С каждым вдохом: Удивительная история наших легких

Уотербери предположил, что не увидит ничего необычного в воде Аравийского моря, но был поражен. Синий свет эпилюминесцентного микроскопа прошел сквозь воду, и в окуляре вспыхнуло ярко-оранжевое флюоресцентное свечение. Уотербери раньше изучал цианобактерии и понял, что этот оранжевый свет был естественной флюоресценцией фикоэритрина, фотосинтетического пигмента, который совместно с хлорофиллом запускает важнейшую реакцию распада двуокиси углерода на кислород и углерод, делающую возможной жизнь на нашей планете. Прежде никому не было известно, что цианобактерии могут существовать в глубоководных соленых водоемах, поэтому это была колоссальная находка.

Открытие существования цианобактерий в Аравийском море было только началом, но Уотербери знал, что, для того чтобы детально изучить морские цианобактерии, ему придется выращивать бактериальные культуры. Он пытался в течение нескольких месяцев, всякий раз используя новую среду и разные питательные вещества, чтобы добиться репликации цианобактерий. Но всякий раз происходило одно и то же – в течение суток все клетки погибали. Без культивирования изучать морские цианобактерии было бы невозможно. Чтобы добиться успеха, Уотербери пришлось вернуться к базовой биологии окружающей среды.

Океанические и пресноводные организмы ведут себя совершенно по-разному. Обычно мы думаем, что океанские существа выносливы и хорошо приспосабливаются, а океан – суровое и дикое место. Пресноводные водоемы, наоборот, кажутся спокойными и идиллическими, там нет акул, скатов и смертельных медуз. Такова человеческая точка зрения. С точки зрения бактерий – все наоборот.

Среды обитания пресноводных и морских бактерий разительно отличаются. Во внутренних пресноводных водоемах температура, а также количество питательных веществ и минералов могут сильно колебаться. Кроме того, летом и зимой в пресноводной среде создаются очень разные условия жизни, и в зависимости от сезона там часто обитают очень разные виды. По сравнению с этими водоемами обстановка в океане исключительно стабильна. Перепады температур намного меньше, чем во внутренних водоемах, а состав питательных веществ в микроокружении гораздо более постоянный. Бактерии, процветающие в пресноводной среде, – то, что ученые-океанологи называют «эвтрофы», – это организмы, способные жить в условиях изобилия питательных веществ и при сильных колебаниях температуры. Для морских бактерий, «олиготрофов», требуются более низкие уровни основных питательных веществ. Так что, хотя нам это кажется контринтуитивным, морские бактерии более чувствительны, более уязвимы, чем их пресноводные родичи.

В том беспокойном году Уотербери начал это понимать. Он тщательно отмывал все колбы для культур и пробирки, следя за тем, чтобы в них не оставалось даже микроскопического количества кальция или иного вещества. Затем он калибровал питательную среду, чтобы она точно соответствовала тем наноколичествам питательных веществ, которые он измерял в океанской воде. Наконец, через год кропотливой работы, и к радости Уотербери, цианобактерии из океана впервые начали расти за пределами своей естественной среды обитания. Открытие вида Synechococcus официально состоялось.

Остались следующие вопросы: сколько этих бактерий и какова их среда обитания? С дальнего конца деревянной пристани в Вудс-Холе Уотербери набрал в несколько банок соленой воды, немного мутной, но в остальном ничем не примечательной. Он поместил образец под эпилюминесцентный микроскоп и увидел изобилие цианобактерий.

В следующие десять лет наблюдался взрывной рост количества исследований цианобактерий. Почти в каждом уголке океана на Земле были выявлены сотни различных видов. Теперь мы знаем, что синезеленые водоросли населяют любой водоем с температурой выше 5 ℃, обычно во внушительных количествах, настолько внушительных, что Уотербери называет их «эти зверюшки».

Сегодня считается, что кислородом в нашей атмосфере мы обязаны главным образом цианобактериям, так как численность их огромна, а среда обитания разнообразна. Они выделяют его в ходе фотосинтеза – процесса, используемого растениями, водорослями и цианобактериями для превращения поглощаемого ими солнечного света в энергию. Первичной молекулой, улавливающей солнечный свет, является хлорофилл, молекула, которая использует энергию фотонов света для реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием глюкозы и кислорода. В ходе этой реакции фотосинтеза также выделяется энергия, которая помогает цианобактериям преобразовывать углекислый газ из атмосферы в питательный углерод, который сначала потребляется низшими формами жизни, а затем передается по пищевой цепочке. Этот процесс делает цианобактерии источником большой доли производимых питательных веществ на нашей планете. Они также ответственны за большую часть нефти, природного газа и угля на Земле, потому что все они образовались из отложений (мертвых цианобактерий), скапливавшихся на дне океана в течение миллионов лет. Группа цианобактерий и правда является самым многочисленным видом на Земле и одним из важнейших для жизни.

Мы склонны ассоциировать процесс фотосинтеза с растениями, но почти наверняка первыми его начали использовать цианобактерии. Считается, что миллионы лет назад предки цианобактерий слились с более крупными клетками в процессе, называемом эндосимбиозом, эволюционировали и превратились в содержащие хлорофилл хлоропласты, благодаря которым более крупные клетки смогли осуществлять фотосинтез. Впоследствии эти клетки, содержащие хлоропласты, объединились друг с другом и стали предшественниками современных растений и водорослей.

Несмотря на весь наш технический прогресс, мы можем только восхищаться тем, как цианобактерии, а затем и растения овладели фотосинтезом. Люди рано поняли, как сжигать углерод, но мы до сих пор не можем производить его самостоятельно из углекислого газа и света. Если бы фотосинтез можно было смоделировать искусственно, это стало бы золотым ключом к решению наших энергетических проблем; это также решило бы проблему глобального потепления, позволив вывести углекислый газ из атмосферы.

Теперь, оглядываясь назад, мы знаем, что взрывное развитие жизни в кембрийский период, около 500 млн лет назад, в значительной степени подхлестнуло повышение концентрации кислорода в атмосфере, который производили цианобактерии{21}. Без этих маленьких существ не было бы сейчас ни высших животных форм жизни, ни большинства растительных форм жизни.

Наши легкие развились, чтобы использовать кислород и эффективно управлять нашими метаболическими реакциями. Мы аэробные существа, и если легкие – наш самый важный орган, то кислород – самый важный газ в атмосфере. Анаэробные организмы существуют, но их развитие сдерживается неэффективным методом производства энергии. С кислородом открылись возможности мира. Почти каждое живое существо на Земле зависит от того или иного способа извлечения кислорода, а Джон Уотербери и другие, занимавшиеся океаническими бактериями, помогли нам понять, откуда взялась вся эта жизнь.

Благодаря появлению нового газа в атмосфере Земли, последние 500 млн лет существования нашей планеты радикально отличаются от первых 4 млрд. Первый период был отмечен отсутствием жизни, второй – ее изобилием. Момент появления кислорода и жизни не случаен. Кислород – это жизненная сила, источник бесконечных возможностей жизни.

Вместе с повышением содержания кислорода, производимого цианобактериями, примерно в это же время начала расцветать растительная жизнь. Сначала она возникла в океане, а затем неотвратимо эти растительные формы проникли на выжженный оранжевый массив суши, где в то время не было совершенно ничего, кроме скал. Сначала скалы колонизировали невысокие мхи, затем постепенно там обосновался и более продвинутый растительный мир. Деревья появились позже и повысили концентрацию кислорода еще больше.

Животный мир в насыщенном кислородом океане становился все более сложным. Чем больше растений, тем больше кислорода, а с ним появились черви, двустворчатые моллюски и медузы, использующие примитивные жабры или простую диффузию для извлечения кислорода из океана. В конце концов, за десятки миллионов лет живые существа вышли на землю, заселенную растениями. Насекомые, пауки и черви первыми воспользовались зарождающимся зеленым ландшафтом. Но они не смогли бы совершить этот удивительный переход, не обладая хотя бы какой-то способностью использовать кислород.

У червей нет функционирующей дыхательной системы. Они получают кислород из окружающей их влажной почвы, позволяя ему проникать сквозь кожу в кровь. Высушите червяка, и он задохнется. У пауков и насекомых есть дыхательная система, но это просто длинная трубка, проходящая через их тело, которая позволяет кислороду распространяться по окружающим тканям. У всех этих видов нет мышечной системы, которая содействовала бы более эффективному использованию кислорода, и нет способа значительно увеличить снабжение кислородом, когда это требуется. Эти примитивные системы ограничивает отсутствие эффективности. Поэтому тело и мозг этих существ не могут вырасти до больших размеров. Их сдерживает отсутствие легких.

Черви и пауки выползали из моря, а жизнь в океане развивалась гораздо быстрее, чем на суше. Существа увеличивались в размерах, и у них развивались более сложные органы. Появились позвоночные животные с эндоскелетом и кожным покровом, а также рыбы со знакомыми нам органами, такими как мозг, печень, сердце и пищеварительный тракт. Эти сложные позвоночные начали заселять множество различных водных ниш, от самых высоко расположенных рек до самых глубоких океанских впадин. Девонский период, длившийся с 420 до 359 млн лет назад, известен как эпоха рыб из-за взрывного роста количества видов и количества мест их обитания{22}.

Рыбы, вероятно, столь разнообразны, потому что выработали способность использовать кислород через эффективную систему кровообращения. Важная часть этой системы – жабры. У большинства рыб с обеих сторон есть по одной щели, через которую протекает вода. Обширная сеть капилляров в жабрах извлекает кислород из поступающей воды. Капилляры также выводят углекислый газ через газообменную систему, подобную нашей. Еще у большинства рыб вокруг жабр имеются мышцы, с помощью которых жабры могут раздуваться и увеличивать поток воды и приток кислорода в систему по мере возрастания потребности в энергии. Это хорошая система использования кислорода, и это объясняет, почему некоторые рыбы смогли стать одними из крупнейших существ на Земле.

Со временем, и только после того как у них развились легкие как способ извлечения кислорода из атмосферы, рыбы вышли на сушу. Это уникальное и экстраординарное превращение, хотя для него и потребовались десятки миллионов лет. Оно завораживает нас, потому что мы можем думать о нем как о моменте нашего рождения, символическом моменте, когда жизнь, какой мы ее знаем, уже была не за горами. Этот переход стал возможен благодаря появлению легких, органа, который определяет нас как сухопутных существ.

Считается, что метаморфозы в рыбах начали происходить в мутных водах мелководья, на стыке океана и суши. Возможность длительное время находиться вне воды, чтобы воспользоваться преимуществами суши, изобилующей пищей в виде растений, была явно выгодной с точки зрения приспособляемости.

Вопрос о том, как именно у рыб впервые развились легкие, обсуждается уже давно. Единственное, что кажется очевидным, хотя и не интуитивным, – это то, что наши современные легкие образовались не из жабр. Интересно, что жабры некоторых рыб, особенно клариусов, разновидности сома, эволюционировали в подобие легких. У этих рыб, типичных обитателей Азии, теперь захватывающих Флориду, возникла очень небольшая зона газового обмена, которая открывается только тогда, когда они закрывают свои жабры.

Наши легкие, однако, скорее всего, зародились как выпячивание пищевода, когда рыбы начали дышать, просто глотая воздух, который затем попадал в систему циркуляции путем простого осмоса. Некоторые рыбы сохранили это изначальное выпячивание, известное как плавательный пузырь, который заполнен воздухом. Современные рыбы используют плавательный пузырь в качестве балластного механизма для плавучести. Но у некоторых ранних рыб этот пузырь развился в легкие, какими мы их знаем сегодня.

Еще одной важной трансформацией, необходимой рыбам для успешной жизни на суше, было формирование ног, которые давали максимальную маневренность вне воды. Существа с четырьмя конечностями называются четвероногие – класс, в который сегодня входят все млекопитающие, рептилии, птицы (крылья тоже считаются конечностями) и земноводные. Скорее всего, в девонский период, около 400 млн лет назад, из океана вышел первый тип четвероногого с только что и одновременно сформировавшимися легкими и ногами.

Ископаемые находки данного периода демонстрируют явные признаки того, что некоторые рыбы пытались выйти на сушу. Эти первые колонизаторы имели более четко выраженную костную структуру в плавниках и зачатки легких в дополнение к жабрам. Одной из таких рыб был целакант, или латимерия, которая, как считалось, вымерла миллионы лет назад. Это убеждение изменилось случайно в один прекрасный солнечный день 1938 г., когда одна молодая женщина в Южной Африке заметила нечто необычное на рыболовецком судне, породившее историю о необыкновенной рыбе и международную сенсацию.

Марджори Куртене-Латимер была куратором музея из Ист-Лондона (ЮАР), расположенного между Кейптауном и Дурбаном на восточном побережье ЮАР. В рамках своей работы Марджори отвечала на звонки местных рыбаков, поймавших что-нибудь интересное. Звонок, который изменит ее жизнь, раздался 22 декабря 1938 г. Звонил капитан Хендрик Госен, вернувшийся с рыбалки в Индийском океане, в районе устья реки Чалумна. Марджори приехала, чтобы проверить, не было ли в улове каких-либо необычных экземпляров, и заметила синий плавник, выглядывающий из-под кучи скатов и акул на палубе. Она разгребла других рыб и наткнулась на, как она позже описывала, «самую красивую рыбу, которую я когда-либо видела, длиной полтора метра, бледного лилово-синего оттенка с радужными серебристыми отметинами. Она была покрыта твердой чешуей, имела четыре плавника, похожие на конечности, и странный хвост, как у щенка»{23}.

Марджори никогда раньше не видела такой рыбы, поэтому она отправила телеграмму с наброском доктору Джеймсу Смиту, местному профессору химии с репутацией ихтиолога-любителя. Доктор Смит сразу же понял, насколько важна была эта находка, и отправил ответную телеграмму: «САМОЕ ГЛАВНОЕ: СОХРАНИТЕ СКЕЛЕТ И ЖАБРЫ ОПИСАННОЙ РЫБЫ». В волнении, он прервал свой отпуск на два дня раньше и отправился в Ист-Лондон, где сразу же идентифицировал рыбу как целаканта, призрака из эволюционного прошлого, который, как считалось, вымер 66 млн лет назад. Рыба получила название Latimeria chalumnae (от фамилии Марджори и названия реки, в которой была поймана), а изучив ее, а также еще одну, пойманную несколькими годами позже, ученые четко увидели по анатомическому строению, что эта рыба представляет собой начальный переход из океана на сушу. Во-первых, у нее была некая структура в грудной клетке, которую можно было бы описать как легкое, только у целаканта она была наполнена жиром. Во-вторых, в отличие от простых плавников современных рыб, в ее четырех плавниках был хрящ, делающий их явными предшественниками наших современных конечностей. Будучи донным обитателем, целакант использовал свои плавники последовательно, один за другим, неуклюже передвигаясь по дну океана.

Целакант стал международной сенсацией, когда его «открыли» в 1938 г., но на земле живут и другие виды, которые проливают еще больше света на ранние этапы развития легких и ног. В то время как у целаканта есть зачатки легких, у некоторых рыб есть настоящие легкие. Наиболее узнаваемыми из этих существ являются илистые прыгуны, рыбоподобные существа размером 9 см, естественной средой обитания которых являются илистые равнины в восточной части Мадагаскара, а также в некоторых районах южного Китая и северной Австралии. Илистый прыгун прекрасен не своим внешним видом; на самом деле у него отталкивающая выпуклая, раздутая голова с глазами навыкате, его покрытое слизью тело внушает отвращение, а два странно расположенных на спине плавника выглядят налепленными кое-как. Но существование илистого прыгуна оправдывается тем, что он обладает удивительной способностью дышать как в воде, так и на суше. Вот он весело плавает в воде, а вот уже выпрыгнул на сушу, агрессивно защищая свою территорию, раззявив рот и угрожающе расправив плавники. Для этого илистый прыгун не только сохранил жабры, но и приспособился поглощать кислород через кожу, рот и эпителий глотки (область ниже рта, но выше пищевода и трахеи). Он может оставаться на суше в течение нескольких дней, перекрывая свои жабры лоскутом втягивающейся кожи и сохраняя их влажными. У него также развились рудиментарные передние конечности – маленькие ручки, с помощью которых он может передвигать свое скользкое тельце в своей илистой среде обитания.

Илистый прыгун не единственный вид, сохранившийся с того периода выхода из воды на сушу 400 млн лет назад. Амфибии, особенно лягушки, жабы и тритоны, могут дышать с помощью кожного дыхания, при котором кровь, протекающая в коже, забирает кислород и выделяет углекислый газ. Амфибии пользуются этой системой как под водой, так и на суше. Австралийский рогозуб – это еще одно эхо нашего эволюционного прошлого. Это один из шести оставшихся видов двоякодышащих рыб, который оказался наиболее эффективным: он по-прежнему обитает в двух мирах – в океане и на воздухе. Он выглядит неопасным, у него длинное, оливково-зеленое, массивное, змееподобное тело, маленькие глазки и четыре плавника, с помощью которых он передвигается как в воде, так и на суше. У него не такие уж маленькие размеры: в среднем его масса тела составляет солидные девять килограммов, а длина – более метра. Он живет в мелководных, мутных, пресных водах Квинсленда на севере Австралии, в уединенном, тихом месте, где обитают изолированные виды, казалось бы, застывшие во времени. Существующего в течение 370 млн лет австралийского рогозуба также окружает ореол первобытности, как будто бы для него было бы привычным ускользать от укуса птеродактиля или стремительных челюстей крокодила.

Использование кислорода рогозубами впечатляет, потому что они могут обитать и как рыбы в воде, и как сухопутные существа на суше. В отличие от илистого прыгуна, у рогозуба есть настоящие легкие, с настоящими ячейками газообмена, а не только простая диффузия воздуха через мембрану. Он может жить несколько дней на суше, питаясь растениями, которые иначе были бы для него недоступны. Легкие также оказываются полезными, когда воды в естественной болотистой среде обитания рыбы становится мало.

Целакант, илистый прыгун и австралийский рогозуб – это увлекательное окно в наше прошлое, показывающее, как виды экспериментировали с различными способами извлечения кислорода. Без кислорода и способа его извлечения ни нас, ни большинства видов, живущих вокруг нас, не было бы вовсе.

Перекресток, где встречаются наше существование, кислород и дыхание, интересен не только как история, но и как дорожная карта, указывающая нам путь в будущее. Выдающиеся ученые предупреждают нас, что жизнь на нашей планете уязвима, что в любой момент астероид или ядерная война могут стереть нас всех с лица земли. Они предупреждают, что когда-нибудь судьба человечества, да и всех видов, возможно, будет зависеть от того, сможем ли мы покинуть планету.

Для этого мы, конечно, должны подумать о наших легких. Сейчас, примерно 400 млн лет спустя, мы снова столкнулись с вызовом, которому успешно противостояли илистый прыгун, целакант и рогозуб, – научиться выживать в негостеприимной окружающей среде. К сожалению, мы не можем изменить наш орган извлечения энергии так, как это сделали они, но мы можем попытаться сделать токсичную атмосферу более благоприятной.

В качестве первого кандидата на колонизацию рассматривается Марс, а технический процесс превращения атмосферы на этой планете в подходящую для людей называется терраформированием. Существует множество препятствий, в том числе крайне низкая температура и малая сила притяжения по сравнению с Землей. Но еще большей проблемой является сама атмосфера Марса, которая состоит на 95 % из углекислого газа, на 2,7 % из азота, на 1,6 % из аргона и всего на 0,13 % из кислорода. Кроме того, воздух чрезвычайно, примерно в 100 раз, более разреженный, чем на Земле. Поэтому нам придется каким-то образом сделать атмосферу более плотной и наполнить ее кислородом.

Один из планов, разрабатываемых NASA, называется «Эксперимент по добыче кислорода на Марсе из местных ресурсов» (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), или MOXIE для краткости. Идея заключается в том, чтобы производить кислород из углекислого газа, как это делает дерево, используя электричество для запуска реакции превращения углекислого газа в кислород. Уже есть планы установить небольшую версию аппарата MOXIE на ровере, отправить ее на Марс и отслеживать, чтобы обеспечить правильное функционирование. Затем можно было бы построить аппарат гораздо больших размеров, который помог бы создавать кислород как в качестве топлива, так и для наполнения атмосферы{24}.

Другая идея насчет того, как можно было бы привнести кислород в окружающую среду на Марсе, заключается в том, чтобы установить биокуполы по всей планете, а затем привезти туда микробы с Земли, чтобы они делали то, что миллионы лет делают на нашей планете. Самым лучшим кандидатом, скорее всего, был бы вид цианобактерий, таких, которые уже живут здесь в экстремальных условиях. Азота, их природного топлива, на Марсе предостаточно. Потом производство кислорода в биокуполах стали бы отслеживать, и, если эксперимент окажется успешным, можно будет построить гораздо больше таких конструкций{25}.

Для того чтобы этот произведенный кислород не покинул планету, потребуется создать более плотную атмосферу. Ученые считают, что создание магнитной сферы вокруг планеты, защитного плаща из электромагнитных волн, подобно тому, что окружает Землю, позволит задерживать разрушительную радиацию Солнца и минимизировать влияние солнечного ветра. Физический щит, излучающий защитные магнитные волны, нужно будет расположить в наиболее подходящем месте между Солнцем и Марсом. В случае успеха он позволит накопить существующий углекислый газ и вновь образующийся кислород, благодаря которым планета сможет нагреться, а давление воздуха увеличиться. Есть надежда на то, что это поможет растопить льды, которые в настоящее время ограничены полярными шапками Марса, и снова выпустить воду на планету.

Все это может казаться фантастикой, но есть достаточные основания полагать, что терраформирование будет успешным и через несколько сотен лет мы сможем постоянно жить на Марсе. Проблемы – это атмосфера, легкие и дыхание, проблемы, которые существуют с самого начала жизни на Земле. В первый раз эти вопросы были решены эволюцией; на этот раз необходимы технологии.

Глава 2

Мы должны вдыхать и выдыхать. Но почему?

Помню, как темной январской ночью, где-то после полуночи, я зашел в спальню и посмотрел на нашего первенца, дочку, лежащую в колыбельке, родившуюся в канун Нового года, которой еще и двух недель от роду не было. Серебристый лунный свет проникал в окно, освещая ее очертания. Ее глазки были плотно закрыты, ручки закинуты за головку в извечном жесте, головка слегка повернута вправо. Ее упоительный запах новорожденного вызвал у меня восторг и умиротворение.

Как и миллионы родителей до меня, я думал о безмятежности сна новорожденного, его восстанавливающей глубине, однако я также инстинктивно проверил функцию, чтобы убедиться, что, несмотря на внешнее спокойствие, жизнь не угасла. Это означало посмотреть на животик, чтобы убедиться, что дочка дышит. Конечно же, она дышала: ее грудная клетка и животик ритмично поднимались и опускались под одеяльцем плавными движениями, которые для всех нас означают жизнь.

Когда мы наблюдаем за спящими любимыми, старыми или юными, людьми или домашними животными, мы инстинктивно обращаем внимание на их дыхание. В этом есть что-то существенное, на что все мы настроены, что-то, что мы автоматически и неосознанно приравниваем к жизни. Каждый раз, когда мы проверяем друг друга, мы подтверждаем слова римского философа Цицерона: Dum spiro, spero, что означает «пока дышу, надеюсь»{26}.

Физиологически то, что мы наблюдаем, – это чудо газообмена. Мы забираем из атмосферы невидимый элемент и вводим его в наш организм для потребления. Этот процесс запускается по сигналу от ствола головного мозга, примитивной части мозга в основании черепа. Этот сигнал передается по нервам к мышцам, ответственным за вдох, и дает им команду сократиться. Самая большая и важнейшая из этих мышц – диафрагма, тонкая, в виде купола, плоская скелетная мышца, отделяющая грудную клетку (грудную полость) от брюшной полости.