Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
У митохондрий есть одна особенность. Они окружены двумя мембранами, целостность которых важна для того, чтобы митохондрия могла вырабатывать энергию. Когда клетка решает пойти на самоубийство, в наружной митохондриальной мембране образуется крупная пора, известная как митохондриальный апоптоз-индуцирующий канал. Это отверстие настолько велико, что из митохондрии в цитоплазму могут вытекать относительно крупные химические частицы, создающие хаос и инициирующие каскад событий, которые неотвратимо ведут к гибели клетки. Важно, однако, заметить, что решение о самоубийстве принимает не митохондрия. Этот процесс инициируется и жестко контролируется клеткой, которая просто использует митохондриальный механизм в своих целях. Погубленный урожай
Именно на митохондрии действовал токсин глазковой пятнистости листьев кукурузы, который так пагубен для ЦМС-разновидностей кукурузы. Стерильность ЦМС-растений обусловлена наличием уникального ионного канала во внутренней митохондриальной мембране. Как бомба замедленного действия, этот канал нормально закрыт и не влияет на функционирование органоида. Однако присоединение токсина глазковой пятнистости листьев кукурузы активирует бомбу, открывая канал и лишая митохондрию способности вырабатывать энергию. Клетка, лишенная энергии, погибает. По мере распространения грибка токсин убивает растение, клетку за клеткой. К заболеванию восприимчивы только те растения, у которых есть соответствующий ген ионного канала, т.е. ЦМС-разновидности. Взаимосвязь восприимчивости к токсину и мужской стерильности неразрывна, поскольку и то и другое является результатом одного и того же процесса. Даже в отсутствие токсина ионный канал активируется в митохондриях клеток, которые снабжают развивающиеся пыльцевые зерна питательными веществами, и, когда эти клетки чахнут и погибают, вместе с ними погибает и пыльца.
Несмотря на опустошение, нанесенное глазковой пятнистости листьев кукурузы в 1970 г. в США, стране очень повезло. На тот момент более 85% растений имели ген ЦМС. Сухая погода в сентябре в северных и западных штатах остановила распространение грибка и предотвратила практически полную гибель урожая. Как отмечает Пол Реберн в своей наводящей на размышления книге «Последний урожай» (The Last Harvest), масштабы эпидемии глазковой пятнистости листьев кукурузы и ее огромный экономический эффект объясняются тем, что «кукурузный пояс» США был засеян в основном одной разновидностью кукурузы. Генетическое единообразие современных зерновых культур и практика выращивания всего одного-двух видов растений на огромной площади приводят к тому, что в случае восприимчивости одного растения к новому заболеванию восприимчивыми к нему оказываются и все остальные. Таким образом, под угрозу ставится весь урожай. Более традиционные методы земледелия, при которых выращивается множество местных разновидностей растений, поддерживают генетическое разнообразие, и если одни растения поддаются заражению, то многие другие устойчивы к заболеванию. Это серьезное основание для сохранения как можно большего числа диких видов сельскохозяйственных культур, поскольку без их генов селекционеры могут оказаться не в состоянии вывести сорта, устойчивые к новым опасностям, которые наверняка встретятся в будущем. Зеленое электричество
Практически все виды жизни на нашей планете зависят от способности растений поглощать энергию солнца и запасать ее в виде молекул сахара. Этот процесс, называемый фотосинтезом, является главным источником всех видов пищи, которую мы едим, всех молекул, из которых состоит наш организм, а также подавляющей части кислорода в атмосфере. В процессе фотосинтеза углекислый газ и вода превращаются в сахар и кислород под действием энергии солнечного света, и все это происходит в органоидах, так называемых хлоропластах, которые находятся в клетках растений.
Чтобы не допустить чрезмерной потери воды, листья большинства растений покрыты толстой воскообразной оболочкой. Однако она также препятствует диффузии углекислого газа и кислорода внутрь листа и из него, поэтому газообмен происходит через специальные поры на нижней части листа, так называемые устьица, которые действуют как микроскопические окна. Беда в том, что устьица не только впускают углекислый газ и выпускают кислород, но и очень эффективно выпускают водяной пар. Это может очень существенно осложнять жизнь растения, так как воду, теряемую через устьица, необходимо возмещать, высасывая ее из почвы. У некоторых пустынных растений во избежание такой ситуации устьица открываются только ночью, что сильно сокращает потерю воды во время жаркого дня. Но у них появляется другая сложность — для фотосинтеза требуются и углекислый газ, и солнечный свет. Получается классический замкнутый круг. В результате большинство растений балансируют процессы фотосинтеза и потери воды, непрерывно открывая и закрывая устьица на протяжении дня в зависимости от освещенности и влажности воздуха.
Устьица сформированы из двух «замыкающих» клеток, которые образуют пору и управляют ее открыванием и закрыванием, регулируя количество содержащейся в них воды. Когда замыкающие клетки набухают и раздуваются, пора между ними открывается, а когда они теряют воду и становятся дряблыми, пора захлопывается. Перемещение воды, влияющее на объем замыкающих клеток и, следовательно, на состояние устьица, регулируется комбинацией насосов и каналов. Повышение интенсивности света вызывает выкачивание положительно заряженных ионов водорода из клетки, создавая отрицательный потенциал на клеточной мембране. Это изменение мембранного потенциала, в свою очередь, открывает калиевые каналы, позволяя ионам калия входить в замыкающие клетки. Вода следует за ионами калия, так что замыкающие клетки увеличиваются в объеме на 40% и открывают пору устьица. Пока калиевые каналы открыты, пора не закрывается. Когда же уровень освещения падает или растение испытывает недостаток воды, калиевые каналы закрываются. Как следствие, вода уходит, замыкающие клетки сжимаются, и пора устьица закрывается.
В определенном смысле, управляя набуханием замыкающих клеток, калиевые каналы растения регулируют процесс фотосинтеза. Можно утверждать, что они самые важные ионные каналы на Земле. Я даже в каком-то смысле горжусь, что эти калиевые каналы относятся к тому же семейству каналов, к которому принадлежат и мои любимые каналы. У них, наверное, был общий предок, появившийся очень давно, еще до того, как царства животных и растений разделились. Жизнь на полосе для тихоходов
Удивительно, но некоторые растения не только имеют ионные каналы, но и могут генерировать потенциал действия. Однако электрические импульсы растений отличаются от нервных импульсов: они более продолжительны, распространяются медленнее и передаются другими ионами. Электрический импульс водоросли Nitella, например, инициируется не притоком положительно заряженных ионов натрия, а оттоком из клетки отрицательно заряженных ионов хлора. И это не случайно. В отличие от животных клеток клетки большинства наземных растений не плавают в соленой внеклеточной жидкости. Концентрация ионов очень низка в стенках клеток растений, и поэтому приток ионов натрия не может создать потенциала действия. Растению в результате приходится полагаться на отток ионов хлора.
Растения-хищники генерируют потенциал действия для захватывания добычи. Одним из самых интересных среди них является венерина мухоловка, любимый цветок Чарльза Дарвина. Это растение, как он отмечал в своих заметках, «удивляет быстротой и силой движений». Чтобы выжить на бедных азотом почвах болот, где она обитает, венерина мухоловка дополняет свой рацион мелкими насекомыми. Она завлекает их в «ловушку», образованную видоизмененным листом, которая состоит из двух ярко-красных долей, похожих на створки раковины моллюска, и окаймлена длинными розовато-зелеными волосками. В состоянии покоя ловушка заманчиво открыта. Но стоит неосторожной мухе сесть на ее сладкую, липкую поверхность, как две створки захлопываются, запирая насекомое внутри. Длинные волоски на кромке долей плотно сцепляются, как зубья крысоловки, не давая выбраться насекомым покрупнее. Мелкие насекомые могут протиснуться наружу, скорее всего потому, что с какой-нибудь крошечной мошкой просто энергетически невыгодно возиться, а большие насекомые медленно перевариваются и дают растению азот, так необходимый для синтеза его собственных белков. Примерно через семь дней ловушка открывается, выбрасывая непереварившиеся остатки.
Каждому, кто когда-нибудь пытался прихлопнуть муху, знает, что эти насекомые передвигаются быстро. Таким образом, чтобы поймать муху, венерина мухоловка должна двигаться еще быстрее. Для этого у нее в процессе эволюции сформировалась специальная электрическая сигнальная система. Каждая доля ловушки имеет несколько трехгранных волосков, выступающих над поверхностью и обладающих исключительной чувствительностью к прикосновениям. Если положение более чем двух таких волосков изменяется примерно в один и тот же момент, например в результате движения насекомого, то доли захлопываются так быстро, что и глазом моргнуть не успеешь2. Волоски снабжены механочувствительными ионными каналами, и прикосновение к ним приводит к генерированию потенциала действия, который распространяется по клеткам долей в направлении центра ловушки. В состоянии покоя доли ловушки вогнуты, но когда электрический сигнал достигает центральной части, они резко изменяют форму с вогнутой на выпуклую и образуют карман, запирающий добычу. О том, как именно это происходит, все еще идут споры, но в этом процессе участвуют ионные каналы, инициирующие перемещение ионов и воды, которое приводит к дифференцированному набуханию и сжатию клеток долей и, таким образом, к резкому изменению давления в листе.
