Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Но железо, хотя и необходимо E. coli для жизни, одновременно может нести в себе опасность. Так, свободный атом железа, оказавшись внутри бактериальной клетки, может стать причиной образования перекиси водорода, а та, в свою очередь, атакует ДНК хозяйки. E. coli приходится защищать себя от такого варианта развития событий; для этого у нее есть белки, которые хватают железо сразу же по прибытии и прячут его в глубокие «карманы». Одна — единственная молекула такого белка может нести на себе 5000 атомов железа — и выдавать их по одному по мере надобности.

Железо — не единственная опасность, которой подвергает E. coli ее обмен веществ. Даже белки, которые бактерия создает сама, могут приобрести свойства токсинов. Воздействие кислот, радиоактивного излучения и других повреждающих факторов легко деформирует белок, лишив его способности правильно работать. Поврежденные молекулы вносят хаос в работу прекрасно отлаженного конвейера химических процессов, от которых зависит выживание E. coli. Такие поврежденные белки могут даже нападать на другие, нормальные белки. Защищаясь от самой себя, E. coli создает команду убийц — белков, единственной задачей которых является уничтожение старых белков. Белковая молекула, разрезанная на аминокислоты, становится источником сырья для строительства новых белков. Жизнь и смерть, питательные вещества и отравляющие вещества — все в клетке E. coli балансирует в тонком равновесии.

Кишечная палочка E. coli жонглирует железом, добывает энергию, перерабатывает сахара и другое сырье в сложные молекулы и даже создает собственные копии — и тем самым попирает, на первый взгляд, законы Вселенной. Во Вселенной, как известно, существует мощное стремление от порядка к беспорядку, которое называется энтропией. Так, изящные снежинки тают и превращаются в капельку воды, а чайные чашки рано или поздно бьются. А вот E. coli, кажется, противостоит целой Вселенной — собирает атомы в сложные структуры белков и генов и умудряется к тому же сохранять обретенную упорядоченность от поколения к поколению. Выглядит все это как река, текущая вверх.

Однако все не так страшно, и E. coli совсем не такая бунтарка, как может показаться. Она ведь живет не в изоляции от остальной Вселенной. Да, E. coli действительно снижает свою энтропию, но только за счет получения энергии извне. Упорядочивая себя, она увеличивает энтропию Вселенной за счет выделяемого тепла и отходов. Если аккуратно все посчитать, получится, что E. coli повышает энтропию, но сама умудряется при этом всегда оставаться на плаву.

Можно сказать, что метаболизм E. coli в определенном смысле символизирует жизнь в целом. Если разобраться, большинство живых существ получает энергию от солнца. Растения и фотосинтезирующие микроорганизмы поглощают свет и используют его энергию для роста. Представители других видов поедают тех, чье питание основано на фотосинтезе, а третьи виды, в свою очередь, поедают вторых. E. coli в этой пищевой пирамиде располагается относительно высоко и расщепляет готовые сахара, которые производят другие организмы. Саму ее, в свою очередь, тоже съедают, и ее молекулы становятся частью организма хищной бактерии, которую тоже кто‑нибудь съест. Потоки энергии порождают леса и другие экосистемы, и все они «сбрасывают» энтропию вовне, в остальную Вселенную. Солнечный свет попадает на планету, тепло излучается в пространство, и полная жизни планета — этакая Земля E. coli — поддерживает в этом потоке свое существование.

Список необходимых для жизни условий все удлиняется. Живое существо хранит информацию в генах. Оно нуждается в защитных барьерах, чтобы сохранять жизнь и запасать энергию для добывания пищи, которая пойдет на строительство новой живой материи. Но если живое существо не сможет добыть пищу, долго оно не проживет. Все живое должно двигаться — лететь, ползти, плыть по течению, пускать усики вверх по водосточной трубе. А чтобы быть уверенными, что движение идет в правильном направлении, большинство живых существ должно решить, куда двигаться.

Разумеется, человек использует для принятия этого решения те миллиарды нейронов, которые находятся в головном мозге. Чувства поставляют мозгу реки информации, а мозг отзывается на них управляющими сигналами, которые контролируют движение тела. С другой стороны, у E. coli нет мозга. У нее вообще нет нервной системы. Мало того, E. coli в несколько тысяч раз меньше по размеру, чем любая нервная клетка человеческого организма. Тем не менее крошечные размеры не мешают ей воспринимать окружающий мир. Она способна собирать информацию и вырабатывать решения: например, решать, куда двигаться.

E. coli плавает, как неуклюжая подводная лодка. По сторонам ее вытянутого тела имеется с полдюжины пропеллеров. По внешнему виду каждый из них напоминает не корабельный винт, а скорее, длинный кнут, тянущийся за бактерией. У основания каждого хвостика (или жгутика, как их называют микробиологи) располагается гибкий крюк, прикрепленный к мотору. Мотор представляет собой скопление белковых молекул в виде колеса; он способен вращаться со скоростью 250 оборотов в секунду, а топливом ему служат протоны, попадающие внутрь бактериальной клетки через особые поры в этом механизме. Каждый жгутик состоит из одинаковых субъединиц — молекул белка флагеллина, уложенных по спирали вокруг полой сердцевины.

Жгутик E. coli вращается с помощью белкового мотора, вмонтированного в клеточную оболочку

Большую часть времени моторы E. coli вращаются против часовой стрелки; при этом все жгутики скручиваются в единый кабель — жгут, который тянется позади бактерии. Скручиваются они очень аккуратно, потому что каждый жгутик слегка закручен в нужном направлении; они складываются, как полосы на спирально окрашенном столбе. Вращаясь вместе, жгутики отталкиваются от окружающей жидкости и гонят бактерию вперед.

E. coli способна проплыть за секунду расстояние, в десять раз превышающее длину ее тела. Отметим, что самый быстрый пловец — человек проплывает за секунду всего лишь две своих длины. А ведь E. coli приходится преодолевать дополнительные трудности, потому что в микромире вода ведет себя совершенно иначе с точки зрения физических законов, чем в нашем привычном мире. E. coli вода представляется вязкой, как нефть. Прекратив усилия, она останавливается за миллионную долю секунды. Никакой инерции, никакого движения вперед. E. coli останавливается не то что на том же шаге, но буквально на том же атоме.

Примерно раз в секунду E. coli переводит свои моторы на реверсивный ход и совершает кульбит. Когда моторы вращаются по часовой стрелке, жгутики уже не могут удобно свернуться спиралью. Теперь спиральный изгиб, наоборот, заставляет их растопыриться и, образно говоря, встать дыбом. Такой кульбит длится около десятой доли секунды, затем E. coli вновь меняет направление вращения своего мотора на первоначальное — по часовой стрелке. Жгутики вновь удобно сворачиваются, и бактерия плывет дальше.