Кислород, Вода, Жизнь

В. Л. Воейков                                          
МГУ им. М.В. Ломоносова, Биологический
факультет, каф. биоорганической химии  
E-mail: vvl@soil.msu.ru  

Благодаря уникальному строению своей внешней электронной оболочки, кислород занимает особое место среди важных для жизнедеятельности молекул. Молекулу О2 можно рассматривать как резервуар, хранящий большой запас энергии, для полного освобождения которой она должна присоединить 4 электрона. Если, например, эти электроны поступают на кислород вместе с протонами (в виде атома водорода), то при полном восстановлении кислорода до двух молекул воды освобождается более 180 ккал/моль. При последовательном присоединении электронов к О2 образуются так называемые активные формы кислорода (АФК), представленные, в частности, свободными радикалами. Большинство из них жадно и, как считается, неспецифично вступает во взаимодействия с другими молекулами. В водных растворах, содержащих биоорганические молекулы, эти частицы могут инициировать неконтролируемые цепные процессы, в ходе которых липиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы повреждаются, и не только теряют свою функциональную активность, но и превращаются в эндотоксины. Поэтому в биохимии традиционно считается, что действие АФК и на живые клетки сводится исключительно к патогенным эффектам. Полагают, что образование АФК в клетках и тканях – печальное, хотя и неизбежное следствие аэробного дыхания, возникшего в ходе эволюции c появлением в атмосфере кислорода – побочного продукта фотосинтеза растений.
С другой стороны, имеется громадный массив данных, свидетельствующих об абсолютной необходимости АФК для нормальной жизнедеятельности. Если воздух лишен супероксидных радикалов («аэроионы Чижевского), животные и человек болеют и даже могут погибнуть. При этом в норме 10-15%, а в особых обстоятельствах – до 30% потребляемого животными кислорода идет на производство АФК. Практически у всех клеток многоклеточного организма есть ферменты, главной функцией которых является направленное и часто весьма интенсивное производство АФК. Следовательно, АФК должны играть какую-то важную роль в нормальной физиологии.
Живые клетки реагируют на внешние сигналы одним из доступных им способов: они либо выполняют свойственную им специализированную функцию, либо меняют свою специализацию (дифференцируются или дедифференцируются), либо вступают в цикл деления, наконец, самоустраняются (входят в апоптоз). Выясняется, что АФК принимают непосредственное участие в конкретной реакции клетки на тот или иной молекулярный биорегулятор. Они и сами могут имитировать действие многих биорегуляторов – гормонов и нейромедиаторов. Последние, в свою очередь, влияют на скорость продукции АФК клетками. Таким образом, АФК оказываются универсальными информационными агентами. Но если АФК, в отличие от молекулярных биорегуляторов, не обладают химической специфичностью, как они могут обеспечить тонкую регуляцию клеточных функций?
При том, что значительная часть потребляемого организмом кислорода идет на производство АФК, текущие уровни свободных радикалов и других АФК в клетках и межклеточной среде очень низки. Многочисленные как ферментативные, так и неферментативные механизмы, в совокупности именуемые «антиоксидантная защита», быстро устраняют появляющиеся АФК. Свободный радикал можно ликвидировать единственным путем – добавлением к нему или отнятием у него одного электрона. Радикал превращается в молекулу (частицу с четным числом спаренных электронов), а цепная реакция обрывается. Антиоксиданты обеспечивают высокую скорость рекомбинаций радикалов и их превращений в устойчивые молекулы. Поэтому небольшие изменения в скоростях продукции и/или утилизации АФК могут сопровождаться резкими скачками в их актуальных уровнях. Характерная особенность реакций рекомбинаций (спаривания) электронов -- освобождение в этом акте значительных квантов энергии. Продукты таких реакций появляются в электронно-возбужденном состоянии, эквивалентном тому, что возникает при поглощении ими кванта света. Результаты наших исследований и данные других авторов свидетельствуют, что в условиях молекулярной и надмолекулярной организованности цитоплазмы эта энергия далеко не полностью рассеивается в тепло. Она может накапливаться в макромолекулах, надмолекулярных ансамблях, излучательно и безизлучательно перераспределяться между ними. Мы полагаем, что именно эта особенность радикальных реакций обеспечивает регуляцию и координацию работы исполнительных механизмов клетки. Эквивалентная световым фотонам энергия реакций рекомбинации может выступать и в роли «пускателя» метаболических процессов, и их ритмоводителя.
Действительно, появляется все больше данных о том, что многие, если не все биологические процессы протекают в колебательном режиме. С другой стороны, как показано нами и другими авторами, процессы с участием АФК, протекающие в условиях, характерных для внутренних условий живых систем, часто протекают в колебательном режиме. Мы предполагаем, что механизмы биологического действия АФК определяются не столько их средним содержанием в среде организма, сколько структурой процессов, в которых они участвуют. Под структурой процесса мы  понимаем частотно-амплитудные характеристики реакций взаимодействия АФК друг с другом или с обычными молекулами. Если эти реакции поставляют энергию активации для специфических молекулярных процессов в клетке, то они определяют ритмы биохимических, а затем и физиологических процессов.
Колебательные ритмы, как периодические, так и нелинейные автогенерируются в процессах обмена АФК, но без регулярной внешней стимуляции продукция АФК рано или поздно затухает. Организм должен получать «затравку» в виде АФК извне. АФК могут поступать в организм извне, например, в форме аэроионов (супероксидного радикала) или с водой и пищей, АФК появляются в водной среде организма при поглощении фотонов достаточно высоких энергий (УФ- и более коротковолновой диапазон), возникающих, в частности, при Черенковском излучении, сопровождающем бета-распад поступающих в организм естественным путем радиоактивных изотопов 14С и 40К.
С другой стороны, возникающие при обмене в организме АФК ритмы в той или иной степени зависят от внешних ритмоводителей. К можно отнести колебания электромагнитных и магнитных полей, даже если амплитуда колебаний очень низка, поскольку реакции с участием АФК – это, по существу, реакции переноса неспаренных электронов, протекающие в электронно-возбужденной среде. Такого рода процессы, как следует из современных представлений физики нелинейных автостохастических систем, чрезвычайно чувствительны к слабым резонансным воздействиям.
Рассмотрим, как АФК могут регулировать биологические функции на уровне целого организма. Давно известно, что интенсивно производят АФК нейтрофилы, использующие, как полагают, эти оксиданты для непосредственного «сжигания» бактерий и вирусов. Но недавно выяснилось, что и лимфоциты, и тромбоциты, которые не принимают непосредственного участия в фагоцитозе и разрушении микробов, фибробласты и эндотелиальные клетки, гладкомышечные клетки сосудов, жировые клетки и клетки печени имеют ферменты и другие системы, закономерно продуцирующие АФК. АФК необходимы для нормального созревания яйцеклеток, а при акте, с которого начинается развитие новой жизни – при оплодотворении яйцеклетки – и сперматозоид, и яйцеклетка резко усиливают продукцию АФК. АФК, хотя и с более низкой интенсивностью, возникают и во внеклеточном пространстве – в межклеточном матриксе, к построенном из коллагена и протеогликанов, а также в плазме крови, в ходе реакций гликоксидации. Продукция АФК в соединительной ткани, к которой относится кровь и собственно соединительная ткань, пронизывающая весь организм, представляет особый интерес с точки зрения энергоинформационной роли процессов с участием АФК. Следует подчеркнуть, что все коллагены и многие белки плазмы крови являются спиральными волокнистыми структурами, которые теоретически способны к передаче энергии электромагнитных колебаний на большие расстояния. Можно предположить, что внеклеточные элементы соединительной ткани выполняют не столько опорную функцию, сколько информационную, поскольку образуют своеобразные каналы, связывающие все органы и ткани друг с другом, и выходящие на периферию (возможно, в виде акупунктурных точек). Клеточные элементы соединительной ткани могут служить ретрансляторами, декодерами и усилителями переносимых по волокнам сигналов. Интересно, что все без исключения живые организмы имеют соединительную ткань и ее аналоги, даже если у них отсутствует кровеносная и нервная системы.
Если АФК выполняют столь фундаментальную роль в организации процессов жизнедеятельности, то эту роль они должны были бы играть на всех этапах эволюционного процесса. Но как быть с общепринятым представлением о том, что свободный кислород возник лишь в результате фотосинтетической активности растений, т. е. длительный этап эволюции был анаэробным? Следует уточнить, что это представление основано на умозрительной гипотезе. С другой стороны, в последнее время появляется все больше фактов, говорящих о том, что вода, в которой и протекают многочисленные процессы с участием АФК, играет важнейшую роль и в порождении, и в организации этих процессов. В частности, установлено, что под действием механических воздействий – звука в слышимом и ультразвуковом диапазоне, фильтрации, механического разрушения льда, при конденсации паров воды и ее замораживании-оттаивании в воде повышается содержание перекиси водорода. При освещении воды слабым видимым светом или даже в темноте при интенсивном ее перемешивании в воде в присутствии простейших катализаторов (например, окиси меди) появляются заметные количества молекулярного водорода и кислорода.
Промежуточным этапом до появления в воде стабильных молекул Н2О2, О2 и Н2 должно быть ее разрушение до атома водорода и гидроксил-радикала: НОН      H• + •ОН. Затем уже атомы водорода спариваются друг с другом, давая молекулу водорода, •ОН рекомбинируют с образованием перекиси, а последняя может разлагаться до воды и кислорода. Но хорошо известно, что для разрушения в молекуле воды ковалентной связи между атомом водорода и атомом кислорода требуется подведение к ней громадной порции энергии, эквивалентной кванту дальнего ультрафиолета. Как же может, к примеру, простая фильтрация или конденсация паров воды обеспечить появление таких порций энергии? Парадокс исчезает, если обратиться к различным современным моделям воды, во многом отличающихся друг от друга, но объединенным одной идеей – жидкая вода представляет собой не набор молекул, слабо связанных между собой, а в ней есть более или менее устойчивые структурные элементы, аналогичные полимерным молекулам. Эти модели выдвинуты для того, чтобы объяснить загадочное свойство воды, которое обобщенно можно назвать «память воды». Известно, при воздействии на полимер энергий весьма низкой плотности, в частности, механической энергии сама молекула полимера выступает в роли «повышающего трансформатора». Энергия низкой плотности преобразуется ею (конечно, с потерями) в энергию столь высокой плотности, что отдельные ковалентные связи в молекуле разрываются. Образно говоря, полимеры превращают тепло в свет. А тогда, если жидкая вода может хоть в какой-то степени рассматриваться как квази-полимер, то и в ней могут осуществляться подобные процессы, которые и приводят к появлению вначале радикалов, а затем и молекул водорода и кислорода. Имеющиеся оценки говорят, что скорость разложения воды океанов под действием абиогенных факторов может обеспечить повышение содержания кислорода в атмосфере до нынешнего уровня всего за несколько сот тысяч лет. Тогда развитие органической жизни на Земле с самого начало шло в присутствии кислорода и на фоне генерации АФК.
Учитывая квази-полимерную, структурированную природу воды, учитывая, что окислительные процессы с участием АФК в воде протекают далеко не хаотично, а имеют тенденцию к самоорганизации, выражающейся в их осцилляторном характере, весьма правдоподобным становится следующее предположение. Если на воду действуют потоки энергии низкой плотности, а в ней растворены газы N2, SO2, CO2, хотя бы в следовых количествах присутствуют модуляторы реакций АФК – ионы переходных металлов, то в воде может спонтанно идти образование сначала простейших, а затем все более сложных органических соединений – аминокислот, предшественников углеводов, нуклеиновых оснований. Как впервые показано А.Г. Гурвичем и подтверждено нами, в таких условиях может начаться спонтанная полимеризация мономеров, а образующиеся полимеры обладают зачатками ферментативной активности. Интересно, что в литературе встречаются согласующиеся с высказанным здесь предположением разрозненные данные о появлении даже в максимально очищенной от органических соединений воде аминокислот и других биомолекул, о возможности превращения одних био-мономеров в другие в присутствии АФК.
Так или иначе, появление оформленных биосистем должно было происходить в воде на фоне непрерывной генерации АФК и реакций с их участием. Отсюда следует, что характерные особенности этих процессов должны быть запечатлены на базовом уровне живых систем. Без учета этих процессов, в частности зависимости их структуры от внешних полевых воздействий космического и земного происхождения, уже нельзя строить модели, направленные на понимание механизмов функционирования живых систем на любых уровнях их организации.