Не все сперматозоиды имеют каналы Catsper. Их нет у гигантского сперматозоида крошечной плодовой мухи Drosophila bifurca, который скорее ползет, а не плывет по половому пути самки. У этих левиафанов самый длинный жгутик на Земле. Его длина достигает почти 6 см, он в 600 с лишним раз больше сперматозоида человека и в 20 раз больше самой мухи. Зачем в процессе эволюции развился такой гигантский жгутик, остается загадкой. По одной из гипотез жгутик, скрученный спиралью, образует пробку, которая полностью перекрывает половой путь самки и таким образом не позволяет войти в него другим сперматозоидам. Конкуренция между сперматозоидами за возможность передачи ДНК очень сильна, даже между теми, которые принадлежат одной мужской особи.
У цветковых растений другая проблема, связана она с тем, что их сперматозоиды не способны двигаться и находятся в пыльцевых зернах, предотвращающих обезвоживание. Тем не менее и у растений ионные каналы способствуют оплодотворению. Когда пыльцевое зерно опускается на поверхность женского репродуктивного органа растения (рыльце), оно выбрасывает длинную пыльцевую трубку, которая растет в направлении яйцеклетки и несет с собой сперматозоид. Достигнув яйцеклетки, трубка разрывается и выпускает сперматозоид. Так вот, к разрыву пыльцевой трубки приводит химическое вещество, выделяемое клетками, которые окружают яйцеклетку. Это вещество открывает ионный канал в мембране пыльцевой трубки, в результате чего возникает приток ионов калия, которые втягивают вместе с собой воду, заставляя трубку набухать и разрываться. Освободившись из заточения в пыльцевой трубке, сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку.
Создание барьеров
Жизненно важно, чтобы яйцеклетку оплодотворял только один сперматозоид, поскольку клетка, получившаяся в результате оплодотворения несколькими сперматозоидами, не может развиваться нормально. Поэтому у яйцеклетки есть система защиты, благодаря которой она принимает только первый прибывший сперматозоид, а всех остальных кандидатов отвергает. Процесс создания преграды для полиспермии впервые был изучен на яйцеклетках морских ежей, с которыми легче работать из-за их больших размеров. Иногда они бывают настолько большими, что их видно невооруженным глазом. В далеком 1976 г., еще студентом, Ринди Джаффи обнаружил, что, как только первый сперматозоид проникает в яйцеклетку морского ежа, потенциал на внутренней стороне ее мембраны резко меняется с отрицательного на положительный. Возникающая в результате этого разность потенциалов предотвращает проникновение других сперматозоидов в яйцеклетку.
Неожиданностью для ученых стало то, что яйцеклетки млекопитающих имеют другой механизм защиты. У них, как оказалось, преграда для полиспермии является не электрической, а физической – механический барьер, который медленно формируется после оплодотворения. Различие стратегий обусловлено совершенно разными средами, в которых происходит оплодотворение. В океане множество миллионов сперматозоидов практически одновременно достигают яйцеклетки, поэтому электрическая преграда для полиспермии идеальна – ее можно создать практически мгновенно. У млекопитающих в результате долгого и трудного путешествия по половым путям самки до яйцеклетки добираются лишь несколько сперматозоидов, и это очень редко случается одновременно. Здесь вполне уместен более медленный механизм защиты.
Жизнь из смерти
Ая Солиман появилась на свет самым необычным образом – она родилась путем кесарева сечения через два дня после того, как была зафиксирована смерть мозга ее матери Джейн. У Джейн, бывшей чемпионки по конькобежному спорту, произошло смертельное кровоизлияние в мозг, когда она была на 25-й неделе беременности. Ее перевезли вертолетом в больницу Оксфорда, но она скончалась вскоре после прибытия. Хотя мозг Джейн умер, врачи решили поддержать жизнь ее организма, чтобы выиграть время, необходимое для созревания легких плода.
В утробе матери плод плавает в мешке, наполненном водой. Его легкие заполнены жидкостью, он не может дышать воздухом и получает кислород через пупочный канатик, который связывает его с плацентой. Во время родов вода должна быстро удаляться из легких, когда новорожденный ребенок начинает дышать воздухом. Это достигается с помощью специальных эпителиальных натриевых каналов (ENaC) в клетках, выстилающих легкие. В момент рождения каналы ENaC открыты, и ионы натрия в легочной жидкости текут по направлению нисходящего градиента концентрации в клетки легких. Поскольку ионы натрия увлекают за собою воду, легкие быстро осушаются. Пока в них существуют и функционируют каналы ENaC, они быстро освобождаются от любой жидкости. Без каналов ENaC младенцы рискуют захлебнуться собственной жидкостью в момент рождения, и многие страдают от синдрома «влажных» легких.
В процессе нормального развития плода повышение концентрации стероидных гормонов запускает процесс формирования каналов ENaC за несколько недель до родов, обеспечивая полное созревание легких к моменту появления младенца на свет. На 25-й неделе беременности, однако, легкие еще не развиты полностью, и количество каналов ENaC в клетках, выстилающих легкие, слишком мало. Поверхностно-активного вещества, так называемого легочного сурфактанта, которое снижает поверхностное натяжение в альвеолярных мешочках легких и предотвращает их сжатие, также мало. Таким образом, при подготовке к преждевременным родам матери вводят стероиды, если ее состояние позволяет сделать это. Стероиды поступают через плаценту к плоду и обеспечивают созревание легких недоношенного ребенка. Поскольку материнская утроба является оптимальным инкубатором для младенца, функционирование организма Джейн поддерживали с помощью аппарата искусственного жизнеобеспечения, пока вводили стероиды, повышавшие шансы на спасение ее дочери.
У этой истории есть продолжение. Как оказалось, более полному открытию каналов ENaC способствует гормон стресса адреналин, содержание которого в крови матери во время родов резко повышается. Это может объяснять, почему дети, рожденные с помощью кесарева сечения, т. е. без такого стимула, чаще испытывают трудности с очисткой легких, чем родившиеся естественным путем, и почему у них чаще наблюдаются респираторные осложнения в постнатальный период.
Повышение давления
Задачи каналов ENaC не ограничиваются лишь теми, что они выполняют при рождении ребенка. Они играют ключевую роль в регулировании количества натрия в крови человека и, следовательно, определяют наше кровяное давление. Если каналы ENaC перестают функционировать должным образом, кровяное давление может подскочить и создать угрозу инсульта.
Наши почки – это сложнейший аппарат, очищающий кровь, непрерывно отделяющий токсины и продукты жизнедеятельности, а также удаляющий избыточную воду. Удаление продуктов жизнедеятельности происходит примерно в миллионе отдельных функциональных единиц почек, называемых нефронами, где пучки тончайших кровеносных сосудов, капилляров, переплетаются с крошечными канальцами, которые выполняют роль мочесборников. Это поразительно, вся кровь человека проходит через почки дважды в час. Красные кровяные тельца и белки плазмы крови остаются в капиллярах, а соли и вода выталкиваются в почечные канальца. Почти весь выделенный натрий и значительная часть воды всасываются обратно по мере продвижения жидкости по почечным канальцам. То, что остается, собирается в мочевом пузыре и выделяется из организма в виде мочи.
