Сколько энергии нужно для истребления земной жизни?
Чтобы полностью уничтожить жизнь на Земле, рядом с Солнечной системой должна взорваться сверхновая, или же к нам должен прилететь особо крупный астероид из главного пояса.
Когда говоря о конце света, обычно подразумевают конец человечества или земной жизни вообще. Для человечества будет достаточно атомной войны, но человечество – далеко не вся земная жизнь. Конечно, для крупных животных и растений все тоже закончится печально, но не будем забывать, что жизнь – не только то, что видно невооруженным глазом.
Чтобы стерилизовать Землю, нужна катастрофа воистину космических масштабов – например, падение крупного астероида. Это еще один из популярных сюжетов, и ему, надо сказать, в прошлом предшествовали вполне реальные прецеденты; считается, что именно астероид спровоцировал мел-палеогеновое массовое вымирание, случившееся около 65 млн лет назад.
Тогда с лица Земли исчезли динозавры и вообще почти все крупные и средние наземные животные, в целом земное биоразнообразие утратило 75% видов. Астероид, конечно, не сам их всех убил – вслед за падением в океанах поднялись цунами, прошли землетрясения, в воздухе сформировались плотные облака, которые довольно долго отражали какую-то часть солнечного тепла, способствуя сильным климатическим изменениям.
И все же, несмотря на астероид, погибли далеко не все (а те, кому не повезло, вероятно, сами заранее ступили на путь вымирания). И вот исследователи из Оксфорда и Гарварда захотели подсчитать, сколько нужно энергии, чтобы вообще избавить от жизни планету земного типа. Они исходили из того, что наиболее надежный способ истребить жизнь – это избавиться от океанов, потому что даже в случае «очень ядерной зимы» или исчезновения атмосферы океан все равно останется неким оазисом жизни (и даже сможет потом восстановить атмосферу). В общем, для полного и окончательного катаклизма океаны нужно превратить в пар – для чего, согласно расчетам, требуется 6x1022 Джоулей.
Чтобы понять, о каком количестве энергии идет речь, портал Science пишет, что это в триллион раз больше энергии, которая нужна для взлета космического шаттла, и в несколько сотен раз больше всей энергии, которую человечество потребляет за год. В статье в Scientific Reports говорится, что такую катастрофу мог бы устроит астероид размером с Весту (около 512 км в поперечнике) или Палладу (около 525 км в поперечнике) – оба крутятся в главном астероидном поясе между Марсом и Юпитером. Но встреча с такими космическими телами нам не грозит.
Другой вариант – вспышка сверхновой неподалеку, то есть где-то на расстоянии 0,13 световых лет. Но, как уверяют астрофизики, ближайший кандидат в сверхновые находится от нас в 30 раз дальше. Еще один вариант – гамма-всплеск, масштабный космический выброс энергии, достаточно близкий и достаточно сильный, чтобы превратить всю воду в пар. Но такие мощные гамма-всплески случаются никак не ближе миллиардов световых лет от Земли.
Свои «катастрофические» расчеты авторы работы примеряли к самым устойчивым созданиям на планете: помимо бактерий, это еще и странные существа по имени тихоходки. Про тихоходок мы неоднократно рассказывали: они выдерживают температуру жидкого кислорода (-193 °С) и давление 6000 атмосфер, и способны даже перенести дозу радиоактивного излучения, которая более чем в тысячу раз больше той, что смертельна для человека. Тихоходок отправляли в открытый космос, откуда многие из них возвращались живыми и даже сравнительно успешно размножались.
Против Весты или сверхновой они не выстоят, но более мелкие катаклизмы земная жизнь в их лице вполне переживет. Конечно, для человека-то хватит и более мелких «катаклизмов», многие из которых он вполне может устроить себе сам, но в любом случае тут можно утешиться тем, что по крайней мере тихоходки на Земле все-таки останутся.
.
Высокий социальный статус делает стресс сильнее
Стрессу подвержены все, но все – по-разному: кто-то быстро впадает в депрессию, кто-то оказывается более устойчивым. Разумеется, тут многое зависит не только от индивидуального устройства мозга, но и от обстоятельств жизни – например, от социального положения.
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны экспериментировали с мышами, которые, как и люди, по-разному чувствовали себя в сложных психологических обстоятельствах: например, некоторые мыши после череды социальных конфликтов в прямом смысле уходили в себя и начинали избегать всяких контактов (что можно расценить как депрессию), а некоторые, напротив, продолжали оставаться социально-активными, несмотря на разочарования в общении.
Мышей выбрали генетически идентичных, которых с рождения держали в одинаковых условиях, так что различия в реакции на стресс нельзя было объяснить ни особенностями генетики, ни разным рационом питания и т. д. Животных, однако держали в клетках по четыре особи в каждой, и в группе рано или поздно появлялась иерархическая структура: какая-то мышь становилась доминантной, а каким-то приходилось соблюдать субординацию.
Мышам из одной и той же клетки по очереди устраивали несколько социальных конфликтов с посторонними. И вот оказалось, что в условиях, когда приходится постоянно нервничать, доминантные особи быстрее замыкались в себе, начиная избегать окружающих, кем бы они ни были. А мыши более низких рангов проявляли к стрессу более высокую устойчивость, оставаясь общительными, несмотря на постоянные конфликты.
В статье в Current Biology говорится, что мозг мышей с разным статусом отличался по активности обмена веществ. В спокойной обстановке у доминантных мышей уровень веществ, которые получаются при энергетическом метаболизме, был выше, чем у животных с более низким рангом.
Под действием стресса картина менялась – этих самых веществ становилось больше у мышей-подчиненных. Авторы работы проверяли на предмет метаболизма не весь мозг, а центр удовольствия и среднюю префронтальную кору.
Центр удовольствия входит в систему подкрепления, от которой зависит чувство награды, целеполагание и мотивация к какой-либо деятельности; активность системы подкрепления зависит от социального положения; кроме того, она реагирует на стресс. И изменения в метаболизме были видны именно в центре удовольствия, но не в средней префронтальной коре, отвечающей за планирование.
Объяснить неустойчивость доминантных мышей к стрессу можно тем, что они в случае конфронтации оказываются в положении, когда их собственный социальный статус становится неустойчивым. Для субординантных мышей, напротив, конфликт не означает «крушения миропорядка»: они привыкли к тому, что есть на свете другие мыши, которые могут дать им по голове, в прямом и переносном смысле. И изменения в мозговом обмене веществ, скорее всего, просто подтверждают, что мозг низкоранговых мышей способен мобилизоваться и преодолеть неприятную ситуацию.
Хотя эксперименты ставили на мышах, авторы работы полагают, что их результаты могут пригодиться в клинике. Например, по уровню соответствующих веществ в человеческом мозге можно оценить, насколько конкретный человек способен сопротивляться стрессу, и не надо ли ему прописать какого-нибудь лекарства, активирующего метаболизм в мозге, чтобы можно было справиться со стрессом и не впасть в депрессию.
С другой стороны, тут можно вспомнить другое исследование, о котором мы писали в конце прошлого года: тогда в Science появилась статья, в которой утверждалось, что низкий социальный ранг подталкивает иммунитет к хроническому воспалению.
Собственно депрессию в той статье не обсуждали, однако известно, что между иммунитетом и депрессией есть определенная связь. Как видим, вопрос о социальном статусе и стрессе весьма непрост: возможно, тут стоит отличать, так сказать, стресс рутинный, сопутствующий обычной жизни низкорангового индивидуума, и стресс уникальный, когда происходит именно что смена социальных ролей.
Да и не стоит забывать, что реакции у разных животных на социальный стресс могут отличаться: в исследовании про «низкоранговый иммунитет» речь идет об обезьянах, а их мозг и их социальная жизнь устроены явно сложнее, чем у мышей.
.
Как растения защищаются от солнца
Избыток солнечного света вредит растениям так же, как и всем живым организмам, и, чтобы защититься от ожогов, у растений и водорослей есть свой солнцезащитный механизм.
Как мы знаем, солнечную энергию ловит пигмент хлорофилл: свет выбивает электрон из молекулы пигмента, и этот электрон начинает путешествие по сложной цепи молекул-переносчиков.
Перебрасывание электрона с молекулы на молекулу даёт энергию, необходимую для превращения углекислого газа в углеводы (кислород же является побочным продуктом реакции). Однако если на хлорофилл приходит слишком много света, он перевозбуждается и делается опасен: такой хлорофилл генерирует активные формы кислорода, повреждающие биомолекулы и органы клетки – иными словами, начинается окислительный стресс.
Чтобы такого не случилось, в клетках растений и зеленых водорослей есть сложный белковый комплекс LHCSR1 (light-harvesting complex stress-related 1 – светособирающий стрессовый комплекс 1). Его открыли несколько лет назад, и до последнего времени про него известно было только то, что он сидит в мембранах хлоропластов, взаимодействует с хлорофиллом и каротиноидами (которые тоже могут поглощать свет), и что у LHCSR1 уходит совсем немного времени, от нескольких секунд до нескольких минут, чтобы войти в солнцезащитный режим. Но как именно он это делает, удалось узнать только сейчас.
Исследователи из Массачусетского технологического института вместе с коллегами из Веронского университета с помощью специального метода микроскопии сумели понаблюдать за превращениями одного-единственного LHCSR1 в условиях разной освещенности. Как и у всякого белка, у LHCSR1 есть определенная пространственная форма, и полипептидные цепи, образующие белковый комплекс, уложены так, чтобы переключаться между двумя функциональными состояниями.
В статье в Nature Chemistry говорится, что в тени светозащитный комплекс передает все фотоны, которые к нему приходят, дальше, на фотосинтетический аппарат. Когда же солнце выходит из-за туч, трехмерный «портрет» LHCSR1 меняется почти мгновенно. Но меняется он не непосредственно из-за избытка фотонов.
В ходе реакций фотосинтеза молекулы воды Н2О расщепляются с образованием ионов водорода Н+. Когда света становится много, система фотосинтеза работает активнее, и ионов водорода становится много. Среда вокруг комплекса LHCSR1 становится слишком кислой, что, в свою очередь, влияет на взаимодействия аминокислот в его полипептидных цепях – и в итоге разные части комплекса сдвигаются друг относительно друга. И вот в таком новом состоянии LHCSR1 превращает энергию света в тепло – хотя подробности того, как он это делает, еще не вполне ясны.
Фотозащитное состояние обеспечивает еще и фермент, который тоже реагирует на повышение кислотности и меняет структуру каротиноидов, взаимодействующих с LHCSR1. То есть LHCSR1 и сам из-за кислотности переходит в нужное состояние, и еще каротиноиды его в этом поддерживают.
Главное, что тут удалось показать – как у белка получается так быстро переключаться из обычного состояния в фотозащитное; и здесь, конечно, нельзя было обойтись без разгадывания особенностей его молекулярной структуры. Обратный переход, кстати, происходит уже не так быстро: чтобы LHCSR1 перестал рассеивать свет в тепло, должно пройти несколько часов.
Для растений, конечно, важнее отреагировать на избыток солнечной энергии, чтобы им от него не стало плохо, и они легко пренебрегают тем, что из-за медленного переключения в обратную сторону снижается эффективность фотосинтеза.
Однако если речь идет о сельскохозяйственных культурах, то тут перед нами появляется возможность ускорить прирост биомассы, модифицировав фотозащитную систему. Так, в прошлом году мы писали о том, как улучшили фотосинтез растениям табака, но в той работе этого удалось добиться, пересадив табаку дополнительные гены, регулирующие фотозащиту.
Зная, как работает сам белок LHCSR1, можно усовершенствовать его собственную структуру, чтобы он не только быстро включался, но и быстро выключался, повышая активность фотосинтеза.
.
Изменено: - 20.07.2017 23:40:03


