Борис Сергеев - Жизнь океанских глубин
Постоянство скорости ферментативных реакций при жизни в самых необычных условиях является одним из важнейших приспособлений. Оно в первую очередь зависит от свойств самих ферментов. Подданные Посейдона, прежде чем начать освоение океанской преисподней, должны были обзавестись новыми ферментами. Например, лактатдегидрогеназа у уже упоминавшегося мелководного аляскинского шипощека, не забирающегося на глубины более 500 метров, от того же фермента длинноиглого шипощека, обитающего в зоне от 500 до 1500 метров, отличается всего одной аминокислотой: замена в молекуле фермента гистидина на аспарагин делает его нечувствительным к давлению. Если фермент нормально работает при давлениях от 50 до 100 атмосфер, то он будет хорошо справляться со своими функциями и при дальнейшем увеличении давления.
Безусловно, адаптация необходима всем ферментам, а не только участвующим в обычном обмене веществ. В первую очередь это касается мозговой деятельности. Например, фермента ацетилхолинэстеразы, которая должна оперативно разрушать выполнившие свою задачу молекулы медиатора ацетилхолина, предназначенного для передачи возбуждения от одной нервной клетки к другой. Претерпевает определенные изменения и большинство белков, что обеспечивает им возможность выполнять в организме морских животных, населяющих значительные глубины, все ранее предназначенные им функции.
Не только мелководные рыбы не в состоянии переселиться в глубокие районы океана, но и глубоководные неспособны жить на мелководье, хотя при подъеме к поверхности активность ферментов у них существенно не изменится. У глубоководных организмов ферменты изначально обладают более низкой активностью, чем у близких им жителей мелководья, и не смогут обеспечить необходимой здесь двигательной активности.
Низкая активность ферментов не может быть компенсирована увеличением их количества, так как форсирование выпуска белковых веществ потребовало бы поступления в организм дополнительных порций азотистых веществ и дополнительных затрат энергии на их синтез.
Чтобы понять интимные механизмы адаптации к высоким давлениям, необходимо разобраться в том, какие структурные изменения претерпели белки глубоководных животных. Об этом известно немного. Очевидно лишь, что все изменения в молекулах белков служат одной цели: по возможности свести на нет опасность изменения внутриклеточного объема в процессе хода химических реакций, в которых они участвуют.
Давно замечено, что при повышенном давлении страдает синтез белков, нарушается их сборка из отдельных «строительных» блоков. Для мелководных животных это главное препятствие, не позволяющее приспособиться к жизни в более глубоководных районах. При высоком давлении естественный распад ферментов на отдельные «кирпичики» значительно превалирует над процессами сборки, что приводит к серьезному уменьшению их количества, и осуществлять ферментативные реакции становится некому. Когда побывавших под «прессом» рыб возвращают в условия привычного для них давления, ферменты восстанавливают свою активность. Видимо, они монтируются скоростными методами из обломков разрушенных молекул. Во всяком случае, в пробирке восстановление молекул ферментов, разломанных на части повышенным давлением, происходит путем самосборки.
Почему же ферменты глубоководных рыб не «крошатся» под прессом высокого давления? Оказывается, глубоководные рыбы чаще всего пользуются простыми монолитными белками, которые не распадаются на блоки. Прочные белки, способные выносить значительное давление, существуют даже у жителей мелководий. Например, белок мышечных волокон — актин. Без него сокращение мышц, а значит, и активное передвижение в пространстве было бы невозможным. Животные вынуждены пользоваться высокопрочными сократительными белками. Иначе даже кратковременный визит в бездну мог бы обернуться катастрофой.
Высокое давление способно воздействовать и на жироподобные вещества — липиды, входящие в состав всех клеток организма и выполняющие важную роль в биологических мембранах. Именно от них во многом зависит проницаемость клеточных оболочек. Для того чтобы липидная мембрана успешно выполняла свои функции, она должна находиться в «жидко-кристаллическом состоянии». Однако при понижении температуры или при повышении давления липиды твердеют. А так как на больших глубинах живые организмы встречаются с обоими этими факторами, их совместное действие усиливается. Чтобы предохранить липиды от затвердения, у глубоководных рыб и ракообразных для построения клеточных оболочек используются полиненасыщенные липиды, которые «плавятся» уже при плюс 2 градусах и не твердеют даже при давлении, равном 150–200 атмосфер.
В числе сложных биохимических процессов, ход которых при повышенном давлении нарушается, необходимо упомянуть синтез информационной РНК, без чего невозможно использование генетического аппарата, а следовательно, и развитие половых клеток, их оплодотворение и последующее развитие эмбрионов. Иными словами, процесс размножения «под прессом» окажется неосуществимым. Вот почему, прежде чем переселиться в океанскую бездну, животные должны были произвести полную биохимическую реконструкцию своего организма. Судя по тому, что среди подданных Посейдона нашлось немало подобных животных, ничего необычного в этом нет: к чему только не приходилось приспосабливаться обитателям нашей планеты!
Иллюстрация к закону академика Крепса
Говорят, что от сидячей жизни полнеешь. Устрицы, мидии и многие другие двустворчатые моллюски — домоседы. Расставаясь с детством, они подыскивают себе пристанище, где проводят всю остальную часть жизни, если, конечно, их не угораздит прикрепиться к корпусу судна. Но и тогда, путешествуя по свету, они не покидают занятой однажды «каюты» и, естественно, на хороших харчах и при сидячей жизни полнеют. При сокращении двигательной активности и тем более при переедании возрастает доля пищевых веществ, которые организм запасает впрок.
Обычно для удобства долгосрочного хранения углеводы и белки пищи перерабатываются в жир, который у позвоночных откладывается в подкожной клетчатке, брюшной полости и других местах, а у беспозвоночных чаще всего складируется в печени. Кроме жира, клетки организма запасают на текущие расходы крохотные количества полисахарида гликогена. Только в мышечных клетках и в печени его запасы бывают чуть-чуть более значительны. Необходимость иметь гликоген связана с тем, что жир не годится для экстренного использования. Его трудно извлечь из жировых депо и сложно организовать транспортировку к местам потребления. В качестве основного энергоносителя используется гликоген. Он тоже не может переноситься кровью и не способен проходить сквозь клеточные мембраны, слишком крупны его молекулы, но зато легко разлагается до глюкозы, а этот простейший сахар, всегда присутствующий в крови, легко проникает в любые клетки. Когда работа каких-нибудь органов усиливается и на нее отбирается все больше глюкозы, в печени начинается разрушение гликогена, и в кровь поступают новые порции горючего.
И все же запасать выгоднее жир, так как из одного грамма жира высвобождается в два раза больше энергии, чем из того же количества гликогена. Таким образом, запасы жира компактнее, а главное, легче, чем гликогена.
Вторая причина, по которой создавать большие запасы резервного гликогена нецелесообразно, — специфические особенности его хранения. Для того чтобы он мог остаться в организме, необходимы значительные количества воды. В результате одинаковое количество химической энергии, запасенное в виде гликогена, в весовом отношении примерно в 10 раз превосходит запасы, сделанные в виде жира. Вот почему это могут себе позволить лишь моллюски и некоторые морские глубоководные животные, обитающие на дне океанов. Моллюскам, ведущим неподвижный образ жизни, значительное увеличение веса не приносит абсолютно никаких неудобств, и воды, необходимой для удержания в организме гликогена, вокруг сколько угодно. Вот, кстати сказать, почему моллюски способны очень быстро толстеть, точнее набирать вес.
Делать запасы гликогена выгодно всем донным животным. Жир легче воды, и, скапливаясь в организме в больших количествах, он резко снижает удельный вес животных и значительно увеличивает их плавучесть, то есть, попросту говоря, тянет их вверх, к поверхности. Жирным существам постоянно грозит перспектива оторваться от грунта и оказаться на поверхности воды. Борьба с этим бедствием требует от животных серьезных усилий или искусственного увеличения веса. При запасании гликогена подобных проблем не возникает.
Запасы гликогена в организме человека невелики, но способны сыграть с нами злую шутку, когда мы решаем «сесть» на диету, чтобы сбросить излишний вес. В первые же дни нового пищевого режима, получая недостаточное количество энергетических веществ, организм тратит все имеющиеся запасы гликогена и, естественно, выводит из организма много воды, использованной для его складирования и ставшей теперь ненужной. Поэтому в первые же дни разгрузочного режима человек заметно теряет в весе. Однако радость быстрого успеха оказывается преждевременной. В ближайшие же дни оперативные запасы гликогена восстанавливаются. При этом не только прекращается дальнейшее падение веса, но он частично или даже полностью восстанавливается за счет удержания в организме все той же воды.
