из мембраны в окружающий водный раствор, но каждый — только в свою сторону, в согласии с той функцией, которую он выполняет. А нередко и разные части одного и того же белкового комплекса бывают направлены в разные стороны, причем каждая — в точном соответствии со своим предназначением. Например, белковый комплекс I, который отбирает электроны у НАДH, имеет два совершенно разных активных центра, один из которых “высовывается” из мембраны в матрикс, а другой — совсем наоборот, в сторону межмембранного пространства. Это типичная ситуация.

В-четвертых, давайте вспомним о завершающем дыхательную цепь белковом комплексе IV, который захватывает кислород и соединяет его с электронами и протонами, образуя воду. Электрон и протон в сумме дают атом водорода. На одну молекулу кислорода (O2) тратится четыре электрона (e–) и четыре протона (H+), давая в результате две молекулы воды (H2O). Электроны приходят по мембранной цепи, их переносящей, а протоны захватываются из водного раствора. Так вот, активный центр этого комплекса обращен на внутреннюю сторону мембраны, то есть в матрикс. Где, таким образом, протонов по ходу его работы становится меньше.

И наконец, последний важнейший момент. Перенос электронов с НАДH на конечный окислитель, в данном случае на кислород, — это энергетически очень выгодный процесс. Количество свободной энергии, которая в нем выделяется, вполне сравнимо с количеством свободной энергии, выделяемой в настоящем пламени. Весь смысл процесса дыхания в том и состоит, чтобы, захватив эту энергию, конвертировать ее в форму, подходящую для дальнейшего использования.

Что же это за форма такая? Мы уже давно знаем, что самый популярный в современной живой природе способ запасания энергии — это обратить ее в энергию связей АТФ. Что ж, ничто не мешает нам вообразить встроенную в мембрану молекулярную машину в виде белка, конвертирующего энергию переноса электронов прямо в АТФ. Такое вполне, что называется, мыслимо. В наглядных образах эту “машину” можно было бы представить как две сцепленные шестеренки, одна из которых вертится под напором текущих электронов, а вторая автоматически пришивает фосфаты к АДФ, превращая его в АТФ.

Однако, хотя ничего принципиально невозможного в существовании такого белка нет, эволюция его почему-то не создала. Наша аналогия не совсем фантастична: некоторые (отдаленные, конечно) аналоги сцепленных шестеренок в белках дыхательной цепи и в самом деле присутствуют. Но энергию потока электронов они используют не для синтеза АТФ, а для транспорта протонов. Это типичный активный транспорт: протоны принудительно переносятся из матрикса (где их и так меньше) в межмембранное пространство (где их и так больше). Причем такие встроенные системы сопряженного транспорта есть подряд в нескольких белках дыхательной цепи, через которые последовательно проходят переносимые электроны. В результате изнутри наружу суммарно выбрасывается 64 протона на каждую исходную молекулу глюкозы. И таким образом, снаружи от мембраны становится не просто больше, а намного больше протонов, чем внутри:

[H + ] out ≫ [H + ] in

Теперь дело сделано. Ведь разность концентраций протонов, она же протонный потенциал (∆μH), — это не что иное, как еще один универсальный способ хранения энергии. Уж это мы теперь прекрасно знаем. Согласно законам биоэнергетики, энергию протонного потенциала всегда можно конвертировать в энергию АТФ:

∆μH ⇌ АТФ

Именно это и делает встроенная во внутреннюю мембрану митохондрии протонная АТФ-синтаза. С белками дыхательной цепи она не связана. Она просто пропускает накопившиеся протоны снаружи (где их больше) внутрь (где их меньше), а за счет высвобожденной при этом энергии синтезирует АТФ. Тот самый АТФ, благодаря которому мы живем. Подсчеты показывают, что из 38 молекул АТФ, которые синтезируются в результате полного окисления одной молекулы глюкозы, 34 синтезирует протонная АТФ-синтаза. Последней всего-то и остается, что открыть протонный канал да позволить крутиться своей “водяной (вернее, протонной) мельнице” (см. рис. 11.9). Вот этот завершающий процесс и открыл в свое время Питер Митчелл, получив в результате Нобелевскую премию.

Интересно, а могла бы дыхательная цепь обойтись вообще без переходного звена, каковым тут является активный транспорт протонов? Что мешает перевести энергию переноса электронов на окислитель прямо в энергию АТФ, отказавшись от ее промежуточного запасания в виде протонного (или, у некоторых бактерий, натриевого) потенциала? Чисто физически, видимо, ничто не мешает. О белках дыхательной цепи известно, что они могут отвечать серьезными конформационными изменениями даже на присоединение одного-единственного электрона. Тогда почему бы и не создать электронную АТФ-синтазу? Но за четыре миллиарда лет биологической эволюции этого так и не произошло. Может быть, вариант с протонным потенциалом чем-то выгоднее (например, тем, что протонный потенциал автоматически распределяется по всей протяженности сколь угодно длинной и разветвленной митохондрии — в некоторых клетках митохондрии даже специально сливаются друг с другом, чтобы использовать эту возможность). А может быть, дело в том, что это наследие очень древнего эволюционного прошлого, отказ от которого потребовал бы столь серьезной перестройки обмена веществ, что лучше уж было оставить все как есть. Вероятно, мы поймем это несколько лучше, когда разберемся в том, какой из способов запасания энергии эволюционно первичен.

 

Поэма начала

В этой главе мы уже говорили о том, насколько разными способами живые существа получают энергию. Теперь нам осталось сузить эту проблему до предела и обсудить способы синтеза АТФ, которых насчитывается всего-то навсего два (причем чаще всего они наблюдаются одновременно у одних и тех же организмов).

Первый способ называется субстратным фосфорилированием. В этом случае по ходу предназначенного для поставки энергии биохимического пути создается некоторая молекула, включающая в себя фосфат с макроэргической связью (X~Ф). А потом этот фосфат переносится на АДФ. В результате получается молекула АТФ, содержащая новую макроэргическую связь и запасающая энергию в себе:

X~Ф + АДФ → X + АТФ

Именно так генерируется энергия в процессе гликолиза (веществом, которое мы обозначили как X~Ф, там служит фосфоенолпируват). Подобные реакции идут просто в растворе, никакая сложная структура среды с выделенными направлениями и границами для них не нужна. А это означает, что субстратное фосфорилирование вполне соответствует бухнеровскому представлению о клетке как простом мешке с растворенными ферментами.

Второй способ — мембранное фосфорилирование — представляет собой уже хорошо знакомое нам обращение энергии протонного (или натриевого) потенциала в энергию АТФ с помощью соответствующей ионной АТФ-синтазы. Ясно, что для мембранного фосфорилирования необходима замкнутая мембрана, сквозь которую протоны (или ионы натрия) будут проходить только с помощью особых белков и только в одну сторону. Этот способ получения АТФ — основной и в дыхании, и в фотосинтезе. В ходу он и у обладателей многих других типов метаболизма. Например, метаногенные археи (которые живут за счет восстановления углекислого газа до метана) тоже пользуются мембранным фосфорилированием как главным источником энергии. Они создают на своей внешней мембране протонный потенциал, а потом конвертируют его в энергию связей АТФ.

А теперь зададимся вопросом, который наверняка покажется самым интересным во всей этой истории многим биологам независимо от того, связаны ли они с биохимией (хочется надеяться, что и многим небиологам тоже): какое фосфорилирование появилось раньше — субстратное или мембранное?

Сразу признаемся, что это вопрос исключительно сложный (даже сама возможность его поставить появилась считаные десятилетия назад) и никакого окончательного ответа на него нет. Как раз наоборот, на эту тему прямо сейчас идет активная полемика. И чтобы разобраться в ее предмете, нам придется обратиться к самым истокам жизни.

В 1929 году английский биолог Джон Холдейн опубликовал статью о происхождении жизни, в которой бегло, вовсе не претендуя на окончательную истину, попытался обрисовать свои тогдашние представления об этом процессе. Холдейн всегда отличался ясностью и смелостью мыcли. Предложенный им сценарий происхождения жизни оказался невероятно убедительным — до такой степени, что вошел в школьные учебники и породил многочисленные мемы (вроде, например, изображений консервных банок с надписью “Haldane’s Primordial Soup” — “Первичный бульон Холдейна”). Сводится этот сценарий вот к чему. Изначально древняя Земля, разумеется, была совершенно безжизненной. Она имела водный океан и атмосферу, состоявшую в основном из углекислого газа (CO2), аммиака (NH3) и водяного пара. Свободного кислорода в атмосфере не было и озонового слоя, соответственно, тоже. Поэтому ультрафиолетовый компонент солнечных лучей свободно достигал поверхности воды. Ультрафиолетовые лучи несли вполне достаточно энергии, чтобы вызывать спонтанные превращения углекислого газа, аммиака и воды в органические молекулы, которыми постепенно заполнялся океан. Так и возник знаменитый “первичный бульон”: целый океан, представлявший собой теплый разбавленный раствор уже довольно разнообразной органики. Идеальная питательная среда для жизни, которой на тот момент еще не было. В этой-то среде и появились первые живые существа — очень простые, возможно (говорит Холдейн) похожие на вирусы: ведь те и по сей день проявляют активность, только оказавшись в богатой питательной среде, внутри чужой клетки. Во всяком случае, Холдейн был уверен, что первые на Земле живые организмы были гетеротрофами, и считал, что их способом питания, скорее всего, было брожение (тут он цитирует великого французского биолога Луи Пастера: “Брожение — это жизнь без кислорода”). Вот в таком виде гипотеза Холдейна и обрела огромную популярность, которой он, возможно, и сам не ожидал.

Почему эта гипотеза важна для нас? А вот почему. Брожение — это способ получения энергии, полностью основанный на субстратном фосфорилировании. В брожении не участвуют никакие мембранные белки, оно от начала до конца протекает в растворе, и с этой точки зрения его механизм выглядит очень примитивным. Казалось бы, все отлично соответствует гипотезе Холдейна. Однако со времен Холдейна накопилось много фактов, заставляющих серьезно усомниться в том, что первые живые организмы на Земле могли быть бродильщиками.

Прежде всего, брожение попросту малоэффективно. Его реакции идут в общем-то на грани энергетической выгоды и дают очень мало АТФ (две молекулы на одну молекулу глюкозы, как мы уже знаем). А вот биохимическая “машинерия” брожения, хоть и не требующая мембранных белков, на самом деле весьма сложна. Для молочнокислого или спиртового брожения нужно примерно 12 ферментов, катализирующих последовательные реакции, причем каждый из этих ферментов представляет собой довольно сложный белок, кодируемый особым геном. А ведь любой из этих белков и генов сам должен быть продуктом долгой эволюции. Трудно поверить, что подобный тип обмена возник самым первым. Гораздо вероятнее, что он появился позже, как пристройка к неким более простым и в то же время более эффективным энергетическим механизмам. У современных специализированных бродильщиков эти древние механизмы исчезли, а брожение осталось. В общем, из того, что брожение обходится без мембранного фосфорилирования, никак не следует, что этот способ добычи энергии очень прост, и уж тем более не следует, что он был исходным для всех живых существ.

Современная молекулярная биология подтверждает эти мысли. На эволюционных деревьях видно, что все бродильщики относятся к производным эволюционным ветвям, достаточно далеким от общего предка всех клеточных организмов. К тому же показано, что ферменты гликолиза у бактерий и у архей не имеют между собой ничего общего. Все это означает, что брожение — довольно позднее приобретение, появлявшееся в ходе эволюции независимо несколько раз. Ничего невероятного в таком выводе нет, мы знаем и другие примеры, когда достаточно сложные механизмы неоднократно независимо “изобретались” разными эволюционными ветвями; по всей видимости, это относится к фотосинтезу и даже к репликации ДНК (см. главу 9). Вот и с брожением та же история.

Сравнивая друг с другом современные живые организмы, легко убедиться, что мембранное фосфорилирование гораздо более универсально, чем субстратное. Оно есть и у бактерий, и у архей, и у эукариот. На мембранном фосфорилировании основана система получения энергии у всех без исключения организмов, использующих фотосинтез или дыхание, а также у метаногенов, карбокситрофов, метилотрофов, водородных бактерий и серобактерий. И ведь это еще неполный список: надо учитывать, что некоторые типы метаболизма мы тут просто не обсуждали (хотя в знакомую нам теперь классификацию все они, конечно, так или иначе входят). Специализированные бродильщики — вообще единственные в современном мире, кто получает энергию просто из реакций, идущих в растворе внутри клетки, без всякой генерации потенциала на плазматической мембране этой клетки.

К этому можно добавить, что и у бродильщиков ионный потенциал на мембране обычно все-таки есть. Если он и не служит для получения энергии, то служит для других целей, в первую очередь для сопряженного транспорта. Всевозможные симпорты и антипорты очень удобно осуществлять, когда на мембране постоянно поддерживается разность концентраций каких-нибудь ионов.

Английский биохимик Ник Лейн считает, что все эти факты не оставляют сомнений в огромной древности ионных потенциалов вообще и мембранного фосфорилирования в частности. По мнению Лейна, для утверждения, что у общего предка всех современных живых клеток было мембранное фосфорилирование, есть примерно столько же оснований, сколько и для утверждения, что у него были, например, рибосомы (в чем давно уже никто не сомневается). Тогда получается, что у него была мембрана, уже способная “держать” либо протонный, либо натриевый потенциал и пригодная для выработки полезной энергии.

Тут надо сказать пару слов о самом Нике Лейне. Он не только биохимик, но и известный популяризатор науки; четыре его книги уже вышли на русском языке (они называются “Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции”, “Энергия, секс и самоубийство. Митохондрии и смысл жизни”, “Кислород. Молекула, изменившая мир” и “Вопрос жизни”). А его любимая узкая специальность — биоэнергетика. Неудивительно, что сквозь многие работы Лейна, что называется, красной нитью проходит одна и та же мысль: современная биология уделяет слишком много внимания проблеме информации в ущерб проблеме энергии. Давайте присмотримся к этой мысли.

Не кто иной, как Джон Холдейн, в свое время определил жизнь как способ существования самовоспроизводящихся структур за счет притока энергии извне. В этом определении важны обе части. Основу живых самовоспроизводящихся структур образуют носители наследственной информации, то есть у большинства живых организмов молекулы ДНК; процесс их копирования хорошо нам знаком, он называется репликацией (см. главу 9). А теперь подумаем о том, что в ходе репликации любая цепочка ДНК собирается из большого количества — от тысяч до миллионов — отдельных плавающих в растворе мономеров-нуклеотидов, которые специальные ферменты должны сначала захватить, потом расположить в необходимом порядке, примерно как типографские литеры при наборе текста, потом сшить фосфатными мостиками, а потом еще придать получившейся молекуле строго определенную пространственную укладку. Нечего и говорить, что этот сложный процесс, без которого земная жизнь немыслима, требует огромных (по молекулярным меркам) затрат энергии. Откуда эта энергия берется? И откуда она бралась, когда жизнь только-только возникала?

На этот вопрос Лейн дает вот какой общий ответ. Пусть мы и не знаем точно, в какой именно природной системе появилась жизнь, но из общих соображений следует ожидать, что эта система была, выражаясь научным языком, термодинамически неравновесной. Это означает, что в ней наверняка существовал какой-нибудь устойчивый перепад или поток, к которому новорожденная жизнь могла бы, грубо говоря, “присосаться”. Древний океан, освещенный Солнцем, подходит на роль такой системы очень плохо. Во-первых, он слишком однороден. Во-вторых, ультрафиолетовое излучение, служащее в этих условиях главным поставщиком энергии (его кванты мощнее, чем кванты видимого света), разрушает примерно столько же химических связей, сколько создает. Использовать его как источник энергии для синтеза сложных молекул очень трудно. И таким образом, Мировой океан, постепенно превращающийся в полный питательной органики первичный бульон, — вещь малореальная.

А что, если жизнь возникла на границе двух растворов, резко отличавшихся друг от друга содержанием каких-то важных ионов? Это не только сразу решает вопрос об источнике энергии (любая разность концентраций ионов — готовый потенциал, который можно превратить в работу), но и объясняет, почему мембранные потенциалы настолько широко распространены: да потому, что именно на создающей их поверхности раздела жизнь когда-то и началась.

Есть, например, остроумная идея, что подходящие для этого условия вполне могли бы предоставить бьющие на океанском дне, на окраинах рифтовых зон, щелочные гидротермальные источники. Они в меру горячи (достаточно для ускорения большинства реакций, но не настолько, чтобы в них разрушались органические молекулы), отличаются высоким содержанием молекулярного водорода (H2) и, что для нас сейчас особенно важно, чрезвычайно низкой кислотностью. А важно это вот почему. Древняя атмосфера Земли, скорее всего, содержала колоссальную долю углекислого газа (тут очень показательно, что атмосферы двух других планет земного типа — Венеры и Марса — по сей день состоят преимущественно из углекислоты). Растворяясь в воде, углекислый газ (CO2) превращается в угольную кислоту (H2CO3), которая тут же диссоциирует, распадаясь на анионы и протоны. А это с неизбежностью означает, что океан древней Земли был очень кислым. И получается, что внутри геотермального источника среда была щелочная и восстановительная (там много ионов OH– и молекул H2), а снаружи от него в то же время — кислая и окислительная (там много ионов H+ и молекул CO2). Просто идеальные условия, чтобы использовать перепад концентрации протонов для получения энергии. Особенно если теплый источник и окружающая его океанская толща были чем-то разделены — ну, для начала хотя бы перегородкой или трубкой из отложенных водой пористых минералов (а это уж точно вполне реально, такие перегородки и трубки при источниках подобного типа образуются сами). Тогда сразу возникает система из двух компартментов с естественной протондвижущей силой между ними. Вот эту-то силу зарождающаяся жизнь и может “оседлать”.

Добавим, что направление протонного градиента во всех клетках, использующих его для получения энергии, именно таково, как предсказывается этой моделью. Снаружи протонов гораздо больше, чем внутри. Это относится и к бактериям, у которых синтез АТФ идет прямо на плазматической мембране клетки, и к потомкам бактерий — митохондриям, где синтез АТФ идет на внутренней мембране (вероятно, происходящей из плазматической мембраны бывшей бактерии). Во всех этих случаях энергетически выгодный поток протонов направлен снаружи внутрь.

На сегодняшний день существует подробно разработанная модель, описывающая возможные первые шаги возникновения жизни в горячих щелочных источниках. Главный энтузиаст этой модели — биохимик Уильям Мартин. Недавно при его участии было проведено исследование, на основании сравнений прочитанных геномов восстановившее несколько вероятных признаков общего предка всех живых клеток. Получилось там следующее. Общий предок бактерий, архей и эукариот, скорее всего, был анаэробом (жил в отсутствие кислорода) и термофилом (жил при довольно высокой по нынешним меркам температуре). По типу метаболизма он был или метаногеном (восстанавливающим углекислый газ до метана), или ацетогеном (восстанавливающим углекислый газ до уксусной кислоты). И наконец, у него не было протонных насосов, зато были протонные АТФ-синтазы. Последнее означает, что он не умел самостоятельно создавать трансмембранную разность концентраций протонов, зато умел использовать уже существующую разность для генерации энергии. И весь этот набор признаков отлично согласуется с идеей, что наш далекий предок жил на границе щелочного горячего источника.

Тут, однако, нужно притормозить, чтобы четко разделить статусы обсуждаемых утверждений. Например, широчайшая распространенность мембранных потенциалов у самых разных живых организмов — это просто факт. Первичность мембранного фосфорилирования по отношению к субстратному — гипотеза, хотя и довольно правдоподобная. А происхождение жизни в щелочных геотермальных источниках — это сценарий, основанный на целом наборе допущений и, к сожалению, по самой своей природе трудно поддающийся проверке. Как говорит сам же Уильям Мартин, даже если мы построим в лаборатории реактор, в который с одного конца подаются водород, углекислый газ и азот, а с другого конца выходят готовые бактерии, это будет доказательством того, что жизнь в принципе может возникнуть таким образом, но не того, что она действительно возникла именно так в реальной истории планеты Земля. Хотя и первое, конечно, тоже было бы очень интересно, тем более что попытки создать такой реактор уже предпринимаются.

Сделаем еще одно отступление. В 1952 году американский фантаст Рэймонд Джоунс опубликовал замечательный рассказ под названием “Уровень шума”, сюжет которого следующий. Некая чрезвычайно солидная государственная организация приглашает крупных физиков и сообщает им, что один молодой изобретатель недавно построил антигравитационную машину. К сожалению, при испытании машины изобретатель погиб, и никаких записей после него не осталось. Но то, что машина работала, — факт. Это подтверждается снятым во время испытаний фильмом и, главное, свидетельствами авторитетных ученых и военных, которые видели работу антигравитационного устройства своими глазами. Ставится задача воссоздать это достижение. Приглашенные физики сперва заходят в тупик, но убеждают себя: кто-то же это сделал, значит, и мы можем! — и в конце концов действительно создают антигравитационную машину, хотя совершенно не такую, как можно было бы ожидать, исходя из полученной в начале работы информации. После чего физикам объясняют, что вся эта информация была вымышленной: никакой антигравитационной машины на самом деле не было. Они создали ее первыми. Беда в том, что изначально все грамотные физики были убеждены в невозможности антигравитации и не стали бы по своей воле даже пытаться ее открыть. Трюк с правдоподобным сообщением о постройке вымышленной машины был специально придуман, чтобы снять этот мысленный фильтр. “Внутреннее решение относительно того, можно ли найти ответ на проблему, принимается обычно еще до начала поисков ответа”, — говорит руководивший этим проектом психолог.

В рассказе Джоунса есть и другие интересные мысли, не вошедшие в этот краткий пересказ. Но нам сейчас главное — отметить, что положение реальных современных биохимиков, исследующих происхождение жизни, на самом деле довольно похоже на положение описанных в рассказе физиков, пытающихся открыть антигравитацию. Правда, одно важное отличие все-таки есть. Биохимики-то уж совершенно точно знают, что возникновение живой материи из неживой по крайней мере один раз действительно произошло. Значит, это потенциально можно повторить. И не обязательно тем же способом, какой сработал на Земле четыре с лишним миллиарда лет назад. Здесь у науки появляются не только исследовательские, но и творческие возможности.

Гипотеза происхождения жизни в щелочных источниках порождает много неизбежных вопросов. Прежде всего: какая у общего предка всех живых организмов была мембрана? Очевидно, что обойтись без полноценной внешней мембраны (или ее аналога) этот предок не мог — иначе ему было бы не на чем поддерживать устойчивую разность концентраций протонов, от которой, согласно обсуждаемой теории, должен был зависеть весь его метаболизм. Между тем в разных эволюционных стволах, а именно у бактерий и у архей, состав клеточных мембран различается настолько серьезно, что между ними трудно представить переходное состояние (см. главу 5). Эволюционное превращение бактериальной мембраны в архейную (или наоборот) чисто биохимически выглядит маловероятным, гораздо проще допустить, что бактерии и археи “оделись” мембранами независимо друг от друга. Но как тогда их общий предок мог поддерживать протонный потенциал? Значит, какой-то аналог мембраны у него все-таки был? Но какой же?

В ранних работах Ника Лейна никаких убедительных ответов на эти вопросы нет, хотя автор там и подчеркивает, что прекрасно понимает саму проблему. Однако, поломав голову несколько лет, он с помощью своих коллег из Лондонского университетского колледжа нашел возможное объяснение. Шанс расставить все по своим местам появляется, если предположить, что “изобретением”, которое независимо совершили бактерии и археи, была не мембрана как таковая, а мембрана, непроницаемая для протонов. Ведь протон — это очень маленькая частица. Сделать мембрану непроницаемой для протонов трудно, и нет ничего удивительного, что в ходе эволюции этого удалось достичь не сразу. Между тем расчеты Лейна и его коллег показывают, что самые древние формы жизни могли обойтись и более простой мембраной, сквозь которую протоны “протекали”. Правда, при одном добавочном условии. В эту мембрану должен был быть встроен натрий-протонный антипортер — белок, обменивающий протоны на ионы натрия, то есть, иными словами, превращающий градиент протонов в градиент натрия или наоборот (∆μH ⇌ ∆μNa). Показано, что при прочих равных условиях проницаемость липидной мембраны для натрия на шесть порядков величины, то есть примерно в миллион раз, ниже, чем проницаемость той же самой мембраны для протонов. Поэтому, если достаточно быстро (чтобы протоны не успевали утечь) постоянно заменять градиент протонов градиентом натрия, этот последний можно будет уже спокойно использовать для мембранного фосфорилирования, то есть для перевода энергии запасенных ионов в энергию химических связей. Остроумное решение.

Если это решение еще и соответствует тому, что реально случилось в истории жизни на Земле, то получается, что мембрана общего предка всех современных живых клеток была какой-то очень простой (вполне вероятно, что даже неорганической). И только уже после того, как древо жизни разделилось на две крупные ветви, представители этих ветвей — бактерии и археи — независимо друг от друга “изобрели” чисто протонную мембранную энергетику. Для этого было необходимо создать мембрану, не пропускающую протоны. Бактерии и археи решили эту задачу примерно в одно и то же время, но несколько разными способами, в результате чего их мембраны стали отличаться.

Надо сказать, что эта новая гипотеза имеет как минимум одно вполне проверяемое следствие. Согласно ей, натрий-протонный антипортер должен быть не “новоделом”, а чрезвычайно древним белком, имевшимся уже у общего предка всех современных живых клеток. Это можно проверить методами биоинформатики, сравнивая последовательности соответствующих белков (и генов, которые их кодируют) у разных живых организмов. Данные на эту тему, имеющиеся сейчас, вроде бы не противоречат гипотезе Лейна, но это еще надо выверить и уточнить.

В целом у Лейна и его коллег получается, что система переработки энергии развивалась ступенчато. Первым важнейшим ключевым новшеством было случившееся в очень глубокой древности “изобретение” натрий-протонного антипортера, которое сразу позволило эффективно генерировать энергию на примитивной мембране. А вторым новшеством, причем “изобретенным” в двух эволюционных ветвях параллельно, стала мембрана, не пропускающая протоны. Это дополнительно увеличило эффективность систем переработки энергии, заодно сделав их более универсальными: например, в пресной воде удобнее пользоваться протонными АТФ-синтазами, чем натриевыми, а в морской —наоборот.

Возвращаясь к обсуждению гипотезы возникновения жизни в щелочных источниках, надо сказать, что в ней, при всем ее изяществе, есть несколько слабых мест.

Во-первых, предполагаемая этой гипотезой химическая среда с точки зрения современных взглядов на возникновение жизни не является идеальной. По Мартину, щелочная полость гидротермального источника соответствует цитоплазме готовой клетки, а слабокислая морская вода — внешней среде. Проблема в том, что РНК — судя по всему, ключевой для ранней жизни полимер — в щелочной среде неустойчива, а устойчива как раз в слабокислой. Это явное противоречие, и можно ли его снять, пока неизвестно.

Во-вторых, расчеты некоторых биофизиков приводят к выводу, что для работы ионной АТФ-синтазы любого типа нужен достаточно мощный мембранный потенциал, который можно поддерживать только на мембране, уже близкой по структуре к мембранам современных организмов. Это может означать, что мембранное фосфорилирование появилось в эволюции все-таки позже, чем субстратное . Как Лейн и его коллеги справятся с этим возражением, покажет время.

В-третьих, биохимики уже достаточно давно показали (в том числе и экспериментально), что конденсация органических молекул в сложные полимеры, потенциально способные стать основой живых клеток, гораздо легче происходит на фоне колебаний влажности, чем в стабильно-водных условиях. Это сильный довод против происхождения жизни в глубоководных горячих источниках, как по умолчанию предполагает гипотеза Мартина. Иное дело, что горячие источники могут быть и мелководными — или вообще находиться на суше. В последнее время появляются палеонтологические данные, достоверно показывающие, что во времена, когда жизнь (судя по всему) недавно возникла, древние бактерии жили в горячих источниках, располагавшихся именно на суше, в окрестностях наземных вулканов. Само по себе это не опровергает и не подтверждает ни одну из гипотез возникновения жизни, но заставляет серьезно задуматься.

В-четвертых, мы до сих пор исходили — невольно и неявно — из того, что древнейшая форма жизни была или счастливым обладателем мембранного фосфорилирования, или же бродильщиком. Третьего варианта на современной Земле нет. Но ведь интересующие нас события происходили в эпоху, очень далекую от современности. Многие процессы тогда могли идти по-другому. На современной Земле действует скулачевский первый закон биоэнергетики, согласно которому энергия из внешних источников не используется живыми организмами напрямую: они сначала обязательно должны “конвертировать” ее или в энергию связей АТФ, или в один из двух ионных потенциалов (протонный или натриевый). Но на древней Земле первый закон биоэнергетики мог и нарушаться. Первые живые организмы как раз вполне могли напрямую использовать в биохимических процессах небольшие порции энергии из внешней среды — например, в виде молекул пирофосфата или квантов света, запускающих самопроизвольное фосфорилирование органики (уже упоминавшийся эффект, который называется фотофосфорилированием). Есть и другие варианты. Древняя жизнь отнюдь не стояла перед выбором “или мембранное фосфорилирование — или брожение”, на самом деле у нее было гораздо больше возможностей.

В любом случае мы теперь понимаем, что история жизни на Земле — это история взаимодействия живых систем не только с информацией, но и с энергией. Проведя рискованную аналогию, можно сказать, что сводить все биологические явления к информационным процессам — все равно что сводить всю историю Европы к биографиям королевских особ. К тому же надо иметь в виду, что биоэнергетика — существенно более молодая наука, чем сосредоточенная на наследственной информации генетика. Например, свое нынешнее название биоэнергетика получила только в 1969 году (генетика — в 1905 году). И сейчас у биоэнергетики еще многое впереди.

 

Двести лет назад великий французский биолог Жан Батист Ламарк писал, что всем живым организмам свойственно в ходе истории постепенно и неуклонно усложняться. Конечно, он был не прав. На самом деле биологическая эволюция может с примерно одинаковой вероятностью идти как в сторону усложнения организмов, так и в сторону их упрощения (и это останется верным, как бы мы ни определяли простоту и сложность). Фактор, который чаще всего направляет эволюцию в сторону большей простоты, — это паразитизм. Глубоко специализированные паразиты могут терять даже жизненно важные механизмы и свойства, иногда доходя в этом до крайностей. В главе 11 уже упоминались так называемые энергетические паразиты, которые лишены собственной системы выработки энергии и “воруют” АТФ у клеток, внутри которых живут. Энергетический паразитизм — не столь уж и редкое явление. Внутриклеточные энергетические паразиты есть даже среди эукариот: это микроспоридии, до неузнаваемости изменившиеся родственники грибов. У более простых организмов, например у бактерий, такой образ жизни встречается еще чаще. Ну а следующей ступенью упрощения после энергетического паразитизма, по логике вещей, мог бы стать паразитизм генетический.

Можно ли представить себе паразитическое существо, у которого нет собственной полноценной системы оборота генетической информации и которое, чтобы выжить, должно подключиться к генетическому аппарату хозяина, перенастроив его в своих интересах? Конечно, можно. Более того, таких существ на Земле великое множество. Они называются вирусами.

Внимание: ни в коем случае не надо думать, что вирусы (подобно множеству других паразитов) непременно произошли от организмов, которые были устроены сложнее их. Скорее всего, именно в случае с вирусами это неверно. Их происхождение — особое. Но тем не менее их тоже можно считать паразитическими живыми существами. Пусть и очень простыми (к вопросу о том, следует ли считать их живыми существами вообще, мы еще вернемся).

Вирус — это внутриклеточный паразит, состоящий из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белка, который служит для защиты этой нуклеиновой кислоты и кодируется ею же. Только вот синтезировать этот белок самостоятельно вирус не может. Вирусы тем и отличаются от любых других живых организмов, что у них нет собственной системы трансляции, то есть синтеза белка. Свои системы репликации (копирования генома) и транскрипции (синтеза РНК) у вируса вполне могут быть, а вот к трансляции это не относится. В деле синтеза белка вирус целиком полагается на ту клетку, которую он заражает. Правда, у самых крупных и сложных вирусов иногда встречаются собственные белки, участвующие в процессе трансляции — но только в отдельных его этапах. Полной системы трансляции (и особенно рибосом, без которых трансляция невозможна) у них не бывает никогда. Это, пожалуй, самое главное отличие вирусов от клеток. Вирусы — единственная принципиально неклеточная форма жизни на современной Земле, да и вообще в известной нам части Вселенной, если уж на то пошло.

Другое важное отличие вирусов от клеток состоит в том, что вирусы никогда не размножаются делением. Каждая вирусная частица собирается заново из нуклеиновых кислот и белков, которые синтезируются совершенно отдельно друг от друга (очень часто — в разных местах зараженной вирусом клетки). Эта особенность размножения еще лучше подчеркивает, насколько сильно вирусы и клетки различаются между собой.

Все вирусы без исключения — облигатные внутриклеточные паразиты. Слово “облигатный” буквально значит “обязательный”. Облигатный внутриклеточный паразит — тот, кто не способен жить ни в каких других условиях, кроме как внутри чужой клетки. Вне клетки вирус всегда представлен только неактивной стадией — компактной частицей, которую для краткости называют вирионом. “Вирусная частица” и “вирион” — синонимы. Сам по себе вирион пассивен, “вести себя” он начинает только при встрече с живой клеткой; парадокс в том, что именно в этот момент он и теряет форму вириона — или даже любую форму вообще. Вирус, активно действующий в клетке, часто (хотя и не всегда!) бывает неотличим от ее собственного внутреннего содержимого.

Как бы ни были просты вирусы, у любого из них есть собственный геном. Там обычно закодированы белки, необходимые для репликации самого генома и для постройки новых вирусных частиц. Это — минимальный “функционал”. Но у некоторых вирусов, главным образом у крупных, геном обогащен множеством дополнительных генов. Большинство из них — это гены, продукты которых (то есть белки) так или иначе участвуют в многоэтапном взаимодействии вируса с клеткой хозяина.

На стадии вириона генетический материал вируса заключен в белковую оболочку, которая называется капсидом (см. рис. 12.1). Это чисто вирусное “изобретение”, у живых клеток никаких капсидов нет. У многих вирусов (но далеко не у всех) капсид имеет форму икосаэдра, то есть правильного двадцатигранника, одного из знаменитых Платоновых тел. Бывают и другие капсиды, например спиралевидные, нитевидные, палочковидные. Некоторые вирусные капсиды устроены очень сложно. Например, у миовирусов, которые паразитируют в клетках бактерий и архей, капсид (по словам одного известного вирусолога) похож на лунный посадочный модуль: он состоит из икосаэдрической головки, трубчатого хвоста с винтовой симметрией и нитевидных ножек, обеспечивающих “посадку” вирусной частицы на клетку. А есть вирусы, у которых капсид, в свою очередь, заключен в мембрану, похожую на клеточную: например, таковы вирусы СПИДа и оспы. Эту внешнюю мембрану, в отличие от капсида, у вирусов принято называть просто оболочкой.

Разнообразие вирусных частиц связано, прежде всего, с разнообразием способов воздействия вирусов на живые клетки. Вирусы — великолепные манипуляторы. Например, вирусы животных часто попадают внутрь клеток, в самом буквальном смысле провоцируя эндоцитоз, то есть активный захват клеткой посторонних частиц (см. рис. 12.2А). (Частным случаем эндоцитоза является фагоцитоз, о котором мы говорили в главе 10.) Оболочка такого вируса содержит сигнальные белки, которые входят в контакт с рецепторами, сидящими в клеточной мембране, и заставляют их запустить в клетке механизм захвата. В результате поглощенный клеткой вирус оказывается у нее внутри, что, собственно, и требовалось. Это немного напоминает описанную Станиславом Лемом в “Звездных дневниках Ийона Тихого” охоту на курдля: охотник, намазавшийся специальной пастой и обсыпавшийся мелко накрошенным зеленым луком, проглатывается этим зверем, после чего устанавливает у него в брюхе бомбу с часовым механизмом.

Вирусы, поражающие бактерий (так называемые бактериофаги), действуют не столь изощренно, но тоже по-своему изящно (см. рис. 12.2Б). Типичный бактериофаг закрепляется на клетке бактерии, проделывает отверстие в ее клеточной стенке и впрыскивает внутрь свою нуклеиновую кислоту, используя для этого механизм вроде шприца. Пустой белковый капсид вируса при этом остается снаружи. В простейшем, очень распространенном случае в бактериальную клетку вводится только чистая ДНК. Такой вирус и правда можно назвать “завернутой в белок скверной новостью”, как однажды выразился известный английский биолог Питер Медавар. Но мы еще увидим, что не со всеми вирусами дело обстоит так просто.

Вирусы есть абсолютно у всех клеточных организмов, включая животных, растения, грибы, водоросли, одноклеточных эукариот, бактерий и архей. Во всех без исключения случаях, когда биологи задавались вопросом: (есть ли у такого-то живого существа вирусы? — им удавалось найти если не сами вирусы, то уж по крайней мере генетические следы того, что в этом организме они когда-то присутствовали. А как правило, и сами вирусы тоже с успехом находятся. Живая природа Земли насыщена вирусами до предела. Более того, очень часто на одном и том же биологическом виде паразитирует сразу несколько разных вирусов. Мы отлично знаем это на своем собственном опыте — человека поражают десятки вирусных болезней, от желтой лихорадки до бешенства и от гриппа до СПИДа. А ведь есть и такие вирусы, которые вообще не вызывают никаких заболеваний, и их тоже весьма немало. Ведь в некотором смысле вершина эволюционного успеха вируса достигается тогда, когда он перестает убивать хозяина и вообще доставлять ему неприятности, а заражает всю популяцию как безвредный сожитель. У человека таких вирусов хватает, и их настоящую биологическую роль еще предстоит оценить.

Неудивительно, что вирусов во всех смыслах очень много. Например, литр океанской воды содержит в среднем миллиард вирусных частиц. Клеточных организмов, даже самых мелких, там раз в десять меньше. Общее число вирионов на планете Земля составляет 1031 (по грубым подсчетам). Это на несколько порядков больше полного числа звезд в наблюдаемой части Вселенной, которое, по мнению астрономов, равно примерно 1024.

И наконец, у вирусов невероятно разнообразны способы хранения и передачи генетической информации. Клеткам такое разнообразие, что называется, и не снилось. Да и ученые не сразу поверили, что оно возможно. Что ж, взглянем на это разнообразие поближе.

 

Генетические стратегии

Начнем с того, что любой вирус обязательно так или иначе взаимодействует с какой-нибудь клеткой. Он встраивается в ее генетический аппарат, переключая некоторые (а иногда и все) функции на себя. Поток генетической информации, идущий в самой клетке, в целом описывается уже известным нам заклинанием “ДНК-РНК-белок”, со смыслом которого мы познакомились в главе 9. Вспомним вкратце, в чем там было дело. Генетическая информация постоянно хранится на ДНК, которая перед каждым клеточным делением удваивается — этот процесс, как мы знаем, называется репликацией. Когда информацию настает время пустить в дело, происходит транскрипция, то есть ее перенос с ДНК на РНК. В результате транскрипции могут синтезироваться разные виды РНК, из которых нам сейчас важнее всего информационная РНК (иРНК), — она несет информацию, необходимую для синтеза белка. Сам синтез белка иначе называется трансляцией, это сложный процесс, идущий на рибосоме с помощью довольно большого набора специальных молекул. А все эти процессы вместе описываются центральной догмой молекулярной биологии: формула “ДНК-РНК-белок” именно ее и выражает.

Как видим, аппарат передачи генетической информации в клетке достаточно сложен. И подключаться к нему разные вирусы могут совершенно по-разному.

Есть вирусы, генетический материал которых представляет собой готовую информационную РНК. Их называют вирусами с позитивным РНК-геномом, сокращенно (+)РНК. Такой вирус действует, пожалуй, наипростейшим способом из всех возможных: ему достаточно ввести в клетку свою РНК, пусть даже совершенно “голую”. Попав в клетку, эта РНК распознается хозяйскими рибосомами и приводит к синтезу вирусных белков. Только после этого начинается репликация вирусной РНК. Для нее нужен фермент РНК-зависимая РНК-полимераза, способный синтезировать РНК на основе другой РНК и имеющийся только у вируса (хотя синтезируют его “под диктовку” вируса рибосомы хозяина). И наконец, накопившиеся молекулы вирусных белков и РНК монтируются в новые вирусные частицы. К вирусам с позитивным РНК-геномом относятся, например, вирусы полиомиелита и желтой лихорадки. А также знаменитый вирус табачной мозаики, с которого в свое время началось открытие вирусов как таковых.

Есть вирусы, генетический материал которых представляет собой не саму информационную РНК, а ее “зеркальную” комплементарную копию. Они называются вирусами с негативным РНК-геномом, сокращенно (–)РНК. Такая РНК не распознается рибосомами — для них она бессмысленна. Поэтому обойтись введением в хозяйскую клетку чистой РНК такой вирус не может. Вместе с РНК он вводит туда РНК-зависимую РНК-полимеразу, уже запасенную в готовом виде внутри вирусной частицы. Этот фермент копирует вирусный геном, образуя в результате “нормальные”, то есть позитивные, молекулы РНК. А уж они связываются с рибосомами, диктуя им “инструкции” для синтеза вирусных белков (в том числе и той же РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая здесь не только обеспечивает дальнейшую репликацию вируса в данной клетке, но и упаковывается в вирусные частицы, чтобы принять участие в следующем цикле размножения). К вирусам с негативным РНК-геномом относятся, например, вирусы гриппа, бешенства и лихорадки Эбола.

Есть вирусы, у которых РНК двуцепочечная (дцРНК). Она свернута в двойную спираль примерно так же, как обычно сворачивается ДНК, и состоит из “позитивной” и “негативной” цепей, комплементарных друг другу. Жизненный цикл этих вирусов в целом похож на жизненный цикл вирусов с негативным РНК-геномом: в хозяйскую клетку сразу вводится РНК-зависимая РНК-полимераза, которая синтезирует как (+), так и (–)РНК. В конце клеточного этапа жизни такого вируса РНК собирается в двуцепочечные комплексы, которые — как и у всех вирусов — одеваются белковыми капсидами. К вирусам с двуцепочечной РНК относится, например, ротавирус, часто вызывающий у человека кишечную инфекцию.

Общая черта перечисленных типов РНК-содержащих вирусов следующая: они паразитируют только на аппарате трансляции, не затрагивая клеточную ДНК. Таким образом, внутриклеточную цепочку передачи генетической информации они захватывают только частично. В этом смысле их паразитизм не очень глубок.

Кроме РНК-содержащих вирусов в природе есть и много ДНК-содержащих, у которых (как понятно из термина) генетическим материалом служит не РНК, а ДНК. Довольно часто вирусная ДНК бывает двуцепочечной (дцДНК). Такая ДНК ничем принципиально не отличается от обычной клеточной — а это означает, что, попав в клетку, она может точно так же подвергаться транскрипции. Что и происходит. В результате синтезируется вирусная информационная РНК, которая, связываясь с рибосомами, делает свою обычную работу: диктует последовательности белков, которые надо синтезировать. Только в данном случае эти белки — вирусные, со всеми вытекающими отсюда последствиями для клетки.

Разумеется, вирусная ДНК в зараженной клетке заодно и реплицируется. Ее репликацией занимается ДНК-зависимая ДНК-полимераза, а транскрипцией — ДНК-зависимая РНК-полимераза. Эти ферменты есть абсолютно в любой клетке, поэтому ДНК-содержащий вирус в принципе может обойтись без них, и некоторые действительно обходятся. Но бывают и более сложные вирусы, которые “предпочитают” кодировать эти ферменты в собственном геноме и синтезировать их самостоятельно (самостоятельно — в том смысле, что по собственной инструкции, но все равно, конечно, с помощью клеточных рибосом). Затем из ДНК и вирусных белков, как обычно, собираются новые вирусные частицы.

К вирусам с двуцепочечной ДНК относится, например, вирус оспы. Сюда же входят герпес-вирусы, папиллома-вирусы (вызывающие рак шейки матки и обычные бородавки) и аденовирусы (вызывающие простудные заболевания, то есть всем нам хорошо знакомую острую респираторную вирусную инфекцию — ОРВИ).

Вирусы с одноцепочечной ДНК (оцДНК) тоже существуют. При попадании ДНК такого вируса в клетку она первым делом достраивается до двуцепочечной формы — это делает ДНК-зависимая ДНК-полимераза, которая, как мы уже знаем, и без того есть в любой клетке. А дальше все происходит примерно так же, как и у тех вирусов, ДНК которых двуцепочечная. К вирусам с одноцепочечной ДНК относятся, например, парвовирусы, способные вызывать у человека инфекционную анемию и некоторые другие болезни.

Совершенно особую группу вирусов представляют собой ретровирусы. Геном этих вирусов состоит из одноцепочечной “позитивной” РНК, которая в данном случае служит основой для обратной транскрипции, то есть для синтеза своей ДНК-копии. Служащий для этого фермент — РНК-зависимая ДНК-полимераза, она же обратная транскриптаза, она же просто ревертаза (как знает каждый, читавший повесть Стругацких “За миллиард лет до конца света”). Это вирусный фермент, который должен попасть в клетку в готовом виде в составе вирусной частицы. Полученная с его помощью вирусная ДНК встраивается в геном хозяйской клетки (для этого есть еще один специальный фермент — интеграза) и начинает вести себя там примерно так же, как “родные” хозяйские гены: успешно реплицироваться, транскрибироваться, а после синтеза РНК и транслироваться. Только в данном случае все это делается в интересах вируса и приводит к сборке новых вирусных частиц. Самый знаменитый из ретровирусов, безусловно, вирус СПИДа, он же вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Кроме того, известно, что некоторые ретровирусы могут вызывать опухоли.

И наконец, бывают вирусы с двуцепочечной ДНК, которая сперва транскрибируется, а потом... транскрибируется обратно. В этом случае на основе вирусной ДНК сначала синтезируется обычная информационная РНК, а потом в дело включается вирусная ревертаза, которая создает на основе этой РНК обратный транскрипт (то есть вновь молекулу ДНК) и встраивает его в хозяйский геном. Дальше все происходит примерно так же, как и у ретровирусов. Но ретровирусы — по определению РНК-содержащие. Поэтому их ДНК-содержащие аналоги называются ретроидными вирусами или параретровирусами. Самый известный параретровирус — это вирус гепатита B. Отметим, что у него нет ничего общего с вирусами гепатита A и гепатита C: последние относятся к РНК-содержащим вирусам с позитивным геномом, а значит, имеют совсем иную природу. Разница между этими вирусами гепатита гораздо более существенная, чем, к примеру, разница между животными и растениями.

Итак, вирусы делятся на семь классов по генетическим стратегиям. Это очень логичная классификация, которую предложил еще в 1971 году — по меркам биологии, целую эру назад! — крупнейший американский вирусолог Дэвид Балтимор. Правда, в системе Балтимора классов было шесть (параретровирусы тогда еще не успели изучить), но в остальном она прекрасно выдержала проверку временем.

В то же время надо иметь в виду, что эта классификация все-таки неполна. Во-первых, бывают полноценные вирусы, которые в нее не вписываются: например аренавирусы, у которых на одной и той же цепи РНК могут сосуществовать участки с полярностью (+) и (–). Во-вторых, классификация Балтимора не охватывает все разновидности генетических паразитов — хотя бы потому, что она не относится к паразитам, которым не нужна трансляция. А такие существуют. Например, вироиды — небольшие одноцепочечные РНК, лишенные белковых капсидов и (что самое интересное) не кодирующие никаких белков, но тем не менее способные размножаться в условиях чужих клеток и вызывать некоторые болезни. Именно вироиды вызывают, скажем, веретеновидность картофеля. Есть и другие подобные явления, о которых лучше почитать в книгах, написанных профессиональными генетиками (например, в “Логике случая” Евгения Кунина). Мы здесь ограничимся разговором о классических вирусах — в основном из тех соображений, что “нельзя объять необъятное”.

Каждая из перечисленных генетических стратегий по-своему способствует выживанию вирусов (что и логично — иначе носители этих стратегий просто давно исчезли бы). Каждая из них имеет свои уникальные преимущества. Чтобы понять это, давайте представим себе вирус с позитивным РНК-геномом. Он устроен предельно просто; чтобы запустить инфекционный процесс, ему нужно ввести в клетку свою РНК и больше ничего. Очень изящный механизм, к которому, казалось бы, незачем что-то добавлять. Проблема, однако, в том, что РНК такого вируса будет вынуждена конкурировать за доступ к рибосомам с “нормальными” клеточными информационными РНК, которые весьма многочисленны и перед которыми у вирусной иРНК нет никаких особых преимуществ. И количеством тут не возьмешь: в природе часто бывает, что клетка инфицируется всего-навсего одной вирусной частицей. А вот вирус с негативным РНК-геномом вводит в клетку “зеркальную” РНК, на которой, как на типографской матрице, можно создать сколько угодно комплементарных ей полноценных информационных РНК (и фермент, способный это сделать, при ней тоже есть). После чего эти вирусные иРНК во множестве загружают клеточные рибосомы, значительно повышая шансы вируса на выживание. Таким образом, тут возникает дополнительный каскад усиления, которого у вирусов с позитивным РНК-геномом нет. На первый взгляд жизненный цикл вируса с негативным РНК-геномом может показаться ненужным усложнением, а на самом деле это полезная адаптация (причем ее описанная функция, скорее всего, еще и не единственная).

В любом случае, разнообразие генетических стратегий вирусов само по себе изумительно. В этом плане вирусы резко контрастируют с клетками, генетическая стратегия которых — на всех одна-единственная: генетическая информация хранится на двуцепочечной ДНК, которая и служит основой для транскрипции. А вот вирусы, похоже, реализовали все генетические стратегии, какие только вообще можно придумать, — за единственным исключением. Это исключение касается процесса трансляции. Можно утверждать, что в живой природе трансляция никогда не идет прямо с ДНК. Для нее всегда, при любой самой необычной генетической стратегии, используется посредник — информационная РНК. Возможно, тут мы видим единственный во всей этой системе фундаментальный запрет. Причем этот запрет — не химический, а чисто биологический. С химической точки зрения трансляцию напрямую с ДНК вполне можно вообразить, и более того — ее можно даже попытаться осуществить в искусственных условиях. Но в биологической эволюции эта возможность, насколько мы знаем, не реализовалась ни разу.

 

Живые или нет?

Обсуждение вопроса, живые вирусы или нет, мы начнем с часто цитируемого высказывания англичанина Питера Медавара, когда-то назвавшего вирус “завернутой в белок скверной новостью” (или, как иногда переводят, “дурной вестью в белковом конверте”). Что он, собственно, хотел сказать? Это легко выяснить. Приведенные слова есть в популярной книге, которая называется “Наука о живом” (с подзаголовком “Современные концепции в биологии”); эта интересная и полезная книга была написана Питером Медаваром в соавторстве с его женой Джейн, впервые вышла в 1977 году, а в 1983-м появился ее хороший русский перевод. О природе вирусов там сказано следующее:

“Совершенно неважно, будет ли вирус определен как живой организм или нет. Одни свойства вирусов, например их экстрактивность, заразность и изменчивость, склоняют нас к тому, чтобы видеть в них мельчайшие живые организмы, еще более мелкие, чем бактерии; другие же их свойства — особенно способность нарушать механизм синтеза в живой клетке таким образом, что он начинает производить бесчисленное множество их копий, — заставляет видеть в них пакеты генетической информации. И вместо того, чтобы быть живым, вирус оказывается всего лишь завернутой в белок скверной новостью”.

Ключевые слова тут, как видим, в начале: “Совершенно неважно, будет ли вирус определен как живой организм или нет”. Медавар не решает вопрос о том, куда следует отнести вирусы, — он отказывается его решать. Это типичный ход мысли ученого-позитивиста. Есть такие-то доводы за то, чтобы считать вирусы живыми, и такие-то доводы против, но поскольку этот вопрос все равно не имеет никакого практического значения, то тратить на него время (по мнению Медавара) не стоит. Как говорится, пусть в этом разбираются наши схоласты. И не более.

Сейчас, в XXI веке, некоторые биологи продолжают считать, что вирусы нельзя относить к живым существам. Правда, такие заявления сразу же вызывают бурные дискуссии. Никакого единодушия среди ученых по этому вопросу на данный момент нет. Количественно сторонники того, чтобы все-таки считать вирусы живыми, среди современных интеллектуалов, пожалуй, преобладают (проведенный при написании этой главы опрос в ЖЖ показал, что 70% читателей считают вирусы живыми и только 30% неживыми; судя по всему, это довольно типичное соотношение). Впрочем, часто от этого вопроса вообще отмахиваются, объявляя его бесполезным для дела — как Питер Медавар. Но думается, что это пренебрежение все же напрасно. Понятия живого и неживого слишком глубоко укоренены в системе нашего мышления, в том, что англосаксы называют емким словом mind. И это не случайность, а отражение структуры Вселенной, в которой жизнь занимает достаточно важное место. Пожалуй, даже хорошо, что на Земле есть объекты, про которые не сразу понятно, живые они или нет: это прекрасная “пограничная ситуация”, столкнувшись с которой люди волей-неволей возвращаются к исходным понятиям, чтобы прояснить их. Поступим так и мы. А заодно немного обсудим, что такое вообще жизнь: именно сейчас для этого наступил самый подходящий момент.

Итак, есть три главные причины, по которым вирусы в разное время отказывались относить к живому. Вирусы не могут самостоятельно размножаться, у них нет обмена веществ, и они (как многие раньше думали), скорее всего, представляют собой что-то вторичное по отношению к клеткам. Разберем эти доводы.

1. Неспособность самостоятельно размножаться

Действительно, ни один вирус не может воспроизвести себя в среде, где нет живых клеток. Эта несамодостаточность всегда была важнейшим основанием для того, чтобы исключить вирусы из живой природы. Ведь способность воспроизводить себя безусловно, одно из важнейших свойств живых объектов. Но что это, собственно, значит?

Мы знаем, что существуют молекулы, способные побуждать некоторые среды к созданию копий этих молекул. Такие молекулы называются репликаторами. Все системы, которые мы называем живыми, обязательно содержат те или иные репликаторы (обычно это молекулы ДНК, но в случае вирусов иногда и РНК). Любому репликатору просто по определению нужна для самовоспроизводства определенная среда, причем требования, предъявляемые к этой среде, часто бывают очень строгими. Набор всех возможных сред, которые данный репликатор может заставить создавать его копии, философ Дэвид Дойч назвал нишей данного репликатора (по аналогии с известным термином “экологическая ниша”). Любой репликатор может функционировать только внутри своей ниши. За ее пределами он будет представлять собой мертвую молекулу, не проявляющую никаких свойств, кроме обычных химических. Вирусный геном — это типичный репликатор, ниша которого (в данном случае) находится внутри чужой клетки. Ну и что тут особенного? Ведь и любой другой репликатор всегда нуждается в определенной среде, часто причудливой и специфичной. В этом смысле ни один репликатор не самодостаточен.

Уточним, что репликатором мы сейчас называем не вирус целиком (это было бы совершенно некорректно), а вирусный геном, сравнивая его с геномом клетки. Сам же по себе вирус — это отнюдь не голый репликатор, а целый организм, пусть и более простой, чем клетка. По определению, которое дает “Биологический энциклопедический словарь”, организм — это “любая биологическая или биокосная целостная система, состоящая из взаимозависимых и соподчиненных элементов, взаимоотношения которых и особенности строения детерминированы их функционированием как целого”. Вирус соответствует этому определению: как и клетка, он состоит из набора разнородных компонентов, сведенных вместе общей функцией. Уж во всяком случае у любого вируса помимо молекул, несущих генетическую информацию, есть белковый “футляр” для них, то есть капсид. С этой точки зрения между самовоспроизводством вирусного и клеточного генома нет принципиальной разницы: и тому и другому нужна внешняя среда, которую он частично сам формирует. (Можно ли считать организмами и относить к вирусам репликаторы, лишенные капсидов, мы сейчас обсуждать не будем, чтобы не уйти “в область безбрежного”. Во всяком случае, такое отнесение пока не общепринято.)

Что же касается представления о самодостаточности, то оно в биологии, честно говоря, иллюзорно. Очевидно, что ни один внутриклеточный паразит не самодостаточен — ведь он при всем желании не может самовоспроизвестись без участия другого организма. Но это можно сказать и про “обычных” паразитов (не внутриклеточных), а заодно и про хищников, и про растительноядных, и про поедателей мертвой органики. С этой точки зрения самодостаточным нельзя признать ни одно животное на свете. То же самое относится и к грибам, и к цветковым растениям (которые сплошь и рядом нуждаются в симбиозе с микоризными грибами и насекомыми-опылителями), и вообще к большинству живых организмов на Земле. В этом отношении вирусы не представляют собой ничего особенного.

2. Отсутствие метаболизма, то есть обмена веществ

Утверждение, что у вирусов нет метаболизма, будет верно только до тех пор, пока мы отождествляем вирус с его компактной расселительной формой — вирионом. Если же взглянуть на жизненный цикл вируса целиком, включая и ту форму, в которую он переходит внутри зараженной клетки, этот аргумент сразу исчезнет. У вириона действительно нет ни метаболизма, ни экспрессии генов. Но внутри зараженной клетки у вируса все это есть: там экспрессируются вирусные гены, реплицируется вирусная ДНК (или РНК) и идут запущенные вирусом химические реакции. Между тем ясно, что мы в любом случае увидим проблему объемнее, рассматривая не изолированную вирусную частицу, а полный жизненный цикл — от вириона до вириона следующего поколения.

Обсуждение этого вопроса имеет долгую историю. Проницательный австралиец Фрэнк Макфарлейн Бёрнет, едва ли не первым во всеуслышание заявивший о генетической роли ДНК (мы упоминали об этом в главе 8), выпустил еще в 1945 году целую книгу, красноречиво озаглавленную “Вирус как организм”. А в 1983 году американский исследователь Клаудиу Бандеа, уже опираясь на молекулярно-биологические данные, предложил осознанно взглянуть на жизненный цикл вируса так, как если бы это был жизненный цикл самого обычного живого паразита. Под этим углом зрения “взрослой” стадией вируса, несомненно, будет выглядеть его внутриклеточная форма: именно она питается, размножается и преобразует энергию. На этой стадии вирус проявляет все физиологические свойства живого организма. А вирион — это покоящаяся стадия, аналогичная неактивным зачаткам, с помощью которых обычно расселяются растения и грибы. С этой точки зрения вирусные частицы подобны, например, спорам гриба-дождевика или летучим пушистым семенам ивы, которые Ричард Докинз назвал “одноразовыми парашютами для ДНК”.

Особую наглядность эти соображения обрели после открытия в начале XXI века гигантских ДНК-содержащих вирусов. Такой вирус может заразить, например, пресноводную амебу — одноклеточного эукариота, который двигается, выпуская и втягивая ложноножки. В результате заражения в клетке амебы возникает так называемая “вирусная фабрика” — сложное образование, в котором вирусные белки подчиняют себе клеточный цитоскелет, митохондрии и элементы системы внутренних мембран. Получается совершенно оригинальная структура, не имеющая никаких аналогов в незараженной клетке и работающая только на воспроизводство вируса. В ней реплицируется вирусный геном и собираются новые вирусные частицы. “Вирусные фабрики” — очень широко распространенное явление, по крайней мере у вирусов эукариот. Выглядеть они могут по-разному, иногда скромно, а иногда и грандиозно (по клеточным меркам, конечно). “Вирусная фабрика” гигантского ДНК-содержащего вируса, возникающая внутри амебы, — это уж точно весьма впечатляющая конструкция, расположенная прямо посреди клетки и не уступающая размером ее собственному ядру. Бывали случаи, когда микробиологи даже принимали “вирусные фабрики” за ядра. Очевидно, “вирусная фабрика” — это и есть активная форма вируса, аналогичная зрелому живому организму.

У бактерий и архей нет ни цитоскелета, ни митохондрий, ни системы замкнутых внутренних мембран. Поэтому инфицирующие их вирусы не образуют различимых под микроскопом “вирусных фабрик”. Вместо этого они превращают в “вирусную фабрику” всю пораженную клетку целиком. Хозяйский геном при этом обычно полностью разрушается (или, по крайней мере, инактивируется), так что в клетке — правильнее сказать, в бывшей клетке — экспрессируется только геном вируса. Особое искусство использования хозяйской клетки выработали, например, некоторые вирусы цианобактерий — организмов, более знакомых нам как синезеленые водоросли. Поражающие их вирусы для краткости называют цианофагами. Существует вирус-цианофаг, который, разрушив зараженную клетку изнутри, начинает синтезировать в ней свои собственные фотосинтетические белки (от аналогичных белков цианобактерии они отличаются особо высокой устойчивостью к ультрафиолету). В итоге в разрушенной клетке создается новый аппарат фотосинтеза, обеспечивающий энергией процессы репликации вирусной ДНК и сборки вирусных частиц. И, таким образом, бывшая клетка цианобактерии превращается не более и не менее как в фотосинтезирующий вирус. Более яркую иллюстрацию существования вирусного метаболизма просто трудно представить.

Исторически сложились два разных подхода к вирусам. Одни авторы считают, что вирус как таковой (the virus “self”) — это не что иное, как компактная вирусная частица, то есть вирион. А другие авторы убеждены, что вирион и внутриклеточная “вирусная фабрика” суть равноправные стадии единого жизненного цикла, который надо рассматривать не иначе как целиком. Переходя от первого подхода ко второму, мы получаем заведомо более полную систему. Очевидно, что это уже большое преимущество. В конце концов, любой грамотный зоолог или ботаник согласится, что всегда лучше исследовать полный жизненный цикл интересующего нас организма, чем какую-то одну стадию (неважно, взрослую или нет). Этот подход вполне можно распространить и на вирусы. Более того, он распространяется на них сам собой. В конце концов, не случайно никто никогда не сомневался в том, что вирусами должны заниматься биологи, а не химики.

Представим себе внутриклеточного паразита, в жизненном цикле которого есть две стадии — вегетативная (питающаяся и растущая) и расселительная. Вегетативная стадия обладает метаболизмом, ростом и экспрессией генов, но существовать она может только внутри чужой клетки, потому что нигде больше для нее нет подходящей среды. Расселительная стадия метаболически неактивна, гены в ней не экспрессируются, и вообще никакие жизненные процессы не идут, но зато она благодаря плотной оболочке может перемещаться по планете на большие расстояния, заражая новых хозяев. У клеточного организма такая расселительная стадия называлась бы спорой. Во всей этой картине нет ровно ничего фантастического. Облигатные внутриклеточные паразиты, неспособные жить ни в какой другой среде и размножающиеся неактивными спорами, есть не только среди бактерий, но даже среди эукариот. Ну и что, собственно, мешает считать, что вирион — это спора вируса, а после проникновения в клетку он просто переходит в вегетативную стадию? Да ничего.

3. Вторичность вирусов по отношению к клеткам

В ХХ веке было широко распространено мнение, что вирусы являются не более чем побочными продуктами клеточной жизни — то ли “взбесившимися” фрагментами клеток, освоившими самостоятельное существование, то ли целыми клетками, которые перешли к паразитизму внутри других клеток и в результате до предела упростились. Однако современные исследования вирусных геномов показывают, что это почти наверняка неверно. Дело в том, что обнаружено довольно много специфически вирусных генов, не встречающихся ни в каких клетках, — например, гены, кодирующие белки вирусного капсида (для любой клетки они бесполезны). То же самое можно сказать о некоторых генах и белках, обеспечивающих вирусную репликацию. Биоинформатика довольно быстро выделила набор чисто вирусных белков — в основном обеспечивающих копирование вирусных генов и сборку вирусной частицы, — которые широко распространены в мире вирусов, но не найдены ни у одной клеточной формы жизни. Скорее всего, это означает, что ни у каких клеточных организмов этих белков и соответствующих им генов просто-напросто никогда и не было. А это, в свою очередь, приводит к выводу, что вирусы вовсе не произошли от клеток. Их генетическое разнообразие имеет самостоятельный источник — вероятно, не менее (если не более) древний, чем первая живая клетка.

Правда, гены и белки клеточного происхождения у вирусов тоже встречаются. Но тут есть очень важная тонкость. Вирусный геном довольно четко делится на генетическое “ядро” (общее для многих вирусов и обеспечивающее жизненно важные функции — репликацию, построение капсида) и генетическую “периферию” (разную у разных вирусов и обеспечивающую в первую очередь взаимодействие с клеткой хозяина). Так вот, клеточное происхождение имеют только (или, во всяком случае, почти исключительно) гены “периферии”. У крупных вирусов их может быть очень много, и тогда они составляют большую часть генома. Но это все равно гены “периферии”, только раздутой. А вот для генов “ядра” генома клеточное происхождение как раз не обнаруживается. Отсюда и сделан вывод, что изначально было очень древнее “ядро”, на которое потом уже наслоились разнообразные заимствования из клеток.

Добавим, что аргумент насчет эволюционной вторичности вирусов мог бы лишить их своего места в живой природе, только если бы оказалось, что вирусы — это “сбежавшие” фрагменты клеток, но не целые клетки, упрощенные до неузнаваемости. Если бы верным было последнее, это, наоборот, означало бы, что вирусы с эволюционной точки зрения должны быть отнесены к той же категории, что и клетки. Но в любом случае все эти гипотезы плохо подтверждаются современными данными и сейчас непопулярны. Скорее всего, современные вирусы никогда не были ни клетками, ни их частями. Это просто совсем иная форма жизни.

Подавляющее преобладание клеточных форм в той части живой природы Земли, которая доступна людским органам чувств (это важная оговорка), успело было приучить людей полагать по умолчанию, что клетка и есть жизнь. Например, крупный вирусолог Андре Львов отказывался считать вирусы живыми существами. Он даже свою Нобелевскую лекцию начал с утверждения, что все живые организмы состоят только из клеток. Но Львов говорил об этом полвека назад. С позиции наших современных знаний представляется, что строгое приравнивание “жизнь = клетка” сейчас может быть только произвольно установленной догмой. С тем же успехом можно было бы ограничить понятие живого, например, подвижными организмами (потому что только их “живость” заметна с первого взгляда), или автотрофными (потому что только их питание напрямую не зависит от других живых существ), или способными самостоятельно синтезировать АТФ (тогда пришлось бы объявить неживыми довольно многих внутриклеточных паразитов). Очевидно, что любое из этих ограничений было бы искусственным, то есть случайным с точки зрения природы.

Впрочем, произвольность и искусственность определения — сама по себе не такая уж беда. Гораздо важнее, чтобы определение было полезным инструментом, помогающим расширять кругозор, а не ограничивающим его заранее. Например, можно ли считать живым Океан, описанный в лемовском “Солярисе”? И что мы сказали бы на месте исследователей, которые его открыли?

Одно из самых популярных определений жизни было выработано североамериканским Национальным аэрокосмическим агентством (НАСА) специально на случай встречи с инопланетной жизнью, которую первым делом надо будет опознать в качестве таковой. Согласно определению НАСА, “жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции”. Процесс, называемый дарвиновской эволюцией, требует четырех условий: самовоспроизводство, наследственность, изменчивость и конкуренция за субстрат. Самовоспроизводство — это, как мы знаем, по определению главное свойство любого репликатора. Изменчивость возникает из-за случайного характера движения молекул, в силу которого при копировании любых репликаторов неизбежна некоторая доля ошибок. Эти ошибки передаются репликаторам следующих поколений, то есть наследуются. В результате возникает разнообразие репликаторов, которые начинают конкурировать между собой за субстрат (например, за мономеры, из которых можно собрать новые полимеры). А при совпадении этих условий автоматически запускается естественный отбор и начинает работать механизм биологической эволюции, вскрытый когда-то Чарльзом Дарвином (лучшее современное описание этого механизма можно найти в книге Ричарда Докинза “Слепой часовщик”). Попросту говоря, одни репликаторы копируются быстрее — их становится больше, другие медленнее — их становится меньше. Вирусы эволюционируют именно так, поэтому, по определению НАСА, их следует считать живыми. Например, компьютерная программа в принципе тоже может эволюционировать по-дарвиновски, но она не является химической системой и поэтому не подходит под это определение. А вот вирусы подходят под него однозначно.

Другое определение жизни, менее распространенное, но тоже очень интересное, гласит, что жизнь — это система с двойным развитием. Тут имеется в виду следующее: живой организм всегда обладает индивидуальным развитием (жизненным циклом), любая стадия которого потенциально способна измениться. Сумма этих изменений складывается в историческое развитие (эволюцию). Таким образом, биологическая эволюция — это развитие второго порядка, то есть развитие развития. “Все и только живые системы обладают взаимообусловливающими друг друга процессами индивидуального и исторического развития”. По этому определению вирусы тоже следует считать живыми: у них есть жизненный цикл, являющийся субъектом эволюции.

Итак, мы видим, что вирусы соответствуют даже довольно строгим формальным определениям жизни — если уж вообще браться такие определения искать.

А надо ли их искать? Знаменитый французский вирусолог Патрик Фортерр имеет по этому вопросу особое мнение. Он совершенно справедливо замечает, что само стремление создать общее определение, характеризующее сущность жизни, есть идеалистический предрассудок, восходящий в конечном счете к философии Платона. Поиск такого определения как бы предполагает, что где-то в бестелесном мире существует идеальная форма жизни, платоновскими “тенями” которой являются все реальные живые объекты. Однако мир, с которым имеет дело современная наука, оказался гораздо ближе не к платоновскому царству абсолютных идей, а к гераклитовскому космосу, в котором все течет и изменяется. Сколько бы определений жизни мы ни придумали, это не отменит того факта, что исторически мы знаем только земную жизнь (включая вирусы). Вот на ней-то и надо сосредоточиться — по крайней мере, пока на других планетах не найдут нечто живое. Тогда и можно будет подумать, как расширить наше понимание жизни и стоит ли его расширять. А пока условимся, что мы называем живыми природные объекты планеты Земля, существование которых основано на активном копировании информационных макромолекул (это не определение, а просто-напросто кратчайшее описание). И будем стремиться не к платоновским абстракциям, а к исследованию того, что реально происходило и происходит на этой планете. С этой точки зрения жизнь есть не более чем эпизод земной истории.

 

Две великие империи

Латинское слово virus вообще-то значит “яд”. Например, змеиный яд и яд, которым смазывают наконечник отравленной стрелы, обозначаются в классической латыни именно этим словом. Ну а в конце XIX века биологи назвали вирусами болезнетворные агенты, обладающие тремя очень характерными особенностями:

* они невидимы под световым микроскопом;

* они свободно проходят сквозь фильтры, предназначенные для задержки бактерий (отсюда устойчивое, хотя и совсем уж сейчас устаревшее выражение “фильтрующийся вирус”);

* они не поддаются выращиванию ни на каких искусственных питательных средах.

Не приходится удивляться, что при таких вводных природа вирусов первое время была совершенно загадочна. Вирус мог оказаться мельчайшим живым организмом, а мог и просто ядовитой молекулой. Лет 100 назад биологи вполне допускали и то и другое.

В 1935 году американский биохимик Уэнделл Стэнли ухитрился не только выделить из табачного сока вирус табачной мозаики, но и кристаллизовать его — так, как если бы это была обычная молекула. В то время это произвело сенсацию, тем более что под микроскопом вирусы на тот момент еще никто не видел. Неудивительно, что, получив этот результат, Стэнли посчитал вирус просто белковой молекулой, пусть и имеющей кое-какие особые свойства. “Вирус табачной мозаики может рассматриваться как автокаталитический белок, способный использовать живые клетки для собственного умножения”.

Тем не менее постепенно биологам становилось ясно, что вирус — не простая молекула. Одну из попыток дать вирусам четкое определение сделал уже нами упоминавшийся Андре Львов. По Львову, вирус — это мелкий (не больше 200 нанометров) инфекционный агент, не обладающий автономностью и не способный размножаться делением, в отличие от живых клеток. (Для справки: нанометр — это миллионная часть миллиметра или, соответственно, 1/1000 часть микрона.) К этому Львов добавил, что любой вирус обязательно содержит помимо белка нуклеиновую кислоту, но только одного типа — или ДНК, или РНК. Последнее резко отличает вирусы от живых клеток, в состав которых (как тогда уже было хорошо известно) всегда входят оба типа нуклеиновых кислот. Это и понятно, иначе никакая клетка просто не смогла бы функционировать. А вот вирусу содержать в себе сразу оба типа нуклеиновых кислот не нужно.

В любом случае такие взгляды подразумевали, что вирусы — это по сути своей нечто более простое, чем клетки. Гораздо, качественно более простое. Иная ступень устройства природы, если угодно.

Вот это мнение и оказалось неверным. Скажем аккуратнее: не вполне верным. Потому что в 2003 году был открыт мимивирус.

Выше мы уже упоминали это существо, хотя и не назвали тогда его по имени. Мимивирус — тот самый гигантский вирус, который паразитирует в пресноводных амебах и создает в них “вирусные фабрики”. Его вирион приближается к невероятному для вирусов размеру в 500 нанометров, то есть 0,5 микрона. Этот размер больше, чем у некоторых бактерий (среди последних есть внутриклеточные паразиты со средним размером 200–300 нанометров). Такой вирус вполне можно увидеть в световой микроскоп, а не только в электронный. И бактериальные фильтры его задерживают. Собственно говоря, поначалу мимивирусы за бактерий и приняли. Неудивительно, учитывая, что средний размер обычных вирусов — всего-то около 100 нанометров.

Все гигантские вирусы оказались ДНК-содержащими, причем ДНК у них двуцепочечная. Прочтение генома мимивируса показало, что этот геном состоит из 1,18 миллиона пар нуклеотидов и включает 979 генов, кодирующих белки. Это очень серьезные цифры. Для сравнения: вирус натуральной оспы — тоже крупный вирус с двуцепочечной ДНК (группа, к которой он относится, называется поксвирусами), однако его геном состоит только из 186 000 пар нуклеотидов и включает всего-навсего 197 генов. По вирусным меркам и это немало. Но у мимивируса геном в несколько раз больше. Он приближается по величине к геномам клеточных организмов — и не просто приближается, а вполне достигает их размеров.

Действительно, самый маленький полноценный архейный геном (он принадлежит одной морской архее) состоит из 490 000 пар нуклеотидов и включает 540 генов. А самый маленький полноценный бактериальный геном (принадлежащий паразиту микоплазме) состоит из 580 000 пар нуклеотидов и включает 475 генов. Как видим, эти геномы почти вдвое меньше, чем у мимивируса. Причем их обладатели не уникальны, одноклеточных организмов с подобными размерами геномов еще десятки. Многие из них — внутриклеточные паразиты, но не все.

Конечно, у большинства бактерий и архей (не говоря уж об эукариотах) геномы все же крупнее. Например, геном кишечной палочки состоит из 4,6 миллиона пар нуклеотидов и включает 4288 генов. (Тут учитываются только гены, кодирующие белки, но это сейчас неважно.) Вот это как раз “средняя” бактерия, ее геном не слишком велик и не слишком мал. И он, уж конечно, больше, чем у любого вируса, во всяком случае — насколько мы пока знаем.

Но ведь и мимивирус не уникален. Исследования быстро показали, что гигантских ДНК-содержащих вирусов в природе не так уж мало (см. рис. 12.3).

За прошедшие годы было открыто еще несколько близких друг к другу родов гигантских ДНК-содержащих вирусов. Они получили разнообразные названия: марсельвирусы, мамавирусы, мегавирусы, пандоравирусы, молливирусы, питовирусы и даже моумоувирусы. Недавно к этому списку добавились клоснойвирусы, индивирусы, катовирусы и хоковирусы. И каждый из них внес что-то свое в постоянно растущую сумму знаний о подобных созданиях.

У мамавируса, который тоже паразитирует в пресноводных амебах, в геноме 1023 гена. Одна из статей о нем так и озаглавлена: “Вирус, у которого больше 1000 генов”. Да, это действительно впечатляет.

У мегавируса число генов, подсчитанных тем же способом, достигает 1120 штук. Для сравнения: у возбудителя сифилиса — бледной трепонемы, которую никогда не считали ни карликовой, ни деградировавшей бактерией, — геном состоит из 1,14 миллиона пар нуклеотидов и включает 1039 генов. Чуть больше, чем у мамавируса, но чуть меньше, чем у мегавируса.

Еще позже были открыты пандоравирусы — огромные вирусы, тоже паразитирующие в амебах и отлично видимые под обычным световым микроскопом. Вирион пандоравируса, одетый мембраной и слегка напоминающий по форме античную амфору, вполне может быть длиной больше микрона. Геном одного из видов пандоравирусов состоит из 2,47 миллиона пар нуклеотидов и включает 2556 генов, кодирующих белки. Такой геном уже превосходит размером геномы не только многих бактерий, но и некоторых эукариот! Например, у микроспоридий — упоминавшихся выше эукариот, которые освоили внутриклеточный паразитизм, — геномы совершенно точно бывают меньше, чем геном пандоравируса.

В 2017 году был описан еще один гигантский вирус — клоснойвирус, названный по имени города Клостернойбург в Нижней Австрии. Его геном состоит из 1,47 миллиона пар нуклеотидов и включает 1545 генов. По нынешним меркам, это не рекорд — у пандоравируса, как мы знаем, геном еще крупнее. Но у клоснойвируса есть другая удивительная особенность. Его геном содержит необычайно большой (для вируса) набор генов, служащих для трансляции: 25 генов транспортных РНК и 19 генов ферментов-кодаз, которые “пришивают” к транспортным РНК транспортируемые ими аминокислоты (см. главу 9). Судя по всему, вирус получил эти гены из геномов своих хозяев — одноклеточных эукариот; в мире вирусов подобные захваты чужих генов вообще не редкость. Но вот уж чего-чего, а трансляции у вирусов быть не должно.

Впрочем, полного аппарата трансляции, способного к самостоятельной работе, нет и у клоснойвируса. У него полностью отсутствуют гены, кодирующие рибосомную РНК и рибосомные белки. Этих генов нет ни у одного известного вируса, что в общем-то и неудивительно: ведь именно отсутствие рибосом — это, как мы уже говорили, одно из самых главных различий между вирусами и клетками. По этому признаку никаких переходных форм между ними пока не видно.

Между прочим, в том же исследовании было заодно показано, что у разных эволюционных ветвей гигантских вирусов (например, у мимивирусов и у клоснойвирусов) наборы заимствованных генов совершенно разные. Общим у них оказалось только жизненно необходимое “ядро” генома. Тут напрашивается аналогия с компьютерной операционной системой: есть устойчивое “ядро”, а есть состоящая из множества программ-приложений “периферия”, которую можно легко менять и дополнять. Разнообразие этой “периферии” у гигантских вирусов показывает, что их эволюция шла очень быстро. Возможно, что и гигантами они стали независимо друг от друга, а их общий предок был куда скромнее.

Так или иначе открытие гигантских вирусов смело можно назвать одним из важнейших в современной биологии. Оно целиком датируется XXI веком (некоторые гигантские вирусы были известны и раньше, но тогда их принимали за каких-то странных бактерий). И тут замечателен не просто сам факт открытия новых, необычных организмов. Дело еще и в том, что открытие гигантских вирусов заметно изменило наши представления о структуре живой природы в целом. Конечно, никто не утверждает, что пандоравирус устроен сложнее кита-полосатика. Верхний предел сложности (даже чисто генетической) у клеточных организмов явно гораздо выше; это видно хотя бы по размерам их геномов. Но вот сказать, что любая клетка устроена сложнее любого вируса, теперь нельзя никак.

Итак, главный вывод: вирусы и клеточные организмы существенно перекрываются друг с другом как по размеру, так и по сложности. Это не две эволюционные ступени, а две ветви.

А теперь обратимся к роли личности в истории. Открытие гигантских вирусов, как и многие из дальнейших исследований на эту тему, связано с именем крупнейшего французского вирусолога и микробиолога Дидье Рауля (он тут уже упоминался). Рауль, конечно, работает далеко не в одиночку; самый известный его коллега — вирусолог Патрик Фортерр. Так вот, в некоторый момент Рауль и Фортерр написали совместную статью, в которой предложили новый взгляд на само понятие живого организма.

Будем исходить из того, что структура любого организма в достаточно неплохом приближении определяется его геномом. В некоторых ситуациях это утверждение может быть спорным, но в том масштабе, какой нам сейчас нужен, оно отлично работает. Можно сказать, что организм — это производное генома, фрагмент среды, которую геном организует вокруг себя. Итак, сравним геномы клеточных организмов (бактерий, архей и эукариот) с геномами вирусов. Чем они принципиально отличаются друг от друга? Во всяком случае, не величиной. Мы уже видели, что некоторые вирусные геномы превосходят числом генов некоторые клеточные, причем принадлежащие и бактериям, и археям, и эукариотам (число генов и размер генома на самом деле далеко не одно и то же, но сейчас это неважно: сравнение числа генов и сравнение размеров геномов, измеренных в парах нуклеотидов, в нашем случае дадут примерно один и тот же результат). Значит, разница между вирусными и клеточными геномами не количественная. А какая же?

Ответить на этот вопрос нетрудно, благо многие геномы сейчас уже полностью прочитаны. Любой вирусный геном отличается от любого клеточного (даже имеющего такой же размер) долями, которые отведены в нем некоторым строго определенным категориям генов. Бросается в глаза, что есть как минимум две важные группы генов, свойственных клеткам, но не свойственных вирусам. Это гены энергетического обмена и гены, ответственные за создание рибосом. У подавляющего большинства вирусов никаких генов энергетического обмена нет вообще, а если даже они есть, то кодируют только отдельные ферменты, но не полную систему синтеза АТФ (выше мы обсуждали такой пример — вирус-цианофаг, модифицирующий систему фотосинтеза в разрушенной клетке синезеленой водоросли). А по поводу рибосом Рауль и Фортерр замечают, что, судя по биоинформатическим данным, последний общий предок всех клеточных организмов имел как минимум 34 рибосомных белка, и эти белки (вместе с кодирующими их генами) сохранились у всех бактерий, архей и эукариот. У вирусов же нет ни одного из них.

Таким образом, бактерий, архей и эукариот можно с полным основанием назвать рибосомокодирующими организмами (ribosome-encoding organisms, REO). Этот признак четко отделяет всех их, вместе взятых, от вирусов.

Пока что мы выявили, так сказать, “негативные” отличия — констатировали, чего вирусы лишены. А есть ли отличия “позитивные”? Обладают ли вирусы чем-то таким, что ни у каких клеток не встречается? Да. В геноме любого вируса, заслуживающего этого названия, есть гены, кодирующие белки капсида — белкового “футляра”, заключающего в себе ДНК или РНК. Слово “футляр” тут, пожалуй, вводит в заблуждение, на самом деле вирусные капсиды частенько бывают довольно сложными структурами, построенными из разнородных частей и способными изменять свою геометрию (как, например, капсид бактериофага, который будто бы шприцем впрыскивает вирусный генетический материал в клетку бактерии). Вирус без капсида — это не вирус, а cубвирусная частица. Итак, особенность, которая есть у всех вирусов, и только у них, — это экспрессия генов капсида.

Таким образом, вирусы можно с полным основанием назвать капсид-кодирующими организмами (capsid-encoding organisms, CEO). Этот признак четко отделяет их от всех, кто состоит из клеток.

Человеческий разум любит дихотомии — отмечают Рауль и Фортерр. Деление организмов на рибосомокодирующие и капсид-кодирующие — это первичная дихотомия, на которой может основываться вся система живой природы. Она соответствует двум огромным эволюционным ветвям, разошедшимся на заре жизни, — двум ветвям, каждая из которых породила свой собственный биологический мир. Одни организмы “изобрели” рибосому и получили автономный аппарат трансляции — эффективный, но требующий постоянного снабжения энергией. А другие организмы сделали ставку на манипулятивное использование в своих интересах чужих аппаратов трансляции и на очень быстрое размножение. Сложностью при этом пришлось по большей части пожертвовать, но зато выживание генетического материала, рассеянного в чуждой и часто агрессивной среде, потребовало “изобретения” капсида.

Более того, не исключено, что заодно некоторые древние вирусы “изобрели” и ДНК. Ведь приспособительный смысл особенностей ДНК, отличающих ее от РНК, в том, что она чисто химически более устойчива (см. главу 8). А в условиях, когда вирионы переносились на большие расстояния водой или ветром, это могло быть особенно важно для сохранности их генетического материала. Между тем есть независимо обоснованная гипотеза, что первые клетки были РНК-содержащими — аналогично тому, как бывают РНК-содержащие вирусы. Это хорошо согласуется с тем фактом, что рибосомы со всем прилагающимся к ним набором РНК и белков появились раньше, чем клеточные механизмы репликации ДНК (во всяком случае, к таким выводам приводят данные сравнительной геномики). А если первые ДНК-содержащие вирусы уже существовали в эпоху первых клеток, то... Почему бы этим клеткам не получить “ноу-хау” хранения генетической информации на ДНК прямо от вирусов? Такой обмен генами вполне возможен. Тогда получается, что взаимодействие (или даже слияние) ДНК-содержащего вируса и РНК-содержащей клетки произвело на свет ДНК-содержащую клетку — ту самую форму жизни, которая сейчас доминирует на Земле.

Еще более вероятно, что некоторые клеточные организмы, а именно эукариоты, получили от вирусов механизм кэпирования информационной РНК (см. главу 10). Интрига тут вот в чем. Вирус, стремящийся подчинить себе крупную клетку, крайне заинтересован в том, чтобы его информационная РНК отличалась от обычной клеточной — например, несла на каком-нибудь своем конце специальную химическую метку. Тогда все молекулы иРНК, лишенные этой метки, можно будет разрушить, разобрав на отдельные нуклеотиды, а молекулы иРНК с меткой (принадлежащие вирусу) сохранить и направить на рибосомы, чтобы они дали вирусные белки. И в ходе эволюции вирусов такие метки действительно были “изобретены”. Например, у поксвирусов — крупных ДНК-содержащих вирусов, к которым относится вирус оспы, — к 5'-концу каждой иРНК “пришивается” мостиком из трех фосфатов особый модифицированный нуклеозид (гуанозин с добавочной метильной группой), причем “пришивается” он уникальным способом, как бы задом наперед. Поксвирусы — паразиты эукариот. А у самих эукариот, во всяком случае у современных, информационная РНК всегда помечается абсолютно так же! Собственно, эта-то метка и называется кэпом. Причем ни у бактерий, ни у архей кэпирования нет. Очень похоже, что эукариоты заимствовали этот механизм, вместе с обеспечивающими его генами, от своих вирусов.

Но зачем эукариотам это понадобилось? Ведь если бы кэпирование не приносило им никакой пользы, оно не удержалось бы в их геноме — во всяком случае, в работоспособном виде. Подсказку здесь дает наличие у эукариот, и только у них, особых ферментов, которые расщепляют свободную РНК на отдельные нуклеотиды, начиная с 5'-конца. Эти ферменты называются 5'-экзорибонуклеазами, и они стремятся разрушить любую информационную РНК, у которой на 5'-конце нет кэпа. Скорее всего, сочетание механизма кэпирования с присутствием 5'-экзорибонуклеаз является механизмом защиты клеток от РНК-содержащих вирусов, которые особенно склонны поражать именно эукариот (бактерий — гораздо реже). Вирусная РНК исходно не имела никакого кэпа, поэтому 5'-экзорибонуклеазы были обязаны ее атаковать, в то время как клеточные иРНК были защищены своим кэпом от такой атаки. Если все эти соображения верны, то получается, что один вирус (ДНК-содержащий) передал эукариотам гены ферментов кэпирования и тем самым подарил им способ защиты от других вирусов (РНК-содержащих). Ну а почему бы и нет?

Иное дело, что все современные РНК-содержащие вирусы эукариот, в свою очередь, успели приспособиться к этому защитному механизму и научиться его так или иначе обходить (например, вирус гриппа “ворует” кэп у клеточных иРНК, перенося его оттуда специальными ферментами). Так что эукариотам приходится создавать новые способы защиты от вирусов, основанные, например, на распознавании двуцепочечной РНК: самим эукариотам она не нужна, а вот в жизненном цикле большинства РНК-содержащих вирусов хотя бы короткая стадия дцРНК есть обязательно, и это хороший признак объекта, который нужно атаковать. Как сказал герцог Карл в финале пьесы Августа Стриндберга “Король Эрик XIV”, “борьба не кончается — никогда!”.

Однако вернемся к основной теме. По мнению Патрика Фортерра, современные РНК-содержащие вирусы, скорее всего, являются не чем иным, как остатками древнейшего РНК-мира, в котором РНК служила не только передатчиком, но и единственным носителем генетической информации (см. главу 9). Что касается ДНК-содержащих вирусов, то они почти наверняка произошли от РНК-содержащих. Переходной стадией между РНК- и ДНК-содержащими вирусами могли быть ретровирусы: у них как раз есть фермент, “переписывающий” генетическую информацию с РНК на ДНК.

По всей вероятности, первый вирус появился очень быстро — почти сразу же после появления первой рибосомы (независимо от того, возникла ли она в клетке или в какой-то доклеточной системе). Утверждать это можно с уверенностью, потому что возникновение паразитов неизбежно в любом эволюционном процессе. И эта неизбежность, как принято в таких случаях выражаться у ученых, имеет фундаментальный характер. Это означает, что она не является каким-то случайным “привходящим обстоятельством”, а логически вытекает из самой сути рассматриваемых объектов. В любом множестве репликаторов после нескольких циклов размножения (когда накопится случайная изменчивость) обязательно найдутся такие, которые тем или иным способом повысят скорость своей репликации за счет чужих ресурсов. Для систем, состоящих из самореплицирующихся РНК, этот вывод подтвержден математическими моделями. Но понять его легко и “на пальцах”. С точки зрения дарвиновской эволюции повышение скорости собственной репликации за чужой счет попросту слишком выгодно, чтобы упустить такую возможность. Именно поэтому во всех без исключения природных экосистемах есть огромное количество паразитов. Причем эти паразиты могут принадлежать к каким угодно эволюционным ветвям, от вирусов до высших растений и многоклеточных животных. Даже у гигантских вирусов, как мы теперь знаем, есть свои собственные паразиты — вирофаги, оказавшиеся ДНК-содержащими вирусами обычного среднего размера. Это наглядно показывает, насколько глубоко укоренен паразитизм в любой биологической эволюции, или, правильнее сказать, в биологической эволюции как таковой.

В древнейшем РНК-мире между предшественниками вирусов и предшественниками клеток не было никакой разницы. И те и другие реплицировались за счет рибозимов — особых РНК, обладающих каталитическими свойствами (см. главу 9). Рубежом, который резко отделил вирусные формы жизни от клеточных, стало появление трансляции. Приобретя систему трансляции, всякий организм получал возможность синтезировать по собственным инструкциям какой угодно набор белков — сложных молекул, которые, как мы знаем, являются великолепными инструментами для всевозможных взаимодействий с окружающим миром (см. главу 3). Но и цена этого приобретения была достаточно высокой. Система трансляции требует бесперебойного снабжения энергией и к тому же замедляет размножение — просто потому, что она слишком громоздка. Неудивительно, что в тогдашнем живом сообществе тут же нашлись любители пользоваться преимуществами, которые дает система трансляции, но не платить за нее положенную цену. Единственным способом сделать это, конечно же, оказалась манипуляция теми соседями, у которых система трансляции была честно установлена. С этой задачей первые вирусы (которых с этого момента уже можно так называть) вполне справились. А их главным преимуществом стала скорость размножения, доведенная до максимума за счет отказа от всего, от чего только можно отказаться. Этой стратегии вирусы успешно следуют и по сей день.

Эволюционным новшеством, маркирующим вирусы “в хорошем смысле этого слова”, стало, как мы уже знаем, создание капсида — футляра, защищающего генетический материал от разрушения внешней средой. Именно поэтому вирусы и называют капсид-кодирующими организмами. Впрочем, иногда против такого названия возражают — надо признать, что не без некоторых оснований. Дело в том, что в природе есть множество еще более простых паразитических репликаторов, которые представляют собой “голые” РНК или ДНК без всяких капсидов, но при этом имеют примерно такой же жизненный цикл, как и у вирусов. И мир этих репликаторов эволюционно связан с миром вирусов. В этом смысле выделение обладателей капсидов в особую категорию выглядит и вправду искусственным. Впрочем, с той или иной точки зрения искусственной выглядит любая система, стремящаяся разбить на четкие категории непрерывно меняющиеся природные объекты. От этого никуда не деться.

В оправдание классификации Рауля — Фортерра можно добавить, что главный объект биологии — все-таки организм, а “голый” репликатор считать таковым, пожалуй, нельзя. Биология вообще изучает историю организмов, а не генетических текстов; последнее — всегда лишь средство. И та система, в создании которой поучаствовали Рауль с Фортерром и о которой пойдет речь дальше в этой книге, — это именно система организмов. Репликаторы, не имеющие ни рибосом, ни капсидов, Рауль и Фортерр называют “сиротами” (orphan replicons). А граница между этими “сиротами” и настоящими вирусами, по их мнению, проходит по наличию структурных белков вириона. Вполне резонно.

В любом случае мы можем быть уверены, что миру клеточных организмов всегда, на всех этапах его развития и во всех эволюционных разветвлениях, сопутствовала виросфера — колоссальный невидимый мир вирусов и субвирусных частиц, скрытый от обычных органов чувств, но невероятно разнообразный и никогда не прекращавший свою стремительную, запутанную, бурную эволюцию. Иногда виросфера убивала, иногда внезапно делала ценные подарки, а иногда и манипулировала клеточными существами, подталкивая их собственную эволюцию в ту или иную сторону.

 

Полиднавирусы

У замечательного английского писателя Лоренса Даррелла есть роман “Месье, или Князь Тьмы”, входящий в пенталогию “Авиньонский квинтет”. Герои этого романа, живя в XX веке, сталкиваются с сектой египетских гностиков — продолжателей древних религиозных учений, согласно которым повелитель мира — не Бог, а Князь Тьмы. Гностики убеждены, что весь материальный мир, полный смерти, боли и распада, есть царство зла. Их предводитель, таинственный человек по имени Аккад, читает что-то вроде лекции, в которой поясняет эту мысль, пользуясь примерами из биологии:

“...Самка богомола, которая пожирает своего самца в то самое время, когда он ее оплодотворяет. Паук, который ловит муху в западню. Помпил, закалывающий паука ударом жала. Церцерис, который поражает тремя уколами три главных центра нервной системы златки, а потом его личинка поедает эту златку, еще живую, с чудовищной научной точностью обходя жизненно важные части, пока жертва не доедена до конца. А есть еще и наездники. И траурница, которая присасывается к личинке пчелы-каменщицы, постепенно выпивая ее досуха, и в конце концов съедает искусно сохраненный все еще живой остаток. И филант, убийца пчел, который, прежде чем утащить жертву в норку, давлением вынуждает ее извергнуть свой мед и сосет язык несчастного умирающего насекомого... Что за зрелище это Творение! Всеобщая бойня!” [167]

Надо сказать, что все эти биологические примеры реальны. Скорее всего, Даррелл (как и его персонаж) взял их из книг великого французского энтомолога Жана Анри Фабра. Там можно найти рассказ и про помпила, и про церцериса, и про наездников, и про траурницу, и про филанта. И даже основное место действия “Авиньонского квинтета” по прихотливой случайности близко к местам, где Фабр вел свои исследования (он жил поблизости от Авиньона, на юге Франции).

Сам Фабр был типичным ученым-позитивистом, интересовавшимся только фактами (и одновременно — популяризатором науки, умевшим, надо отдать ему должное, блистательно эти факты описывать). Персонаж Даррелла — человек совершенно иного склада; открытия Фабра служат ему иллюстрацией гностического представления о материальной природе как о цепи существ, бесконечно пожирающих друг друга. “Природы вековечная давильня”, как выразился русский поэт по сходному поводу. Именно из-за такого взгляда на мир символом гностицизма считается уроборос — змей, заглатывающий свой хвост (см. рис. 1.5).

Однако посмотрим на приведенные примеры с чисто биологический точки зрения.

Филанта иногда называют пчелиным волком. Это оса, которая убивает пчел и кормит своих личинок их трупами. А вот помпилы, церцерисы, наездники и траурницы поедают своих жертв живьем. Вернее, это делают их личинки. Ради питания личинок некоторые насекомые парализуют свою добычу точными уколами жала, превращая ее буквально в живые консервы; помпил поступает так с пауком, а церцерис — с жуком-златкой. У других, например у наездников, жала нет, но их жертвам от этого ничуть не легче.

Хищники это или паразиты? В мире насекомых между этими понятиями нет четкого рубежа. Паразиты отличаются от хищников только тем, что их добыча крупнее их самих и нападение не является смертоносным. Паразитов на грани хищничества, которые постепенно потребляют все тело своего хозяина и в конце концов его убивают, принято называть паразитоидами. Некоторые паразитоиды относятся к мухам (например, траурница), некоторые — к другим группам насекомых. Но большинство из них — это осы. И помпилы, и церцерисы, и наездники входят в отряд перепончатокрылых, то есть являются осами, — конечно, в широком смысле этого слова.

Из всех этих существ вершины специализации к паразитизму достигли, пожалуй, наездники. Жала у них нет, вместо него — яйцеклад, иногда очень длинный, с помощью которого оса аккуратно помещает свои яйца внутрь другого насекомого. Из яйца вылупляется личинка, которая осваивает тело жертвы, поедая его постепенно, начиная с менее важных органов; жизненно важные она оставляет напоследок. Иногда жертва заражается одной личинкой наездника, а иногда и сразу несколькими — это зависит от вида.

В 1960-х годах канадский энтомолог Джордж Солт, детально исследовавший взаимоотношения наездника с организмом хозяина (в данном случае это была гусеница), выяснил, что действия самки наездника при заражении новой жертвы вовсе не сводятся к тому, чтобы просто отложить в нее яйца. Наездник — воистину совершенный паразит. Чтобы сделать организм жертвы комфортной для себя средой, он вводит туда некий яд, вызывающий (как мы сейчас знаем) удивительно многогранные физиологические эффекты. Во-первых, — это самое главное — подавляется иммунная система гусеницы, в норме активно стремящаяся уничтожить яйца паразита или, по крайней мере, не дать им развиваться. Без подавления иммунной системы жертвы наезднику придется плохо. Во-вторых, блокируется метаморфоз. Гусеница, пораженная наездником, никогда не превратится в бабочку, даже если чудом выживет. В-третьих, обмен веществ гусеницы слегка модифицируется, чтобы личинке наездника было выгоднее питаться ее внутренностями (особенно жировым телом, в котором у насекомых накапливается важнейший запасной углевод — гликоген).

А еще через несколько лет биологи обнаружили, что некоторые наездники зачем-то вводят внутрь гусеницы огромное количество плавающих в растворе вирусных частиц. Этот раствор впрыскивается в тело жертвы вместе с яйцами, через яйцеклад. Очень скоро было экспериментально показано, что именно загадочные вирусы и вызывают в организме гусеницы физиологические изменения. Получается, что в качестве яда наездник использует вирус. Не химическое оружие, а биологическое! (Иногда вместе с вирусами в тело жертвы вводятся и чисто химические яды, но в таких случаях они только дополняют действие вирусов, а не наоборот.)

Вирусы, которые наездник вводит в организм гусеницы, были вскоре выделены и описаны. Называются они полиднавирусами. Это название возникло как сокращение от довольно неуклюжего словосочетания “полидисперсный ДНК-содержащий вирус”. Использование полиднавирусов в качестве “биологического оружия” характерно для двух семейств наездников — браконид и ихневмонид; связанные с этими семействами вирусы называются, соответственно, браковирусами и ихновирусами. Между ними есть мелкие отличия, но в главных чертах они очень похожи.

Полиднавирусы оказались вирусами с двуцепочечной ДНК, в общем-то довольно обычными на вид. Ни по размерам, ни по структуре они не представляют собой ничего уникального — вирусы как вирусы. Но вот геном полиднавирусов поначалу сбил исследователей с толку. Обычно весь вирусный геном заключается в одной крупной молекуле ДНК (если вирус ДНК-содержащий, конечно). Так вот, у полиднавируса такой молекулы не нашлось. Вместо нее внутри вирусной частицы оказалось множество (10–30 штук, в зависимости от вида) маленьких кольцевых ДНК, несущих какой-то странный набор генов. Мы уже знаем, что любому вирусу в первую очередь нужны гены, обеспечивающие репликацию и построение капсида. А их-то в кольцевых ДНК полиднавирусов как раз и не оказалось. И прошло еще некоторое время, прежде чем поразительный жизненный цикл этих вирусов был полностью выяснен (см. рис. 12.4).

Полиднавирус имеет двух хозяев. Один из них — это оса-наездник, второй — поедаемая личинкой наездника гусеница. Неудивительно, что их роли в жизни вируса (как и роли, которые играет вирус в их жизни) абсолютно различны.

Оказалось, что геном полиднавируса целиком “вмонтирован” в геном осы. Он копируется и передается из поколения в поколение вместе с обычными осиными генами, с точки зрения молекулярных механизмов не отличаясь от них ровно ничем. Получается, что у каждой особи наездника в ядре каждой клетки тела содержится полный вирусный геном, включенный в какую-то из хромосом (или рассеянный по разным хромосомам — может быть и так и так, для нас это сейчас непринципиально).

У самцов наездников вирусные гены, по-видимому, постоянно “спят”. У самок же эти гены приобретают активность только по достижении половой зрелости и только в одной строго определенной части организма, а именно в клетках выстилки яйцевода. В этих клетках собираются вирусные частицы и синтезируются многочисленные маленькие кольцевые ДНК, содержащие — внимание! — далеко не все вирусные гены, а только те, которые нужны вирусу для действия на организм второго хозяина, гусеницы. Судя по всему, эти гены происходят из генома самой осы, хотя за время эволюции, связанной с вирусом, они успели заметно измениться, подстроившись под него. В результате можно считать, что это гены вируса, заимствованные им у осы, а можно считать, что это гены осы, которые она в определенный момент своего жизненного цикла “одалживает” вирусу, используя последний в качестве действующего на жертву внешнего эффектора. Самое интересное, что и то и другое будет совершенно верно. Ген вовсе не обязан непременно принадлежать какому-то одному организму! (Желающим понять, откуда берется это утверждение, можно посоветовать почитать книги Ричарда Докинза “Эгоистичный ген” и “Расширенный фенотип”, в которых все великолепно объяснено; здесь мы в теорию вдаваться не будем, потому что ничего нового по сравнению с этими книгами все равно не сообщим.)

Итак, вместе с яйцами осы, в составе жидкости, наполняющей ее яйцевод, вирионы полиднавируса попадают в тело гусеницы. Вот тут-то вирус и начинает свою работу. В первую очередь он поражает клетки иммунной системы гусеницы, делая их неактивными и не способными уничтожать яйца паразита. Есть и другие эффекты, причем довольно разнообразные: например, вирус заставляет клетки гусеницы синтезировать специальный белок, блокирующий гормональный запуск метаморфоза. Ведь если гусеница превратится в куколку, а потом и в бабочку, это грозит спутать все планы живущей в ней личинке наездника. В общем, вирус и в самом деле работает послушным эффектором, делая все, чтобы превратить тело гусеницы в максимально комфортную для наездника среду.

А вот никакого размножения полиднавируса в теле гусеницы не происходит. Его полностью обеспечивает оса. Именно поэтому гены репликации и капсида, которые необходимы для создания новых вирусных частиц, не включаются в состав вирионов: они там не нужны. Того, что эти гены хранятся в геноме осы, более чем достаточно, чтобы вирус (если можно так выразиться) был уверен в собственном выживании.

Интересно, что известен по крайней мере один вид полиднавирусов, у которого внутри вирионов вообще нет никакой ДНК — только готовые белки. В этом случае абсолютно все генетические процессы идут в теле осы, а вирионы используются только для переноса непосредственно действующих молекул. Еще одна прекрасная иллюстрация того, что эффекты генов могут и не зависеть от границ организмов.

Вирусные частицы, внедренные в гусеницу, — это тупиковая ветвь жизненного цикла, они в любом случае вместе с гусеницей и погибнут. Воспроизводство полиднавируса происходит исключительно путем передачи из поколения в поколение его генома, включенного в состав генома осы. Иными словами, он передается точно так же, как обычные осиные гены. При этом на организм самой осы скрытый в ней вирус не действует вообще никак. Даже вирусные частицы там создаются только тогда, когда настает пора вывести их наружу вместе с яйцами, и только в тех клетках, которые находятся прямо на пути этих яиц.

Теперь посмотрим на всю эту ситуацию с точки зрения интересов участников. Поселившись в наезднике, вирус получает эффективнейший механизм для выживания своих генов: целый биологический вид, все 100% особей которого даже не просто заражены этим вирусом, а несут в своих хромосомах его полный геном. С точки зрения дарвиновской эволюции это огромный успех — для вируса. А для наездника? Если бы присутствие вирусных генов не приносило наезднику никакой пользы, тот, вероятно, давно избавился бы от них и уж наверняка отключил бы. Последнее в таких случаях происходит само собой: нарушающие работу гена случайные ошибки накапливаются в нуклеотидном тексте очень быстро, если естественный отбор их специально не вычищает. А раз вирусные гены долгое время остаются в осином геноме целыми и работающими, значит, они чем-то помогают выживанию осы. И мы уже знаем, чем. Поступившие из осиного яйцевода вирусные частицы активно осваивают организм обреченной гусеницы — по словам исследователей, “генетически колонизируют” его, готовя к заселению наездником. Собственно, без вирусного сопровождения личинка наездника и не разовьется: сами по себе защитные системы гусеницы обычно справляются с паразитом. Это означает, что полиднавирус просто-напросто необходим осе для выживания. А это, в свою очередь, вполне позволяет считать, что он стал частью ее организма.

Однако не только оса пользуется вирусом в своих интересах, но и вирус использует осу как машину для собственного воспроизводства. И правильно делает: ведь за десятки миллионов лет совместной жизни он довел ее до состояния, когда она просто не может существовать без его поддержки. Теперь ни у вируса, ни у осы выбора нет.

Надо заметить, что сложные серии взаимных манипуляций с разнообразными исходами вообще самое обычное дело во взаимоотношениях паразитов и хозяев. Известный японский вирусолог Сусуму Маэда в свое время выразил эту мысль чеканной фразой: “Вирус — это хозяин”. Почти как у Стругацких: “А милях в двадцати отсюда, если идти вдоль рва, находится область, где людей поработили пришельцы с Альтаира, разумные вирусы, которые поселяются в теле человека и заставляют его делать, что им угодно”.

Одна хорошая статья о паразитах насекомых, написанная в том же ключе, получила заглавие “Игры, в которые играют паразиты”. Это — явный парафраз названия знаменитой книги психоаналитика Эрика Берна “Игры, в которые играют люди”. Хотя по сути тут скорее отсылка к современной математической теории игр. Действительно, в случае с полиднавирусом перед нами типичная игра с ненулевой суммой. Три участника, двое из которых в результате сложных взаимных манипуляций выигрывают, и только третий — гусеница — в итоге не получает ничего. Горе побежденным.

Интересно, что жизненный цикл полиднавируса поразительно похож на жизненный цикл не кого-нибудь, а многоклеточного животного. Это сравнение, кажущееся парадоксальным, на самом деле бросается в глаза. В теле многоклеточного животного всегда выделяется относительно небольшая группа клеток, которые потенциально бессмертны: они становятся половыми и могут передать генетическую информацию следующим поколениям. Эти клетки называют клетками зародышевого пути. Все остальные клетки половыми стать не могут и умирают вместе с телом данной особи (если нет бесполого размножения, но оно у животных не слишком распространено). Эти клетки называют соматическими, от греческого слова σωμα — “тело”. Соматические клетки — это тупиковая ветвь жизненного цикла. Они заведомо смертны, несмотря на то что именно из них создаются все сложные органы — или, может быть, как раз по этой причине. Так или иначе функции передачи наследственной информации из поколения в поколение и создания системы эффекторов, взаимодействующих с внешней средой, у многоклеточных животных четко разделены.

Но в точности такое же разделение этих функций выработали и полиднавирусы! У них есть “зародышевый путь” — скрытая форма вируса, заключенная в геноме осы, и есть система внешних эффекторов — вирусные частицы, набитые копиями специализированных генов или даже готовыми белками, которые атакуют гусеницу и затем погибают вместе с ней. Эти вирусные частицы — не что иное, как “соматическая” часть вируса, его смертное “тело”. Бессмертен у него только “зародышевый путь”. Перед нами разновидность жизненного цикла, вполне аналогичная жизненному циклу многоклеточных животных, но выработанная существами, которые и из клеток-то не состоят. Поистине инопланетная форма жизни; до такого и сам Станислав Лем не сразу бы додумался. В данном случае открытие ученых опередило фантастику.

Остается разобраться в том, как эта удивительная форма жизни вообще появилась. Впрочем, большой тайны тут нет. Можно не сомневаться, что в ходе эволюции у насекомых произошло постепенное “одомашнивание” изначально самого обычного ДНК-содержащего вируса, геном которого интегрировался в геном осы. Вирусов с двуцепочечной ДНК, паразитирующих на насекомых, известно достаточно много. В том, что кто-то из них стал полиднавирусом, нет ничего невероятного, известные генетические механизмы это вполне допускают.

Интересно другое: таких событий было как минимум два. Мы уже упоминали, что есть две большие группы полиднавирусов — браковирусы и ихновирусы, связанные с разными семействами ос. Так вот, эти группы вирусов не имеют общего происхождения. Во всяком случае, их общий предок полиднавирусом еще не был.

Все браковирусы, скорее всего, произошли от одного-единственного “обыкновенного” ДНК-содержащего вируса, геном которого некогда встроился в геном древней осы-бракониды. Генетики подсчитали, что интеграция этого вируса в осиный геном произошла примерно 103 миллиона лет назад. Причем общим у всех браковирусов — как и можно было ожидать — оказалось только “ядро” генома, состоящее из генов репликации и капсида. Геномную “периферию” они заимствовали у ос лишь недавно и во многом независимо друг от друга.

Об эволюционных корнях ихновирусов пока известно меньше, но есть все основания думать, что история их происхождения была примерно такой же. И это не случайное сходство. Тут мы видим прекрасный пример параллельного хода эволюционного процесса в двух близких, но уже успевших разойтись эволюционных ветвях.

Два интересующих нас семейства ос — бракониды и ихневмониды — разошлись примерно 150 миллионов лет назад, а вирусных сожителей и те и другие, надо думать, приобрели еще спустя десятки миллионов лет. Причем ни бракониды, ни ихневмониды не “охвачены” этими вирусами полностью. В обоих семействах есть много представителей, у которых никаких полиднавирусов нет — и, вероятно, никогда не было. Этот факт как нельзя нагляднее показывает, что обретение полиднавирусов внутри семейства браконид и внутри семейства ихневмонид произошло совершенно независимо.

Так или иначе сейчас полиднавирусами заражено — если тут применимо это слово — примерно 50 000 видов ос-браконид и примерно 14 000 видов ос-ихневмонид (в скобках отметим, что у всех этих видов до единого их, конечно, не искали — тут перед нами прикидки, сделанные на основании конфигурации эволюционного древа). Это означает, что все особи всех этих видов несут во всех своих клетках вирусные геномы. Впечатляющий эволюционный успех — особенно учитывая, что начаться он мог всего-навсего с двух индивидуальных вирусных частиц, которым повезло некогда встроить свои геномы в половые клетки двух древних ос. Вот так эволюция может усиливать случайные события.

 

Вирусы и эволюция

“Отнесение вирусов к неживой природе, долго преобладавшее в современной биологии, имело одно непредусмотренное последствие: большинство исследователей стало игнорировать вирусы при изучении эволюции”. И в самом деле: ну что такое вирусы для обычного зоолога или ботаника? Полумифические объекты, невидимые даже под микроскопом, и вообще непонятно, живые они или нет. А если неживые, то так ли уж важно биологу их знать? Казалось, что биологическая картина мира вполне могла бы обойтись без всяких вирусов. И действительно, в большинстве написанных в XX веке трудов на эволюционные темы упоминание вирусов (если оно там вообще есть) по духу своему похоже на подстрочное примечание, которое ставят для порядка, но к которому никогда больше не возвращаются.

После открытия реальной генетической роли вирусов маятник качнулся в другую сторону. Появилась тенденция считать (или, по крайней мере, молчаливо предполагать), что вирусы — величайшие творческие агенты и что мир вирусов таит в себе скрытые причины чуть ли не всех крупных эволюционных событий, какие только происходили в истории жизни на Земле. Неудивительно, что первыми так начали думать некоторые профессиональные вирусологи. В это русло попала, например, вирусная гипотеза происхождения клеточного ядра — впрочем, так и не ставшая общепринятой (см. главу 10).

Значение вирусов в живой природе, безусловно, огромно. Даже в роли простых возбудителей болезней они заметно влияют и на структуру экосистем, и на эволюцию своих жертв. Тут как раз нет ничего особенного: как говорится, “убивать и рукоед может”. Но ведь на самом деле отношения вирусов с клеточными организмами невероятно многогранны. К паразитизму и убийству они никак не сводятся. Вирусы и клеточные организмы могут, например, вступать в симбиоз, то есть взаимовыгодное сожительство. Мы обсудили всего лишь один случай такого симбиоза (полиднавирусов с осами), а на самом-то деле подобных примеров море. Чтобы описать хотя бы только те из них, что уже детально изучены, понадобилась бы отдельная книга. Симбиотические вирусы в большом количестве есть у бактерий, грибов, растений, животных — да в общем, у кого угодно. Хуже всех в этом плане изучены археи; но и вирусы архей, судя по всему, иногда участвуют в симбиотических отношениях. При этом “бонусы”, которые дают симбиотические вирусы своим клеточным партнерам, поразительно разнообразны. Синтезируя те или иные белки, вирус может защищать своего хозяина от других вирусов, или от бактерий, или от хищников, или от конкурентов за пищу, или помогать ему на ком-нибудь паразитировать, или регулировать его жизненный цикл, или понижать вероятность каких-нибудь совершенно незаразных болезней. Есть, например, вирус, который — внезапно — предотвращает заболевание мышей инсулинозависимым сахарным диабетом, потому что подавляет приводящую к нему аутоиммунную реакцию. Бывают и симбиотические союзы, состоящие более чем из двух участников: например, гриб, растение и вирус; или животное, бактерия и вирус; или животное и два вируса... Одним словом, творческие возможности природы тут колоссальны.

Совершенно исключительную роль в биологической эволюции играют ретровирусы. (И параретровирусы тоже, особенно в эволюции растений — но здесь мы не будем в это вникать.) Как мы знаем, главная особенность ретровируса состоит в том, что он может полностью интегрировать свой геном в геном хозяина, поместив его туда на правах обычных генов, принадлежащих клетке: что называется, как будто так и было. Иногда такое удается и другим вирусам, но у ретровируса это попросту является обязательной стадией жизненного цикла. Если ретровирус поражает соматические клетки, это не имеет никаких особых эволюционных последствий (например, такое происходит при СПИДе). Совсем иное дело, если клетка, в которую интегрировался геном ретровируса, оказывается клеткой зародышевого пути. Тогда вирус — а точнее, его геном — попадает в половые клетки и начинает передаваться по наследству, получая тем самым шанс на бессмертие. Это событие называется эндогенизацией ретровируса.

Довольно часто бывает, что образовавшийся эндогенный ретровирус становится нормальной частью генома целого вида животных. Его гены при этом могут “молчать”, а могут и экспрессироваться — с самыми разнообразными последствиями, от вредных до полезных. Эндогенные ретровирусы, накапливающиеся в геноме, образуют своего рода генетическую летопись древних вирусных инфекций. Ретровирусы, гены которых не экспрессируются вообще, в одной статье назвали “молчаливыми пассажирами” — действительно, у них встречается и такой способ выживания. Но не все они таковы. Эндогенные ретровирусы могут провоцировать болезни, а могут приносить хозяину и пользу — как повезет.

В силу своих особых свойств ретровирусы служат отличными агентами горизонтального переноса генов (про этот процесс мы упоминали в главе 10). Благодаря ретровирусам может происходить мгновенный обмен генами между организмами, относящимися к совершенно разным эволюционным ветвям. Впрочем, считать вирусы не более чем пассивными переносчиками чужих генов будет большой ошибкой. Дело в том, что у вирусов обычно очень быстро идет собственная эволюция, поэтому за время пребывания в геноме вируса захваченные им гены вполне могут успеть измениться до неузнаваемости, обретя совершенно новые функции. Бурная эволюция вирусов создает новые гены так активно, что иногда их называют “генными фабриками”. И во всех этих процессах ретровирусы играют не последнюю роль.

Особенно интересен в этом плане класс животных, к которому относимся мы сами — млекопитающие.

Дело в том, что разные классы вирусов предпочитают разных хозяев. Причины этого зачастую неизвестны, но факты остаются фактами. Например, большинство вирусов бактерий относится к вирусам с двуцепочечной ДНК. Грибам наиболее свойственны вирусы с двуцепочечной РНК, цветковым растениям — вирусы с позитивной одноцепочечной РНК. А вот млекопитающие почему-то пользуются особой “любовью” ретровирусов (хотя и другие группы вирусов не обходят их своим вниманием).

Уже довольно давно известно, что встроенные эндогенные ретровирусы составляют примерно 8% генома человека. Это более-менее рядовая величина; у большинства позвоночных доля эндогенных ретровирусов в геноме — от 4 до 14%. Надо заметить, что тут речь идет только об эндогенных ретровирусах как таковых, без учета других включенных в геном мобильных элементов, часть которых тоже наверняка имеет ретровирусное происхождение; если их добавить, цифры будут гораздо больше. Но так или иначе 8% генома человека — это тоже совсем не мало. Многие из входящих в эти проценты ретровирусных генов давно утратили активность. Но не все. Некоторые из них экспрессируются — с разнообразными последствиями, в том числе и неприятными.

Например, установлено, что эндогенные ретровирусы каким-то образом участвуют в развитии такой страшной болезни, как боковой амиотрофический склероз, которым страдал Стивен Хокинг. Как знать, может быть, мы когда-нибудь научимся и лечить подобные болезни, манипулируя вирусами? В конце концов, лечили же в свое время бактериофагами дизентерию и раневые инфекции. А современная биотехнология наверняка сможет создавать искусственные полезные вирусы с заданными свойствами. Но для этого надо будет сначала разобраться в тончайших скрытых механизмах, о самом существовании которых ученые узнали лишь недавно.

Есть у млекопитающих и полезные приобретения, связанные с ретровирусами. Например, это касается плаценты — органа, обеспечивающего питание зародыша за счет организма матери. К плацентарным относятся все современные млекопитающие, кроме сумчатых, утконоса, ехидны и проехидны, — иначе говоря, подавляющее большинство. Со стороны раннего зародыша в образовании плаценты принимает участие наружный слой его клеток, который называется трофобластом. А во внешнем слое самого трофобласта, непосредственно контактирующем с тканями матери, клетки обычно сливаются в единое многоядерное целое; видимо, так удобнее регулировать обмен веществ между двумя организмами. Многоядерный слой, образующийся из бывших клеток трофобласта, называется синцитиотрофобластом. Это одна из самых необычных структур в организме млекопитающих.

Не у всех обладателей плаценты есть синцитиотрофобласт. Например, у слонов и у большинства копытных его нет, и это — исходное для плацентарных млекопитающих состояние. А тем, у кого он есть, в определенный момент эмбрионального развития приходится обеспечивать слияние клеток трофобласта — изначально одноядерных, как и все другие клетки, — в единый протяженный слой с общей цитоплазмой.

Вот тут-то на помощь и пришли ретровирусы. Дело в том, что ретровирусы млекопитающих обычно проникают внутрь клеток, провоцируя слияние мембран. Каждая ретровирусная частица одета собственной мембраной (примерно такой же, как клеточная) и несет встроенные в эту мембрану сигнальные белки. Когда вирусная мембрана контактирует с клеточной, эти белки связываются с определенными клеточными рецепторами и передают сигнал, заставляющий мембраны просто-напросто слиться. И в результате генетический материал вируса оказывается внутри клетки, что ему и требовалось.

Точно такое же слияние мембран — только клеточных — происходит при возникновении синцитиотрофобласта млекопитающих. И происходит оно за счет тех же самых “провоцирующих” сигнальных белков (у млекопитающих они называются синцитинами). Эти белки — вирусные, они кодируются находящимися в геноме млекопитающих ретровирусными генами. Причем заимствование этих генов, с приданием им функции участия в образовании плаценты, произошло в эволюции млекопитающих независимо как минимум четыре раза: у обезьян Старого Света, у грызунов, у зайцеобразных и у хищных. А скорее всего, таких событий было еще больше. Человек в этом отношении не отличается от других обезьян Старого Света: у него есть синцитиотрофобласт, формирование которого обеспечивается ретровирусными белками-синцитинами. Вот так ретровирусы подарили млекопитающим полезный молекулярный инструмент.

Большинство эндогенных ретровирусов человека — общие с обезьянами Старого Света. Но не все. Есть по меньшей мере одна группа эндогенных ретровирусов, которая у человекообразных обезьян представлена слабо, а у человека — отлично. Эта группа называется HERV-K (human endogenous retrovirus K). Например, из десяти обнаруженных в человеческом геноме “встроенных” ретровирусов этого семейства всего два встречаются у африканских человекообразных обезьян — остальные восемь уникальны для человека. Значит, интеграция этих ретровирусов произошла только в человеческой эволюционной линии. С чем это связано — сказать пока не может никто. Известно, что гены HERV-K активируются при некоторых болезнях, в их числе рассеянный склероз, шизофрения и биполярное расстройство. Так что дело может быть и в нервной системе: все-таки она у человека отличается от обезьяньей. Так или иначе эта тайна еще не разгадана.

Итак, мы можем убедиться, что любая эволюционная ветвь клеточных организмов на всем протяжении своего существования отбрасывает густую вирусную “тень”. Роль вирусов в эволюционной драме поистине всеобъемлющая. Тем не менее эту роль не стоит (пока) преувеличивать, изображая вирусы какими-то невидимыми повелителями всего живого на Земле. На данный момент для такого мнения нет достаточных оснований. Вирусы не создали ни эукариот, ни плацентарных млекопитающих, ни ос-наездников, ни человека. Во всех этих четырех случаях (как, надо думать, и во многих других) они всего лишь ускорили эволюцию клеточных организмов в направлении, которое было к тому моменту уже выбрано.

Что вирус действительно может сделать — это помочь точно “притереть” какой угодно организм к своей экологической нише, снабдив его дополнительными молекулярными инструментами для полезных адаптаций. И конечно, организм всегда за это чем-то платит, так что процесс получается с обратной связью.

Великий эволюционный генетик Рональд Фишер в свое время сравнил биологическую эволюцию с тонкой настройкой оптического прибора — например, микроскопа. Представим, что мы смотрим в обычный микроскоп и хотим повысить качество изображения. Очевидно, для этого придется покрутить винты, чтобы поманипулировать расположением линз, углом наклона зеркала и другими доступными переменными. Причем этот процесс должен идти постепенно (от резкого перемещения линзы на большое расстояние вряд ли будет толк) и обязательно включать в себя обратную связь: подняв или опустив линзу, мы оцениваем: стало изображение лучше или хуже — и в зависимости от этого решаем, в какую сторону двигать ее дальше. Действуя подобным образом, мы почти наверняка довольно быстро получим требуемый результат.

Вот именно такую “тонкую настройку” клеточных организмов могут невольно осуществлять вирусы. И получается это у них прекрасно. Можно сказать, что вирусы вложили добавочный и очень острый резец в руку того самого слепого скульптора, с которым Станислав Лем (в который раз поминаемый в этой книге) сравнил однажды биологическую эволюцию.