Скулачев Петрович - Рассказы о биоэнергетике
В биологии, как в английском законодательстве, очень важен прецедент. Как правило, живая природа, изобретя что-либо стоящее, затем многократно использует свое открытие всюду, где предоставляется такая возможность.
Митохондриальный ретикулум это тончайшая паутинка, вплетенная в структуру мышечного волокна. Поперечник даже наиболее толстых тяжей ретикулума измеряется долями микрона. Передачу электричества по столь тонкому кабелю нельзя измерить прямо: даже самые тонкие электроды слишком громоздки для такой операции. Но нет ли других, более подходящих для исследования протяженных мембран, генерирующих протонный потенциал? Я вновь и вновь пытался найти такого рода объект, однако всякий раз проблема представлялась технически слишком сложной, чтобы дело дошло до эксперимента.
И тем не менее я не терял надежды. Мысль об электропроводке возникла в 1968 году. Прошло без малого семь лет, пока она воплотилась в опыты, которые привели к открытию митохондриального ретикулума в мышцах. И вот теперь мне нужен был организм, где передачу электрической мощности можно было бы измерить прямым методом.
Шли годы, меня занимали другие идеи и опыты, но задача по электропроводке не была забыта. Я терпеливо ждал подходящего случая. Он представился, когда А. Глаголевым был установлен факт движения нитчатых цианобактерий за счет энергии протонного потенциала.
Многоклеточный организм цианобактерий (трихом) состоит из сотен клеток, соединенных конец в конец. Цитоплазма каждой из них окружена мембраной, в которой есть генераторы протонного потенциала. В литературе удалось найти указание на то, что иногда между соседними клетками в трихоме видны мельчайшие каналы. Если бы эти каналы были хорошо проницаемы для электролитов, то трихом мог бы оказаться единой электрической системой, обладающей кабельными свойствами.
Сначала А. и Т. Глаголевы поставили такой несложный опыт. Были подобраны условия, когда свет служил единственным источником энергии для генерации протонного потенциала цианобактериями. Трихомы были неподвижны, пока не включался свет, поглощавшийся бактериальным хлорофиллом. Вопрос состоял в том, будет ли двигаться трихом, если освещена лишь небольшая его часть? Если между клетками в трихоме существует передача энергии, то, освещая часть трихома, можно образованную там электроэнергию передать в затемненные участки и питать ею все протонные моторы этого трихома.
Луч света сфокусировали таким образом, чтобы световое пятно покрыло всего 4—5 процентов от общей длины трихома. Оказалось, что в этих условиях трихом сохраняет свою подвижность.
Первое предсказание «кабельной гипотезы» оправдалось. Но может быть, для движения трихома хватает мощности тех моторов, которые находятся в его освещенной части? Тогда освещенный участок будет тянуть весь трихом, как электровоз везет за собой железнодорожный состав.
Эта возможность была исключена следующим опытом. Трихомы перенесли с поверхности агара, на котором проводили предыдущий эксперимент, в водный раствор. В жидкой среде цианобактерий неподвижны: их двигательный аппарат устроен таким образом, что они могут ползти, но не умеют плавать, Однако протонные моторы продолжают работать и в воде, несмотря на отсутствие поступательного движения. Об этом свидетельствует вращение колец слизи, выделяемой цианобактериями.
Будут ли вращаться кольца слизи на одном конце трихома, если световое пятно расположить на противоположном его конце? Оказалось, что такое освещение вызывает вращение колец не только под световым пятном, но также и в других участках трихома, включая удаленный от света конец.
Этот факт говорил против «гипотезы электровоза», свидетельствуя в пользу передачи энергии по всей длине трихома. Но в какой форме передается энергия? Может быть, это АТФ, глюкоза или какой-либо другой продукт фотосинтеза, образующийся в освещенной части трихома и диффундирующий в его затемненные участки?
Такое объяснение казалось нам маловероятным прежде всего потому, что движение трихома или вращение колец слизи начиналось уже через несколько секунд после включения света, освещавшего малую-часть трихома. Расчет показал, что диффузия глюкозы или АТФ из конца в конец трихома длиной в 1 миллиметр потребовала бы многих минут. Кроме того, движение от светового пятна можно было наблюдать на трихомах, обработанных специфическим ингибитором, выключившим протонную АТФ-синтетазу. В таких трихомах свет образовывал протонный потенциал, но не АТФ.
Прямой опыт, доказавший передачу электроэнергии вдоль трихомов, был поставлен Л. Чайлахяном, Т. Потаповой и Т. Глаголевой. Когда я попросил наших электрофизиологов попытаться измерить вольтметром распространение потенциала по трихомам, Л. Чайлахян предложил использовать для этой цели внеклеточные электроды. Такой деликатный метод давно уже применяется для изучения распространения нервного импульса. Он позволяет зарегистрировать электрическую передачу без введения электрода внутрь клетки, которое всегда создает опасность короткого замыкания в месте прокола мембраны электродом; эта опасность особенно велика для мембран, несущих протонный потенциал, вследствие их высокого электрического сопротивления.
Трихомы были аккуратно уложены в заполненную водой бороздку, прочерченную на бруске плексигласа. К трихомам подвели четыре электрода. Электроды 1 и 4 расположили у противоположных концов бороздки, электроды 2 и 3 — на расстоянии 1/3 и 2/3 пути от электрода 1 к электроду 4. Тонким лучом света высветили небольшую часть трихомов вблизи электрода 1 и измерили разность потенциалов между электродами 1—4, 2—4 и 3—4.
Предсказание нашей гипотезы состояло в том, что между электродами 1 и 4 возникнет разность потенциалов, причем ее направление будет соответствовать выходу положительных зарядов (Н+) из клетки во внешнюю среду в освещенной части трихомов, то есть в области электрода 1. Между остальными электродами тоже должна была возникнуть разность (ΔV) потенциалов, убывающая в следующем порядке: ΔV1-4 > ΔV2-4 > ΔV3-4. Во всех случаях разность потенциалов, достигнув максимума, должна была затем со временем снижаться, причем спад должен был, судя по опытам с движением, происходить в секундной шкале.
Как видите, предсказан был феномен, охарактеризованный достаточно четко, по крайней мере на качественном уровне. И что же? Световое пятно действительно вызвало генерацию разности потенциалов со всеми свойствами, перечисленными выше.
Затем мы задали работу нашей вычислительной машине. В нее были заложены основные параметры трихома, действующего подобно электрическому кабелю, после чего машине было предложено вычислить динамику изменения разности потенциалов ΔV1-4 ΔV2-4 ΔV3-4. К нашей радости, машина начертила кривые, очень похожие на те, что были получены в эксперименте.
Кабельная гипотеза была доказана. Мы обнаружили-таки долгожданный прецедент: электрическая мощность передавалась вдоль мембран на несколько миллиметров — расстояние, огромное по масштабам клетки.
Глава 4. К новым рубежам
Путь к открытию напоминает восхождение. Не потому ли среди ученых так популярен альпинизм? Здесь как никогда важна интуиция: куда идти, когда впереди глыба горы и нет обзора? Но вот, если удача сопутствовала вам, взят перевал, и перед вами внезапно возник далекий горизонт. Вы поражены открывшимся видом: слов нет, прекрасная панорама - и, кажется, забыт оставшийся позади подъем. Однако давайте все же обернемся, чтобы бросить взгляд на пройденный путь.
С чего началась современная биоэнергетика? С накопления множества разрозненных фактов - сведений о мембранах, инкрустированных окислительными и фосфорилирующими ферментами. Глыба этих фактов заслоняла смысл протекающих в мембранах превращений, пока в 1961 году не выступил П. Митчел, ученый, еще не внесший своей лепты в копилку фактов, но указавший путь к их осмыслению.
Принято говорить, что в наши дни научный прогресс невозможен без участия больших коллективов ученых. Канул в вечность образ чудака-мыслителя, творящего в уединении на свой страх и риск. Казалось бы, для биоэнергетики эта истина очевидна: здесь одна только подготовка к опыту занимает уйму времени, а сам опыт, как правило, требует сложнейшей аппаратуры.
К новым рубежам
Пример Митчела опровергает эту догму, вновь подтверждая, что главное в науке - это мысль.
Я думаю, не случайно новая гипотеза была подхвачена у нас в стране, где в фундаментальной науке нет столь жесткой, как на Западе, конкуренции и от нее не требуют сиюминутной прибыли. Сыграло роль и то, что весь ход наших работ на рубеже 50-х и 60-х годов привел к отрицанию общепринятой тогда химической концепции биоэнергетики. Это освободило нас от шор старых представлений и подготовило к восприятию новой теории.
