Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Рис. 33. Судьба клетки зависит от ее умения удовлетворять свои потребности.

Изображены две клетки, митохондрии которых способны вырабатывать одинаковое суммарное количество энергии. При этом у клеток разные потребности. У клетки А потребности умеренные (на это указывает толщина стрелок). Митохондрии могут их удовлетворять, не перевосстанавливаясь (митохондрии в нормальном состоянии обозначены серыми овалами). У клетки Б уровень потребностей изначально нормален, но впоследствии значительно повышается. Соразмерно увеличивается количество электронов, поступающих в митохондрии, но их энергии недостаточно, и дыхательные комплексы перевосстанавливаются, то есть приобретают избыточный заряд. Если возможности клетки в ближайшее время не расширятся, итогом станет клеточная смерть (рис. 32).

Вот почему важна скорость метаболизма. Клеткам с более высокой скоростью метаболизма угрожает опасность не справиться со своими потребностями, если их митохондрии будут производить столько же энергии, как и митохондрии других клеток. Не только митохондриальные заболевания, но и обыкновенное старение и связанные с ним болезни будут поражать в первую очередь ткани с самыми высокими метаболическими потребностями. И, чтобы завершить круг, вспомним, как различается скорость метаболизма у двух полов. У самцов (по крайней мере, у млекопитающих) скорость метаболизма выше, чем у самок. Генетические дефекты митохондрий будут проявляться сильнее у пола, для которого характерна более высокая скорость метаболизма: у мужского. Некоторые митохондриальные заболевания и в самом деле шире распространены среди мужчин. Так, наследственная оптическая нейропатия Лебера встречается у них в пять раз чаще, чем у женщин, а болезнь Паркинсона, также имеющая заметную митохондриальную составляющую, – в два раза чаще. Вдобавок самцы более чувствительны к митохондриально-ядерным рассогласованиям. Если такие рассогласования появляются при скрещивании между репродуктивно изолированными популяциями, это ведет к гибридному разрушению. Получается, гибридному разрушению сильнее подвержен пол с наиболее высокой скоростью метаболизма, а у особей этого пола, в свою очередь, наибольшей опасности подвергаются ткани с повышенной скоростью метаболизма. И все это закономерные последствия того, что для сложной жизни необходимо два генома.

Эти соображения позволяют дать красивое и простое объяснение правилу Холдейна: особи того пола, для которого характерна более высокая скорость метаболизма, чаще оказываются стерильными или нежизнеспособными. Но так ли это? И важно ли? Что ж, объяснение может быть верным и при этом простым (даже банальным), к тому же ничто из сказанного не противоречит другим возможным причинам, в силу которых может выполняться правило Холдейна. Никто не говорит, что скорость метаболизма должна выступать единственной причиной, но действительно ли она важна? Я думаю, да. Например, известно, что температура приближает гибридное разрушение. Потомство от скрещивания двух близкородственных видов жуков-чернотелок Tribolium castaneum и Tribolium freeman остается здоровым при обычной для них температуре 29 °C, но при повышении температуры до 34 °C самки (в данном случае именно они) развиваются с уродствами конечностей и антенн. Такая разновидность температурной чувствительности широко распространена и, как правило, вызывает бесплодие у представителей лишь одного из полов. Этот механизм проще понять, приняв во внимание скорость метаболизма: перейдя границы допустимых потребностей, определенные ткани начинают разрушаться.

В числе таких тканей часто оказываются ткани половых органов, в особенности мужских, где на протяжении всей жизни идет производство спермы. Весьма впечатляющий пример из растительного мира – цитоплазматическая мужская стерильность. Большинство цветущих растений – гермафродиты, но при этом среди них высока доля особей, у которых развивается мужская стерильность. Получаются как бы два “пола”: гермафродиты и женские растения (на самом деле гермафродиты с мужской стерильностью). Данное явление вызывается митохондриями, и этот случай традиционно рассматривался как проявление эгоистического конфликта[95]. Однако молекулярные исследования показали, что мужская стерильность может просто отражать скорость метаболизма. Оксфордский ботаник Крис Ливер показал, что цитоплазматическую мужскую стерильность у подсолнечника вызывает ген, кодирующий одну из субъединиц митохондриальной АТФ-синтазы. Проблема в ошибке рекомбинации, которая затрагивает относительно небольшую долю АТФ-синтаз. Из-за этого снижается максимально возможная скорость синтеза АТФ. В большей доле тканей эта мутация никак себя не проявляет, деградируют лишь мужские половые органы – пыльники (не поддающиеся замене клетки умирают в результате апоптоза, который запускается высвобождением цитохрома c из митохондрий, как и у нас). Похоже, пыльники у подсолнечника – единственный орган, ткани которого имеют настолько высокие метаболические потребности, что начинается разрушение: лишь там мутантные митохондрии оказываются неспособны удовлетворить метаболические запросы клеток ткани. Результат – мужская стерильность.

То же самое обнаружено у плодовой мушки. Пересаживая ядро из одной клетки в другую, можно сконструировать цитоплазматические гибриды (цибриды) с идентичными геномами, но разными наборами митохондриальных генов[96]. Из яйцеклеток, подвергнутых такой операции, развиваются зародыши мух с одинаковыми ядерными геномами, но с митохондриальными генами разных родственных видов. В итоге из-за различий в митохондриальных геномах насекомые оказываются поразительно не похожими друг на друга. В самых удачных случаях новорожденные мухи абсолютно нормальны. При наихудших сочетаниях двух геномов самцы рождаются стерильными: мужской пол у дрозофилы гетерогаметен[97]. Наиболее интересны промежуточные ситуации, когда мухи, на первый взгляд, нормальны. Но если изучить активность генов в различных органах, выясняется, что она нарушена, например в тканях тестикул. Экспрессия более 1 тыс. генов в тестикулах и сопутствующих половых органах оказывается повышенной. Пока неясно, что именно при этом происходит, но самое простое объяснение, на мой взгляд, таково: эти органы не могут справиться с обеспечением энергией собственных функций. Митохондрии в клетках этих органов не в полной мере совместимы с ядерными генами. Клетки тестикул, с их высокими метаболическими потребностями, испытывают физиологический стресс, а он провоцирует ответ, в который вовлекается значительная часть генома. Как и в случае цитоплазматической мужской стерильности у растений, несовместимость геномов сказывается лишь на органах с наиболее высокой метаболической активностью – на половых, причем исключительно мужских[98].