Вселенная внутри нас. Что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

И если поиски железа привели к обнаружению первых живых существ, то само железо позволило понять их связь с планетой. Богатые железом слои горных пород начали появляться на всех континентах около двух миллиардов лет назад. В Австралии, Северной Америке и в Африке они образуют одинаковые красно-коричневые слоистые отложения. Каждый, кто хоть однажды оставлял в гараже влажные инструменты, знает: этот цвет связан с химическими свойствами железа. Железо взаимодействует с кислородом воздуха, и в результате образуется красно-коричневая ржавчина.

В самых древних породах планеты такой ржавчины нет. Четыре с половиной миллиарда лет назад, когда Земля образовалась, она сама являлась единственным существенным источником атмосферных газов. При извержении вулканов выделялись разнообразные газы, но только не кислород. Нам легче дышалось бы на вершине нынешнего Эвереста, чем на той древней Земле. Полосы ржавчины в более молодых слоях означают, что в атмосфере появился кислород.

Содержание кислорода в атмосфере определяется равновесием между процессами, в которых он образуется, и процессами, в которых он потребляется. Если вы откроете кран, но не заткнете ванну пробкой, уровень воды в ванне будет определяться скоростью притока и оттока. Скорость поступления кислорода в древнюю атмосферу определялась характером жизнедеятельности организмов. Большинство одноклеточных существ, живших в среде с низким содержанием кислорода, имело одну особенность. Если судить по их современным родственникам, они использовали фотосинтез. Фотосинтезирующие организмы превращают энергию Солнца в ту форму энергии, которую они способны использовать. Кислород им для этого не нужен, но они его производят. Единственным источником кислорода на первозданной Земле был тот же источник, что и сегодня — фотосинтезирующие организмы. Сегодня к этой группе организмов относятся также различные микробы и растения, но миллиарды лет назад это были только сине-зеленые водоросли. Именно их мы видим в камнях, которые разглядывали под микроскопом Тайлер и Баргхорн. Древние водоросли очень похожи на современные: у них есть клеточная стенка, они формируют колонии (от маленьких сгустков до грибоподобных образований). Именно водоросли, сотни миллионов лет синтезировавшие кислород, позволили Земле начать дышать.

Содержание кислорода в воздухе определяется балансом сил, которые его производят (метаболизм водорослей) и которые его потребляют (реакции в горных породах, в воде и в атмосфере).

Водоросли были источником кислорода в древней атмосфере. А кто же был его потребителем? Некоторые молекулы в атмосфере могут связывать кислород, образуя новые соединения. Например, подводные вулканы выбрасывают газообразные продукты, образующиеся при плавлении минералов на океаническом дне. Эти газы связывают кислород, удаляя его из воздуха. Таким же свойством обладают и другие реакции между минералами, водой и воздухом. Одна из гипотез, объясняющих повышение содержания кислорода в атмосфере, заключается в том, что около двух миллиардов лет назад произошло серьезное географическое изменение, приведшее к уменьшению площади океанов и числа подводных вулканов, газообразные продукты деятельности которых связывают кислород. При наличии водорослей, производящих кислород, и исчезновении механизмов его потребления уровень кислорода постепенно повышался.

Клауд смог в единой теории соединить все наблюдения: и полосы железа, и водоросли, производящие кислород, и появление крупных существ. Его теория вытекает из самой структуры атома кислорода. Кислород охотится за электронами, поскольку на его внешней электронной оболочке недостает двух электронов. На этом основан механизм действия домашних «электростанций» наших клеток — митохондрий, а также аэробных бактерий. В некоторых реакциях метаболизма, таких как дыхание, используется каскад передачи электронов между молекулами, причем на каждой стадии переноса электрона энергия либо запасается в новой форме, либо высвобождается. Чем больше вокруг свободного кислорода, тем больше топлива доступно живым существам.

Клауд также знал, что большие существа тратят больше энергии. Для синтеза коллагена и других белков, из которых состоит значительная часть нашего тела, нужно много энергии. Рост тела и поддержание его функций требуют более эффективных механизмов превращения энергии.

Ответить на многие вопросы о связи уровня кислорода с жизнью животных помогли наблюдения, сделанные еще в 1919 году одним из основоположников физиологии Шеком Августом Стинбергом Крогом (1874–1949). Он изучал физические и химические законы, определяющие физиологию животных. Один такой закон он открыл, исследуя зависимость между свойствами воды и живущими в ней существами. Размер тела примитивных морских существ, не имеющих сложной системы циркуляции или пищеварения, зависит от количества кислорода в воде. В среде с низким содержанием кислорода невозможно вырасти большим. При повышении уровня кислорода в воде увеличивается и размер ее обитателей.

Престон Клауд понял, что повышение содержания кислорода и связанные с ним новые механизмы превращения энергии открыли новые возможности развития жизни. Именно с кислородом связано возникновение крупных существ: он явился движущей силой, которая позволила осуществить переход от микроскопических существ, живущих в мире межмолекулярного взаимодействия, к новым, крупным существам. Но кислород принес и новые опасности.

Любое изменение — это палка о двух концах. Химическая природа кислорода, которая объясняет его высокую эффективность в производстве энергии, может превратить его в яд. Кислород отбирает электроны у других атомов. При этом выделяется энергия и образуются новые соединения. Эти соединения способны разрушать клетки и повреждать ДНК. На этом свойстве кислорода построен ряд теорий старения и патологических процессов в организме. Когда вы принимаете антиоксиданты вроде витамина С, вы пытаетесь подавить негативное воздействие этих кислородсодержащих молекул.

Жизнь крупного существа в богатой кислородом среде сопряжена и с другими трудностями. В теле человека примерно два триллиона клеток и тридцать тысяч генов, которые функционируют как единое целое: все органы, ткани и гены работают слаженно, обеспечивая целостность организма. Равновесие между отдельными частями определяется прямым и опосредованным взаимодействием клеток. Когда мы здоровы, каждый орган тела «знает», что ему делать. Клетки делятся и гибнут, но его форма и размеры остаются прежними. Глаза у всех людей примерно одинаковой величины, как и большие пальцы рук и ног. Селезенка и печень тоже имеют строго определенный размер. Это равновесие необходимо для нормального функционирования многоклеточного организма.

Механизм сохранения этого равновесия стал понятен в ходе изучения необычных дрозофил. В одной из исследовательских лабораторий Университета им. Джона Хопкинса в колонии дрозофил были обнаружены особи с очень крупными глазами — в пять раз крупнее обычных. Генетики стали изучать гены этих мутантов. Они выделили ДНК соответствующего гена, изучили ее функции и выяснили, что она участвует в серии реакций, останавливающих клеточный рост. Ограничение роста клеток за счет снижения скорости их деления или активации клеточной смерти является неотъемлемым условием гармоничного развития тела.