Гравітаційна біологія: чи важко жити без тяжіння

«Ми не в змозі позбутися від сили тяжіння і тому назавжди залишимося неосвіченими щодо її ролі в еволюції». Ця фраза, висловлена сто п’ятдесят років тому Ч. Дарвіном, звучала як аксіома, що означає, що людині ніколи не судилося покинути нашу планету… На жаль, навіть великі не завжди бувають пророками!

Ключовий факт, який був здобутий нами в лабораторії і послужив приводом для чималих роздумів і наступних серій дослідів, якщо його сформулювати в двох словах, зовсім нічого не скаже непосвяченому, а тому не треба і намагатися це робити. Краще почати здалеку. З загальних обрисів проблеми, що стоїть перед дослідниками, зайнятими космічною біологією і космічною медициною, в тому числі і перед нами.

Почнемо з очевидного, з того, що живий організм піддається постійному натиску різноманітних агентів навколишнього середовища — температури, світла, тиску, електричних і магнітних полів і т.д., і нормальний зв’язок організму з оточенням — головна умова виживання.

Сила тяжіння – гравітація – один з таких агентів. Але це агент особливий. Можна припустити, що життя, що населяє і населяло Землю, зародилося і еволюціонувало в незмінному гравітаційному полі Землі.

Що ж станеться, якщо раптом зникне сила тяжіння і настане стан невагомості? Як поведе себе тварина або рослина? Які дії їм потрібно буде зробити, щоб пристосуватися до нової ситуації?

З перших польотів в космос і до сьогоднішнього дня ведеться ретельний контроль за здоров’ям людини під час її роботи на борту космічного корабля. Створений за ці роки інформаційний банк даних про роботу різних систем людського організму надає фахівцям неоціненну послугу.

Стало можливо розробити і комплекс медичних профілактичних заходів, які зараз самі космонавти проводять на борту корабля.

Але проблема невагомості на борту корабля має ще одну важливу сторону, про неї далі і піде мова.

Очевидно, ще довгий час, у всякому разі, в найближчі кілька десятиліть, основним способом існування і роботи людини в космосі буде її проживання всередині космічних літальних апаратів. Постачання мешканців корабля водою, киснем і їжею стане природним і надійним, тільки якщо створити на кораблі екологічне середовище, мініатюрну подобу взаємопов’язаного співтовариства: людина — тварина — рослина — мікроорганізм.

Але труднощі, пов’язані зі створенням такої системи, великі. Необхідно навчитися вирощувати, утримувати і управляти розвитком цілих популяцій різних організмів в замкнутому обсязі, в невагомості. І притому домогтися гармонійного співіснування всіх мешканців «космічного ковчега».

А для всього цього необхідно перш за все з’ясувати, як росте і розвивається кожен окремо взятий представник майбутньої екосистеми в умовах невагомості.

У свою чергу звернемося спершу до фактів, що розкривають залежність ваги і розмірів організмів, які виросли в гравітаційному полі. Така залежність, як відомо, вперше була помічена ще Галілео Галілеєм, який назвав її принципом подібності. Після майже трьох століть А. Томпсон спробував роз’яснити цей принцип наступним чином: «людина не може побудувати будинок, а природа створити живу істоту понад певних розмірів без зміни конструкції або матеріалу».

Але принцип подібності стосується тільки великих тварин. А як ставляться до сили тяжіння більш дрібні організми? Користуючись математичним апаратом, Е. Поллард, в шістдесятих роках ХХ століття обґрунтував гіпотезу, яка увійшла в теорію гравітаційної біології як «принцип Полларда». Суть цієї гіпотези полягає в тому, що гравітаційним силам схильні тільки такі тіла, розмір яких перевищує один кубічний міліметр. При менших розмірах переважну роль в тілі починають грати сили молекулярного зчеплення.

Багато досліджень, проведених в космосі на різних мікроорганізмах, вірусах, бактеріях і дріжджах, вказують на справедливість цієї гіпотези. Було показано, що характер росту і розвитку мікроорганізмів в космосі не відрізняється від такого на Землі.

Що відбувається з організмом в невагомості? Як організм відповідає на відсутність сили тяжіння, пристосовуючись до нових умов? Чому пристосування йде саме цим шляхом? І нарешті, до якого нового стану призведе організм процес адаптації? Ось головні питання, на які повинна відповісти гравітаційна біологія.

Але організм, навіть найпримітивніший, – це складна біологічна система, що характеризується суворою ієрархією в рівнях своєї організації. Для того, щоб виявити кінцевий ефект впливу на живу істоту будь-якого фактора, необхідно простежити за змінами, що відбуваються в цій системі на всіх рівнях — від цілого організму до молекул, його складових. З іншого боку, як відомо, в складному, високоорганізованому організмі одночасно протікає велика кількість життєвих процесів. Серед них нам потрібно відшукати і вибрати один – найбільш інформативний, вивчаючи який можна було б простежити, яким чином організм пристосовується до умов середовища.

З вищесказаного ясно, що, досліджуючи реакції на невагомість на рівні цілого організму, ми не зможемо виявити біологічних основ її дії в силу нестабільності настільки складної системи. Якщо ж ми приймемо в якості дослідницького еталону молекулярні процеси, то не отримаємо цікавих нам відомостей в силу байдужості молекулярних процесів до невагомості. Отже, залишається «золота середина» – клітина. Клітина володіє для наших цілей двома незаперечними перевагами. Перш за все — це найнижчий рівень організації живого, на якому фізичні сигнали зовнішнього середовища сприймаються і трансформуються у фізіологічні імпульси. Іншими словами, при зміні умов навколишнього середовища клітина здатна перебудувати протікаючі в ній процеси відповідним чином (прискорити, уповільнити або направити по іншому шляху) необхідним для нормальної роботи спільноти подібних клітин певного органу.

Крім того, жива клітина — це багатокомпонентна, автоматично регульована система зі зворотним зв’язком, здатна одночасно вести до тисячі хімічних реакцій. Якщо спробувати виділити головні завдання клітини в комплексі її обов’язків, то серед них слід назвати контроль за правильним складанням спадкових структур, синтез і транспортування будівельного матеріалу за заданою програмою, і вироблення енергії. Причому ця, остання її діяльність найбільш рухлива і чутлива до змін зовнішнього і внутрішнього середовища.

На жаль, на сьогоднішній день фахівці ще не мають результатів експериментальних досліджень, які були б виконані на клітинному рівні безпосередньо в невагомості. Однак є достатньо робіт, зроблених в лабораторіях на Землі, де були створені умови, що імітують невагомість. Такі дослідження ведуться зазвичай на приладі, який називається кліностатом.

Зазвичай дослідники, що працюють з кліностатом, мають справу з вищими рослинами – ці піддослідні найбільш чутливі до зміни вектора сили тяжіння.

Але в самий останній час при дослідах, що досліджують поведінку живого в невагомості, особливу увагу стали звертати на енергетичні процеси в клітині. Бо тепер очевидна їх надзвичайна чутливість до будь-яких мінливих умов зовнішнього середовища.

Відповідальність за енергетику в клітині несуть мітохондрії, які прийнято називати енергетичними мікростанціями. Стан мітохондрій служить надійним показником енергетичного потенціалу клітини. І ось проведені експерименти показали, що в мітохондріях, виділених з проростків рослин, вирощених на кліностаті, швидкість синтезу універсального клітинного джерела енергії — молекул АТФ — нижче, ніж в «контролі». У наступній серії експериментів, виконаних в тих же умовах, було виявлено, що і витрата цього з’єднання в дослідному варіанті нижче, ніж в контрольному. Словом, виявилося, що при кліностатуванні знижується і накопичення, і витрата АТФ.

Можна було припустити, що в невагомості знижується загальний енергетичний потенціал. Щоб остаточно переконатися в цьому, структури мітохондрій з піддослідних рослин були розглянуті за допомогою електронної мікроскопії. І виявилося, що мітохондрії в клітинах рослин, вирощених на кліностаті, мають великі розміри, містять менше мембранних структур і внаслідок цього виглядають менш щільними. Примітно, що мітохондрії з клітин рослин, вирощених в «справжній» невагомості, в космосі на супутнику «Космос-936», мали структуру, подібну до структури мітохондрій з кліностата. Отже, припущення про знижену енергетичну активність, принаймні рослин, при зниженій силі тяжіння можна вважати експериментально підтвердженим.

Тепер залишалося вирішити більш складне завдання – з’ясувати, чому це відбувається. Але перш ніж перейти до розповіді про подальші експерименти, варто, мабуть, сказати кілька слів про біомембрани. Як відомо, біологічні мембрани, які складають основу всіх без винятку клітинних структур і грають в житті клітини визначальну роль, являють собою шар ліпідів, обкладений з обох сторін шарами білків. Нас будуть цікавити ліпіди (жири). Складова їх частина – жирні кислоти, насичені і ненасичені, що відрізняються за своєю хімічною структурою вмістом подвійних зв’язків між вуглецевими групами. Чим більше цих зв’язків, тим більше ненасиченою є кислота.

Склад і кількісний вміст насичених і ненасичених кислот визначає, в свою чергу, фізико-хімічні властивості мембрани. Чим більше мембрана містить ненасичених жирних кислот, тим вона гнучкіше і еластичніше, і, навпаки, чим більше в ній насичених кислот, тим жорсткіше мембрана. Від еластичних властивостей мембрани залежить її стійкість до зовнішніх впливів, зокрема до механічних. Дослідники зараз вже можуть вимірювати прямий тиск на мембрану. Е. Поллард провів оригінальний експеримент. Було виміряно дію прямого тиску «гідростатичного стресу», за термінологією автора, на мембрану нижчого гриба. Виявилося, що мембрани цих організмів можуть витримувати досить значні навантаження. І ось в залежності від складу жирних кислот, що входять в мембрану, міцність її може бути вище або нижче.

Однак при чому тут мембрана, запитає читач, адже вона відноситься до настільки малих об’єктів, для яких гравітація як би не існує? Дійсно, навряд чи можна говорити серйозно про прямий вплив на мембрану сили тяжіння. Нас цікавить зараз інше, а саме — які переваги отримує клітинна органела, що володіє більш гнучкою мембраною. Очевидно, в першу чергу великі можливості змінювати свій обсяг, більш швидкі періоди скорочення — набухання. А такі оборотні зміни істотно підвищують активність обміну речовин в клітинних структурах. І особливе значення ці властивості мають для мітохондрій.

Як же йде справа з якісним і кількісним складом жирних кислот в мембранах мітохондрій з клітин рослин, вирощених при зміненій силі тяжіння? Ось тут ми і підходимо, нарешті, до того, заради чого написана ця стаття.

Експерименти, проведені нами в лабораторії, показали: в клітинах проростків, вирощених в умовах зниженої сили тяжіння, мембрани мітохондрій містять більше ненасичених жирних кислот в порівнянні зі звичайними, а отже, повинні були б володіти більшою енергетичною активністю. Але ж це суперечить результатам попередніх експериментів. Ще більш дивними нові відомості виглядають на тлі даних, отриманих в експериментах, де прямо вимірювалася швидкість поглинання рослинами, вирощеними на кліностаті, вуглекислоти для фотосинтезу і кисню для дихання.

Виявилося, що більшою швидкістю дихання і фотосинтезу володіють контрольні, а не піддослідні рослини. Як же пояснити настільки явну суперечливість результатів? А якщо припустити, що ніяких відхилень від норми в діяльності мітохондрій в невагомості не відбувається? Причина ж зниження їх енергетичної активності – не пошкодження структури, а падіння рівня енергообміну у всьому організмі. У справедливості такого припущення переконують нас наступні обставини: хоч інтенсивність енергетики в «кліностатних» мітохондріях і знижувалася, поки окислялися субстрати, що знаходяться всередині органели в момент вимірювання, здатність їх окислювати додані ззовні субстрати ніяк не змінювалася. Крім того, синтез АТФ, як говорилося, адже зменшувався одночасно з її витратою, і нарешті, подальший аналіз не виявляв будь-яких патологічних змін в структурі мітохондрій, що сформувалися на кліностаті,— ні біохімічне, ні електронно-мікроскопічне вивчення не вказують на незворотні зміни в їх мембранах.

Таким чином, мабуть, можна припустити, що організм, що живе в невагомості, задовольняється меншою кількістю енергії! Це важливий висновок, наслідки з нього ще належить вивчити.

Але наші досліди підкріплюють ще одну більш істотну думку. Будь-які прояви живого нерозривно пов’язані з енергетичними перетвореннями. Точно так само і будь-який вплив на організм «з боку» зачіпає енергетичні процеси. Саме тому енергетика виявляється не тільки показником стану живої істоти, але, очевидно, і основним регулятором фізіологічних функцій при відхиленні їх від норми. А якщо так, то це обіцяє дуже багато не тільки космічній біології і медицині, а й охороні здоров’я, і сільському господарству. Можливо, найперспективнішим напрямком досліджень виявиться вивчення енергообміну при подальшому пізнанні механізму біологічних ефектів невагомості, з тим щоб навчитися припиняти її небажаний вплив захисними заходами. У космічних польотах триває процес вивчення особливостей розвитку рослин і тварин поза полем земного тяжіння. В ході цього процесу буде також збагачуватися наше розуміння законів існування живих істот на Землі.

Автор: М. Таїрбеков, кандидат біологічних наук.