Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни

Поток электронов по дыхательным цепям можно регулировать, поэтому клетки погибают не каждый раз, когда поток электронов временно останавливается. Главный способ такой регуляции — это разобщение потока электронов и образования АТФ. Разобщение обычно происходит за счет повышения проницаемости мембраны для протонов, так что они проходят через мембрану не только через АТФазу (ферментный «мотор», отвечающий за производство АТФ). Таким образом, излишек протонов «сбрасывается», как вода из водохранилища, и затопления не происходит. Постоянная циркуляция протонов позволяет поддерживать постоянный ток электронов по дыхательным цепям независимо от «необходимости», а это предотвращает накопление электронов в дыхательных цепях и ограничивает утечку свободных радикалов. Но при рассеивании протонного градиента всегда образуется тепло, и эволюция направила его на полезное дело. В большинстве митохондрий около четверти протон-движущей силы рассеивается в виде тепла. Если митохондрий достаточно много, как, например, в тканях млекопитающих и птиц, производимого тепла достаточно для поддержания высокой температуры тела независимо от температуры окружающей среды. Происхождение эндотермности («настоящей» теплокровности) у птиц и млекопитающих, возможно, связано с рассеиванием протонного градиента. Это эволюционное новшество позволило теплокровным животным заселить умеренные и холодные районы Земли, а также вести активный ночной образ жизни, освободив наших предков от диктата обстоятельств.

Баланс между образованием тепла и производством АТФ до сих пор влияет на наше здоровье разнообразным и непредсказуемым образом. В тропиках разобщение дыхательной цепи ограничено, так как слишком высокая теплопродукция была бы вредна в жарком климате (возможна смерть от перегрева). Однако это означает, что возможности «сброса» излишних протонов ограничены и в состоянии покоя образуется больше свободных радикалов, особенно при условии богатой жирами диеты. Поэтому африканцы, питающиеся на западный манер, более подвержены сердечным заболеваниям и диабету — болезням, связанным с ущербом от свободных радикалов. Напротив, эскимосы, у которых эти заболевания встречаются редко, рассеивают протонный градиент с выделением дополнительного тепла. Соответственно, утечка свободных радикалов в состоянии покоя у них относительно низка, и они менее подвержены дегенеративным заболеваниям. С другой стороны, энергия, рассеивающаяся в виде тепла, невыгодна для сперматозоидов, которые должны двигаться за счет энергии немногочисленных митохондрий. Поэтому народы Арктики имеют более высокий риск мужского бесплодия.

В таких обстоятельствах свободные радикалы являются сигналом к переменам. Дыхательные цепи работают как термостат: если утечка свободных радикалов повышается, в действие вступает один из нескольких механизмов, снижающих их уровень, а затем он снова выключается. Так термостат то включает, то выключает нагреватель в зависимости от колебаний температуры. В случае дыхательных цепей свободные радикалы, скорее всего, распознаются одновременно с другими индикаторами общего «состояния здоровья» клетки, такими как уровни АТФ. Соответственно повышение уровня утечки свободных радикалов на фоне падения уровней АТФ в пределах одной митохондрии служит сигналом к производству новых субъединиц дыхательных цепей. Если же уровни АТФ высокие, свободные радикалы служат сигналом к увеличению уровня разобщения (у одноклеточных эукариот, возможно, сигналом к половому процессу), а устойчивое и непоправимое повышение утечки свободных радикалов на фоне падения уровня АТФ служит сигналом к клеточной смерти у многоклеточных особей. В каждом случае колебания уровня утечки свободных радикалов столь же существенны для работы обратной связи, как колебания температуры для работы термостата. Свободные радикалы крайне важны для жизни, и пытаться от них избавиться, например, за счет антиоксидантов — безумие. Этот простой факт вызвал к жизни еще два важнейших эволюционных новшества: происхождение двух полов и старение и смерть.