Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер Страница 23

«За два дня я получил результаты, которые не знал, как объяснить», – сказал он мне.

После того как мы пообедаем, наш уровень метаболизма повышается на 50 %, пока мы перевариваем пищу. Так же дело обстоит у большинства других млекопитающих. Но у гремучих змей в опыте Секора он подскочил в семь раз. Полученный результат побил все известные рекорды по уровню пищеварительного метаболизма. Но и этот рекорд пал, как только Стивен перешел от гремучих змей к питонам. Если он скармливал питону количество крыс, равное четверти питоньей массы, уровень метаболизма змеи подскакивал десятикратно. Некоторых питонов Секор кормил до тех пор, пока они не поглощали столько крыс, сколько весили сами. Их уровень метаболизма возрастал в 45 раз! Для сравнения: когда лошадь от полной неподвижности разгоняется до галопа, ее уровень метаболизма возрастает примерно в 35 раз. Но лошадь не может скакать галопом долго, она быстро выдыхается. А вот питон, переваривая пищу, расходует энергию со скоростью лошадиной скачки на протяжении двух недель.

Теперь перед Секором встала еще более трудная загадка: каким образом змеи умудряются так разогнать свой метаболизм и куда именно они девают всю эту энергию? Путь к ответу лежит через желудок, который вырабатывает соляную кислоту, необходимую при расщеплении пищи. У нас он выделяет несколько порций соляной кислоты в день, поскольку мы приспособлены к регулярным приемам пищи. Но постящийся питон не вырабатывает ее вовсе. Жидкость у него в желудке нейтральна, наподобие воды. Как только Хайди в день моего посещения проглотила первую крысу, ее желудок получил сигнал к обильному выделению свежей кислоты. К тому моменту как голова крысы дошла до конца пищевода змеи, утроба рептилии была уже готова приступить к растворению пищи.

Этот кислотный потоп был лишь одним из множества изменений, которые претерпела Хайди, заполучив крысу. Внутренние органы питона стали расти, чтобы справиться с внезапной пищевой лавиной. Секор установил, что тонкая кишка змеи за сутки удваивается по массе, а похожие на пальцы ворсинки клеток этой кишки удлиняются в шесть раз. Когда полупереваренная крыса поступает в кишечник, он уже готов усваивать глюкозу, аминокислоты и прочие питательные вещества, а затем переправлять их в кровоток. Печень и почки тоже увеличивают свою массу вдвое, готовясь к предстоящей работе – запасать питательные вещества и удалять отходы. А сердце вырастает на 40 % – чтобы перегонять дополнительный груз сахаров и других питательных веществ по всему организму.

Но это открытие еще больше озадачило Секора. У него не было адекватного ответа на вопрос, как же змеи перестраивают свое тело. Их анатомия и биохимия в принципе те же, что у любых позвоночных. У них есть печень, желудок и сердце, устроенные во многом так же, как наши. У них в основном те же типы клеток, что и у нас, – от нейронов до иммунных клеток, уничтожающих патогены. Многие из змеиных генов почти неотличимы от наших – они кодируют те же гормоны, ферменты и нейромедиаторы. Секор заподозрил, что змеи умеют переделывать себя столь радикально не потому, что у них есть необычные гены, а потому, что нашли своим генам необычное применение. Их генетический оркестр использует те же инструменты, что и наш, но играет по другим нотам.

Когда клетки выполняют какую-то работу, будь то борьба с вирусом или же построение костного вещества, они вначале считывают определенные гены, а затем, основываясь на их последовательности, синтезируют белки. Некоторые из этих генов кодируют белки, которые действуют подобно центральному рубильнику: цепляясь к другому гену, они включают его. Эти гены способны, в свою очередь, кодировать следующие рубильники. Регуляторный белок может в конечном итоге запускать сотни генов, синтезирующих тьму белков, которые совместно выполняют сложные задачи. Секор выдвинул гипотезу, что змеи применяют свои регуляторные белки каким-то особым способом. Но, чтобы проверить ее, исследователю понадобилось бы отследить у своих змей активность генов. В начале 2000-х гг., когда Секор стал искать поддержки, генетики говорили ему, что это бесполезная затея.

«Я спрашивал: "Почему бесполезная?", – вспоминал он. – А они отвечали: "Потому что это нереально сделать. Понадобится много-много лет, ибо вам придется выдергивать каждый ген, а затем разбираться, как он работает"».

В 2010 г. Секор наконец нашел генетика, который не отмахнулся от него, – Тодда Касто. В то время Касто занимался в Медицинской школе Колорадского университета секвенированием небольших участков ДНК рептилий. Секор и Касто вместе приступили к делу, собрав команду исследователей для секвенирования полного генома тигрового питона. Завершив работу, они получили в свое распоряжение как каталог генов, так и их карту, которыми можно было руководствоваться в исследованиях. Отныне стало возможным отслеживать активность генов в период перестройки организма змеи для пищеварения.

Касто и Секор принялись собирать образцы мышечной и других тканей питонов, регистрируя в образцах матричную РНК, которую производили клетки. Они сверялись со своим каталогом и сопоставляли найденную мРНК с генами в геноме питона. Секор и его студенты сравнивали активность генов у змей до и после еды, чтобы выявить изменения, связанные с метаболизмом. Исследователи ожидали, что включаться будут два-три десятка генов. Но змеи проворачивали куда более масштабную трансформацию.

Ученые обнаружили, что в течение 12 часов после того, как крыса оказывалась внутри питона, у него включались несколько тысяч генов в самых разных органах. Многие из них работали совместно, активируя метаболические (или, по-другому, сигнальные) пути, известные для множества других видов. Когда змея питается, включаются, например, пути, которые у большинства животных участвуют в процессах роста. Другие связаны с реакцией на стресс. Третьи – с выработкой белков, необходимых для ремонта поврежденной ДНК.

Благодаря активации генов, запускающих сигнальные пути роста, змеи способны увеличивать размер своих внутренних органов, чтобы подготовиться к перевариванию крупной порции пищи. Но образование миллиардов новых клеток за считаные часы может повредить змеям. Клетки растут так быстро, что иной раз производят и испорченные белки – источник клеточного стресса. Подобные молекулы могут болтаться в клетках, повреждая их ДНК. Змеям необходимо исправлять клеточные повреждения, и эта задача еще сильнее повышает метаболическую цену пищеварения.

Следующую неделю или даже две Хайди предстояло переваривать сегодняшний обед. В общей сложности она затратит треть содержащейся в крысе энергии только на то, чтобы ее переварить. Змея будет сжигать топливо так интенсивно, что температура ее тела поднимется. На инфракрасном приборе ночного видения питон будет выглядеть столь же теплокровным, как и живая крыса. Однако это не бесполезная трата топлива, ведь в метаболическом горниле Хайди еще останутся две трети энергии крысы для собственных питоньих нужд. Кровь змеи насытится жирными кислотами в концентрации, смертельной для человека. Клетки всего ее организма усвоят кальций, аминокислоты и сахара, полученные из добычи. Хайди нарастит мускулатуру, кости скелета, запасет новый жир.

А чтобы дожить до следующей крысы, которую даст ей Дэвид Нельсон, Хайди разберет свое телесное оборудование, экстренно созданное для того, чтобы переварить еду. Ее диковинные, включившиеся на время генетические каскады отключатся. Ее органы уменьшатся до прежнего размера. Клетки в кишечнике змеи втянут свои ворсинки. Она извергнет все, что осталось от крысы, – шерстяной валик – и вступит в новый затяжной период полного поста. В основе этого гипертрофированного цикла лежит простая логика, но он столь чужд нашему опыту, что может показаться диким даже маститому ученому. Иногда Секор демонстрировал снимки кишечника некормленых змей патологам. Он указывал на съежившиеся и втянутые ворсинки и спрашивал, что, по мнению врачей, происходит со змеями.