Игорь Лалаянц
Причиной появления большого числа видов океанической фауны около 540 млн лет назад стало появление бактериородопсина. Иллюстрация сгенерирована нейросетью Kandinsky 3.0
Среди сторонников панспермии – теории распространения органики в виде спор во Вселенной и в итоге появления жизни на Земле – были, например, нобелевские лауреаты Сванте Аррениус, открывший и объяснивший электролитическую диссоциацию молекул на ионы, и Френсис Крик – сооткрыватель спирали ДНК и «дешифровщик» генетического кода.
Крик исходил из того, что код одинаков для всего живого. И это свидетельствует о единстве его происхождения из единого «зерна». Джемс Уотсон, коллега Крика и соавтор открытия двойной спиральной структуры ДНК, увлекся молекулярной биологией, став директором проекта «Геном человека» (The Human Genome Project, HGP), главной целью которого было определение последовательности пар оснований, которые составляют ДНК человека. В итоге в 2003 году был расшифрован первый геном человека. Сам Уотсон в 2007 году стал вторым человеком, который опубликовал свой полностью секвенированный геном в интернете.
Молекулярная биология естественным образом занимается молекулами жизни, к которым относятся протеины и нуклеиновые кислоты, а также жиры и углеводы. Последние составляют «остов» цепей нуклеиновых кислот. А без жирных кислот невозможно представить себе оболочки клеток (мембраны) и вирусов.
Вскоре после появления электронных микроскопов стало известно, что мембраны представляют собой двойные слои фосфолипидов, то есть цепей жирных кислот с фосфорными «головками», обращенными в сторону водного окружения. Сродство (афинность) веществ к воде называют гидрофильностью, а ее отталкивание – гидрофобностью. Гидрофобные в своей «сердцевине» мембраны не пускают воду в цитоплазму клеток, хотя под воздействием соли разной концентрации могут ее все же пропускать. Если соли больше вне клетки, то ее протоплазма как бы усыхает. В противном случае клетка разбухает от воды и лопается (в результате осмотического шока).
В 1922 году молодой советский ботаник Александр Опарин представил свою коацерватную гипотезу возникновения жизни на планете (лат. acervus – куча, стог сена). Он полагал, что в коацерватных каплях накапливается органика, образовавшаяся разными способами в среде. Причем накопление удерживается мембраной, об истинном строении которой век назад никто не знал. Ученый исходил из известного ботаникам явления плазмолиза, то есть растворения (лизиса) протоплазмы под действием внешнего гипертонического раствора.
Развитие молекулярной биологии многое прояснило в отношении клеточных мембран. Еще Луиджи Гальвани и Алесандро Вольта в конце XVIII века показали, что в организме имеется «животное» электричество, распространяющееся по нервам. По ним можно подавать электрический ток, что вызывает сокращение мышц.
Постепенно выяснилось, что в этом процессе принимают участие ионы. А уже во второй половине XX века стало понятно, что прохождение нервного импульса по нервным волокнам требует прохождения через мембрану ионов натрия (Na) и калия (К). Опять же молекулярная биология показала, что мембраны пронизаны белковыми рецепторами, в которых имеются каналы для проведения ионов. Также было доказано, что продвижение ионного тока по нервному волокну подстегивает перемещение в нем по микротрубочкам пузырьков с молекулами нервных передатчиков (нейромедиаторами) к синапсу, или точке межнейронального контакта.
Несколько иную организацию имеет первичное звено энергетического каскада, преобразующего энергию фотона в нервный «ток». В глазе – это родопсин, то есть оптический белок опсин палочек и колбочек сетчатки. Его альфа-спирали образуют в мембране клетки эдакий «бочонок», внутри которого локализована длинная молекула хроматофора («несущего цвет»), за что родопсин называют еще зрительным пурпуром. В результате целого каскада молекулярных трансформаций в цитоплазме запускается процесс генерации нервного импульса. Он уходит по зрительному нерву в кору затылочной доли мозга. Считается, что сетчатка может «зажечь» последовательность перечисленных событий в ответ на один-единственный фотон.
Но животные появились на суше всего около 500 млн лет, после обогащения атмосферы кислородом. А кто или что трансформировало состав воздушного океана и до того обогатило водную толщу живительным кислородом, что произошел так называемый кембрийский взрыв (около 538,8 млн лет назад) – появление большого числа видов океанической фауны?
Сегодня можно с уверенностью сказать, что первопричиной этого стало появление бактериородопсина (БР). Его стойкие к воздействиям молекулы можно располагать в ряд на поверхности, после чего подводить к ним «щупы» измерительных приборов. Одним из них является микроскоп атомной силы (AFM – Atomic Force Microscope). Роль «ока» в AMF играет чрезвычайно чувствительный и тонкий рычажок из металла, на который подается луч красного лазера. Через короткий «поводок» рычажок подсоединяется к исследуемой молекуле. Изменения в структуре молекулы ведут к колебаниям этого рычажка. Лучом лазера можно изменять наклон рычажка, и в то же время его колебания регистрируются лазером, подающим сигнал на компьютер.
БР представляет собой большой протеин, поэтому и изменения в нем довольно грубы, что повышает разрешение метода, использовано специалистами Колорадского университета в г. Боулдере. В журнале «Труды АН США» (PNAS) они представили результаты квантификации, то есть количественной оценки изменений в БР, индуцированных световой энергией с помощью AFM.
Измерения показали, что фотон действует на участок одной из альфа-спиралей белка, состоящий всего из восьми аминокислот, которая сдвигается на девять ангстрем (9 х 10–10 м). Авторы приводят и другие параметры измерений, один из которых характеризует кинетику процесса изменения во времени – около 38 миллисекунд (мс). Если в сетчатке глаза обработка молекулярной информации имеет сходный характер, то становится понятным, почему время реакции не может быть меньше 100 мс (0,1 с – с такой скоростью реагируют на мяч тренированные футбольные вратари).
Другими словами, ученые создали метод силовой спектроскопии одиночных молекул. Стало возможно количественно оценить молекулярную энергетику, высвобождаемую в данном случае фотоном, воздействующим на протеины в клеточных мембранах. AFM, таким образом, может стать надежным инструментом для изучения действия новых лекарств.
