ФОСФОЛИПИДЫ И ЭВОЛЮЦИЯ. КТО, КАК ДЫШИТ?
Рассказ о работах академика Е. М. Крепс продолжает журналист М. Xромченко
Дальневосточное озеро Дальнее, соединенное с Авачинской бухтой рекой Паратункой, привлекло академика Крепса, помимо прочего, одной из загадок рыбы красной. Взрослая, она уходит в Тихий океан. Возвратившись спустя несколько лет к родным берегам, красная, привыкшая за столь долгое странствие к океанской пище, объявляет голодовку. Войдя в бухту, поднимаясь по реке, к месту нереста в озере, она уже ничего не ест. Выметав и оплодотворив икру, истощенная рыба погибает. Выросшая из икры молодь спустя два-три года в большинстве своем покидает Дальнее и уходит в океан. И лишь немногие, так называемые карлики, остаются верны отчему дому, никогда его не покидая.
И у этих двух групп рыб, хотя они и из семьи красной, или перки, вследствие отличий в диете - пресноводное озеро и океан - должен быть разный обмен веществ. Как же это изменение обмена (сначала рыба живет в озере, потом в океане) отражается на мозге, на его фосфолипидном составе?
«Откуда мы пришли? Кто мы? Куда мы идем?» - так назвал одну из своих картин Поль Гоген. Философские вопросы происхождения, целесообразности, смысла существования человека волновали мыслителей всех эпох, будь это ученый или художник. Только у каждого свои методы познания.
Ученым, чтобы понять сегодняшнее и предвидеть будущее, необходимо восстановить прошлое. Проделать обратный путь - вернуться к истокам жизни. Двигаться же вспять можно по разным дорогам - морфологии развитие организмов сопровождается изменением скелета и внутренних органов; физиологии изменения скелета идут параллельно с обретением новых функций; наконец, биохимии открытия на этой дороге могут дать, пожалуй, наибольшую информацию о родственных связях животного мира. Как писал академик В. Л. Комаров «в основе всех, даже чисто морфологических признаков, на основании которых мы классифицируем и устанавливаем виды, лежат именно биохимические различия». Это положение с полным правом можно распространить на все живое.
Мозаика биохимических различий привлекала многих крупных ученых. В последние годы она затянула и Крепса. Через руководимую им лабораторию прошли представители едва ли не каждой ступеньки эволюционной лестницы - от червей и насекомых до птиц и млекопитающих. «Пропуском» для них служила сформированная нервная система учеников и сотрудников Евгения Михайловича интересовала липидная характеристика мозга.
Взгляните на схему внизу. Поразительно всюду -, и у позвоночных, и у беспозвоночных, или, иначе, у первично, и у вторичноротых, - в нервной системе обнаружены одни и те же фосфолипиды, к тому же в одних и тех же соотношениях. Всюду главенствует самым высоким столбиком так называемый лецитин, всюду за ним следует (громоздкий по названию) фосфатидилэтаноламин и т. д. Человеку следует умерить свою гордость его мозг - венец природы - во многом выстроен из тех же элементов, что и нервная система амфибии и рака.
В этом смысле не менее впечатляет и вторая иллюстрация. Известно, что в своем индивидуальном развитии организм, как бы «пробегает» всю свою историю, от самых истоков, повторяя и сверяясь с эволюционным развитием предков. Это справедливо в отношении строения, функций и в равной мере химизма тканей.
В таблице отражен фосфолипидный состав мозга куриного эмбриона на разных стадиях его развития. И что же? Оказалось, что уже на шестые сутки (чисто взять нервную ткань у более раннего зародыша просто не удавалось) в мозгу будущей курицы заложены все основные, так называемые обязательные фосфолипиды, из которых затем выстроятся мембраны нервных клеток взрослого животного. Причем, заметьте, в тех же неизменяемых с возрастом соотношениях.
О чем это говорит? Не о том ли, что химический план организации нервной системы сформировался на самых ранних этапах эволюции? А затем, как сказал в своей баховской лекции Евгений Михайлович, природа, найдя удачное химическое решение биологических задач на заре развития живой клетки, сохранила его на протяжении всей дальнейшей эволюции. И разумно зачем каждый раз заново изобретать велосипед?
Именно эту закономерность снова - в который раз! - проверяли ученые в естественном, словно бы самой природой задуманном эксперименте на озере Дальнем. И вновь ее подтвердили. У представителей нерки, выловленных в Авачинской бухте, на подходе к озеру, среди «эмигрантов», и карликов-«патриотов» состав фосфолипидов в печени и в мышцах резко отличался, демонстрируя четкую зависимость от различий диеты и обмена веществ. Но только не в тканях мозга - здесь он оставался практически постоянным!
Однако природа не только консервативна. На протяжении всей истории развития жизни с наследственностью боролась изменчивость. Победу той или другой фиксировал бесстрастный и беспристрастный судья - естественный отбор. Неудачные, невыгодные организму изменения отбрасывались. Полезные закреплялись. Их обладатели выживали и продолжали двигаться дальше и вверх по эволюционной лестнице.
Но если фосфолипидный состав мозга столь жестко закреплен, то, что же в химизме мозга определяло эволюцию, развитие? Что давало преимущества выживающим в горниле естественного отбора победителям? Ответ - предварительный, гипотетический - получен и на этот вопрос появление в составе фосфолипидов тех или иных жирных кислот.
Именно они оказались наименее постоянным компонентом в сложных молекулах жиров.
Вот пример. В молекулу одного из липидов - сфингомиелина - всегда включена одна жирная кислота. Одна, но каждый раз разная. И выбор для этого достаточный - из двадцати. А это означает, что на микроскопически тесном участке мозга соседствуют и взаимодействуют молекулы с отличными, часто противоположными свойствами.
В этой работе, начатой совсем недавно, до выводов еще очень и очень далеко. Но кое-что становится ясным. В Атлантике, рассказывает Евгений Михайлович, его и его соратников интересовали рыбы, выловленные с разных глубин. Ученые хотели сравнить жирнокислотный состав мозга рыб, привязанных к определенным условиям существования и свободно перемещающихся по «этажам» океана. Дело в том, что уже выявлены ферменты, по-разному реагирующие на давление. Одни при высоком давлении ускоряют реакции обмена, другие замедляют, третьи вообще не реагируют. Вывод напрашивается сам собой рыбы, обладающие набором ферментов, нечувствительных к перепадам давления, могут жить и на поверхности океана и в его глубине. Иными словами, их способность приспосабливаться, адаптироваться к разным условиям жизни выше и благодаря этому они должны выйти победителями в эволюционных битвах. Так не дает ли точно такое же преимущество тот или иной набор жирных кислот в мембранах нервных клеток?
Наука начинается с умения поставить вопрос, а продолжается с возможности сопоставлять. Вопрос задан, но сопоставлять еще слишком рано. Слишком большой материал следует накопить и проверить. Потому, что вариабельность возможных комбинаций жирных кислот грандиозна. Потому же грандиозна и задача лаборатории разделить все липиды по классам, сначала крупным, затем все более мелким, вплоть до индивидуальных, и, когда-то потом в этом сложном хаосе многообразия увидеть закономерности. Понять, почему в одном случае в молекулу включена та кислота, в другом - эта, и, какой во всем этом заложен функциональный смысл.
Грандиозна задача и вряд ли по силам одному поколению ученых выполнить ее, но, когда-то необходимо начать. Потому, что только так, прослеживая эволюцию химии живых существ, можно определить вообще путь их развития. И прошедший и тот, что предстоит.
В годы Великой Отечественной войны институт, где работал Е. М. Крепе, эвакуировали в Казань. Госпитали тыловых городов были забиты ранеными. И одним из самых страшных врагов врачей в то время был сепсис, общее заражение крови, когда врачи узнавали о нем, помочь человеку, как правило, было почти невозможно. Стояла задача найти способ ранней диагностики сепсиса. И была - -эта задача, как раз для Крепса кровь он знал досконально, долгие годы изучал ее буферные свойства, кислотно-щелочной состав, дыхательные пигменты и ферменты, прежде всего угольную ангидразу.
Его знакомство с ней состоялось еще на Мурманской станции, когда он приступил к изучению истории условного рефлекса.
- Как выяснилось, все определяется условиями существования, - вспоминал Евгений Михайлович. - Теплее вода, холоднее, больше кислорода, меньше – сразу же меняется реактивность, условный рефлекс - все. Я мог стимулировать и возбуждение, и торможение, меняя температуру воды или напряжение кислорода. Тогда я стал заниматься морской водой, как средой организма - внешнем, а затем и внутренней.
Их уравновешивает и приводит к согласию кровь.
У истоков тех давних исследований Крепе хотел связать воедино структуру вещества с его функцией в зависимости от условий существования. Ферменты - обязательный и активнейшим участник обмена веществ; меняя в соответствии с дыханием активность ангидразы, организм может приспосабливать себя к постоянно меняющимся внешним обстоятельствам.
Но, что, в сущности, подвергается изменениям? Число ли эритроцитов, носителей угольной ангидразы, в единице объема крови? Или масса фермента в каждом эритроците? Или обе величины одновременно? Или, наконец, суть вовсе не в количестве того и другого, а непосредственно в изменении самой активности?
Для ответа на эти вопросы надо было смотреть «поведение» ангидразы в крови различных животных, на разных этажах эволюции, в отличающихся внешних условиях. Крепе много ездил. Вначале было море северное, холодное - Баренцево; затем море теплое - Черное, станции Севастополя и Карадага. И не только моря он мерил эту ангидразу и дома, в Ленинграде, в крови млекопитающих и птиц. И всякий раз убеждался, что нет в дыхательных процессах фермента более активного и более распространенного. Угольная ангидраза «работала» во всех группах животного мира, во всех органах и тканях. При этом у нее было неоценимое преимущество ее молекула включала в себя атомы цинка, что позволяло считать количество фермента. И еще более важным признаком, сыгравшим решающую роль в годы воины, была степень постоянства ангидразы в крови человека. Перепады фермента, скажем, падение концентрации ангидразы при сепсисе, были всякий раз характерны и потому их можно было использовать в качестве наиболее чувствительного диагностического приема для максимально раннего обнаружения начавшегося сепсиса.
Эти работы впоследствии были удостоены премии Академии наук СССР, но, в сущности, они составили лишь часть глобальной проблемы, одной из двух, которым Крепе посвятил свою научную деятельность.
В 1930 году к Л. А. Орбели обратился главный врач ЭПРОНа К. А. Павловский. Просьба была достаточно неожиданной разработать новую технику погружения под воду - на большие глубины и в более короткие сроки, разумеется, полностью исключив опасность для жизни водолазов. Решать эту практическую задачу Леон Абгарович поручил Крепсу. Была создана постоянная комиссия по аварийно-спасательному делу, в которой Евгений Михайлович был заместителем Орбели и специальная группа, которую он возглавил. Так началась эта работа, которую Крепе не оставляет по сей день.
Одна из опасностей при любом погружении под воду - гипоксия, кислородная недостаточность, кислородное голодание. Кстати, мы неоднократно испытываем ее в повседневной жизни всякая активная, напряженная мышечная деятельность - спринтерский бег или даже подъем по лестнице - вначале всегда сопровождается гипоксией - запросы организма в кислороде полностью не удовлетворяются. И любое заболевание сопровождается кислородной недостаточностью. Да, и на свет мы появляемся в состоянии крайнего удушья. Не случайно английский физиолог Дж. Баркрофт, как-то сказал, что плод в утробе матери испытывает то же, что альпинист на Эвересте и там и там напряжение кислорода одинаково.
Но, преодолевая при рождении удушье, человек равнины не становится готовым альпинистом, а начинающий бегун показывает плохие результаты не только из-за отсутствия надлежащей мускулатуры или техники, а еще из-за неприспособленности преодолевать нарастающую гипоксию. Он так же постепенно готовит к ней свои легкие, как и ныряльщик. Но даже тренированные люди не способны превзойти в этом смысле бобра, уходящего под воду на двенадцать минут и тем более морских ныряющих животных. Удирая от врагов или преследуя «пищу», кит-бутылконос, рекордсмен среди них, может не всплывать на поверхность до двух часов кряду. За счет чего?
И другой вопрос был задан, не менее важный. Глубина погружения и время пребывания под водой взаимосвязаны чем глубже спуск, тем дольше подъем - слишком велики перепады давления; поэтому, чтобы организм не пострадал от кессонной болезни, человеку приходится подниматься медленно, и с частыми остановками. А тс же киты, уходящие на глубину до километра, стремительно вылетают наверх, «пренебрегая» эпроновскими режимами без, каких бы то ни было вредных для себя последствий. Почему?
Киты перешли к водному образу жизни, унаследовав от предков воздушный тип дыхания-только кислородом и только из легких. Здесь действует закон необратимости эволюции структуры и функции, однажды утраченные, не приобретаются вновь. Так, что же дает пыряющим животным столь ощутимые преимущества перед человеком?
Чтобы выведать тай ну рекордов, надо было расчленить всю проблему на множество частных вопросов. И начать с такого, что лимитирует время пребывания под водой - недостаток кислорода или избыток углекислого газа? Скорее всего, следовало предположить первое. Накопление углекислоты сопровождается нарастающими неприятными ощущениями, по само по себе не опасно. В то же время острый недостаток кислорода ведет к мгновенной потере сознания и гибели без предварительных сигналов.
Человеку в кислородной маске предлагают написать свое имя и фамилию. Он берет ручку, а в это время к шлангу его маски вместо кислородного подключают баллон с азотом, нейтральным газом без запаха. Сколько надо времени, чтобы расписаться? Секунду-две, не более. Но, когда человек ставит точку и вновь начинает дышать кислородом, он с недоумением разглядывает в конце своей фамилии каракули вместо букв. Он писал их, не подозревая, что почти потерял сознание.
И все же максимум задержки дыхания определяется вовсе не объемом легких, не умением запасать впрок кислород. Предел ставит, как ни странно, углекислый газ.
Именно углекислота возбуждает дыхательный центр в такой степени, что ныряльщик не может преодолеть естественного желания сделать вдох и выныривает. И глубокое судорожное дыхание закончившего бег спортсмена не столько даст ему новые порции кислорода, сколько освобождает от избытков углекислоты. И в том и в другом случае кислорода в легких и крови еще предостаточно, просто человек не умеет преодолеть, подавить настойчивость дыхательного центра.
Л ныряющие животные, как оказалось, лишены этого предупредительного сигнала. Они используют свои легкие в качестве резервуара по мере утилизации кислорода они заполняются углекислым газом. Сколько бы его там (и соответственно в крови) ни накопилось, дыхательному центру «безразлично». И это позволяет дельфину и киту оставаться под водой столько, сколько позволяет запас кислорода.
Но ведь и он не беспределен, тем более, что основной обмен у морских животных много выше, чем у человека. Однако они обходят и эго препятствие, снижая на время погружения интенсивность обмена. Скажем, водоплавающие утки (другая ступень эволюции) с этой целью расслабляют мускулатуру.
Короче говоря, природа снабдила ныряющих рекордсменов множеством различных механизмов, физиологических и биохимических, четко между собой согласованных, которые в совокупности и обеспечивают китам с их собратьями столь ощутимое преимущество перед человеком. И каждый из этих механизмов, не претендуя на большее, дополняет два основных.
Давно известно, что от гипоксии прежде всего страдают сердце и мозг. И потому, как только дельфин уходит под воду, у него резко замедляется частота сердечных сокращений. Л чем меньше объем работы, тем меньше и потребность в кислороде. И что еще существеннее основная масса крови животного в эти ответственные минуты и часы начинает поступить в мозг и сердце - компенсация кислородной задолженности другим органам откладывается до возвращения на поверхность. Именно этот механизм позволил одному физиологу сказать, что ныряющие животные «мастерски владеют жизнью»
Выясняя механизмы развития и преодоления гипоксии, экспериментируя на животных и вовлекая в исследования добровольцев, Крепе раз за разом убеждался в необходимости постоянного наблюдения за насыщением крови кислородом. Ведь именно она с ее дыхательными пигментами разносит живительный газ по всем органам и тканям. И именно этот ее показатель свидетельствует о степени кислородного благополучия или тревоги.
Группа, руководимая Евгением Михайловичем, работала по заданию ЭПРОНа. Но довольно скоро стало ясно, что в результатах ее исследований заинтересованы и альпинисты, и спортсмены, и летчики. И не только они. Частная проблема - непрерывное измерение степени насыщения артериальной крови кислородом - приобретала общее значение для медицины в целом, в том числе в первую, быть может, очередь для хирургии и для изучения физиологии здорового человека в разных, прежде всего экстремальных условиях.
Но, как это сделать? Тогда был известен только один способ взять кровь и проанализировать пробу. Но не лезть же со шприцем под воду к работающему там человеку?!
Направляющая идея - использовать с этой целью фотометрический метод, основанный на спектральных особенностях гемоглобина, - была сформулирована в предпоследний год Великой Отечественной войны и быстро завоевала сторонников. Физики, конструкторы, инженеры, хирурги, физиологи - все понимали значение этого труда, работали дружно, сообща. Именно тогда были созданы первые, вначале кустарные модели принципиально нового прибора - оксигемометра. С его помощью можно было непрерывно следить за насыщением крови кислородом, не отсасывая ее для пробы. Крепе испытывал его прежде всего на себе погружался с ним под воду, поднимался на Эльбрус. Он использовал свой прибор для изучения развития гипоксии у спортсменов тот бежал, а рядом на машине ехали ученые и врачи, следя лишь за показаниями счетчика на первой, второй, пятой минуте. Телеметрии в те годы не было, спортсмен бежал, связанный с машиной гибким проводом. Тем не менее то было уже дистанционным исследованием.
Так же, как и созданное группой Крепса легководолазное снаряжение, появившееся у нас еще в предвоенные годы, было прообразом нынешних аквалангов.
Свои работы на, каком-то этапе Евгений Михайлович подытожил в книге «Оксигемометрия». Изданная в 1959 году, она не устаревает и по сей день.
Читайте в любое время
