Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

близлежащие мембранные липиды. Особую роль играет окисление кардиолипина, приводящее к высвобождению цитохрома c – белка дыхательной цепи, который в норме непрочно связан с кардиолипином. Это совершенно останавливает поток электронов: чтобы добраться до кислорода, им нужно сначала перескочить на цитохром c. Если убрать цитохром c, электроны не смогут добраться до конца дыхательной цепи. А поскольку без потока электронов не может быть транспорта протонов, вскоре наступает коллапс мембранного потенциала. Итак, при рассогласовании ядерного и митохондриального геномов мы наблюдаем три процесса. Во-первых, происходит замедление потока электронов и, как следствие, падает скорость синтеза АТФ. Во-вторых, перевосстановленные железосерные кластеры реагируют с кислородом, что приводит к выбросу свободных радикалов и высвобождению цитохрома c за счет открепления его от мембраны. И, в-третьих, если нет ничего, что может предотвратить эти изменения, то исчезает мембранный потенциал (рис. 32).

Выше я описал комплекс необычных процессов, открытых в середине 90-х годов. Тогда они привели ученых в глубокое недоумение. Совокупность этих процессов представляет собой сигнал, запускающий процесс программируемой клеточной смерти (апоптоза). Апоптоз – не беспорядочный распад клетки, а тщательно спланированное самоубийство, танец смерти, балет “Умирающий лебедь” на внутриклеточном уровне. Когда клетка вступает в апоптоз, внутри нее высвобождается целая армия белковых палачей – каспаз, ферментов, которые разносят на куски ее ДНК, РНК и белки. Фрагменты клеточного содержимого упаковываются в маленькие мембранные пузырьки – блебы, которые пожираются окружающими клетками. За пару часов клетка исчезает без следа, как иногда случалось с людьми в Советском Союзе.

В многоклеточных организмах апоптоз играет очень важную роль. Он необходим в эмбриональном развитии для придания тканям необходимой формы, а также для уничтожения поврежденных клеток. Но то, что центральную роль в этом процессе играют митохондрии (а именно – один из белков дыхательной цепи – цитохром c), оказалось неожиданностью. Как так вышло, что потеря цитохрома c стала служить сигналом, запускающим клеточную смерть? С момента открытия этого механизма загадок стало только больше. Оказалось, один и тот же набор признаков (падение уровня АТФ, накопление свободных радикалов, высвобождение цитохрома c и исчезновение мембранного потенциала) служит сигналом для апоптоза у всех эукариот, даже у таких дальних родственников, как растения и дрожжи. Этого не ожидал никто. Но тем не менее возникновение апоптоза – неизбежное следствие естественного отбора, который действует на два генома. А это уже закономерное свойство, универсальное для сложной жизни.

Вернемся к электронам, которые движутся по нарушенной дыхательной цепи. Если работа митохондриальных и ядерных генов плохо согласована, это приведет к апоптозу. Вот великолепный пример того, как процесс естественного отбора, однажды начавшись, не может остановиться: тенденция, однажды поддержанная отбором, в конечном счете превращается в изощренный генетический механизм, в основе которого, однако, сохраняется его источник. Большой, сложной клетке в любом случае необходимы для жизни два генома. Работа геномов должна быть согласована, иначе невозможны дыхательные процессы. В случае несогласованной работы геномов клетка вступает в апоптоз и погибает. В настоящее время апоптоз можно рассматривать как форму естественного отбора против клеток, у которых рассогласованы геномы митохондрий и ядра. Ведь, как говорил генетик Феодосий Добржанский, ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции.

Так появился механизм, уничтожающий клетки с рассогласованными геномами. Выживают клетки, геномы которых работают слаженно. В ходе эволюции это привело к тому, что мы наблюдаем сейчас: к коадаптации митохондриальных и ядерных геномов, когда изменения в одном геноме компенсируются изменениями в другом. Как я упоминал, наличие двух полов увеличивает разнообразие женских гамет: большинство яйцеклеткок содержит клональные популяции митохондрий разного происхождения. Некоторые из этих митохондрий в присутствии генома оплодотворенной яйцеклетки будут работать лучше, другие – хуже. Те, что будут работать плохо, запустят апоптоз и погибнут вместе с клеткой. Хорошо функционирующие митохондрии, напротив, выживут.

У многоклеточных организмов выживание во многом определяется развитием. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота) в ходе многих клеточных делений превращается в новую особь. Этот процесс требует очень точного контроля. Если в результате апоптоза какие-нибудь клетки непредвиденно гибнут, это может нарушить всю программу развития и привести к выкидышу, к остановке эмбрионального развития. Это не обязательно плохо. С точки зрения естественного отбора, лучше прервать развитие на ранней стадии и не тратить ресурсы, чем позволить плохо приспособленному организму развиться до конца. Ведь в последнем случае ядерные и митохондриальные гены будут плохо совместимы друг с другом, что может вызывать митохондриальные заболевания, нарушения жизнедеятельности и раннюю смерть. С другой стороны, раннее прекращение развития в том случае, если у эмбриона обнаруживаются рассогласования в работе митохондриального и ядерного геномов, закономерно приводит к снижению рождаемости. Если преобладающая часть эмбрионов оказывается не способна развиться до взрослого состояния, это может привести к бесплодию. На одной чаше весов оказывается приспособленность потомства, на второй – плодовитость. Эти затраты и прибыли определяют ход естественного отбора. Ясно, что нужен точный механизм, определяющий, какие рассогласования геномов должны запускать апоптоз, а с какими вполне можно жить.

Действительно ли это реализуется в природе? Да – известно несколько случаев. Впрочем, это может оказаться лишь вершиной айсберга. Пожалуй, самый показательный пример обнаружил Рон Бертон. Он дольше десяти лет исследовал митохондриально-ядерные несовместимости у морских веслоногих рачков Tigriopus californicus. Это животные длиной 1–2 мм, обитающие почти во всех влажных местах, в частности, на литорали острова Санта-Крус у побережья Калифорнии. Бертон скрещивал рачков из двух популяций, которые несколько тысячелетий были репродуктивно