Кислород. Молекула, изменившая мир

Долгоживущие организмы могут ограничивать метаболический стресс на протяжении всей жизни, а не только в неблагоприятные периоды. Связь метаболического стресса и продолжительности жизни проявляется при сравнении разных видов. Во многих случаях эта связь простая — чем ниже скорость метаболизма, тем дольше жизнь. Данную корреляцию часто критикуют ввиду множества исключений, но, как мы знаем, исключения лишь подтверждают правило. Скорость метаболизма отражает скорость высвобождения свободных радикалов митохондриями. Чем больше свободных радикалов выделяется и взаимодействует с различными компонентами клетки, тем скорее наступает смерть. Таким образом, продолжительность жизни зависит от скорости высвобождения свободных радикалов и эффективности защиты от их действия[97]. У птиц высокая скорость метаболизма, но живут они долго, поскольку их митохондрии выделяют сравнительно мало свободных радикалов («первая линия защиты»), а также существует эффективная система репарации. Мы тоже живем долго, хотя выделяем значительно больше свободных радикалов, чем птицы, но обладаем хорошей системой антиоксидантной защиты («вторая линия защиты») и эффективной системой репарации. Крысы живут мало, поскольку имеют высокую скорость метаболизма, слабую антиоксидантную защиту и рудиментарную систему репарации.

«Вторая линия защиты» менее эффективна, чем «первая линия», поскольку игроки «второй линии» сами могут пострадать от действия свободных радикалов. Как в обществе: лучше предупредить вспышку насилия до того, как она произошла, чем подавлять ее, когда она достигла апогея. Но все же нашей защитной системы должно хватать, чтобы обеспечить нам максимальную продолжительность жизни около 120 лет. Тот факт, что большинство не доживает до этого возраста и умирает от возрастных заболеваний, а не от старости, говорит о наличии важного компромисса между воспроизведением и метаболизмом. Если мы хотим избавиться от старости и болезней, мы должны учесть этот древнейший компромисс.

Представьте себе, что вы LUCA — клетка, плавающая на поверхности моря под палящими лучами солнца. Вы должны получать энергию и воспроизводиться. Если вы не будете воспроизводиться, в один прекрасный день от вас ничего не останется — никакая физическая материя не может существовать вечно, если не воспроизводит саму себя. Но если вы воспроизводите (клонируете) себя, значит, в определенном смысле вы продолжаете существовать. Чтобы клонировать самого себя, нужна энергия и матрица. Лучший источник энергии на Земле — Солнце. Последний общий предок уже умел захватывать кислород, выделявшийся из воды под действием солнечных лучей. Всего через несколько сотен миллионов лет его потомки научатся использовать для этой цели фотосинтез и высвобождать в воздух газообразный кислород. Более поздние потомки станут живыми машинами, способными экстрагировать этот кислород и использовать его, чтобы увеличиться в размере, приобрести способность двигаться, поедать других и мыслить.

Это очень важный момент: с самого начала LUСА применял солнечный свет в качестве источника энергии. Но у этого процесса была «темная сторона»: солнечное излучение производит поток свободных радикалов, и чем больше энергии, тем больше радикалов, способных разрушать матрицу ДНК. Каким-то образом LUCA нашел компромисс, при котором он получал достаточное количество энергии, не подвергая опасности свою ДНК. Здоровье первых клеток напрямую зависело от этого компромисса. Значит, первые клетки умели детектировать свободные радикалы и корректировать свое поведение в зависимости от того, было ли их слишком много или слишком мало. Как это делалось? Обнаружение свободных радикалов и реакция на них координируются с помощью белков, изменяющих функцию при окислении свободными радикалами. Представители всех трех доменов жизни имеют белки, реагирующие на окисление. В главе 10 мы упоминали гемоглобин, SoxRS, OxyR, NFκB, Nrf-2, АР-1 и Р53. Объем информации о белках такого рода продолжает расти. Окисление этих белков в современных клетках заставляет клетки корректировать свое состояние: они либо удаляются от источника свободных радикалов, либо включают антиоксидантную защиту и систему репарации.

Таким образом, свободные радикалы являются динамичными индикаторами энергетического и «общего» состояния клетки. Вероятно, они были одними из самых первых и важных индикаторов клеточного здоровья, поскольку являются единственным химическим мостиком между важнейшими признаками жизни — метаболизмом и воспроизведением. «Правильное» количество свободных радикалов указывает на «правильное» равновесие между энергией и репликацией (рис. 13). Это очень важно. Эволюция работает с уже имеющимся материалом, как испанские конкистадоры, которые возводили барочные храмы на прочных стенах города инков Куско. В биологических системах старые основания редко исчезают полностью.