Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Оно нанесло очень значительный урон урожаю. Первым признаком заражения было появление бурых пятен на листьях, а потом желтело все растение. В самых тяжелых случаях початки кукурузы загнивали, опадали и разваливались на части при ударе о землю. Некоторые поля были настолько сильно поражены, что во время уборки урожая черные облака спор клубились над машинами.
Такой опустошительный эффект глазковой пятнистости листьев кукурузы был результатом сочетания токсина, выделяемого грибком, и ионного канала, который встречается только в автостерильных линиях кукурузы. Заболевание приобрело характер эпидемии в 1970 г. из-за того, что в тот год большинство площадей было засеяно кукурузой автостерильного типа. Причина такого генетического единообразия уходит корнями в 1800-е гг. Как и многие другие растения, кукуруза является обоеполой и имеет как мужские, так и женские части. Мужские части — метелки на верхушке растения — рассеивают в воздухе пыльцу. Женские части, находящиеся в початке, превращаются в кукурузное зерно после опыления. Дикая кукуруза — самоопыляемое растение, самоопыляются и большинство культурных растений из-за того, что мужские и женские части находятся близко друг к другу. Однако самая лучшая кукуруза является гибридной и получается, когда женские части опыляются пыльцой растений другой линии. Этот эффект был открыт в конце XIX в. после того, как селекционеры заметили, что гибридные растения оказываются более высокими и сильными, чем любой из их родителей, а главное, имеют более крупные початки и зерна. Постепенно гибридную кукурузу стали использовать повсеместно. Более высокое качество гибридного зерна произвело на фермеров большое впечатление, а продавцы посевного материала всячески поощряли использование гибридов, поскольку это заставляло фермеров покупать новое посевное зерно каждый год.
Для получения гибридных растений нужно предотвратить самоопыление. Исторически этого добивались удалением метелок вручную. Эта операция крайне трудоемка и утомительна, поскольку ее необходимо проводить каждый год на многих тысячах растений. Неудивительно, что селекционеры пришли в восторг, когда нашлись разновидности кукурузы, не дававшие пыльцы. Они сразу поняли, что эти растения, обладающие, как говорят, цитоплазмической мужской стерильностью (ЦМС), должны идеально подходить для перекрестного опыления. Семеноводческие компании очень быстро перешли на них. Все, что нужно было, это посадить растения с ЦМС рядом с растениями-опылителями, остальное делал ветер: растения с ЦМС давали только гибридное зерно. Но такое удобство имело свою цену, о которой селекционеры даже не подозревали. В отличие от нормальных растений стерильные ЦМС-разновидности были восприимчивы к глазковой пятнистости листьев кукурузы, поскольку их клетки имели специфический тип ионных каналов.
Как показывает эта история, ионные каналы есть не только в клетках, возбуждаемых электрическими импульсами, вроде нервных и мышечных клеток. Они имеются в каждой клетке нашего организма и любого другого организма на Земле, от самой примитивной бактерии до гигантских калифорнийских секвой, и они регулируют все, что мы делаем. Сперматозоиды с турбоподзарядкой
Ионные каналы начинают играть критическую роль в нашей жизни еще до зачатия, поскольку они влияют на результаты великой гонки сперматозоидов. Тяжелое состязание с единственным победителем — это первая и самая важная гонка, в которой мы когда-либо участвовали и которую каждый из нас (или, скорее, определенная часть каждого из нас) выиграл.
Сперматозоиды должны плыть после эякуляции, прокладывая себе путь к яйцеклетке с помощью извивающегося жгутика. По мере того как они продвигаются из вагины в верхние отделы женских половых путей, окружающая их среда становится более щелочной, а концентрация гормона прогестерона повышается. В результате ритм движений жгутика сперматозоида переключается на более низкую частоту, они становятся более медленными, размашистыми и энергичными и ускоряют перемещение сперматозоида. Это своего рода турбоподзарядка в последний момент, как раз тогда, когда сперматозоиду необходима дополнительная энергия. Без нее сперматозоид не может сделать рывок и пройти через оболочку, окружающую яйцеклетку. Изменение ритма движения жгутика сперматозоида происходит в результате открытия специального ионного канала, называемого Catsper.
Catsper — любимый канал Дэвида Клэпхема, ученого из Гарварда с острым умом, озорной улыбкой и черным юмором. Его коллега Дэцзянь Рен, штудируя базу данных по международному проекту «Геном человека» в поисках пропущенных сокровищ, наткнулся на новый ионный канал, который существует только в мужских половых железах. Эта находка сразу же привлекла внимание Клэпхема, и вскоре сперматозоиды во всех их проявлениях заняли центральное место в исследованиях лаборатории. «Они имеют, — говорит Клэпхем, — все, что положено нервным клеткам, и кое-что еще: у них есть ионные каналы, они возбуждаются, они чувствительны к химическим веществам в окружающей их среде, они двигаются и делают это более энергично около яйцеклетки, ну прямо как мужчины, суетящиеся вокруг женщин».
Канал Catsper — один из самых сложных в человеческом геноме. Пора канала образуется четырьмя разными белками, и она связывается с различными видами вспомогательных белков. Если хотя бы один из них отсутствует, то канал перестает функционировать, сперматозоид перестает переключаться на более энергичные движения жгутика, и наступает бесплодие. Поскольку Catsper имеется только у сперматозоидов, лекарственные средства, блокирующие канал, становятся идеальным контрацептивом. В отличие от более знакомых противозачаточных таблеток они не должны оказывать влияния на женскую гормональную систему, и их не нужно принимать перорально. Однако такое средство не будет долгожданным мужским контрацептивом. Его опять придется принимать женщинам, но не потому, что это дает уверенность в защите, а потому, что это в их половых путях происходит изменение движения сперматозоидов.
Не все сперматозоиды имеют каналы Catsper. Их нет у гигантского сперматозоида крошечной плодовой мухи Drosophila bifurca, который скорее ползет, а не плывет по половому пути самки. У этих левиафанов самый длинный жгутик на Земле. Его длина достигает почти 6 см, он в 600 с лишним раз больше сперматозоида человека и в 20 раз больше самой мухи. Зачем в процессе эволюции развился такой гигантский жгутик, остается загадкой. По одной из гипотез жгутик, скрученный спиралью, образует пробку, которая полностью перекрывает половой путь самки и таким образом не позволяет войти в него другим сперматозоидам. Конкуренция между сперматозоидами за возможность передачи ДНК очень сильна, даже между теми, которые принадлежат одной мужской особи.
У цветковых растений другая проблема, связана она с тем, что их сперматозоиды не способны двигаться и находятся в пыльцевых зернах, предотвращающих обезвоживание. Тем не менее и у растений ионные каналы способствуют оплодотворению. Когда пыльцевое зерно опускается на поверхность женского репродуктивного органа растения (рыльце), оно выбрасывает длинную пыльцевую трубку, которая растет в направлении яйцеклетки и несет с собой сперматозоид. Достигнув яйцеклетки, трубка разрывается и выпускает сперматозоид. Так вот, к разрыву пыльцевой трубки приводит химическое вещество, выделяемое клетками, которые окружают яйцеклетку. Это вещество открывает ионный канал в мембране пыльцевой трубки, в результате чего возникает приток ионов калия, которые втягивают вместе с собой воду, заставляя трубку набухать и разрываться. Освободившись из заточения в пыльцевой трубке, сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку. Создание барьеров
Жизненно важно, чтобы яйцеклетку оплодотворял только один сперматозоид, поскольку клетка, получившаяся в результате оплодотворения несколькими сперматозоидами, не может развиваться нормально. Поэтому у яйцеклетки есть система защиты, благодаря которой она принимает только первый прибывший сперматозоид, а всех остальных кандидатов отвергает. Процесс создания преграды для полиспермии впервые был изучен на яйцеклетках морских ежей, с которыми легче работать из-за их больших размеров. Иногда они бывают настолько большими, что их видно невооруженным глазом. В далеком 1976 г., еще студентом, Ринди Джаффи обнаружил, что, как только первый сперматозоид проникает в яйцеклетку морского ежа, потенциал на внутренней стороне ее мембраны резко меняется с отрицательного на положительный. Возникающая в результате этого разность потенциалов предотвращает проникновение других сперматозоидов в яйцеклетку.
Неожиданностью для ученых стало то, что яйцеклетки млекопитающих имеют другой механизм защиты. У них, как оказалось, преграда для полиспермии является не электрической, а физической — механический барьер, который медленно формируется после оплодотворения. Различие стратегий обусловлено совершенно разными средами, в которых происходит оплодотворение. В океане множество миллионов сперматозоидов практически одновременно достигают яйцеклетки, поэтому электрическая преграда для полиспермии идеальна — ее можно создать практически мгновенно. У млекопитающих в результате долгого и трудного путешествия по половым путям самки до яйцеклетки добираются лишь несколько сперматозоидов, и это очень редко случается одновременно. Здесь вполне уместен более медленный механизм защиты. Жизнь из смерти
