Кислород был (и остается) токсичным для большинства форм жизни, поэтому многие из них вымирали по мере повышения уровня кислорода в атмосфере. Уцелевшие вырабатывали способы защититься от высокоактивных ионов кислорода. Как ни парадоксально, кислород, без которого не выживет не только человек, но и большинство остальных обитателей планеты, является смертельным ядом. Внутриклеточные органеллы под названием «митохондрии» используют кислород в производстве химической энергии, которая питает наши клетки. Однако иногда кислород прихватывает лишний электрон и становится «свободным радикалом». Высокоактивные свободные радикалы мечутся по клетке, устраивая хаос, поскольку их лишний электрон, нуждаясь в партнере, норовит ухватить его из ближайшей молекулы. Мембраны, белки, жиры, ДНК – он нападает на все без разбора. Начинается цепная реакция, поскольку возмутитель спокойствия, отхватив свой электрон, стабилизируется, но создает при этом следующий свободный радикал. Немало молекул успевает пострадать, пока защитные механизмы клетки не уничтожат «хулиганов». Свободные радикалы – основная причина гибели клеток. Кроме того, окисление – способность кислорода отбирать электроны у других молекул – вызывает ржавчину, горение и прогоркание жиров.
Кислород был открыт Джозефом Пристли (1733–1804) во время изучения газа, выделяющегося при нагревании оксида ртути. Он выяснил, что «свеча в этом газе вспыхивает небывало сильным пламенем». Тогда он проверил его воздействие на мышах, помещенных под стеклянный колпак. Одна мышь, под колпаком с обычным воздухом, задохнулась через 15 минут, а вторая, дышавшая «чистым воздухом», как назвал его Пристли, и через полчаса была еще жива. Своим открытием Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лавуазье (1743–1794), который впоследствии и дал газу название «кислород». В европейских языках его название происходит от греческих корней, означающих «порождающий кислоту», поскольку Лавуазье (как выяснилось, ошибочно) полагал, будто этот газ входит в состав всех кислот. К несчастью для науки, Лавуазье не успел узнать о своей ошибке, безвременно погибнув под ножом мадам Гильотины.
Пристли крайне дальновидно оценил большую роль кислорода в жизнеобеспечении. Он утверждал, что кислород можно использовать «для улучшения спертого воздуха в помещении, где скапливается много людей ‹…›, дабы из неприятного и нездорового он моментально стал здоровым и свежим». Кроме того, он пришел к выводу, что кислород «может пойти на пользу легким в особо тяжких случаях, когда простого воздуха недостаточно». В старину ученые часто экспериментировали на себе, и Пристли не был исключением. Обнаружив, что дыхание кислородом не приносит вреда, он высказал предположение, что «чистый воздух может стать модным предметом роскоши». В наши дни на улицах Токио продают баночный кислород – для надышавшихся городским смогом жителей пригородов, которым необходимо срочно взбодриться.
Однако дышать чистым кислородом в больших количествах опасно. В 1950-х гг. недоношенных младенцев откачивали чистым кислородом, в надежде, что это поможет им выжить. К сожалению, высокая концентрация кислорода в кювезе вызывала сокращение капиллярных сосудов в сетчатке глаза. В результате у малышей разрасталась соединительная ткань под хрусталиком, и они слепли. Этого можно избежать, если содержание кислорода будет поддерживаться в пределах 40 %. Чистый кислород и сейчас используется ныряльщиками и астронавтами, однако им необходимо соблюдать меры предосторожности, описанные в главах 2 и 6.
Закаленный характер
Сильный холод, в отличие от жары, многие животные, в том числе и человек, переносят нормально. Адаптационные возможности, позволяющие им это делать, описаны в главе 4. Здесь же мы остановим внимание на экстремофилах – организмах, обитающих практически в морозилке и способных переживать замерзание.
Холод как таковой белку не вредит, он просто замедляет скорость биохимических реакций. Соответственно, многие организмы перестают размножаться или даже расти (в самом строгом понимании слова) уже при температурах на несколько градусов ниже нуля. Метаболическая активность продолжается, хотя и менее интенсивно – в антарктических лишайниках она была отмечена даже при –27° С. При –80° С она, скорее всего, останавливается совсем, и тогда организм впадает в анабиоз. Многие клетки, в том числе и человеческие, можно в течение длительного времени хранить при температуре жидкого азота (–196° С). Нижний предел температуры, которую способны пережить охлажденные и затем отогретые клетки, неизвестен, однако, судя по всему, он лежит еще ниже. Тем не менее подвергать животных и отдельные клетки воздействию минусовых температур следует крайне осторожно, поскольку промерзание, в отличие от безобидного холода, может оказаться опасным.
Холодолюбивые организмы, обитающие в ледяной воде, называются психрофилами. Их находят в океанских глубинах, где температура держится на более или менее постоянной отметке 1–3° С, а также внутри ледяных полярных куполов и под ними. Даже в домашних холодильниках они устраиваются вполне вольготно. Целые колонии психрофилов населяют арктические льды, обитая в тонких прослойках незамерзшей воды в толще льда. Среди них насчитывается множество бактерий, архей, водорослей и диатомей – например, снежная водоросль Chlamydomonas nivalis, окрашивающая снег в нежно-розовый и ярко-зеленый, или бактерия Polaromonas vacuolata, отличающаяся пристрастием к температуре в 4° С и прекращающая размножение, если температура повышается до 12° С. Многоклеточные формы жизни в таких условиях тоже встречаются. Погрузившись на глубину 550 м в подводном аппарате, Чарльз Фишер обнаружил непонятное разноцветное грибовидное образование под два метра в диаметре, растущее со дна. Оно кишело червями примерно в два-три сантиметра длиной. При ближайшем рассмотрении непонятная конструкция оказалась застывшей метаново-ледяной глыбой (метан выделялся из расщелин в океанском дне), которая стала кормушкой для бактерий и архей, питающихся метаном, а те, в свою очередь, послужили пищей червям.
Глубоко под антарктическим куполом находится множество пресных озер, замерзанию которых препятствует геотермальный подогрев. Самое большое из них – озеро Восток, расположенное на глубине четырех километров от поверхности льда. Длина его, предположительно, около 200 км, ширина – 50 км, глубина – 500 м, то есть по площади это озеро сопоставимо с озером Онтарио, но в два раза превышает его по глубине. Ледяной панцирь над Антарктидой начал формироваться около 40 млн лет назад, поэтому любые формы жизни, обитающие в озере Восток, скорее всего, уже несколько миллионов лет отрезаны от мира. А значит, озеро – это своего рода капсула времени, сохранившая уникальные микроорганизмы, которые многое могут поведать об истории нашей планеты. Однако, несмотря на живейший интерес ученых к этим подледным озерам, все упирается в невозможность взять образцы воды, не привнеся в них чуждые формы жизни с поверхности. Именно из этих опасений программа по бурению ледяного купола в 1966 г. была остановлена, когда буру оставалось 150 м до проникновения в озеро Восток. Пути решения этой проблемы ищут до сих пор.
Холод – отличный консервант, поскольку значительно замедляет скорость биохимических реакций. В морозном сухом воздухе Антарктики запасы, оставленные в 1904 г. экспедицией капитана Скотта, остаются свежими и сегодня. Останки мамонтов, обнаруженные в арктических льдах, сохранились в целости, а мясо съедобно и более 30 000 лет спустя после их гибели. Эти замороженные ткани представляют собой ценнейший исторический и биологический материал. Своей сохранностью они обязаны тому, что бактерии, разлагающие мясо и продукты, попросту теряют способность расти при низких температурах из-за отсутствия воды.
