Интерес ученых лежит в области неизведанного и состоит в освоении новых территорий. Однако эти изыскания редко позволяют сразу воссоздать точную картину мира, они больше напоминают составление средневековой географической карты — фрагментарного, но узнаваемого отражения реальности. Ученые пытаются соединить между собой контуры фрагментов с помощью уточняющих экспериментов. Значительная часть прелести науки заключается в разработке и интерпретации экспериментов, позволяющих проверить справедливость гипотетического пейзажа. Поэтому я постараюсь объяснять эксперименты и наблюдения, которые легли в основу данной книги. Я покажу, что факты можно интерпретировать разными способами, и представлю исходные данные со всеми их изъянами, чтобы читатель сам мог делать выводы и оценивать справедливость моих заключений. Я надеюсь, что такой подход поможет читателю почувствовать дух приключений, который толкает ученых в область неизведанного.
Таким образом, наука создает гипотезы на основе специфических, но ограниченных по объему доказательств — островков знаний в океане неизвестности. Очень часто отдельные результаты приобретают смысл только в контексте более общей картины. Во всех научных статьях есть раздел «Обсуждение результатов», в котором исследователи пытаются представить свои новые результаты в свете общей теории. Однако современная наука характеризуется очень сильной специализацией. Крайне редко медики ссылаются на результаты геологов или палеонтологов, а химики почти никогда не рассматривают свои результаты в свете теории эволюции. Чаще всего это не важно, но при изучении кислорода слишком узкий взгляд непозволительно ограничивает перспективу. В этом конкретном случае геология и химия имеют непосредственное отношение к эволюции, а палеонтология и физиология животных вносят значительный вклад в медицину. Все эти дисциплины позволяют лучше понять механизмы нашей жизни и смерти.
Такой междисциплинарный подход не только необходим для понимания роли кислорода в жизни и смерти, но и предлагает новые перспективы развития всех смежных дисциплин. Взгляд на эволюцию и медицинские вопросы через призму кислорода позволяет найти разгадки очень старых загадок. Я уже привел один пример — эволюция двуполой системы размножения. Анализ самой системы (почему полов именно два) не позволяет дискриминировать различные гипотезы. Мы даже не можем исключить возможность, что «просто так получилось». Может показаться, что изучение роли кислорода в процессах старения не имеет к этому никакого отношения, но системный подход позволяет сделать вывод, что только наличие двух полов обеспечивает воспроизведение видов с подвижными половыми клетками, ищущими полового партнера. Такой подход также объясняет, почему невозможно увеличить продолжительность жизни просто с помощью приема антиоксидантов, и указывает нам более реальные способы замедления старения и развития старческих заболеваний. Кислород служит своеобразным увеличительным стеклом, позволяющим разглядывать жизнь в необычном ракурсе. Вот почему эта книга — о жизни, смерти и кислороде, а не только о кислороде.
Я старался писать для широкой аудитории, которая, возможно, мало знакома с наукой, и надеюсь, что результат будет понятен любому читателю, готовому приложить небольшое усилие. Вся книга — это единое доказательство, и, чтобы понять смысл полностью, ее придется прочесть до конца! Однако каждая глава содержит отдельную историю, и для ее понимания не нужно запоминать всю информацию, изложенную в предыдущих главах. Мы увидим, что адаптация жизни к кислороду, начавшаяся примерно 4 млрд лет назад, до сих пор влияет на строение нашего организма. Мы поймем, что кислород связывает между собой столь разные факты и явления, как излучение, ядерные реакции, Всемирный потоп, фотосинтез, глобальное оледенение, гигантские насекомые, хищные монстры, пища, половое размножение, стресс и инфекционные заболевания. Мы обнаружим, что через призму кислорода удается иначе взглянуть на природу старения, болезней и смерти. Мы увидим, что простой газ без цвета и запаха создал тот мир, в котором мы живем, и определил наш путь в этом мире. Итак, давайте поговорим о том, как и почему кислород влиял на эволюции жизни на планете с самого начала.
Глава вторая. Начало. Появление кислорода
Сначала кислорода не было. Четыре миллиарда лет назад кислород, вероятно, составлял одну миллионную часть воздуха. Сейчас в воздухе содержится около 21% кислорода (примерно 208 550 ppm. — частей на миллион). Как же произошло такое невиданное в истории Земли «загрязнение атмосферы»? Мы с вами не воспринимаем этот процесс как загрязнение, поскольку не можем обойтись без кислорода — он является для нас источником жизни. Однако для мельчайших одноклеточных организмов, населявших первозданную Землю, кислород служил чем угодно, только не источником жизни. Это был смертельный яд, способный убивать даже в очень малых дозах. До сих пор в болтах, на океанском дне и в нашем собственном кишечнике обитает множество организмов, которые ненавидят кислород. Многие из них погибают в среде с содержанием кислорода в 1000 раз ниже, чем в атмосфере. Для их древнейших предков загрязнение атмосферы кислородом было катастрофой. Им пришлось сдать доминирующие позиции и спрятаться в незаметных закоулках.
Такие ненавидящие кислород организмы называют анаэробами — они не могут использовать кислород и во многих случаях живут исключительно в бескислородной среде. Дело в том, что они не имеют защиты от токсичного действия кислорода — у них нет или очень мало антиоксидантов. Напротив, большинство современных организмов спокойно переносят высокое содержание кислорода в воздухе, поскольку как следует запаслись антиоксидантами. Как это произошло? Как современные организмы создали систему антиоксидантной защиты? В традиционных учебниках говорится, что у первых клеток, которые начали выделять кислород в качестве токсичного побочного продукта, антиоксидантов не было: как они могли адаптироваться к газу, которого раньше не существовало? Если верно предположение, что антиоксиданты возникли после повышения уровня кислорода в атмосфере, резкий рост его должен был представлять очень серьезную угрозу для существования жизни на Земле. Если кислород оказывал на первые анаэробные клетки примерно такое же действие, как на их современных потомков, на Земле должно было происходить столь массовое вымирание анаэробных организмов, перед которым блекнет даже история исчезновения динозавров.
Какое это имеет значение? В соответствии с упомянутой в главе 1 свободнорадикальной теорией старения токсичность кислорода определяет продолжительность нашей жизни. Если так, в этом «виновата» эволюционная адаптация жизни к присутствию кислорода. Действительно ли подъем уровня кислорода стал причиной массового вымирания организмов? Как адаптировалась жизнь? Если старение и смерть являются следствием невозможности адаптироваться, возможно, нам поможет опыт организмов, которым удалось избежать гибели? Способны ли мы «сделать» что-то из того, что сделали они? В следующих главах мы попытаемся ответить на некоторые из этих вопросов, исследуя эволюцию организмов в ответ на повышение уровня кислорода на протяжении миллиардов лет.
В последние десятилетия происхождение и ранняя история жизни вновь стали привлекать интерес исследователей. И некоторые из основополагающих идей были полностью пересмотрены. Но старые взгляды укоренились настолько прочно, что даже в новых учебниках биологии все еще слышны отголоски. Многие ученые, работающие в других областях, как будто не замечают этих изменений. Мне кажется полезным описать прежнее видение проблемы, поскольку приписываемая кислороду роль подчеркивает его токсичность.
