Книга: Люстра Чижевского - прибор долголетия
Назад: Введение
Дальше: Глава 2 Атмосферный воздух. Чем мы дышим?
Глава 1
Кислород — основа высокоорганизованной жизни
Кислородное дыхание как энергетический источник жизни
«Жизнь — это способ существования белковых тел, представляющий собой особую форму движения материи. Характерной особенностью всякого живого тела является постоянный обмен веществ с окружающей средой».
Так в работе «Диалектика природы» Ф. Энгельс еще в конце ХІХ в. определил особую форму движения материи, возникающую как новое качество в процессе ее развития.
Сегодня наука о явлениях жизни — биология — пожалуй, самая значимая из всех наук.
В классическом учебнике общей биологии читаем:
«Живое тело извлекает из окружающей среды необходимые ему вещества и включает их в свой состав (уподобляет себе): этот процесс называется ассимиляцией. Одновременно с ассимиляцией происходит процесс распада частиц живого тела, то есть их разложение — диссимиляция. В единстве этих двух процессов совершается самообновление живого тела, с прекращением их наступает смерть».
И далее:
«Диссимиляция представляет собой процесс разрушения органических веществ, входящих в состав живых тел. В результате диссимиляции осуществляется обновление живого вещества и доставляется энергия, необходимая для всех жизненных процессов. В основе диссимиляции лежат окислительно-восстановительные реакции, протекающие обычно при участии кислорода. Основные формы диссимиляции — дыхание и брожение».
И ниже:
«Дыхание — это процесс окисления органических веществ у большинства животных и растительных организмов, являющийся основным источником необходимой для их жизни энергии. Внешнее проявление дыхания — обмен газов с окружающей атмосферой, то есть поглощение из нее кислорода и выделение в нее углекислоты».
Поскольку человеческая особь — тоже живое тело, она, то ли зная основы биологии, то ли просто так, по надобности, потребляет пищу и кислород из воздуха. И в полном соответствии с наукой выделяет в окружающую среду углекислый газ, воду и все то, что оказалось ему, то есть живому организму, ненужным или вредным.
Человек в сутки съедает 200–300 г пищи в пересчете на сухое вещество. Воды в составе пищи и питья он может потребить 2–5 л, а в некоторых условиях и больше. Пища, как мы знаем, нужна для обеспечения тела «строительным материалом» и энергией. Неиспользованная часть пищи и продукты ее распада удаляются из организма выделительной системой. Вода в организме играет вспомогательную роль и в нем не задерживается и не накапливается. Вся вода, полученная с пищей и питьем, пройдя в организме определенный путь, рано или поздно из него выводится.
Мы употребляем 200–300 г пищи в сутки и много воды. А сколько кислорода из воздуха за это же время усваивает человек? Ответ для многих будет неожиданным: от одного до двух килограммов! Простой расчет А. Л. Чижевского убедит нас в этом.
Объем воздуха, проходящий через легкие человека за сутки:
V = 0,35 × 16 × 1440 = 8000 л = 8 м3,
где 0,35 л — объем воздуха в одном вдохе, 16 — число вдохов человека в спокойном состоянии в 1 минуту, 1440 — число минут в сутках.
Таким образом, через легкие человека за сутки проходит около 8 м3 воздуха. В атмосфере 23 % (по весу) кислорода. В выдыхаемом человеком воздухе его остается 15 %. Зная, что м3 воздуха весит 1,3 кг, путем несложных вычислений можно определить массу кислорода, который усваивается организмом человека за сутки. Получится приблизительно 1 кг.
Замечу, что это — в «спокойном состоянии». Если человек занят тяжелым физическим трудом, то для обеспечения повышенных энергозатрат суточное потребление кислорода (и, конечно же, пищи) увеличивается. Почему так происходит, все знают. Поскольку дыхание — это окисление, веществ пищи, то фактически живой организм для получения энергии «сжигает» в себе органическое «топливо›› в атмосферном кислороде. Чтобы получить больше энергии, нужно больше «топлива» и воздуха. Но просто «сжиганием топлива» дело не ограничивается.
С точки зрения химика, живой организм представляет собой химический реактор, в котором идут процессы разложения и синтеза различных веществ. Вернее, это химический комбинат из огромного количества реакторов, в которых вещества, синтезированные в одном из них, являются исходными для другого и наоборот. Огромного потому, что только белков в организме человека синтезируется более 50 000.
«Инструкция» для работы реакторов записана в виде последовательности из четырех символов: А, Г, Т и Ц (оснований дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК) на свернутой в двойную спираль (а потом — в сложный клубок) «перфоленточку» — молекулу ДНК. «Инструкция» отрабатывалась методом проб и ошибок в ходе эволюции жизни на Земле. Продолжалось это 3,5 миллиарда лет и продолжается сейчас. Полный набор программ хранится в хромосомах каждой клетки. Сколь велика эта «инструкция» можно понять, если представить себе, что суммарная длина молекул ДНК в неоплодотворенной яйцеклетке человека составляет ни много ни мало 180 см.
Перед этой живой «химической фабрикой» природа поставила конкретную задачу: из пищи и кислорода нужно добыть энергию и использовать ее на обеспечение жизнедеятельности организма. Как напряженно и в то же время эффективно работает «химическое производство» в организме человека, можно себе представить, рассмотрев его энергозатраты. С точки зрения физики (а энергия — основное понятие физики), полученная химическим путем энергия, в основном идет на выработку тепла и механическую работу.
Тепловую мощность, необходимую для поддержания постоянной температуры тела, можно оценить исходя из того, что площадь поверхности тела человека около 2 м2, а температура его кожного покрова близка к 36°C.
Конечно; величина тепловыделения зависит от того, как человек одет и в каких климатических условиях он находится. Усредненное же по времени и условиям окружающей среды значение тепловой мощности составляет приблизительно 75 Вт. То есть за сутки в тепло уходит 75 × 24 = 1,8 кВт/час (или 1500 ккал). Примерно столько же энергии расходуется на обеспечение работы мышц. Итого в сумме на обогрев и движение средний человек тратит в сутки 3,6 кВт/час.
Есть еще одна статья энергозатрат. Это, так сказать, «строительство и ремонт», то есть рост организма, удаление из него ненужных веществ и замена отслуживших клеток. На «текущий ремонт» тела нужно очень мало и энергии, и материала. Исключения — период усиленного роста человека в юности и процесс вынашивания женщиной плода.
Итак, человек расходует за сутки около 3,6 кВт/час энергии. В теплофизических величинах это 3000 ккал. Как известно, именно такова калорийность нормального суточного рациона. Для сравнения: этого количества тепла достаточно, чтобы нагреть до кипения четыре больших ведра воды. За год на одного человека приходится 1300 кВт/час. Трудно поверить, но в середине 70-х гг. прошлого века столько же электроэнергии на одного жителя Земли вырабатывали все ее электростанции.
Даже усредненные энергозатраты человеческого организма впечатляют. А ведь иногда ему приходится и сильно напрягать свои энергетические резервы. Например, купание в ледяной воде требует резкого увеличения выработки тепла, а тяжелая физическая нагрузка требует интенсивной работы мышц. Причем диапазон их мощности весьма широк. Мышцы тренированного человека кратковременно (на единицы секунд) могут развить мощность более 2 кВт или 3 лошадиных сил. Мощность в одну лошадиную силу спортсмен способен «выдавать» несколько минут, а две-три сотни ватт — часами. Если нужно, мышцы помогают согреться. «Дрожит от холода» — говорим мы о замерзшем человеке.
Скорости, с которыми протекают химические реакции в организме, поражают воображение, особенно если учесть, что реакции идут не в огромных промышленных установках при высокой температуре и давлении, а в живой клетке.
В химии хорошо известно ускорение химических реакций при помощи катализаторов. Явление катализа широко использует и живая природа. Почти все процессы, протекающие в клетках растений и животных, требуют участия катализаторов. Биологические катализаторы называются ферментами. Это вещества белковой природы, обладающие двумя характерными особенностями. Во-первых, они проводят химические реакции с огромными скоростями. Например, фермент каталаза расщепляет перекись водорода, которая образуется в некоторых биохимических процессах, на воду и кислород. Делает он это в миллион раз быстрее, чем промышленный катализатор с ионами двухвалентного железа.
Вторая, еще более удивительная особенность действия ферментов состоит в том, что они, в отличие от неорганических катализаторов, весьма разборчивы. Они ускоряют часто одну единственную реакцию, не обращая внимания даже на похожие превращения. Например, амилаза, содержащаяся в слюне, легко и быстро расщепляет крахмал, молекула которого состоит из огромного количества одинаковых глюкозных звеньев. Но она не может справиться с молекулой сахарозы (обычного сахара), состоящей из двух половин — глюкозы и фруктозы.
Таким образом, живой организм на уровне молекул — это нескончаемая цепочка разнообразнейших химических реакций, каждая из которых осуществляется при помощи своего биокатализатора. Но если просто в большом чане намешать борща с хлебом, каши с котлетами, компота, всяких ферментов и подавать туда воздух, то живое существо из этого не получится. Потому что живое существо — это сложная, особым образом организованная система, в которой все химические превращения происходят в соответствии с его генетической программой. За тем, как выполняется эта программа, «следят» различные «узлы» и «блоки» этой системы. Их задача — не только следить, но и корректировать при необходимости. Такое слежение и управление в биологии называется регуляцией жизнедеятельности.
Системы регуляции жизнедеятельности организма
Патриарх русской физиологии И. П. Павлов писал:
«Человеческий организм есть в высочайшей степени саморегулирующая система, сама себя поправляющая, поддерживающая, восстанавливающая и даже совершенствующая. Эта саморегуляция и обеспечивает постоянное приспособление организма к многообразным переменам в окружающей среде. Сложная функциональная система с помощью своих анализаторов — органов чувств, рецепторов кожи, мышц, внутренних органов — воспринимает любые изменения, возникающие вокруг и внутри человека, и передает «сигналы тревоги» в центральную нервную систему, а она немедленно включает защитные приспособления, чтобы уравновесить и сохранить весь организм».
Когда специалист в области автоматического регулирования слышит, что человек — «это венец творения», он не спорит с таким утверждением. Он вкладывает в него свой собственный смысл.
В самом деле, ни природа, ни техника не создали устройства, способного сравниться с человеческим организмом по обилию и разнообразию систем регулирования, их гибкости и надежности. С поразительной точностью поддерживают они температуру тела, давление крови, содержание в ней кислорода, сахара и других веществ. Особые регуляторы управляют работой глаз, другие берут на себя координацию движения рук и ног, третьи заведуют деятельностью внутренних органов. Эти системы регулирования связаны между собой сложным и не всегда понятным образом.
Рассмотрим для примера простейшую систему, которая помогает зрению приспосабливаться к изменению освещенности. Для этого существует механизм, позволяющий уменьшать или увеличивать количество света, попадающего в оптическую систему глаза путем сужения или расширения зрачка. Принцип работы системы очень прост: если на сетчатку попадает много света, то возрастает уровень нервного возбуждения ее светочувствительных клеток — нервная система на это отвечает командой «сузить зрачок».
С точки зрения физиологии сужение и расширение зрачка — это врожденный безусловный рефлекс, который не подвластен нашему сознанию. Но некоторые люди могут расширять зрачок по своему желанию. Значит, все же существует связь, пусть и незначительная, этого рефлекса спинного мозга с мозгом головным. А ведь известны факты, которые подтверждают, что человек усилием воли способен управлять и более жизненно важными функциями: замедлять биение сердца или снижать температуру тела.
Есть примеры более сложных систем регулирования, которые действуют автономно, но полностью подвластны сознанию. С системами поддержания водно-солевого баланса в организме и снабжения его питательными веществами знаком каждый. Недостаток в организме воды вызывает ощущение жажды, недостаток глюкозы (основного «топлива» для клеток) — голода. Но мы не всегда едим и пьем, когда этого сильно хочется, зачастую мы это делаем впрок. Мозг прекрасно понимает, что вода и пища могут быть и какое-то время недоступны.
Упомянутые системы регуляции жизнедеятельности связывают в единый комплекс работу отдельных органов. Так, в первом примере это светоприемник — сетчатка глаза, нервные волокна, спинной и головной мозг, мышцы глазного яблока. Работа таких систем нам знакома, понятна и реально ощутима. Можно привести еще достаточно много примеров систем регулирования в организме, нарушение работы которых тут же дает о себе знать: вестибулярный аппарат (укачивание), сердечно-сосудистая система (повышенное давление), аккомодация хрусталика глаза (близорукость) и т. д.
Но существует и регуляция жизнедеятельности на уровне отдельных органов и еще глубже — на уровне клеток, эти органы слагающих. Наиболее показательна в этом смысле эндокринная система, управляющая деятельностью органов с помощью специальных химических веществ — гормонов. Развитие эндокринологии привело к постепенному расширению понимания значения гормонов для организма, и сегодня оно не ограничивается знанием о небольшом количестве гормонов и желез, их вырабатывающих, как это было четыре десятка лет назад.
Условно датой зарождения научной эндокринологии принято считать 1849 г., когда было выяснено, что кастрация петухов приводит к атрофии вторичных половых признаков (гребешков, шпор и т. д.), а подсадка половых желез — к их восстановлению. Стало ясно, что половые железы выделяют в кровь какое-то вещество и что это вещество действует особым образом на определенные органы и ткани. Позже, когда было обнаружено, что способностью к внутренней секреции обладают и другие железы, их назвали эндокринными (от слов «эндо» — внутри и «крино» — отделяю).
Сам термин «внутренняя секреция» был предложен в 1859 г., а термин «гормон» (в переводе с греческого — «побуждаю») — в 1902 г., когда был выделен первый из них, названный «секретин» за его способность стимулировать секрецию желчи.
Таким образом, гормоном называется продукт деятельности эндокринной железы, который оказывает специфическое влияние на чувствительные к нему клетки. Постепенно увеличивался перечень открытых гормонов, ив настоящее время их известно более восьмидесяти, кроме того, гормональным действием обладают многие из продуктов биологического превращения гормонов в организме.
У генетически родственных животных можно трансплантировать эндокринные железы друг другу, и поэтому в течение многих лет существовала догма об автономности эндокринной системы, то есть ее независимости от нервной системы. Но в 30-х гг. ХХ в. установили, что определенные скопления нервных клеток в гипоталамусе вырабатывают гормоны. Многие из них регулируют секрецию гормонов гипофиза (очень сложной эндокринной железы, которая, однако, также может быть пересажена от одного животного к другому). В свою очередь гормоны гипофиза влияют на другие эндокринные железы, например гонадотропины действуют на половые железы, стимулируя в них производство половых гормонов, и т. д.
В итоге оказалось, что в организме функционирует не просто многокомпонентная эндокринная система, но нейроэндокринная система (рис. 1). Первым уровнем ее являются периферические эндокринные железы, например половые; вторым — гипофиз, который контролирует сразу несколько периферических желез — щитовидную, кору надпочечников, половые и т. д.; третьим — гипоталамус, который координирует вегетативные и эндокринные процессы, необходимые для поддержания постоянства внутренней среды организма — гомеостаза.
Рис 1. Нейроэндокринная система человека
Наконец, и сам гипоталамус не полностью автономен. Свою роль интегрирующей системы он выполняет, подчиняясь сигналам из других отделов центральной нервной системы и из особой эндокринной железы — эпифиза, регулятора биоритмов. Таким образом, центральная нервная система и эпифиз формируют четвертый уровень нейроэндокринной системы.
Эта многокомпонентность, «многоэтажность» способствует объединению отдельных тканей и органов в единый организм, причем все четыре «этажа» нейроэндокринной системы действуют в полной взаимозависимости. На этой взаимосвязи основаны и механизмы возникновения типичных эндокринных болезней. Например, при определенных нарушениях в деятельности гипоталамуса возрастает выработка одного из гипофизарных гормонов — адренокортикотропного, что ведет к усилению деятельности периферической эндокринной железы — коры надпочечников, а при особо длительной стимуляции способствует возникновению опухолей.
Долгое время казалось, что развитие эндокринологии пойдет по пути все более детального изучения нейроэндокринной системы и что именно на этом пути будут побеждены такие недуги и расстройства, как нарушение нормального роста, снижение функции воспроизведения, базедова болезнь, сахарный диабет, ожирение и другие многочисленные болезни, составляющие предмет забот эндокринологии как отрасли медицины. Но оказалось, что интегральная нейроэндокринная системам — не единственная гормональная система, существующая у высших организмов.
В 1980–1981 гг. несколькими исследователями было установлено, что типичные гормоны человека, такие как инсулин и хорионический гонадотропин (гормон, вырабатываемый плацентой), обнаруживаются и у некоторых бактерий, то есть у простейших микроорганизмов, у которых даже нет клеточного ядра. Но если строение гормонов столь различных существ, как бактерии и человек, одинаково, то приведенные выше определения понятий «гормон» и «эндокринная железа» неточны. Вернее, эти определения правильно характеризуют эти понятия применительно к высшим организмам, но не полностью отражают роль, которую гормоны играют в живой природе.
Гормоны — это химические сигналы, но у человека эти сигналы регулируют деятельность тела, а, скажем, у насекомых — координируют их взаимоотношения в сообществе (популяции). В последнем случае гормоны обозначают термином «феромоны». Поистине Природа не отказывается от своих эволюционных завоеваний: то, что было феромоном, может стать гормоном, и наоборот.
К середине 80-х гг. ХХ в. исследования в эндокринологии давали веские основания полагать, что в организме высших животных, включая человека, действует не одна (нейроэндокринная), как издавна считалось, а четыре гормональные системы — нейроэндокринная, тканевая, аутокринная и паракринная. Все они вырабатывают химические регуляторы жизнедеятельности — гормоны; они взаимодействуют под эгидой нейроэндокринной системы, но обладают и автономией.
За прошедшие два десятилетия эти взгляды стали общепринятыми в биологии. Более того, они значительно углублены. Казалось бы, вся иерархия уровней управления в живом организме установлена. Самый глубокий уровень управления — когда клетка вырабатывает гормоны сама для себя, — формировался на начальных этапах эволюции жизни (два-три миллиарда лет назад) и поэтому имеется даже у одноклеточных бактерий.
Но существовала одна загадка в поведении живой клетки, которая не давала покоя биологам. Дело в том, что начало формирования эмбриона — первые стадии развития оплодотворенной яйцеклетки — не поддавались никакому разумному научному объяснению. Что, кстати говоря, очень сильно воодушевляло креационистов — противников эволюционной теории, но приверженцев религиозных взглядов о сотворении мира за шесть дней.
Проявление этой загадки можно увидеть, так сказать, «вооруженным глазом», просматривая замедленную видеозапись наблюдения под микроскопом процесса развития оплодотворенной яйцеклетки.
Какое это захватывающее зрелище, когда прямо на глазах у тебя из прозрачного микроскопического шарика-пузырька начинает расти живой организм!
После проникновения в яйцеклетку сперматозоида в ней через некоторое время начинаются еле уловимые глазом изменения: появляются мутноватые области, которые вскоре начинают перемещаться. И вдруг, очень быстро, «пузырек» делится пополам. Теперь он состоит из двух долек, но по-прежнему по форме близок к шарику.
Через некоторое время каждая долька опять делится пополам, и теперь пузырек состоит из четырех долек. Потом их становится восемь, шестнадцать, тридцать две. И вот тут-то и начинается непонятное. Дальше деление идет не синхронно — одни клетки шарика начинают делиться быстро, другие чего-то ждут, третьи делятся, но медленно. Шарик начинает расти и изменять форму: в одном месте появляются небольшие выпуклости, в другом — впадины. В дальнейшем можно проследить, как выпуклость превращается в голову, около впадины появятся четыре горбика, которые потом станут лапами…
Вот здесь и есть загадка. Почему же после четвертого-пятого деления в абсолютно одинаковых клетках, да еще и составляющих шарик (то есть центросимметричное тело, на поверхности и в объеме которого нет каких-либо выделенных направлений), вдруг возникает изменение в их поведении? И результат этого изменения — появление в нужном, месте, в нужное время того, что и должно появиться в ходе нормального развития особи: ноги или головы у животного, листа или коры у растения. Кто стал режиссером и распределил роли в сообществе одинаковых клеток? Как были отданы команды: «Ты быстро делись дальше, а ты пока притормози»?
Таким образом, для понимания того, как начинается превращение одной микроскопической яйцеклетки, скажем, в слона, не хватало еще одного, самого первого механизма регулирования. То есть такого механизма, который способен действовать еще до того, как началась специализация клеток и включился аутокринный гормональный регулятор.
Сегодня, в ХХІ в., можно говорить, что такой механизм открыт. Передача информации в нем осуществляется не при помощи химических ее носителей — гормонов, а при помощи физических посредников — электромагнитных излучений. Основой такой передачи информации служит кислород, а вернее — особое строение его молекулы, следствием которого являются его особые химические свойства.
Теория благотворной роли активных форм кислорода
Чтобы понять тот путь, который привел к одному из фундаментальных открытий в биологии, нужно вернуться в 1969 г.
Именно тогда американские биохимики Дж. Маккорд и И. Фридович (McCord J., Fridovich I.) открыли новый фермент — супероксиддисмутазу (СОД). Он катализирует реакцию взаимодействия (дисмутации) двух супероксидных радикалов с образованием перекиси водорода и молекулярного кислорода. Открытие СОД совершило революцию в умах биохимиков: раз есть фермент, удаляющий свободные радикалы, специально вырабатываемый животными клетками (и, как выяснилось, чрезвычайно широко распространенный живой природе), то понятно, что и сами радикалы существуют в природе и почему-то их надо обязательно удалять. До этого мало кто думал, что в метаболизме живых организмов участвуют не только «настоящие» молекулы, но и свободные радикалы.
Само понятие свободного радикала в химии существовало давно. Свободные радикалы — это молекулярные частицы, обладающие высокой реакционной способностью. Хорошо известно, что в молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали.
Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Это делает радикалы химически активными, поскольку они стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул и тем самым их повреждая.
Дальнейшие исследования показали, что основные радикалы, которые образуются в клетках, — это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при воздействии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, одно время применявшихся в качестве лекарств.
Вот тут-то и было обращено пристальное внимание на кислород. До того времени уже устоялось представление о том, что он используется живым организмом как окислитель для получения энергии в ходе окислительно-восстановительных реакций и как химический элемент, входящий в состав органических соединений.
Радикалы кислорода: супероксид. ОО и гидроксильный радикал ОН (точка означает неспаренный электрон) могут быть побочными продуктами биохимических реакций, они химически активны, могут нанести существенный ущерб живой клетке, и их нужно удалять. Но дело в том, что в организме существует фермент НАДФН-оксидаза, который обычный молекулярный кислород О2, переводит в супероксидную форму! Причем переводит много — до 10 %.
Картина получалась ошеломляющая. Организм сам специально производит супероксидные радикалы. ОО, чтобы их тут же дисмутировать, то есть по сути дела — уничтожить при помощи повсеместно в нем присутствующего (и очень активного) фермента СОД.
Дальнейшее изучение особенностей молекулы кислорода, ее так называемых активных форм (АФК) привело к пересмотру роли кислорода в биохимии.
Парадоксы кислородного дыхания
Динамика роста научной литературы, посвященной активным формам кислорода, свободным радикалам, окислительным процессам с их участием, говорит о стремительно растущем к ним интересе биологов и медиков. В большинстве публикаций по проблемам, связанным с активными формами кислорода, подчеркивается их деструктивное действие на мембраны, нуклеиновые кислоты и белки.
В то же время вне поля зрения большинства исследователей оставался громадный массив данных, свидетельствующих об абсолютной необходимости АФК для процессов жизнедеятельности. Так, при пониженном содержании в атмосфере супероксидных радикалов животные и человек заболевают, а при длительном их отсутствии — гибнут. На производство АФК в норме идет 10–15 %, а в особых обстоятельствах — до 30 % потребляемого организмом кислорода. Становилось также ясным, что определенный «фон» АФК необходим для реализации действия на клетки биорегуляторных молекул, а сами АФК могут имитировать действие многих из них. Именно поэтому все более широкое применение находит «окситерапия» — лечение широкого спектра заболеваний путем искусственной аэроионизации воздуха, обработкой крови такими активным формами кислорода, как озон и перекись водорода.
Таким образом, многочисленные эмпирические данные вошли в противоречие со сложившейся в классической биохимии схемой, в рамках которой АФК видятся лишь как сверхактивные химические частицы, которые могут нарушать стройный ход нормальных биохимических процессов. В то же время не принималась во внимание главная особенность реакций с участием АФК — их чрезвычайно высокий энергетический выход, достаточный для генерации электромагнитных волн. Но благодаря именно этой особенности они могут формировать своеобразные биоэнергетические потоки, необходимые для запуска.
Особые свойства молекулы кислорода
Кислород необходим для всех» организмов, а для жизни человека в особенности. Всего несколько минут без кислорода приводят к необратимому повреждению мозга. Мозг человека, составляющий лишь 2 % от массы его тела, потребляет около 20 % получаемого организмом кислорода. Считалось, что почти весь О2, потребляется при окислительном фосфорилировании в митохондриях, но их содержание в нервной ткани не больше, если не меньше, чем в других энергозависимых тканях. Следовательно, существует другой путь утилизации О2, и мозг должен потреблять его на этом пути активнее, чем другие ткани. Альтернативный путь использования О2, для получения энергии — его одноэлектронное восстановление. Свойства молекулы О2, в принципе позволяют получать энергию и на этом пути.
Кислород уникален среди важных для жизнедеятельности молекул. Он содержит два неспаренных электрона на валентных орбиталях.
Такие частицы обладают значительно большим запасом энергии, чем молекулы в невозбужденном состоянии, когда все их электроны спарены. Избыточная энергия О2, (180 ккал/моль) освобождается, когда он восстанавливается до двух молекул воды, получив с атомами водорода четыре электрона, полностью уравновешивающих электронные оболочки обоих атомов.
Несмотря на большой избыток энергии, кислород с трудом реагирует с окисляемыми им веществами, поскольку молекула О2 находится в энергетически устойчивом состоянии… Если же О2, тем или иным способом приобретает дополнительный электрон, то последующие он может получить уже легко. На пути одноэлектронного восстановления О2 и образуются промежуточные соединения, названные АФК благодаря их высокой химической активности. Получив первый электрон, О2 превращается в супероксид-анион радикал О-2. Добавление второго электрона (вместе с двумя протонами) превращает последний в перекись водорода, Н2О2. Перекись, будучи не радикалом, а малоустойчивой молекулой, может легко получить третий электрон, превратившись при этом в чрезвычайно активный гидроксил-радикал ОН-, который легко отнимает у любой органической молекулы атом водорода, превращаясь в воду.
Свободные радикалы отличаются от обычных молекул не только высокой химической активностью, но и тем, что порождают цепные реакции. «Отобрав» доступный электрон у оказавшейся рядом молекулы, радикал превращается в молекулу, а донор электрона — в радикал, который может продолжить цепь дальше. Действительно, когда в растворах биоорганических соединений развиваются свободнорадикальные реакции, немногочисленные исходные свободные радикалы могут вызывать повреждение громадного числа биомолекул. Именно поэтому АФК традиционно рассматриваются в биохимической литературе как чрезвычайно опасные частицы. Их появлением в среде организма объясняют многие заболевания и даже видят в них основную причину старения.
Все организмы оснащены разнообразными механизмами для целенаправленной генерации АФК. Давно известен фермент НАДФН-оксидаза, активно продуцирующий «токсичный» супероксид, за которым порождается вся гамма АФК. Но до самого последнего времени его считали специфической принадлежностью клеток иммунной системы, объясняя необходимость продукции АФК критическими обстоятельствами защиты от патогенных микроорганизмов и вирусов. Сейчас стало ясно, что этот фермент вездесущ. Он и подобные ему ферменты найдены в клетках всех трех слоев аорты, в фибробластах, синоцитах, хондроцитах, клетках растений, дрожжей, почки, нейронах коры мозга. Недавно обнаружилось, что все антитела способны продуцировать Н2О2, то есть они также являются генераторами АФК. По некоторым оценкам, даже в покое 10–15 % всего потребляемого животными кислорода подвергается одноэлектронному восстановлению, а в условиях стресса, когда активность супероксид-генерирующих ферментов резко возрастает, интенсивность восстановления кислорода увеличивается еще на 20 %. Таким образом, АФК должны играть весьма важную роль в нормальной физиологии.
Биорегуляторная роль АФК
Многочисленные исследования показали, что АФК принимают непосредственное участие в формировании разнообразных физиологических ответов клеток на тот или иной молекулярный биорегулятор. Какой конкретно будет реакция клетки — вступит ли она в митотический цикл, пойдет ли в сторону дифференцировки, или же в ней активируются гены, запускающие процесс ее гибели (апоптоза), зависит и от конкретного биорегулятора молекулярной природы, действующего на специфические клеточные рецепторы, и от «контекста», в котором действует данный биорегулятор: предыстории клетки и фонового уровня АФК. Последний зависит от соотношения скоростей и способов продукции и устранения этих активных частиц.
На продукцию АФК клетками влияют те же факторы, что регулируют физиологическую активность клеток, в частности гормоны. Разные клетки, составляющие ткань, реагируют на физиологический раздражитель по-разному, но индивидуальные реакции складываются в реакцию ткани как единого целого. Так, факторы, влияющие на активность НАДФН-оксидазы хондроцитов, стимулируют перестройки хрящевой и костной тканей. Активность НАДФН-оксидазы фибробластов повышается при их механическом раздражении, а на скорость продукции оксидантов стенкой сосудов влияет интенсивность и характер тока по ним крови. Одно из первых событий при оплодотворении сперматозоидом яйцеклетки — резкая активация НАДФН-оксидаз обоих партнеров. При подавлении продукции ими АФК нарушается развитие многоклеточного организма.
АФК и сами могут имитировать действие многих гормонов и нейромедиаторов. Так, Н2О2 в низких концентрациях имитирует действие на жировые клетки инсулина, а инсулин стимулирует в них активность НАДФН-оксидазы. Антагонисты действия инсулина — адреналин и его аналоги — ингибируют НАДФН-оксидазу жировых клеток, а Н2О2 подавляет действие глюкагона иадреналина. Существенно, что генерация клетками О-2 и других АФК предшествует остальным событиям во внутриклеточной информационной цепи.
Хотя в организме есть множество источников продукции АФК, для нормальной жизнедеятельности человека и животных необходимо регулярное потребление их извне. Еще А. Л. Чижевский показал, что отрицательно заряженные ионы воздуха необходимы для нормальной жизнедеятельности. И хотя их концентрация в чистом воздухе ничтожна (сотни в см3), но при их отсутствии экспериментальные животные погибают в течение нескольких дней с симптомами удушья. В то же время обогащение воздуха супероксидом до 104 частиц/см3 нормализует давление крови и ее реологию, облегчает оксигенацию тканей, усиливает общую резистентность организма к стрессорным факторам. Другие АФК, например озон О3, перекись водорода Н2О2, использовались еще в первой трети ХХ в. для лечения разнообразных хронических заболеваний — от рассеянного склероза до нейрологических патологий и рака. В настоящее время в общей медицине они применяются редко из-за их предполагаемой токсичности. Тем не менее в последние годы озонотерапия становится все популярнее, начинается и применение внутривенных вливаний разбавленных растворов Н2О2.
Таким образом, становится ясно, что АФК — это универсальные регуляторные агенты, благотворно влияющие на процессы жизнедеятельности от клеточного уровня до уровня целого организма. Но если АФК, в отличие от молекулярных биорегуляторов, не обладают химической специфичностью, как они могут обеспечить тонкую регуляцию клеточных функций?
Единственный способ, позволяющий оборвать опасные радикальные цепные реакции, в которые вовлекаются все новые биоорганические молекулы — рекомбинация двух свободных радикалов с образованием устойчивого молекулярного продукта. И здесь следует подчеркнуть уникальную особенность реакций рекомбинации радикалов: освобождающиеся при таких актах кванты энергии сопоставимы с энергией фотонов видимого и даже УФ-света. Еще в 1938 г. А. Г. Гурвич доказал, что в присутствии растворенного в воде кислорода в системе, где протекают цепные свободнорадикальные процессы с участием простых биомолекул, могут испускаться фотоны в УФ-области спектра, способные стимулировать деление клеток — митоз (поэтому такое излучение было названо митогенетическим).
А. Г. Гурвич первым обнаружил, что растения, дрожжи, микроорганизмы, а также некоторые органы и ткани животных служат источниками митогенетических излучений в «спокойном» состоянии, причем это излучение является строго кислородзависимым. Из всех тканей животных таким излучением обладали только кровь и нервная ткань. С использованием современной техники детекции фотонов ученые подтвердили утверждение Гурвича о способности свежей неразбавленной крови человека быть источником излучения фотонов даже в спокойном состоянии, что говорит о непрерывной генерации в крови АФК и рекомбинациях радикалов. При искусственном возбуждении в крови, иммунных реакций интенсивность излучения цельной крови резко возрастает. Недавно было показано, что интенсивность излучения мозга крысы настолько высока, что может детектироваться высокочувствительной аппаратурой даже на целом животном.
Как отмечалось выше, заметная часть О2 в организм человека и животных восстанавливается по одноэлектронному механизму. Но при этом текущие концентрации АФК в клетках очень низки из-за высокой активности ферментативных и неферментативных механизмов их устранения, известных в совокупности как «антиоксидантная защита».
Некоторые элементы этой защиты действуют с очень высокой скоростью. Так, скорость супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы превышает 106 об/с СОД катализирует реакцию дисмутации (рекомбинации) двух супероксидных радикалов с образованием Н2О2 и кислорода, а каталаза разлагает Н2О2 до кислорода и воды. Обычно обращают внимание лишь на детоксифицирующее действие этих ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов — аскорбиновой кислоты, витамина Е, глутатиона и других.
Но в чем смысл интенсивной генерации АФК, например НАДФН-оксидазой, если ее продукты немедленно устраняются СОД и каталазой?
В биохимии обычно энергетика этих реакций не рассматривается, тогда как энергетический выход одного акта дисмутации супероксидов — около 1 эВ, а разложения-Н2О2 — 2 эВ, что эквивалентно кванту желто-красного света. Вообще, при полном одноэлектронном восстановлении одной молекулы О2 освобождается 8 эВ (данные для сравнения: энергия УФ-фотона с ƛ = 250 нм равна 5 эВ).
При максимальной активности ферментов энергия освобождается с мегагерцовой частотой, что затрудняет ее быстрое рассеяние в виде теплоты. Бесполезное рассеяние этой ценной энергии маловероятно еще и потому, что ее генерация происходит в организованной клеточной и внеклеточной среде.
Экспериментально подтверждено, что энергия может «излучательно» и «безызлучательно» переноситься на макромолекулы и надмолекулярные ансамбли и использоваться в качестве энергии активации или для модуляции ферментативной активности.
Однако рекомбинация радикалов, происходящая как при цепных реакциях, так и опосредованная ферментативными и неферментативными антиоксидантами, не только поставляет электромагнитную энергию для запуска и поддержания более специализированных биохимических процессов. Она, кроме того, может поддерживать их ритмичное протекание, так как в процессах с участием АФК происходит самоорганизации, проявляющаяся в ритмическом освобождении фотонов.
Возможность появления колебаний окраски в химических реакциях уже давно показана на примере реакции Белоусова-Жаботинского.
Впоследствии было установлено, что многие реакции с участием АФК и органических соединений, входящих в состав живых организмов (например, глюкозы, рибозы и ряда аминокислот), ведут себя подобным образом. Оказалось, что колебательные процессы с участием АФК протекают и на уровне целых клеток и тканей. Так, в индивидуальных гранулоцитах, где АФК генерируются НАДФН-оксидазами, вся совокупность этих ферментов «включается» строго на 20 секунд, а в следующие 20 секунд клетка выполняет другие функции. Интересно, что в клетках из септической крови эта ритмичность существенно нарушена.
Значение колебательного характера как регуляторных, так и исполнительных биохимических и физиологических процессов только начинает осознаваться. Совсем недавно было доказано, что внутриклеточная сигнализация, осуществляемая одним из самых важных биорегуляторов — кальцием, обусловлена не просто изменением его концентрации в цитоплазме. При этом информация заключена в частоте колебаний его внутриклеточной концентрации. Эти открытия требуют пересмотра представлений о механизмах биологической регуляции.
Из множества биорегуляторных субстанций АФК являются наиболее подходящими кандидатами на роль переключателей колебательных процессов, потому что они находятся в постоянном движении, точнее они непрерывно порождаются и погибают, но при их гибели рождаются импульсы электромагнитной энергии.
Эта теория позволяет с единых позиций объяснить множество разрозненных явлений. Так, роль антиоксидантов видится много богаче, чем в рамках традиционных представлений. Конечно, они предотвращают неспецифические химические реакции повреждения биомакромолекул при избыточной продукции АФК. Но их главная функция — организация и обеспечение разнообразия структур процессов с участием АФК. Чем больше инструментов в таком «оркестре», тем богаче его звучание. Возможно, именно поэтому таким успехом пользуется травотерапия, витаминная терапия и прочие формы натуропатии — ведь эти «пищевые добавки» содержат разнообразные антиоксиданты и коферменты. Совместно с АФК они обеспечивают полноценный и гармоничный набор ритмов жизни.
Становится понятным, зачем для нормальной жизнедеятельности необходимо потребление хотя бы в ничтожных количествах АФК с воздухом, водой и пищей, несмотря на их активную генерацию в организме. Дело в том, что полноценные процессы с участием АФК рано или поздно затухают, поскольку при их протекании постепенно накапливаются их гасители — ловушки свободных радикалов. Аналогию здесь можно увидеть с костром, который затухает даже при наличии топлива, если продукты неполного сгорания начинают отбирать все больше энергии у пламени. Поступающие в организм АФК выступают в роли «искр», которые вновь разжигают «пламя» — генерацию АФК уже самим организмом, что позволяет дожечь и продукты неполного сгорания. Особенно много таких продуктов накапливается в больном организме, и поэтому столь- эффективна озонотерапия и перекисно-водородная терапия.
Ритмы, которые возникают при обмене в организме АФК, в той или иной степени зависят и от внешних «ритмоводителей». К последним относятся, в частности, колебания внешних электромагнитных и магнитных полей, поскольку реакции с участием АФК — это, по существу, реакции переноса неспаренных электронов, протекающие в активной среде. Такого рода процессы, как следует из современных представлений физики нелинейных автоколебательных систем, весьма чувствительными к очень слабым по интенсивности, но резонансным воздействиям. В частности, процессы с участием АФК могут быть чувствительными к резким изменениям напряженности геомагнитного поля Земли, так называемым магнитным бурям. В той или иной степени они могут реагировать на низкоинтенсивные, но упорядоченные поля современных электронных приборов, в частности компьютеров и сотовых телефонов.
Заканчивая научно-популярное изложение теории регуляторной роли активированного кислорода в жизнедеятельности многоклеточных организмов, считаю нужным отметить следующее.
Современная наука не похожа на ту, которая была лет 20 назад. Ее характерной чертой является объединение достижений различных областей естествознания. Хочу заметить, что один из авторов вышеизложенной теории, Н. И. Гольдштейн, — доктор биологических наук, другой — В. Л. Воейков — доктор физико-математических наук. То есть для того, чтобы понять регуляторную роль АФК в живом организме, нужно было взглянуть на проблему с позиций различных областей науки. Тенденция к объединению достижений смежных наук начала прослеживаться еще в 80-х гг. прошлого столетия. Академик А. Л. Яншин (который, кстати, высоко оценил работы А. Л. Чижевского) тогда писал:
«Вероятно, ученые, которые занимаются только узкими вопросами, нужны как специалисты по отдельно взятым вопросам. Но они никогда не смогут продвинуть науку вперед, ни на шаг. А для того чтобы сделать что-то принципиально новое, необходим широкий поиск. Иногда самый широкий — не только в смежных, но часто и в весьма отдаленных областях науки».
Умение объединить достижения разных областей естествознания — это «высший пилотаж» в науке, доступный немногим ученым. Еще труднее им бывает объяснить результаты собственной работы — как узким специалистам, так и людям, далеким от науки. Поэтому, даже если вы слабо представили себе научную суть теории, то поняли главное: активированный кислород играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности многоклеточных организмов. Более того, даже их развитие из оплодотворенной яйцеклетки без него было бы невозможным. Этот главный вывод позволит вам перейти к следующему разделу уже с пониманием того, почему воздух, которым мы дышим, должен содержать некоторое количество активированных молекул кислорода.
Назад: Введение
Дальше: Глава 2 Атмосферный воздух. Чем мы дышим?
