Живое и неживое. В поисках определения жизни

Клеткам требуется обильный запас ионов калия, так как с их помощью осуществляются многие жизненно важные реакции. Однако когда внутри клетки калия много, то его начинает выталкивать наружу мощная сила. Но если калий просто утечет, то клетка погибнет. Поэтому она закачивает внутрь все новые порции калия, для чего использует молекулярные насосы, которыми утыкана вся ее поверхность. Каждый насос состоит из трех переплетенных молекул белка. Подобно тому как дренажный насос требует подключения к генератору, так и молекулярный насос нуждается в источнике энергии – АТФ. На каждые два атома калия, закачиваемые внутрь, используется одна молекула АТФ. Насосам приходится работать круглосуточно, потребляя огромное количество этих молекул.

Как и у всякого организма, калиевые насосы Хайди живут лишь несколько дней, а затем начинают изнашиваться. Ее клеткам приходится разбирать их, когда они приходят в негодность, и взамен собирать новые – на эту задачу уходит еще больше АТФ.

Инструкции по сборке новых насосов закодированы у Хайди в ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота – таково название этой молекулы – состоит из двух длинных цепочек, закрученных друг вокруг друга. Конструкция молекулы напоминает винтовую лестницу из миллиардов ступенечек. В ДНК питонов таких ступенечек 1,4 млрд, у нас – более 3 млрд. (Прежде чем вы уверитесь в своем генетическом превосходстве над питонами, примите во внимание, что у лука их 16 млрд.) Каждая ступенька слагается из двух частей, по одной от каждой цепочки. Из этих частей (их называют основаниями) и состоит текст инструкций по синтезу молекул. В алфавите ДНК всего четыре буквы: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин).

Каждый из трех белков калиевого насоса кодируется отдельным отрезком ДНК – геном. Чтобы построить новый калиевый насос, змеиная клетка доставляет ферменты и другие молекулы к началу каждого из этих генов и прочитывает основания подряд по одному. Получается сокращенная, одноцепочечная расшифровка, которая называется матричной РНК. Эту молекулу быстро подхватывает плавучая клеточная фабрика, которая тоже прочитывает ее основания и строит соответствующий белок. И на каждом этапе его создания клетке снова нужно расходовать АТФ.

Хайди не просто заменяла старые белки на новые. Ее организм еще и рос. Змее было три года, она уже утроилась в размерах с момента своего вылупления, и ей предстояло расти всю жизнь, пока ее будут кормить раз в несколько недель. А на увеличение своих габаритов змее понадобится еще больше энергии. Для создания одной лишь копии своей ДНК клетке нужно расщепить миллиарды молекул АТФ.

Даже для получения энергии Хайди требовалось расходовать энергию. Она тратила АТФ, когда атаковала крыс и душила их. Она нуждалась в АТФ, чтобы синтезировать пищеварительные ферменты, а эти ферменты, в свою очередь, нуждались в АТФ, чтобы расщепить молекулы крысы. Все живые существа сталкиваются с этой дилеммой: они платят метаболическую цену за поддержание своего метаболизма. Но у Хайди, как и у всех остальных змей, проблема обострилась до предела. Жизнь питонов, удавов, гремучих змей и ряда других видов – чередование поста и пиршеств. Они неделями живут без пищи, затем заглатывают дичь целиком и в последующие дни извлекают из нее максимум АТФ.

Эта живая алхимия увлекла Стивена Секора в начале 1990-х гг. В то время науке почти ничего не было известно о том, как змеи переваривают свою добычу. Никто даже не измерял, сколько энергии змея затрачивает на пищеварение. Секор решил это узнать и начал с рогатых гремучих змей, которых наловил в пустыне Мохаве. Он привез их в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, где стажировался после аспирантуры. Исследователь скармливал змеям крыс, а затем сажал их в ящик.

Ящик был сконструирован для измерения уровня метаболизма змеи: сколько энергии она затрачивает в час. Секор исходил из того факта, что стоит змее израсходовать АТФ, как тут же ей потребуется произвести новую его порцию. А для синтеза этой молекулы любому животному нужен кислород. Всякий раз, когда змея в ящике Секора делала вдох, уровень кислорода в окружающем пространстве падал. Время от времени Секор открывал клапан на стенке ящика, вставлял туда шприц и брал пробу воздуха. Уровень кислорода подсказывал ему, сколько АТФ расходует змея внутри.

«За два дня я получил результаты, которые не знал, как объяснить», – сказал он мне.