Кислород. Молекула, изменившая мир

Мы уже знаем, что влияние излучения на биологические молекулы в значительной степени связано с расщеплением воды и с образованием свободных радикалов, таких как гидроксильные радикалы. Они не выбирают мишени, а нападают практически на любые органические молекулы и повреждают их. Эти атаки беспорядочны и беспрерывны. При сохранении целостности клетки повреждение белков и липидов не обязательно ведет к смертельному исходу. Если у клетки есть достаточный запас энергии, биологические молекулы могут быть восстановлены или заменены новыми в соответствии с инструкциями, записанными в ДНК[66]. Дело обстоит сложнее при повреждении самой ДНК. Если в результате этого начинают синтезироваться нефункциональные белки, не способные выполнять какую-то важную работу в клетке, например синтезировать другие белки, клетка практически наверняка погибает. Таким образом, центральным вопросом биологии является обеспечение сохранности ДHK, передаваемой из поколения в поколение.

Давайте опять вернемся к «бессмертной» клеточной культуре. Предположим, что популяцию подобных клеток облучают с такой интенсивностью, что погибает больше половины клеток. Какое-то время популяция сокращается, как и предсказывал Оргел, но затем мы наблюдаем признаки «выздоровления», хотя облучение продолжается с прежней интенсивностью. Спустя некоторое время мы опять можем обнаружить процветающую популяцию, нечувствительную к излучению. Теория предсказывает совсем иной результат. Что же происходит?

Действует естественный отбор. В клетках происходят некоторые изменения. Прежде всего, какие-то клетки делятся быстрее остальных. Эти быстро реплицирующиеся клетки постепенно занимают в популяции доминирующее положение, поскольку они с наибольшей вероятностью успевают поделиться до того, как разрушается их ДHK. Теперь вся популяция в целом удваивается за более короткий отрезок времени. Выжившие клетки синтезируют новый набор генов быстрее, чем излучение разрушает исходный набор. Для потомства вероятность выжить и сохранить геном превышает 50%.

Если клеткам хватает пространства и питания, этой адаптации может оказаться достаточно. Однако клетки могут адаптироваться и по-другому. В возобновляющейся популяции встречаются клетки с дополнительными копиями ДНК: у них есть несколько идентичных хромосом. Наличие дополнительных хромосом дает тот же результат, что и повышение скорости репликации, но не только. Если каждая клетка имеет по одной копии всех генов, любое повреждение гена может лишить клетку важного белка и привести к ее гибели. Но при наличии нескольких копий всех генов клеточная функция пропадает только при повреждении одного и того же гена на всех хромосомах. Создание дополнительного набора генов обходится значительно дешевле, чем создание новой клетки (со всеми белками, митохондриями, везикулами и мембранами), которая впоследствии столкнется с теми же проблемами, что и ее родители.

Вполне возможно, что мы обнаружим еще две адаптации. Первая заключается в повышении частоты конъюгации, при которой две бактериальные клетки на какое-то время соединяются и одна передает другой дополнительные копии генов. Вторая — реакция на стресс. Конъюгацию бактерий можно сравнить с половым размножением. Приобретение генов из разных источников и с разной историей снижает вероятность того, что обе копии гена будут иметь одно и то же повреждение (именно такая ситуация наблюдается при репликации поврежденного гена). Представьте себе, что у вас и у вашего друга одинаковые костюмы. Допустим, вы порвали брюки от костюма, но и другу не повезло, только у него дыра оказалась на пиджаке. Вы можете надеть свой пиджак и его брюки и вполне прилично выглядеть. Такое перемешивание и подгонка генов — суть конъюгации у бактерий и полового размножения у высших организмов.

Стрессовые реакции тоже характерны практически для всех организмов от бактерий до человека. О некоторых стрессовых белках мы говорили в главе 10. Их работу можно сравнить с работой службы скорой помощи: они помогают отремонтировать поврежденную ДНК, расщепляют поврежденные белки и предотвращают распространение вышедших из-под контроля цепных свободнорадикальных реакций. Клетки, которые умеют включать эти защитные реакции в ответ на изменение условий, имеют преимущество перед остальными. Они выживают и воспроизводятся, тогда как их менее адаптированные родственники, даже имеющие дополнительные хромосомы, с большей вероятностью накапливают повреждения и в конечном итоге погибают.