Жизнь без кислорода

Мало кому из многоклеточных удастся выжить без кислорода. Однако среди архей и бактерий достаточно таких, которые не только выживают, но и воспринимают кислород как нечто настолько токсичное, что не выносят даже кратковременное его воздействие и потому обречены на существование в бескислородном пространстве. Таких анаэробных сред немало. Например, в иле, покрывающем океанское и озерное дно, в болотах, в канализационных тоннелях и даже в кишечнике животных. Некоторые из этих организмов добывают энергию из водорода, а в качестве углеводного источника роста используют углекислый газ, выделяя в процессе большое количество метана. Поэтому их называют метаногенами. Среди них много сферических архей, относящихся к семейству Methanococcus. Именно они помогают коровам переваривать траву, поселяясь в качестве симбионтов в желудке и расщепляя целлюлозу. Метан, который они при этом вырабатывают, сильнейшим образом влияет на глобальное потепление, поскольку, как и углекислый газ, способствует усилению парникового эффекта.

Если сейчас атмосфера Земли насыщена кислородом, это не значит, что так было всегда. Изначально его было мало либо не было вообще, поэтому воздух состоял в основном из углекислого газа и азота. Кислород был побочным продуктом фотосинтеза одноклеточных – сине-зеленых, появившихся на Земле около 3 млрд лет назад, когда жизнь на планете уже развивалась вовсю (первые одиночные клетки возникли предположительно около 3,8 млрд лет назад). Эти сине-зеленые с помощью энергии солнечного света перерабатывали воду и углекислый газ в углеводы. В качестве побочного продукта реакции выделялся кислород, создавая привычную нам атмосферу. Благодаря сине-зеленым изменился и химический состав океанов. Вода древних морей была железистой, и кислород, производимый сине-зелеными, изначально уходил на окисление растворенного железа. Оно выделялось из раствора и откладывалось на океанском дне в виде закиси железа. Его возраст – около 2,8 млрд лет, позволяет определить и возраст сине-зеленых. Примерно через полмиллиарда лет запасы железа в морской воде истощились и начало увеличиваться содержание кислорода в атмосфере, достигнув сегодняшнего уровня около 0,8 млрд лет назад. Греет душу, что самое, пожалуй, широкомасштабное загрязнение атмосферы в истории планеты находится на совести одноклеточных организмов.

Кислород был (и остается) токсичным для большинства форм жизни, поэтому многие из них вымирали по мере повышения уровня кислорода в атмосфере. Уцелевшие вырабатывали способы защититься от высокоактивных ионов кислорода. Как ни парадоксально, кислород, без которого не выживет не только человек, но и большинство остальных обитателей планеты, является смертельным ядом. Внутриклеточные органеллы под названием «митохондрии» используют кислород в производстве химической энергии, которая питает наши клетки. Однако иногда кислород прихватывает лишний электрон и становится «свободным радикалом». Высокоактивные свободные радикалы мечутся по клетке, устраивая хаос, поскольку их лишний электрон, нуждаясь в партнере, норовит ухватить его из ближайшей молекулы. Мембраны, белки, жиры, ДНК – он нападает на все без разбора. Начинается цепная реакция, поскольку возмутитель спокойствия, отхватив свой электрон, стабилизируется, но создает при этом следующий свободный радикал. Немало молекул успевает пострадать, пока защитные механизмы клетки не уничтожат «хулиганов». Свободные радикалы – основная причина гибели клеток. Кроме того, окисление – способность кислорода отбирать электроны у других молекул – вызывает ржавчину, горение и прогоркание жиров.

Кислород был открыт Джозефом Пристли (1733–1804) во время изучения газа, выделяющегося при нагревании оксида ртути. Он выяснил, что «свеча в этом газе вспыхивает небывало сильным пламенем». Тогда он проверил его воздействие на мышах, помещенных под стеклянный колпак. Одна мышь, под колпаком с обычным воздухом, задохнулась через 15 минут, а вторая, дышавшая «чистым воздухом», как назвал его Пристли, и через полчаса была еще жива. Своим открытием Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лавуазье (1743–1794), который впоследствии и дал газу название «кислород». В европейских языках его название происходит от греческих корней, означающих «порождающий кислоту», поскольку Лавуазье (как выяснилось, ошибочно) полагал, будто этот газ входит в состав всех кислот. К несчастью для науки, Лавуазье не успел узнать о своей ошибке, безвременно погибнув под ножом мадам Гильотины.

Пристли крайне дальновидно оценил большую роль кислорода в жизнеобеспечении. Он утверждал, что кислород можно использовать «для улучшения спертого воздуха в помещении, где скапливается много людей ‹…›, дабы из неприятного и нездорового он моментально стал здоровым и свежим». Кроме того, он пришел к выводу, что кислород «может пойти на пользу легким в особо тяжких случаях, когда простого воздуха недостаточно». В старину ученые часто экспериментировали на себе, и Пристли не был исключением. Обнаружив, что дыхание кислородом не приносит вреда, он высказал предположение, что «чистый воздух может стать модным предметом роскоши». В наши дни на улицах Токио продают баночный кислород – для надышавшихся городским смогом жителей пригородов, которым необходимо срочно взбодриться.

Однако дышать чистым кислородом в больших количествах опасно. В 1950-х гг. недоношенных младенцев откачивали чистым кислородом, в надежде, что это поможет им выжить. К сожалению, высокая концентрация кислорода в кювезе вызывала сокращение капиллярных сосудов в сетчатке глаза. В результате у малышей разрасталась соединительная ткань под хрусталиком, и они слепли. Этого можно избежать, если содержание кислорода будет поддерживаться в пределах 40 %. Чистый кислород и сейчас используется ныряльщиками и астронавтами, однако им необходимо соблюдать меры предосторожности, описанные в главах 2 и 6.