Искра жизни. Электричество в теле человека

Эшкрофт Фрэнсис

На определенном этапе развития у эмбриона человека руки и ноги перепончатые, как у утки. По мере того как эмбрион растет в материнской утробе, клетки, образующие перепонки между пальцами отмирают в процессе так называемой запрограммированной гибели (или апоптоза), так что к моменту рождения наши пальцы на руках и ногах разделяются. Если процесс формирования тела нарушается, а такое иногда случается, то ребенок рождается с перепонками между пальцев.

Каждый, кто когда-нибудь держал головастиков, наблюдал, как такое самоубийство, т.е. апоптоз с рассасыванием отмирающих клеток, приводит к исчезновению хвоста при превращении головастика в лягушонка. Точно так же апоптоз наблюдает любая женщина каждый месяц, поскольку отторжение слизистой оболочки матки, происходящее в начале цикла, также является результатом запрограммированной гибели клеток. Но главное, пожалуй, то, что самоубийство клеток играет ключевую роль в развитии нервной системы

и формировании связей в головном мозге. В начальный период родившиеся нервные клетки выбрасывают свои аксоны в направлении цели случайным образом. Если аксоны достигают правильной цели, то устанавливается предварительная связь, импульсы активно идут по линиям, происходит обмен химическими приветствиями, и связь закрепляется. Нервные клетки, чьи аксоны не отыскали правильную цель, генерируют значительно более слабые импульсы и просто увядают из-за того, что не используются. Многие клетки умирают в процессе развития мозга, и без их самоубийства мозг не смог бы функционировать должным образом. Апоптоз также позволяет избавиться от клеток, которые могут угрожать жизни организма. Иммунная система человека способна убивать клетки, зараженные вирусами, и клетки с поврежденной ДНК, которые приводят к образованию раковой опухоли.

На клеточном уровне, таким образом, смерть вовсе не отрицательное явление. Это неотъемлемая часть жизни каждого многоклеточного организма, и каждый день несколько миллиардов клеток в нашем организме умирают в результате апоптоза. Без этого процесса многоклеточная жизнь невозможна. Если это не приближает нас к пониманию смысла жизни, по крайней мере на клеточном уровне, то смысл смерти определенно становится ясным. Время жить, время умирать

Когда клетка совершает самоубийство, она сжимается, ее мембрана отходит от цитоплазмы, образуя уродливые вздутия. ДНК разрушается, уже не могут синтезироваться белки, а митохондрии, клеточные энергоустановки, отключаются. На поверхности клеточной мембраны появляются специфические липиды, которые являются сигналом для макрофагов, которые поглощают продукты распада умирающей клетки для утилизации.

Существует несколько путей самоуничтожения клетки, однако, как вы, наверное, уже догадались, один из них предполагает участие ионных каналов. В нем задействованы также митохондрии, крошечные органоиды размером с бактерию, которые имеются почти во всех клетках нашего организма. Прародители митохондрий были когда-то самостоятельными организмами, чем-то вроде сине-зеленых водорослей (цианобактерий), которые образуют знакомую всем зеленую пену на поверхности озер в жаркое лето, однако примерно два миллиарда лет назад эти предшественники митохондрий отказались от самостоятельности и стали частью древних клеток. Таким образом, подобно триллам из киноэпопеи «Звездный путь», мы живем в симбиозе с другим организмом, однако никакой фантастики здесь нет, и наши симбионты микроскопические. Практически все клетки растений и животных содержат митохондрии, которые принципиально важны для жизни — без них многоклеточные организмы не могли бы функционировать. Митохондрии действуют как молекулярные топки, в которых такое топливо, как сахар и жиры, окисляется кислородом и дает химическую энергию. Клетки, которым требуется много энергии, например мышечные клетки, содержат большое количество митохондрий.

У митохондрий есть одна особенность. Они окружены двумя мембранами, целостность которых важна для того, чтобы митохондрия могла вырабатывать энергию. Когда клетка решает пойти на самоубийство, в наружной митохондриальной мембране образуется крупная пора, известная как митохондриальный апоптоз-индуцирующий канал. Это отверстие настолько велико, что из митохондрии в цитоплазму могут вытекать относительно крупные химические частицы, создающие хаос и инициирующие каскад событий, которые неотвратимо ведут к гибели клетки. Важно, однако, заметить, что решение о самоубийстве принимает не митохондрия. Этот процесс инициируется и жестко контролируется клеткой, которая просто использует митохондриальный механизм в своих целях. Погубленный урожай

Именно на митохондрии действовал токсин глазковой пятнистости листьев кукурузы, который так пагубен для ЦМС-разновидностей кукурузы. Стерильность ЦМС-растений обусловлена наличием уникального ионного канала во внутренней митохондриальной мембране. Как бомба замедленного действия, этот канал нормально закрыт и не влияет на функционирование органоида. Однако присоединение токсина глазковой пятнистости листьев кукурузы активирует бомбу, открывая канал и лишая митохондрию способности вырабатывать энергию. Клетка, лишенная энергии, погибает. По мере распространения грибка токсин убивает растение, клетку за клеткой. К заболеванию восприимчивы только те растения, у которых есть соответствующий ген ионного канала, т.е. ЦМС-разновидности. Взаимосвязь восприимчивости к токсину и мужской стерильности неразрывна,

поскольку и то и другое является результатом одного и того же процесса. Даже в отсутствие токсина ионный канал активируется в митохондриях клеток, которые снабжают развивающиеся пыльцевые зерна питательными веществами, и, когда эти клетки чахнут и погибают, вместе с ними погибает и пыльца.

Несмотря на опустошение, нанесенное глазковой пятнистости листьев кукурузы в 1970 г. в США, стране очень повезло. На тот момент более 85% растений имели ген ЦМС. Сухая погода в сентябре в северных и западных штатах остановила распространение грибка и предотвратила практически полную гибель урожая. Как отмечает Пол Реберн в своей наводящей на размышления книге «Последний урожай» (The Last Harvest), масштабы эпидемии глазковой пятнистости листьев кукурузы и ее огромный экономический эффект объясняются тем, что «кукурузный пояс» США был засеян в основном одной разновидностью кукурузы. Генетическое единообразие современных зерновых культур и практика выращивания всего одного-двух видов растений на огромной площади приводят к тому, что в случае восприимчивости одного растения к новому заболеванию восприимчивыми к нему оказываются и все остальные. Таким образом, под угрозу ставится весь урожай. Более традиционные методы земледелия, при которых выращивается множество местных разновидностей растений, поддерживают генетическое разнообразие, и если одни растения поддаются заражению, то многие другие устойчивы к заболеванию. Это серьезное основание для сохранения как можно большего числа диких видов сельскохозяйственных культур, поскольку без их генов селекционеры могут оказаться не в состоянии вывести сорта, устойчивые к новым опасностям, которые наверняка встретятся в будущем. Зеленое электричество

Практически все виды жизни на нашей планете зависят от способности растений поглощать энергию солнца и запасать ее в виде молекул сахара. Этот процесс, называемый фотосинтезом, является главным источником всех видов пищи, которую мы едим, всех молекул, из которых состоит наш организм, а также подавляющей части кислорода в атмосфере. В процессе фотосинтеза углекислый газ и вода превращаются в сахар и кислород под действием энергии солнечного света, и все это происходит в органоидах, так называемых хлоропластах, которые находятся в клетках растений.

Чтобы не допустить чрезмерной потери воды, листья большинства растений покрыты толстой воскообразной оболочкой. Однако она также препятствует диффузии углекислого газа и кислорода внутрь листа и из него, поэтому газообмен происходит через специальные поры на нижней части листа, так называемые устьица, которые действуют как микроскопические окна. Беда в том, что устьица не только впускают углекислый газ и выпускают кислород, но и очень эффективно выпускают водяной пар. Это может очень существенно осложнять жизнь растения, так как воду, теряемую через устьица, необходимо возмещать, высасывая ее из почвы. У некоторых пустынных растений во избежание такой ситуации устьица открываются только ночью, что сильно сокращает потерю воды во время жаркого дня. Но у них появляется другая сложность — для фотосинтеза требуются и углекислый газ, и солнечный свет. Получается классический замкнутый круг. В результате большинство растений балансируют процессы фотосинтеза и потери воды, непрерывно открывая и закрывая устьица на протяжении дня в зависимости от освещенности и влажности воздуха.

Устьица сформированы из двух «замыкающих» клеток, которые образуют пору и управляют ее открыванием и закрыванием, регулируя количество содержащейся в них воды. Когда замыкающие клетки набухают и раздуваются, пора между ними открывается, а когда они теряют воду и становятся дряблыми, пора захлопывается. Перемещение воды, влияющее на объем замыкающих клеток и, следовательно, на состояние устьица, регулируется комбинацией насосов и каналов. Повышение интенсивности света вызывает выкачивание положительно заряженных ионов водорода из клетки, создавая отрицательный потенциал на клеточной мембране. Это изменение мембранного потенциала, в свою очередь, открывает калиевые каналы, позволяя ионам калия входить в замыкающие клетки. Вода следует за ионами калия, так что замыкающие клетки увеличиваются в объеме на 40% и открывают пору устьица. Пока калиевые каналы открыты, пора не закрывается. Когда же уровень освещения падает или растение испытывает недостаток воды, калиевые каналы закрываются. Как следствие, вода уходит, замыкающие клетки сжимаются, и пора устьица закрывается.

В определенном смысле, управляя набуханием замыкающих клеток, калиевые каналы растения регулируют процесс фотосинтеза. Можно утверждать, что они самые важные ионные каналы на Земле. Я даже в каком-то смысле горжусь, что эти калиевые каналы относятся к тому же семейству каналов, к которому принадлежат и мои любимые каналы. У них, наверное, был общий предок, появившийся очень давно, еще до того, как царства животных и растений разделились. Жизнь на полосе для тихоходов