Герман Понцер – Sapiens на диете. Всемирная история похудения, или Антропологический взгляд на метаболизм (страница 13)

Сначала новый кислород, вырабатываемый растениями, поглощался железом в грязи и горных породах, создавая массивные окисленные «красные пласты» в земной коре. Тогда океаны поглощали столько O₂, сколько могли вместить. После этого атмосфера начала заполняться, процент кислорода на планете поднялся от 0 до более чем 20 %, поскольку фотосинтезирующие растения по всему земному шару выделяли ядовитую дрянь безостановочно и безразлично. Когда уровень газа резко возрос, жизнь начала угасать. Это событие называется кислородной катастрофой, когда Земля почти превратилась в мертвую планету.

Инопланетяне внутри: митохондрии и кислородная радость

В непостижимой длительности естественного отбора маловероятные события становятся рутиной. Подумайте о шансах быть пораженным молнией – 1 к 700 000 (и это только для человека, живущего в Соединенных Штатах). Если вы доживете до семидесяти лет, ваши шансы все еще обнадеживающе низки – 1 к 10 000. Но что, если бы вы прожили три миллиарда лет, наблюдая, как развивается жизнь на Земле? С течением времени вы можете ожидать, что молния ударит в вас более 4200 раз.

Эти цифры еще труднее осознать, когда мы рассматриваем эволюцию среди кишащих микроскопических орд бактерий и других одноклеточных организмов. В 30 граммах «чистой» питьевой воды содержится более миллиона бактерий, а на планете около 1,39 млрд км³ воды. Таким образом, общее число переносимых водой микроорганизмов на Земле (игнорируя те, которые живут на суше) составляет около 40×1027, или 40 с 27 нулями в конце. Даже если они размножаются только один раз в день, это 14×1030 повторений в год. Какова вероятность возникновения случайной мутации, которая изменяет метаболический путь, превращая некое ранее непригодное химическое вещество в источник пищи? Даже если шанс составляет один к ста триллионам, мы можем ожидать более 100 000 триллионов таких мутаций каждый год. В течение миллионов лет эволюционного развития такие изменения почти неизбежны.

И поскольку молодая Земля медленно и постепенно наполнялась ядовитым кислородом в течение многих эпох, то такая возможность, безусловно, была. Среди бесчисленных квадриллионов бактерий, живущих, мутирующих и размножающихся на протяжении миллиардов лет, некоторые нашли, казалось бы, невозможное решение – способ использовать кислород для производства энергии (также этот процесс называется окислительным фосфорилированием). Перемещение электронов в межмембранное пространство и обратно позволило микроорганизмам обратить процесс фотосинтеза вспять, используя кислород для разрыва связей глюкозы, высвобождая накопленную солнечную энергию, содержащуюся внутри. Отходами в данном случае были СО₂ и вода – главные ингредиенты для фотосинтеза.

Это было знаковым событием в эволюции жизни. Аэробный метаболизм открыл новые горизонты, иной способ получать энергию. Бактерии, использующие кислород, распространились по всей планете, трансформируясь в новые виды и семейства. Вскоре они были повсюду.

Затем произошло еще одно невероятное событие. В раннем порочном клеточном мире, когда одна клетка поглощала другую, размножающиеся аэробные бактерии были бы восхитительным пунктом меню. Когда клетка поглощает другую (будь то амеба в ручье на заднем дворе, пожирающая инфузорию туфельку, или иммунная клетка в кровотоке, убивающая вторгшуюся бактерию), она «съедает» свою добычу и жертва попадает внутрь мембраны поглотившей ее клетки, где в дальнейшем распадется и превращается в энергию. Но, поскольку бесчисленные миллиарды аэробных бактерий были поглощены за сотни миллионов лет, только небольшая горстка (возможно, лишь одна или две) избежала уничтожения. Вместо этого, вопреки всему, они выжили, остались целыми и невредимыми, продолжая жить в своем новом хозяине. Их можно даже сравнить с пророком Ионой, который был проглочен китом и жил в его чреве.

И это сработало блестяще.

Эти химерные клетки имели преимущества перед другими в океанах нашей планеты. Имея на борту специальную бактерию, производящую энергию, эти гибридные клетки превосходили других в борьбе за превращение энергии в потомство. Наличие внутреннего бактериального двигателя стало нормой. Каждое животное на Земле сегодня, от червей до осьминогов и слонов, пользуется результатами этого великого скачка эволюции. Как и другие животные, мы тоже являемся носителями потомков тех спасительных аэробных бактерий в наших клетках. Это митохондрии.

Революционную идею о том, что митохондрии развились из симбиотических бактерий, поддержала Линн Маргулис, дальновидный эволюционный биолог. Ученые еще в XIX веке признали визуальное сходство между митохондриями и микроорганизмами, которые они рассматривали через микроскоп, и предположили возможность бактериального происхождения этих органелл, но именно Маргулис первой дала этой идее жизнь. В 1960-х годах она написала эпохальную статью, посвященную этой теории. Более дюжины журналов отказались от ее публикации, потому что посчитали текст возмутительным, но исследовательница не сдавалась. В последующие десятилетия стало ясно, что абсурдная идея Маргулис была абсолютно верной.

Митохондрии внутри клеток сохраняют собственную странную петлю ДНК – предательский след их бактериального прошлого. И мы покорно кормим их и ухаживаем за ними, как за драгоценными домашними животными, наше сердце и легкие снабжают митохондрии кислородом и забирают отходы CO₂ (см. Рис. 2.1). Без них и магии окислительного фосфорилирования мы не смогли бы поддерживать энергетическую экстравагантность, которую считаем само собой разумеющейся. Жизнь никогда не превратилась бы в тот огромный зверинец, который мы видим сегодня.

Кислород является основным ингредиентом окислительного фосфорилирования именно потому, что он похищает электроны – именно эта характеристика делает его таким разрушительным. O₂ является конечным акцептором электронов в так называемой цепи переноса, транспортной системе, которая пропускает их вдоль внутренней мембраны митохондрий, вытягивая ионы водорода в межмембранное пространство (см. Рис. 2.1). Без кислорода цепь переноса электронов останавливается, цикл Кребса возобновляется и митохондрии выключаются. Когда электроны соединяются с O₂ в конце этого процесса, они притягивают ионы водорода, образуя воду, Н О. Митохондрии образуют больше одной чашки воды в день (около 300 мл) из кислорода, который вы вдыхаете.

Вне конкуренции

На фундаментальном уровне макронутриентов и митохондрий пути и способы производства АТФ у всех животных (включая человека), по существу, одинаковы. Рисунок 2.1 в равной степени применим к тараканам, коровам и жителям Калифорнии. И все же за почти два миллиарда лет, прошедших с тех пор, как на сцену вышли аэробный метаболизм и митохондрии, эволюционировало поразительное множество видов, и все они использовали одну и ту же основную метаболическую структуру. Обмен веществ ускорялся и замедлялся, корректировался и формировался, подпитывая энергией организмы, чтобы они двигались, росли, размножались и восстанавливались. Как мы видели в предыдущей главе, эти метаболические изменения существенным образом повлияли на развитие нашего вида.

Теперь, когда мы понимаем метаболические основы, которые являются базовыми у всех животных, давайте исследуем способы, которыми эволюция сформировала их, чтобы поддержать биоразнообразие. Давайте посмотрим, куда могут доставить нас кислородные двигатели и как они функционируют изо дня в день в реальном мире. Сколько энергии мы действительно расходуем каждый день, и на что она тратится? Сколько энергии нужно, чтобы пройти километр, побороть простуду или родить ребенка? Можем ли мы действительно ускорить метаболизм с помощью кофе, диеты или суперфудов? Как нашему организму удается обеспечить необходимое количество топлива для удовлетворения ежедневных потребностей? И почему метаболические двигатели изнашиваются и выходят из строя? Является ли смерть неизбежной ценой сжигания калорий, сделкой с дьяволом за возможность танцевать среди живых?

И самое главное: как много нужно пробежать, чтобы избавиться от чувства вины из-за съеденного пончика?

Глава 3

Чего мне это будет стоить?

Глубоко в лесу, примерно в получасе езды от Бостона, на территории списанного ракетного полигона времен Холодной войны, расположен тайный зверинец странных существ, где серьезные исследователи трудятся над разгадкой тайны жизни. Это гарвардская полевая станция – наполовину старая ферма Новой Англии и наполовину лаборатории безумного ученого. Когда осенние листья танцуют свой последний танец, эму расхаживают по пастбищам, как сварливые динозавры, а валлаби[20] прыгают в траве поблизости. Козы и овцы на холме кажутся типичным пастушьим стадом, но обратите внимание на маленькие черные коробочки на их ошейниках, регистрирующие каждое движение, как бортовые самописцы в самолете. Внутри низких зданий из цементных блоков вы найдете цесарок на миниатюрных беговых дорожках или лягушек, прыгающих с крошечных инструментальных платформ для измерения ускорения. Летучие мыши и птицы носятся по коридорам, а аспиранты с передозировкой кофеина и высокоскоростные инфракрасные камеры наблюдают, как они мечутся и маневрируют.