Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

несколько десятилетий разрабатывала Урсула Миттвоч, моя коллега из Университетского колледжа (Лондон). В свои девяносто лет она замечательно активна и публикует очень важные статьи. Они не так широко известны, как следовало бы – возможно, из-за того, что в век молекулярной биологии и секвенирования геномов измерение таких “незамысловатых” параметров, как скорость роста, размер эмбриона, содержание ДНК и белка в гонадах выглядит старомодно. Теперь, на пороге новой эры – эры эпигенетики (какие факторы контролируют экспрессию генов), ее работы стали больше соответствовать современным веяниям в науке, и я надеюсь, что они займут заслуженное место в истории биологии[94].

Какое отношение все это имеет к правилу Холдейна? Стерильность и нежизнеспособность сопутствуют нарушению нормальных функций. За пределами нормы орган или организм погибает. Лимит работоспособности определяется двумя факторами: энергетической “стоимостью” выполнения задачи (например производства спермы) и доступными энергетическими ресурсами. Если их меньше, чем требуется, орган (организм) умирает. Эти критерии могут показаться слишком грубыми для мира генетических сетей, но они так или иначе играют очень важную роль. Надев на голову пластиковый пакет, вы резко снизите количество доступной энергии в сравнении с вашими потребностями. Спустя чуть более минуты организм прекратит функционировать (по меньшей мере перестанет работать мозг). Энергетические нужды вашего мозга и сердца высоки, поэтому эти органы умрут первыми. Клетки кожи и кишечника могут прожить дольше, так как их метаболические потребности гораздо ниже. Остатков кислорода хватит, чтобы они прожили еще несколько часов, а то и дней. Для совокупности клеток, из которых мы состоим, смерть – это не мгновенное превращение в ничто, а растянутый во времени процесс. Мы представляем собой констелляцию клеток, а они не умирают одновременно. Клетки с наиболее высокими потребностями раньше остальных сталкиваются с невозможностью их удовлетворить.

Именно эта проблема возникает при митохондриальных заболеваниях. Большая их часть вызывает нейромышечную дегенерацию и нарушает работу мозга и скелетной мускулатуры, ткани которых имеют наиболее высокую скорость метаболизма. Особенно уязвимо зрение: скорость метаболизма клеток сетчатки и зрительного нерва – самая высокая в организме. Митохондриальные болезни (например наследственная оптическая нейропатия Лебера) поражают зрительный нерв, вызывая слепоту. Довольно трудно выводить общие закономерности для митохондриальных заболеваний, потому что их тяжесть зависит от множества факторов: типа мутации, числа мутантов, тканевой локализации. Но если оставить это в стороне, факт остается фактом: митохондриальные заболевания в первую очередь поражают ткани с самыми высокими энергетическими потребностями.

Представьте себе две клетки с одинаковым количеством однотипных митохондрий. За счет этого их возможности по производству АТФ примерно совпадают. Если их метаболические потребности различаются, то прогноз на будущее для этих клеток будет разным (рис. 33). Предположим, что у первой клетки низкие метаболические потребности: она спокойно может их удовлетворять, поскольку производит АТФ более чем в достаточном объеме и может тратить его на все, что нужно. А теперь представьте, что у второй клетки потребности гораздо выше: они превосходят даже ее максимально возможную продукцию АТФ. Клетка пытается свести концы с концами, собрав все свои физиологические силы. Электроны рекой льются в дыхательные цепи, но это мало помогает: они поступают на цепь быстрее, чем успевают ее покинуть. Окислительно-восстановительные центры перевосстановливаются и начинают реагировать с кислородом с образованием свободных радикалов. Те, в свою очередь, окисляют близлежащие мембранные липиды, в результате чего высвобождается цитохром c. Потенциал на мембране падает, и клетка умирает в результате апоптоза. Так работает отбор на тканевом уровне: клетки, которые не могут удовлетворить свои метаболические потребности, элиминируются, а те, которые способны себя обеспечить, остаются жить.

Устранение клеток, работающих недостаточно хорошо, улучшает общее состояние ткани лишь в том случае, если им на смену приходят новые клетки, которые развиваются из стволовых. Главная проблема нейронов и мышечных клеток заключается в том, что они не могут быть замещены. Как можно заменить нейрон? В нейронных сетях хранится наш опыт, а каждый нейрон – узел сети – образует около 10 тыс. синапсов. Если нейрон погибает путем апоптоза, его синаптические связи навсегда теряются вместе со всеми воспоминаниями, знаниями и свойствами личности, которые могли быть в них зашифрованы. Этот нейрон невозможно заменить – он “невозобновим”. На самом деле клетки любых тканей, прошедшие окончательную дифференцировку, невозобновимы: само их существование невозможно без глубокого разделения между зародышевой линией и остальными соматическими клетками (об этом разделении шла речь в предыдущей главе). Основа отбора, его субстрат, – это потомство. Если организмы с крупным невозобновляемым мозгом будут оставлять больше жизнеспособного потомства, чем организмы с маленьким возобновляемым мозгом, то в определенный момент первые восторжествуют над вторыми. Таким образом, отбор может действовать лишь в том случае, если присутствует разделение клеток на зародышевые и соматические. Но при этом тело становится “одноразовым”, срок жизни – небесконечным, а собственные клетки, у которых не получается удовлетворить метаболические потребности, в конце концов нас убивают.

Рис. 33. Судьба клетки зависит от ее умения удовлетворять свои потребности.

Изображены две клетки, митохондрии которых способны вырабатывать одинаковое суммарное количество энергии. При этом у клеток разные потребности. У клетки А потребности умеренные (на это указывает толщина стрелок). Митохондрии могут их удовлетворять, не перевосстанавливаясь (митохондрии в нормальном состоянии обозначены серыми овалами). У клетки Б уровень потребностей изначально нормален, но впоследствии значительно повышается. Соразмерно увеличивается количество электронов, поступающих в митохондрии, но их энергии недостаточно, и дыхательные комплексы перевосстанавливаются, то есть приобретают избыточный заряд. Если возможности клетки в ближайшее