Глава 8
Жизнь и смерть

В 1970 г. примерно 15 % урожая кукурузы в США было потеряно в результате эпидемии глазковой пятнистости листьев кукурузы, вызываемой грибком Bipolaris maydis. По оценкам, в тот год недополучили один миллиард бушелей кукурузы стоимостью более миллиарда долларов, и множество мелких фермеров просто разорились. Об этом заболевании в США впервые официально сообщили в 1969 г., однако тогда его очаги были изолированными, и ему не придали значения. Ситуация кардинально изменилась в 1970 г. Теплая, влажная погода в тот год создала идеальные условия для быстрого распространения грибка. Эпидемия, начавшаяся во Флориде, к июню охватила Алабаму, южную часть Луизианы, значительную часть бассейна Миссисипи и частично Техас. К сентябрю заболевание распространилось по всему «кукурузному поясу», включая Висконсин на севере и Канзас на западе.

Оно нанесло очень значительный урон урожаю. Первым признаком заражения было появление бурых пятен на листьях, а потом желтело все растение. В самых тяжелых случаях початки кукурузы загнивали, опадали и разваливались на части при ударе о землю. Некоторые поля были настолько сильно поражены, что во время уборки урожая черные облака спор клубились над машинами.

Такой опустошительный эффект глазковой пятнистости листьев кукурузы был результатом сочетания токсина, выделяемого грибком, и ионного канала, который встречается только в автостерильных линиях кукурузы. Заболевание приобрело характер эпидемии в 1970 г. из-за того, что в тот год большинство площадей было засеяно кукурузой автостерильного типа. Причина такого генетического единообразия уходит корнями в 1800-е гг. Как и многие другие растения, кукуруза является обоеполой и имеет как мужские, так и женские части. Мужские части — метелки на верхушке растения — рассеивают в воздухе пыльцу. Женские части, находящиеся в початке, превращаются в кукурузное зерно после опыления. Дикая кукуруза — самоопыляемое растение, самоопыляются и большинство культурных растений из-за того, что мужские и женские части находятся близко друг к другу. Однако самая лучшая кукуруза является гибридной и получается, когда женские части опыляются пыльцой растений другой линии. Этот эффект был открыт в конце XIX в. после того, как селекционеры заметили, что гибридные растения оказываются более высокими и сильными, чем любой из их родителей, а главное, имеют более крупные початки и зерна. Постепенно гибридную кукурузу стали использовать повсеместно. Более высокое качество гибридного зерна произвело на фермеров большое впечатление, а продавцы посевного материала всячески поощряли использование гибридов, поскольку это заставляло фермеров покупать новое посевное зерно каждый год.

Для получения гибридных растений нужно предотвратить самоопыление. Исторически этого добивались удалением метелок вручную. Эта операция крайне трудоемка и утомительна, поскольку ее необходимо проводить каждый год на многих тысячах растений. Неудивительно, что селекционеры пришли в восторг, когда нашлись разновидности кукурузы, не дававшие пыльцы. Они сразу поняли, что эти растения, обладающие, как говорят, цитоплазмической мужской стерильностью (ЦМС), должны идеально подходить для перекрестного опыления. Семеноводческие компании очень быстро перешли на них. Все, что нужно было, это посадить растения с ЦМС рядом с растениями-опылителями, остальное делал ветер: растения с ЦМС давали только гибридное зерно. Но такое удобство имело свою цену, о которой селекционеры даже не подозревали. В отличие от нормальных растений стерильные ЦМС-разновидности были восприимчивы к глазковой пятнистости листьев кукурузы, поскольку их клетки имели специфический тип ионных каналов.

Как показывает эта история, ионные каналы есть не только в клетках, возбуждаемых электрическими импульсами, вроде нервных и мышечных клеток. Они имеются в каждой клетке нашего организма и любого другого организма на Земле, от самой примитивной бактерии до гигантских калифорнийских секвой, и они регулируют все, что мы делаем. Сперматозоиды с турбоподзарядкой

Ионные каналы начинают играть критическую роль в нашей жизни еще до зачатия, поскольку они влияют на результаты великой гонки сперматозоидов. Тяжелое состязание с единственным победителем — это первая и самая важная гонка, в которой мы когда-либо участвовали и которую каждый из нас (или, скорее, определенная часть каждого из нас) выиграл.

Сперматозоиды должны плыть после эякуляции, прокладывая себе путь к яйцеклетке с помощью извивающегося жгутика. По мере того как они продвигаются из вагины в верхние отделы женских половых путей, окружающая их среда становится более щелочной, а концентрация гормона прогестерона повышается. В результате ритм движений жгутика сперматозоида переключается на более низкую частоту, они становятся более медленными, размашистыми и энергичными и ускоряют перемещение сперматозоида. Это своего рода турбоподзарядка в последний момент, как раз тогда, когда сперматозоиду необходима дополнительная энергия. Без нее сперматозоид не может сделать рывок и пройти через оболочку, окружающую яйцеклетку. Изменение ритма движения жгутика сперматозоида происходит в результате открытия специального ионного канала, называемого Catsper.

Catsper — любимый канал Дэвида Клэпхема, ученого из Гарварда с острым умом, озорной улыбкой и черным юмором. Его коллега Дэцзянь Рен, штудируя базу данных по международному проекту «Геном человека» в поисках пропущенных сокровищ, наткнулся на новый ионный канал, который существует только в мужских половых железах. Эта находка сразу же привлекла внимание Клэпхема, и вскоре сперматозоиды во всех их проявлениях заняли центральное место в исследованиях лаборатории. «Они имеют, — говорит Клэпхем, — все, что положено нервным клеткам, и кое-что еще: у них есть ионные каналы, они возбуждаются, они чувствительны к химическим веществам в окружающей их среде, они двигаются и делают это более энергично около яйцеклетки, ну прямо как мужчины, суетящиеся вокруг женщин».

Канал Catsper — один из самых сложных в человеческом геноме. Пора канала образуется четырьмя разными белками, и она связывается с различными видами вспомогательных белков. Если хотя бы один из них отсутствует, то канал перестает функционировать, сперматозоид перестает переключаться на более энергичные движения жгутика, и наступает бесплодие. Поскольку Catsper имеется только у сперматозоидов, лекарственные средства, блокирующие канал, становятся идеальным контрацептивом. В отличие от более знакомых противозачаточных таблеток они не должны оказывать влияния на женскую гормональную систему, и их не нужно принимать перорально. Однако такое средство не будет долгожданным мужским контрацептивом. Его опять придется принимать женщинам, но не потому, что это дает уверенность в защите, а потому, что это в их половых путях происходит изменение движения сперматозоидов.

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.

Каналы ENaC в мембранах клеток почечных канальцев обеспечивают обратное всасывание натрия. Как и в легких, поток ионов натрия увлекает за собой воду, а это приводит к увеличению объема крови и, из-за того, что система кровообращения является замкнутой, повышает кровяное давление. Диета, богатая солью (хлоридом натрия), вредна для организма, поскольку натрий приносит с собою воду, повышает объем крови и, как следствие, кровяное давление. И наоборот, если уровень натрия в крови низок, то организм удерживает мало воды, и кровяное давление падает. Именно поэтому так важно потреблять достаточное количество соли в жаркую погоду, когда много соли выводится с потом.

Мутации любого из трех генов, которые кодируют канал ENaC, влияют на кровяное давление. Те, что приводят к повышению активности каналов ENaC, вызывают врожденную форму гипертонии, так называемый синдром Лиддла, ну а те, что уменьшают активность, понижают давление. Последнее особенно опасно для новорожденных и грудных детей, так как вызывает у них опасный для жизни адреногенитальный синдром с потерей солей. В результате уменьшения поглощения натрия в организм поступает меньше воды, организм ребенка быстро обезвоживается и нарушается баланс концентрации других ионов в крови (в частности, ионов калия). Это заболевание смертельно, если его быстро не выявить и не начать лечение.

К счастью, мутации в каналах ENaC встречаются редко. Тем не менее считается, что одной из причин заметно большего числа страдающих высоким давлением среди чернокожих людей, чем среди европеоидов, является сравнительно более широкое распространение изменений в генах каналов ENaC, определяющих предрасположенность к повышенному поглощению натрия. С чем это связано, непонятно, но по одной из гипотез у людей, живущих вблизи Сахары, развился другой механизм поглощения соли, которая там дефицитна. Хотя это качество полезно, когда соль поступает в организм лишь изредка, в современном мире, где многие готовые блюда содержат очень много соли, оно становится недостатком. Соленая история

В Средние века верили, что, поцеловав ребенка в лоб, можно предсказать его судьбу — соленый лоб считался признаком порчи и угрозы преждевременной смерти. Вместе с тем связь между соленой кожей и ранней смертью не миф, соленая кожа — первое проявление болезни, которую сейчас называют муковисцидозом (кистозным фиброзом). У людей, страдающих этим заболеванием, очень соленый пот и не вырабатываются некоторые пищеварительные ферменты. Но хуже всего то, что их легкие забиваются густым и липким слизистым секретом, который затрудняет дыхание и вызывает хроническую инфекцию, воспаление и медленно прогрессирующее разрушение легких. Это заболевание до сих пор неизлечимо. Оно угрожает жизни, и, несмотря на все современные технологии, более половины страдающих им не доживают до 40 лет.

Муковисцидоз был признан самостоятельным заболеванием в 1938 г., когда Дороти Андерсен опубликовала первое детальное описание расстройства. Несколькими годами позже во время аномально жаркой погоды в Нью-Йорке врач-педиатр Пол ди Сант-Аньезе обратил внимание на то, что многие дети, попавшие в больницу из-за теплового удара, страдали муковисцидозом. Он предположил, что тепловой удар у них провоцировался чрезмерной потерей соли, и сделал анализ потовыделений. В них оказался аномально высокий уровень хлорида натрия. С тех пор и по сей день «потовый тест» используется для диагностирования этого заболевания.

Причиной проблемы являются мутации, нарушающие работу особого ионного канала. Его полное название — муковисцидозный трансмембранный регулятор проводимости, но на практике всегда пользуются латинской аббревиатурой CFTR. Этот канал находится в клетках, выстилающих легкие и протоки таких органов, как потовые железы, поджелудочная железа и яички, и управляет перемещением ионов хлора через клеточную мембрану. Секреция ионов хлора необходима для образования жидкости, переносящей пищеварительные ферменты в кишечник, семенной жидкости и пота. Она также важна для секреции жидкости в легких — там тонкая пленка жидкости захватывает бактерии и перемещает их от основания легких вверх по дыхательным путям в рот, где они проглатываются и благополучно уничтожаются. Без такого подъема дыхательные пути забиваются густой и липкой слизью, в которой размножаются бактерии. Подобные инфекции в конечном итоге повреждают легкие.

В настоящее время при муковисцидозе применяют симптоматическое лечение: борются с легочными инфекциями с помощью антибиотиков, предотвращают скопление слизи в легких с помощью физиотерапии и восполняют отсутствующие пищеварительные ферменты. Вместе с тем ведутся исследования, направленные на восстановление самих дефектных каналов. Примерно у 4 % больных наблюдается мутация в CFTR (известная как G551D), сокращающая время, в течение которого каналы открыты. Не так давно был найден препарат «Ивакафтор», заставляющий такие спящие каналы функционировать нормально, и предварительные исследования показывают, что он может давать клинический результат. Хотя до этого еще далеко, но новый подход дает надежду людям с мутацией G551D. У большинства больных, однако, другая мутация CFTR — F508del, которая не позволяет каналу достичь поверхности мембраны клетки. В этом случае необходимы препараты, корректирующие неправильный внутриклеточный транспорт канала.

Муковисцидоз чрезвычайно редко наблюдается у жителей Востока и чернокожих африканцев и чаще всего встречается у жителей северной части Европы, где он является самым распространенным наследственным заболеванием, в основе которого лежит повреждение одного гена. В Великобритании порядка 9000 человек страдают от болезни, и один из каждых 25 человек, т. е. более двух миллионов, несет в себе один экземпляр дефектного гена: у них нет признаков заболевания, но если у пары носителей появится ребенок, то в 25 % случаев он будет страдать муковисцидозом. Такая распространенность мутации говорит о том, что носители одного экземпляра гена могут обладать преимуществами при отборе. Возможно, такие носители более устойчивы к диарейным заболеваниям вроде холеры. Vibrio cholerae, бактерия, вызывающая холеру, вырабатывает токсин, который открывает каналы CFTR в клетках кишечника. Хлор утекает из этих клеток и уносит с собой воду. Это приводит к массированному выбросу жидкости в кишечник и, как следствие, к сильной диарее и быстрой гибели от обезвоживания. Люди с меньшим комплектом каналов CFTR выделяют меньше ионов хлора и, таким образом, потенциально более устойчивы к обезвоживанию.

Бактерии холеры передаются через фекалии, и при любом стихийном бедствии, вызывающем повреждение канализационной системы, например при землетрясении или наводнении, появляется риск возникновения эпидемии холеры. Землетрясение на Гаити в 2010 г. не было исключением, и после него очень быстро началась эпидемия этой болезни. Хотя холера не является болезнью северной Европы и в наше время характерна лишь для стран третьего мира, так было не всегда. Одним из самых заметных достижений в сфере общей гигиены стало удаление доктором Джоном Сноу ручки водоразборной колонки на Брод-стрит в Лондоне летом 1853 г.

Во время сильной вспышки холеры, не утихавшей 14 недель, Сноу обратил внимание на то, что в районе Саутуорк смертельных исходов в 10 раз больше, чем в районе Лэмбет. Он считал, что холера распространяется с водой, хотя другие видели причину в «отвратительных испарениях», выделяющихся из канализации. Тщательное расследование показало, что один из районов Лондона водой снабжали две разные компании, и люди, которые там жили, дышали одним и тем же воздухом, но потребляли разную воду. Удалив рукоятку колонки, из которой шла зараженная вода, Сноу остановил распространение холеры и подтвердил свое предположение о том, что болезнь распространяется с водой. Начало эпидемии проследили впоследствии до Франсес Льюис, пятимесячной малышки, которая умерла от сильнейшей диареи. Ее мать выливала воду, в которой стирала испачканные пеленки, в сточную канаву у дома, откуда эта вода попала в колодец на Брод-стрит и загрязнила питьевую воду. Последствия оказались катастрофическими. Клеточная система водоснабжения и канализации

Итак, патологии ENaC и CFTR вызывают заболевания, связанные с нарушением трансмембранных потоков воды в клетках. На протяжении многих лет ученые пытались понять, как вода проходит через клеточные мембраны. Поскольку они состоят из липидов (жиров), то должны быть слабопроницаемыми для воды, а раз так, каким образом она все же проникает через липидный барьер в количествах, необходимых для образования слез, слюны, пота и мочи? Дело в том, что большинство клеток имеют специальные водные каналы, называемые аквапоринами, которые позволяют воде входить в клетку и выходить из нее. Они были открыты по счастливому стечению обстоятельств Питером Эгром. Он объяснил свою находку, которая в конечном итоге принесла ему Нобелевскую премию, «удачей чистой воды». Предполагая, что белок, открытый им, может быть тем самым водным каналом клетки, Эгр протестировал его способность проводить воду на икринках лягушки, которая прекрасно живет в пресной воде. К удивлению Эгра, лягушачьи икринки, ну прямо-таки созданные для демонстрации водных каналов в мембранах, набухали и лопались при погружении в пресную воду.

Эксперимент Эгра наглядно показал силу осмоса — склонности воды течь из области с низкой концентрацией соли в область с более высокой концентрации. Из-за того, что в пресной воде солей намного меньше, чем в внутри клетки, вода всегда стремится проникнуть в лягушачью икринку, однако в нормальном состоянии липидная мембрана препятствует этому. Стоит повысить водопроницаемость мембраны каким-либо образом (например, путем увеличения количества водных каналов, как сделал Эгр), и вода устремится внутрь, заставляя икринку набухать и в конечном итоге лопаться.

Оказывается, существует множество видов аквапориновых каналов, и они имеются в различных клетках, включая клетки головного мозга и красные кровяные тельца, даже в клетках растений и микроорганизмов. Один из самых важных аквапоринов (так называемый аквапорин 2) находится в собирающем протоке почечных канальцев и отвечает за обратное всасывание последних 35 литров из воды, которую наши почки пропускают через себя каждый день, и, таким образом, за нашу способность концентрировать мочу1. В секунду через один аквапориновый канал проходят примерно три миллиарда молекул воды. Он обладает высокой избирательностью, которую обеспечивает уникальная структура поры, — только вода, а не ионы, может проходить через него. Водные каналы также необычны тем, что они не открываются и закрываются, подобно ионным каналам, а постоянно находятся в открытом состоянии: количество пропускаемой воды регулируется перемещением каналов внутрь клетки и наружу, в клеточную мембрану. Когда организму нужно запасти воду, появляются дополнительные водные каналы. И наоборот, когда вы пьете слишком много воды, водные каналы удаляются, протоки начинают поглощать меньше отфильтрованной почками воды, и она просто выводится из организма в виде мочи. Такое втягивание и встраивание водных каналов в клеточную мембрану регулируется гормонами и происходит непрерывно. Оно и сейчас происходит в ваших почках.

Что интересно, этот процесс может прерываться под действием алкоголя. Всего несколько кружек пива приводят к прекращению выделения антидиуретического гормона, который вызывает встраивание водных каналов в почечные канальца. Вот почему после пива у вас начинается обильное выделение разбавленной мочи. Именно поэтому на следующее утро после застолья вы просыпаетесь с ощущением обезвоживания в дополнение к головной боли. Поскольку весь алкоголь к этому времени должен метаболизироваться (надо надеяться), уровень гормонов становится выше, водные каналы встраиваются в мембраны канальцев, и усиленное всасывание воды приводит к концентрированию мочи. Вы и сами можете заметить этот феномен, поскольку концентрированная моча наутро после веселья намного темнее, чем бледная водица прошлым вечером.

У людей с нефункционирующим аквапорином 2 выделяется большое количество разбавленной мочи — до 25 литров в день, их организм быстро обезвоживается, и они постоянно хотят пить. Причиной может быть редкая генетическая мутация, при которой болезнь проявляется с момента рождения. Родители, однако, могут не обратить на нее внимания, ведь мокрые пеленки — не такая уж необычная вещь у младенца. Смертоносные орудия

Ионные каналы критически важны не только для начала жизни, они также непосредственно участвуют в ее завершении. Многие клетки и организмы используют ионные каналы в качестве оружия для нападения. Такие каналы действуют как молекулярные дыроколы, которые встраиваются в мембрану клетки-мишени и формируют огромное отверстие — настолько большую пору, что через нее из клетки могут выходить не только ионы, но и небольшие молекулы и существенные питательные вещества. В пору устремляется вода, и клетка набухает до тех пор, пока не лопнет (лизируется) и не умрет. Каналы, используемые в качестве такого смертоносного орудия, особенно интересны, поскольку они находятся внутри клетки-агрессора в неактивной форме и совершенно неопасны. Однако после высвобождения они образуют структуру, способную встраиваться в мембрану жертвы. Это настоящие трансформеры, переходящие из безобидной неактивной формы в смертоносную в течение нескольких секунд.

Такие каналообразующие молекулы играют важную роль в нашей иммунной системе, защищая нас от вторжения болезнетворных микроорганизмов. Один из видов подобных молекул с красноречивым названием «дефензин» находится в нашей коже и в слизистой оболочке дыхательных путей и служит естественным антибиотиком с широким спектром действия против бактерий, грибков и некоторых вирусов. Другие виды молекулы высвобождаются специальными белыми кровяными тельцами, так называемыми Т-лимфоцитами (или естественными клетками-киллерами). Т-лимфоциты убивают вирусы и бактерии разными путями, в числе которых высвобождение перфоринов — ионных каналов, которые пробивают отверстия в мембранах враждебных клеток. Другим порообразующим оружием в арсенале нашей иммунной системы является так называемый комплемент, который пробивает еще более крупные отверстия в проникших клетках.

Бактерии также ведут нескончаемую химическую войну друг с другом, выделяя или, говоря языком физиологов, секретируя каналообразующие белки, которые убивают другие бактерии. К сожалению, некоторые из них нападают и на клетки людей. Альфа-токсин, выделяемый золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus), является одним из самых крупных, самых смертельных и самых изящных. Это грибовидный канал, ножка которого проходит через мембрану, а шляпка располагается на ее наружной поверхности, выступая из клетки. Чтобы избежать повреждения самой бактерии, канал формируется из семи отдельных субэлементов, которые выделяются независимо друг от друга, а затем соединяются, образуя гигантскую пору, пробивающую мембрану клетки-мишени. Бактерии стафилококка вызывают появление на коже карбункулов, фурункулов и нарывов, инфицируют раны и, что опаснее всего, становятся причиной сепсиса, когда кровь разносит токсин и бактерии во все ткани, а красные и белые кровяные тельца повреждаются (отравляя кровь). Способность альфа-токсина лизировать красные кровяные тельца послужила поводом для появления другого его названия — гемолизин.

Staphylococcus pyrogenes, инфекционный агент, вызывающий скарлатину, также выделяет токсин, который разрывает красные кровяные тельца и приводит к появлению характерной мелкой красной сыпи на всем теле и окрашиванию языка в ярко-малиновый цвет. Эта болезнь может быть смертельной — от нее умерла мать американской писательницы XIX в. Луизы Мэй Олкотт, которая написала об этом печальном событии в своем романе «Маленькие женщины». Другие ионные каналы, например те, что выпускают простейшие, вызывающие амебную дизентерию, разрушают наш кишечник. Борьба с насекомыми

Люди поставили такие каналообразующие бактериальные токсины себе на службу. Одни, которые атакуют клетки бактерий, но не действуют на клетки млекопитающих, используются как антибиотики. Другие применяются как инсектициды. Самым известным токсином является тот, который выделяют бактерии Bacillus thuringiensis. Он встраивается в клетки, выстилающие пищеварительный канал насекомых, лизирует их, и насекомые в конечном итоге погибают от обезвоживания. Токсин выпускается как неактивное вещество-предшественник, которое должно активироваться в пищеварительном канале насекомых, а поэтому он безвреден для людей.

Bacillus thuringiensis широко используются в качестве биологического агента для ограничения численности гусениц в промышленных тепличных хозяйствах, для уничтожения личинок комаров и мошкары, переносящей «речную слепоту» (онхоцеркоз). В последнее время гены токсина бактерий стали встраивать прямо в растения, которые приобретают способность самостоятельно вырабатывать токсин. Вырабатывающие пестициды виды кукурузы, картофеля и хлопка широко выращиваются в США и позволяют кардинально сократить использование синтетических инсектицидов. Вместе с тем практика выращивания таких растений вызывает неоднозначную реакцию отчасти в результате обеспокоенности по поводу генетически модифицированных продуктов. Другая причина связана с опасением, что постоянное воздействие пестицидов на насекомых приведет к появлению видов, устойчивых токсину. Любая мутация рецептора, предотвращающая присоединение токсина, дает несомненное репродуктивное преимущество, и уже появились сообщения об устойчивых к пестициду насекомых. Как и в случае с антибиотиками, преодоление сопротивления — это непрерывная борьба. Самоубийство клеток

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

Удивительно, но некоторые растения не только имеют ионные каналы, но и могут генерировать потенциал действия. Однако электрические импульсы растений отличаются от нервных импульсов: они более продолжительны, распространяются медленнее и передаются другими ионами. Электрический импульс водоросли Nitella, например, инициируется не притоком положительно заряженных ионов натрия, а оттоком из клетки отрицательно заряженных ионов хлора. И это не случайно. В отличие от животных клеток клетки большинства наземных растений не плавают в соленой внеклеточной жидкости. Концентрация ионов очень низка в стенках клеток растений, и поэтому приток ионов натрия не может создать потенциала действия. Растению в результате приходится полагаться на отток ионов хлора.

Растения-хищники генерируют потенциал действия для захватывания добычи. Одним из самых интересных среди них является венерина мухоловка, любимый цветок Чарльза Дарвина. Это растение, как он отмечал в своих заметках, «удивляет быстротой и силой движений». Чтобы выжить на бедных азотом почвах болот, где она обитает, венерина мухоловка дополняет свой рацион мелкими насекомыми. Она завлекает их в «ловушку», образованную видоизмененным листом, которая состоит из двух ярко-красных долей, похожих на створки раковины моллюска, и окаймлена длинными розовато-зелеными волосками. В состоянии покоя ловушка заманчиво открыта. Но стоит неосторожной мухе сесть на ее сладкую, липкую поверхность, как две створки захлопываются, запирая насекомое внутри. Длинные волоски на кромке долей плотно сцепляются, как зубья крысоловки, не давая выбраться насекомым покрупнее. Мелкие насекомые могут протиснуться наружу, скорее всего потому, что с какой-нибудь крошечной мошкой просто энергетически невыгодно возиться, а большие насекомые медленно перевариваются и дают растению азот, так необходимый для синтеза его собственных белков. Примерно через семь дней ловушка открывается, выбрасывая непереварившиеся остатки.

Каждому, кто когда-нибудь пытался прихлопнуть муху, знает, что эти насекомые передвигаются быстро. Таким образом, чтобы поймать муху, венерина мухоловка должна двигаться еще быстрее. Для этого у нее в процессе эволюции сформировалась специальная электрическая сигнальная система. Каждая доля ловушки имеет несколько трехгранных волосков, выступающих над поверхностью и обладающих исключительной чувствительностью к прикосновениям. Если положение более чем двух таких волосков изменяется примерно в один и тот же момент, например в результате движения насекомого, то доли захлопываются так быстро, что и глазом моргнуть не успеешь2. Волоски снабжены механочувствительными ионными каналами, и прикосновение к ним приводит к генерированию потенциала действия, который распространяется по клеткам долей в направлении центра ловушки. В состоянии покоя доли ловушки вогнуты, но когда электрический сигнал достигает центральной части, они резко изменяют форму с вогнутой на выпуклую и образуют карман, запирающий добычу. О том, как именно это происходит, все еще идут споры, но в этом процессе участвуют ионные каналы, инициирующие перемещение ионов и воды, которое приводит к дифференцированному набуханию и сжатию клеток долей и, таким образом, к резкому изменению давления в листе.

Аналогичные ловушки имеются и у других болотных растений, например у росянки, а также у альдрованды пузырчатой, которая ловит добычу под водой. Ловушка альдрованды закрывается быстрее, чем у других растений-хищников. Ей требуется на это всего 10–20 мс, в пять раз меньше, чем венериной мухоловке.

Хотя растения не имеют нервов, у некоторых из них есть специальные проводящие пути, которые позволяют электрическим импульсам передавать информацию на определенное расстояние. Легонько дотроньтесь до листочка мимозы стыдливой (Mimosa pudica), чувствительного растения, и весь лист свернется от самого основания в месте присоединения к ветке. Специальные клетки передают сигнал к основанию листа, где движение ионов приводит к изменению объема клеток и к свертыванию всего листа. В отличие от этого у венериной мухоловки потенциалы действия распространяются произвольным образом по всему листу через электрические синапсы между соседними клетками, прежде чем они достигнут набухающих клеток, которые захлопывают ловушку. Однако, как ни удивительно само наличие потенциалов действия у растений, они распространяются намного медленнее, чем у животных (примерно 10 метров в секунду против 250 метров в секунду). Растения просто проживают отведенный им срок намного медленнее.