Гравитационная биология: тяжело ли жить без тяготения

«Мы не в состоянии избавиться от силы тяжести и поэтому навсегда останемся невежественными относительно ее роли в эволюции». Эта фраза, высказанная сто пятьдесят лет назад Ч. Дарвином, звучала как аксиома, означающая, что человеку никогда не суждено покинуть нашу планету… Увы, даже великие не всегда бывают пророками!

Ключевой факт, который был добыт нами в лаборатории и послужил поводом для немалых раздумий и последующих серий опытов, если его сформулировать в двух словах, ровным счетом ничего не скажет непосвященному, а потому не надо и пытаться это делать. Лучше начать издалека. С общих очертаний проблемы, стоящей перед исследователями, занятыми космической биологией и космической медициной, в том числе и перед нами.

Начнем с очевидного, с того, что живой организм подвергается постоянному натиску разнообразных агентов окружающей среды — температуры, света, давления, электрических и магнитных полей и т. д., и нормальная связь организма с окружением — главное условие выживания.

Сила тяжести — гравитация — один из таких агентов. Но это агент особенный. Можно предположить, что жизнь, населяющая и населявшая Землю, зародилась и эволюционировала в неизменном гравитационном поле Земли.

Что же произойдет, если вдруг исчезнет сила тяжести и наступит состояние невесомости? Как поведет себя животное или растение? Какие действия им нужно будет предпринять, чтобы приспособиться к новой ситуации?

С первых полетов в космос и до сегодняшнего дня ведется тщательный контроль за здоровьем человека во время его работы на борту космического корабля. Созданный за эти годы информационный банк данных о работе различных систем человеческого организма оказывает специалистам неоценимую услугу.

Стало возможно разработать и комплекс медицинских профилактических мероприятий, которые сейчас сами космонавты проводят на борту корабля.

Но проблема невесомости на борту корабля имеет еще одну важную сторону, о ней далее и пойдет речь.

Очевидно, еще долгое время, во всяком случае, в ближайшие несколько десятилетий, основным способом существования и работы человека в космосе будет его обитание внутри космических летательных аппаратов. Снабжение обитателей корабля водой, кислородом и пищей станет естественным и надежным, только если создать на корабле экологическую среду, миниатюрное подобие взаимосвязанного сообщества: человек — животное — растение — микроорганизм.

Но трудности, связанные с созданием такой системы, велики. Необходимо научиться выращивать, содержать и управлять развитием целых популяций различных организмов в замкнутом объеме, в невесомости. И притом добиться гармонического сосуществования всех обитателей «космического ковчега».

А для всего этого необходимо прежде всего выяснить, как растет и развивается каждый отдельно взятый представитель будущей экосистемы в условиях невесомости.

В свою очередь обратимся сперва к фактам, раскрывающим зависимость веса и размеров организмов, выросших в гравитационном поле. Такая зависимость, как известно, впервые была замечена еще Галилео Галилеем, который назвал ее принципом подобия. По прошествии почти трех столетий А. Томпсон попытался разъяснить этот принцип следующим образом: «Человек не может построить дом, а природа создать живое существо свыше определенных размеров без изменения конструкции или материала».

Но принцип подобия касается только крупных животных. А как относятся к силе тяжести более мелкие организмы? Пользуясь математическим аппаратом, Э. Поллард, в шестидесятых годах ХХ века обосновал гипотезу, которая вошла в теорию гравитационной биологии как «принцип Полларда». Суть этой гипотезы заключается в том, что гравитационным силам подвержены только такие тела, размер которых превышает один кубический миллиметр. При меньших размерах преобладающую роль в теле начинают играть силы молекулярного сцепления.

Многие исследования, проведенные в космосе на различных микроорганизмах, вирусах, бактериях и дрожжах, указывают на справедливость этой гипотезы. Было показано, что характер роста и развития микроорганизмов в космосе не отличается от такового на Земле.

Что происходит с организмом в невесомости? Как организм отвечает на отсутствие силы тяжести, приспосабливаясь к новым условиям? Почему приспособление идет именно по этому пути? И наконец, к какому новому состоянию приведет организм процесс адаптации? Вот главные вопросы, на которые должна ответить гравитационная биология.

Но организм, даже самый примитивный,— это сложная биологическая система, характеризующаяся строгой иерархией в уровнях своей организации. Для того, чтобы выявить конечный эффект влияния на живое существо какого-либо фактора, необходимо проследить за изменениями, происходящими в этой системе на всех уровнях — от целого организма до молекул, его составляющих. С другой стороны, как известно, в сложном, высокоорганизованном организме одновременно протекает большое число жизненных процессов. Среди них нам нужно отыскать и выбрать один — наиболее информативный, изучая который можно было бы проследить, каким образом организм приспосабливается к условиям среды.

Из вышесказанного ясно, что, исследуя реакции на невесомость на уровне целого организма, мы не сможем выявить биологических основ ее действия в силу нестабильности столь сложной системы. Если же мы примем в качестве исследовательского эталона молекулярные процессы, то не получим интересующих нас сведений в силу равнодушия молекулярных процессов к невесомости. Следовательно, остается «золотая середина» — клетка. Клетка обладает для наших целей двумя неоспоримыми достоинствами. Прежде всего — это самый низкий уровень организации живого, на котором физические сигналы внешней среды воспринимаются и трансформируются в физиологические импульсы. Другими словами, при изменении условий окружающей среды клетка способна перестроить протекающие в ней процессы соответствующим образом (ускорить, замедлить или направить по иному пути) необходимым для нормальной работы сообщества подобных клеток определенного органа.

Кроме того, живая клетка — это многокомпонентная, автоматически регулируемая система с обратной связью, способная одновременно вести до тысячи химических реакций. Если попытаться выделить главные задачи клетки в комплексе ее обязанностей, то среди них следует назвать контроль за правильной сборкой наследственных структур, синтез и транспортировку строительного материала по заданной программе, и выработку энергии. Причем эта, последняя ее деятельность наиболее подвижна и чувствительна к изменениям внешней и внутренней среды.

К сожалению, на сегодняшний день специалисты еще не имеют результатов экспериментальных исследований, которые были бы выполнены на клеточном уровне непосредственно в невесомости. Однако есть достаточно работ, сделанных в лабораториях на Земле, где были созданы условия, имитирующие невесомость. Такие исследования ведутся обычно на приборе, который называется клиностатом.

Обычно исследователи, работающие с клиностатом, имеют дело с высшими растениями — эти подопытные наиболее чувствительны к изменению вектора силы тяжести.

Но в самое последнее время при опытах, исследующих поведение живого в невесомости, особое внимание стали обращать на энергетические процессы в клетке. Ибо теперь очевидна их чрезвычайная чувствительность к любым изменяющимся условиям внешней среды.

Ответственность за энергетику в клетке несут митохондрии, которые принято называть энергетическими микростанциями. Состояние митохондрий служит надежным показателем энергетического потенциала клетки. И вот проведенные эксперименты показали, что в митохондриях, выделенных из проростков растений, выращенных на клиностате, скорость синтеза универсального клеточного источника энергии — молекул АТФ — ниже, чем в «контроле». В следующей серии экспериментов, выполненных в тех же условиях, было выявлено, что и расход этого соединения в опытном варианте ниже, чем в контрольном. Словом, оказалось, что при клиностатировании снижается и накопление, и расход АТФ.

Можно было предположить, что в невесомости снижается общий энергетический потенциал. Чтобы окончательно убедиться в этом, структуры митохондрий из подопытных растений были рассмотрены с помощью электронной микроскопии. И оказалось, что митохондрии в клетках растений, выращенных на клиностате, имеют большие размеры, содержат меньше мембранных структур и вследствие этого выглядят менее плотными. Примечательно, что митохондрии из клеток растений, выращенных в «настоящей» невесомости, в космосе на спутнике «Космос-936», имели структуру, сходную со структурой митохондрий из клиностата. Итак, предположение о сниженной энергетической активности, по крайней мере растений, при пониженной силе тяжести можно считать экспериментально подтвержденным.

Теперь оставалось решить более сложную задачу — выяснить, почему это происходит. Но прежде чем перейти к рассказу о дальнейших экспериментах, стоит, по-видимому, сказать несколько слов о биомембранах. Как известно, биологические мембраны, которые составляют основу всех без исключения клеточных структур и играют в жизни клетки определяющую роль, представляют собой слой липидов, обложенный с обеих сторон слоями белков. Нас будут интересовать липиды (жиры). Составная их часть — жирные кислоты, насыщенные и ненасыщенные, отличающиеся по своей химической структуре содержанием двойных связей между углеродными группами. Чем больше этих связей, тем более ненасыщенной является кислота.

Состав и количественное содержание насыщенных и ненасыщенных кислот определяет, в свою очередь, физико-химические свойства мембраны. Чем больше мембрана содержит ненасыщенных жирных кислот, тем она гибче и эластичнее, и, наоборот, чем больше в ней насыщенных кислот, тем жестче мембрана. От эластичных свойств мембраны зависит ее устойчивость к внешним воздействиям, в частности к механическим. Исследователи сейчас уже могут измерять прямое давление на мембрану. Э. Поллард провел оригинальный эксперимент. Было измерено действие прямого давления «гидростатического стресса», по терминологии автора, на мембрану низшего гриба. Оказалось, что мембраны этих организмов могут выдерживать весьма значительные нагрузки. И вот в зависимости от состава жирных кислот, входящих в мембрану, прочность ее может быть выше или ниже.

Однако при чем здесь мембрана, спросит читатель, ведь она относится к столь малым объектам, для которых гравитация как бы не существует? Действительно, вряд ли можно говорить серьезно о прямом влиянии на мембрану силы тяжести. Нас интересует сейчас другое, а именно — какие преимущества получает клеточная органелла, обладающая более гибкой мембраной. Очевидно, в первую очередь большие возможности изменять свой объем, более быстрые периоды сокращения — набухания. А такие обратимые изменения существенно повышают активность обмена веществ в клеточных структурах. И особое значение эти свойства имеют для митохондрий.

Как же обстоит дело с качественным и количественным составом жирных кислот в мембранах митохондрий из клеток растений, выращенных при измененной силе тяжести? Вот тут мы и подходим, наконец, к тому, ради чего написана эта статья.

Эксперименты, проведенные нами в лаборатории, показали: в клетках проростков, выращенных в условиях пониженной силы тяжести, мембраны митохондрий содержат больше ненасыщенных жирных кислот по сравнению с обычными, а следовательно, должны были бы обладать большей энергетической активностью. Но ведь это противоречит результатам предыдущих экспериментов. Еще более странными новые сведения выглядят на фоне данных, полученных в экспериментах, где прямо измерялась скорость поглощения растениями, выращенными на клиностате, углекислоты для фотосинтеза и кислорода для дыхания.

Оказалось, что большей скоростью дыхания и фотосинтеза обладают контрольные, а не опытные растения. Как же объяснить столь явную противоречивость результатов? А если предположить, что никаких отклонений от нормы в деятельности митохондрий в невесомости не происходит? Причина же снижения их энергетической активности — не повреждение структуры, а падение уровня энергообмена во всем организме. В справедливости такого предположения убеждают нас следующие обстоятельства: хоть интенсивность энергетики в «клиностатных» митохондриях и снижалась, пока окислялись субстраты, находящиеся внутри органеллы в момент измерения, способность их окислять добавленные извне субстраты никак не менялась. Кроме того, синтез АТФ, как говорилось, ведь уменьшался одновременно с ее расходом, и наконец, последующий анализ не обнаруживал каких-либо патологических изменений в структуре митохондрий, сформировавшихся на клиностате,— ни биохимическое, ни электронно-микроскопическое изучение не указывают на необратимые изменения в их мембранах.

Таким образом, по-видимому, можно предположить, что организм, живущий в невесомости, довольствуется меньшим количеством энергии! Это важный вывод, следствия из него еще предстоит изучить.

Но наши опыты подкрепляют еще одну более существенную мысль. Любые проявления живого неразрывно связаны с энергетическими превращениями. Точно так же и любое воздействие на организм «со стороны» затрагивает энергетические процессы. Именно поэтому энергетика оказывается не только показателем состояния живого существа, но, очевидно, и основным регулятором физиологических функций при отклонении их от нормы. А если так, то это сулит очень многое не только космической биологии и медицине, но и здравоохранению, и сельскому хозяйству. Возможно, самым перспективным направлением исследований окажется изучение энергообмена при дальнейшем познании механизма биологических эффектов невесомости, с тем чтобы научиться пресекать ее нежелательное влияние защитными мерами. В космических полетах продолжается процесс изучения особенностей развития растений и животных вне поля земного тяготения. В ходе этого процесса будет также обогащаться наше понимание законов существования живых существ на Земле.

Автор: М. Таирбеков, кандидат биологических наук.