Журнал далеко идущего

Дыхательные пигменты — это окрашенные органические вещества различного химического строения, способные в зависимости от условий связывать или освобождать молекулярный кислород, осуществляя таким образом транспортировку кислорода от органов дыхания к тканям и принимают участие в процессах биологического окисления и в окислительно-восстановительных процессах. Все земные организмы, имеющие более нескольких клеток, нуждаются в специальном виде внутренней или же частично внешней жидкости, транспортирующей необходимые для организма питательные вещества и определённые химические вещества, то есть в неком аналоги крови. Так в то время как один литр обычной морской воды при температуре тела около двадцати или тридцати градусов не может переносить такие необходимые для привычных нам форм жизни химические элементы как кислород или углекислый газ более чем на пять сантиметров, соответствующие пигменты могут иметь пропускную способность в пятьдесят раз выше, связывая кислород с молекулами на основе некоторых металлов. Единственной наиболее примечательной особенностью крови является её исключительно высокая способность переносить кислород, что становится возможным благодаря наличию определённого металлосодержащего пигмента, который присоединяется в качестве протезной группы к белку крови. Использование растворенного в воде кислорода одноклеточными или низшими многоклеточными животными организмами, обитающими в водной среде, осуществляется в результате его диффузии через клеточные мембраны. У более сложно организованных животных обеспечение организма кислородом происходит с помощью специальных дыхательных белков, переносящих кислород от органов дыхания к тканям. В случае известных нам земных организмов к таким белкам относятся гемоглобин, эритрокруорин, хлорокруорин, гемэритрин, гемоцианин и геликорубин ( миоглобин не способен переносить кислород, но участвует в его депонировании. Он очень похож на гемоглобин по структуре и последовательности, но не является тетрамером, вместо этого представляя собой мономер, который испытывает недостаток кооперативного связывания ). У многих видов встречающихся в земных условиях дыхательных пигментов простетической группой является железопорфириновый комплекс — гем. У большинства земных позвоночных гемсодержащими дыхательными пигментами являются гемоглобин, находящийся в эритроцитах и осуществляющий связывание, транспорт и высвобождение кислорода в тканях, и миоглобин, с помощью которого в мышцах откладывается и сохраняется некоторое количество кислорода, которого должно было бы быть достаточно для осуществления механической работы, производимой мышцами. Также помимо миоглобина в внутриклеточном депонировании кислорода принимают участие некоторые находящиеся в клетках каротиноиды. Пигмент обратимо соединяется с кислородом, улавливая его в легких или жабрах и доставляя в клетки, прежде чем отпустить. Этот процесс работает, потому что пигмент соединяется с кислородом при высоком парциальном давлении, находящемся в дыхательном органе организма, а затем высвобождает его при сравнительно низком давлении внутри клеток. Наиболее широко распространенным пигментом крови на Земле является гемоглобин (Hb), молекула которого состоит из порфиринового кольца с центральным атомом, прикрепленным к сгустку белка, называемого глобином. Гемоглобин содержится во всем животном мире, у всех позвоночных ( за исключением нескольких видов антарктических рыб ), а также в кровеносных жидкостях многих беспозвоночных, включая кольчатых червей, многих членистоногих и некоторых иглокожих, моллюсков и ракообразных. Это самый эффективный из известных носителей кислорода. На протяжении большей части столетия химики тщетно пытались создать вещества, которые могли бы работать лучше. В природе было обнаружено несколько других пигментов, которые, хотя и не столь эффективны, как гемоглобин, способны служить полноценными переносчиками кислорода в определённых природных средах. Так медьсодержащий пигмент гемоцианин, является вторым по распространенности после гемоглобина и содержится в крови различных моллюсков и членистоногих. В отличие от крови большинства млекопитающих, которая ярко-красная при насыщении кислородом в артериях и темно-красная при дезоксигенировании в венах, кровь на основе гемоцианина окрашена в синий цвет бедучи в артериях и такая же прозрачная и бесцветная, как вода в венах. Гемоцианин всегда находится в свободном движении в плазме крови, а не заключен в корпускулах, как относительно небольшие молекулы Hb. Этот белковый, непорфириновый пигмент крови на основе меди лишь примерно на 25% эффективнее гемоглобина в переносе кислорода. Могут ли достаточно сложные и требующие достаточно большое количество энергии формы жизни с голубой кровью существовать в других мирах? Да, так, возможно, они могли бы быть на планетах с высоким поверхностным давлением и обилием кислорода, где большая эффективность переноса кислорода не была бы такой высокой. Другим свободно плавающим дыхательным пигментом, обнаруженным у различных трубчатых кольчатых червей ( полихеты ), опять же с эффективностью Hb около 25%, является хлорокруорин. Раствор этого пигмента на основе железа окрашен в зеленый цвет при разбавлении, но приобретает ярко-красный цвет при более высоких концентрациях кислорода. Кровь одного вида, Serpula vermicularis, примечательна тем, что в ней используется двойная система гемоглобин/хлорокруорин. Гемеритрин — это железосодержащий белковый пигмент, содержащийся в крови некоторых морских червей, обитающих на дне, включая некоторых нематод и кольчатых червей, а также плеченогих. Обратимый переносчик кислорода, он тоже гораздо менее эффективен, чем гемоглобин. Кровь, содержащая этот пигмент, становится ярко-розовой или фиолетовой при насыщении кислородом, но становится бесцветной к тому времени, когда она достигает вен. Как и Hb, это небольшая молекула, которая должна быть ограничена корпускулами в кровотоке. Другой природный пигмент крови, хромаген ванадия, используется морскими звездами и асцидиями. Содержащийся в крошечных образованиях, известных как ванадоциты, он обычно придает крови яблочно-зеленый цвет, хотя он может измениться на синий или оранжевый в присутствии различных концентрациях оксидов ванадия. Дыхательные функции порфирина на основе меди, обнаруженного в перьях крыла Turacus indicus, и порфирина на основе коричневого цвета, известного как пиннаглобин, который содержится в крови моллюска Pinna squamosa, изучены менее хорошо. Другая разновидность гемоглобина, эритрокруорин ( от греч. erythrós — красный и лат. cruor — кровь ) представляет собой белковый комплекс из семьи из глобина, обеспечивающий транспортировку кислорода в организме кольчатых червей, дафний и некоторых других видов насекомых. Эритрокруорины и хлорокруорины связывают кислород, подобно гемоглобину с помощью железа ( каждый атом железа связывает одну молекулу кислорода ), однако в отличие от гемоглобина позвоночных, эритрокруорин находится не в составе эритроцитов, а в гемолимфе или плазме крови. Эритрокруорины, как правило, имеют значительно более высокую молекулярную массу ( 2.750.000—3.000.000 дальтон )( 3500 кДа ) за счёт того, что молекулы растворённого в крови пигмента обычно состоят из большого количества субъединиц, имеющих ту же простетическую группу, что и хлорокруорин и свободно присутствует в крови и целоме, и не инкапсулируется в клетках. Одним из основных примеров использования эритрокруорина в животном мере являются обыкновенные дождевые черви, чьи молекулы эритрокруорина состоят из двенадцати гетерододекамеров или ста сорока четырёх субъединиц глобинов A, B, C и D и тридцати шести связывающих белков, в то время как молекулы эритрокруорина в организме Daphnia magna состоит из шестнадцати субъединиц, несущих по две молекулы гема. Сродство эритрокруорина к кислороду выше, чем у гемоглобина, потому что он адаптирован к условиям гипоксии, которые преобладают в среде обитания животных, которые используют этот белок, например, в отложениях и прибрежных водах. Формы жизни в других мирах могут использовать различные комбинации любого из вышеперечисленных пигментов для доставки кислорода к своим клеткам, в результате чего кровь будет практически любого цвета. Тем не менее, запасы природных носителей кислорода на Земле далеко не исчерпывают того, что может быть возможно в других местах космоса. Несмотря на то, что обратимое связывание кислорода является довольно редким свойством, химикам удалось синтезировать Hb-подобные химические вещества, которые способны к обратимому соединению с кислородом. Например, простое соединение на основе железа функционирует в этом отношении довольно хорошо, как и порфириновые комплексы марганца и кобальта, неизвестные в земных системах дыхания. Был исследован широкий спектр гистидинов кобальта и "кобоглобинов", которые могут найти применение в инопланетной биохимии. На самом деле, есть некоторый прецедент для этого на Земле: витамин В12 представляет собой порфирин на основе кобальта. Кровь с кобоглобином была бы бесцветной или слегка розовой при обогащении кислородом, но темно-желтой или темно-янтарной будучи в венах. По сравнению с гемоглобином, кобоглобин обладает существенно меньшим сродством к угарному газу, но быстрее деградирует, так молекула кобоглобина теряет способность обратимо связывать кислород менее чем за сутки, по сравнению с неделями в случае человеческого гемоглобина, что впрочем не должно будет являться значительным препятствием для использования данного химического соединения в организме некоторых инопланетных организмов, поскольку миллионы человеческих клеток крови разрушаются и восстанавливаются каждую минуту нашей жизни, и не исключено, что инопланетные организмы могли бы развить более эффективный биохимический аппарат для переработки и восстановления пигмента крови, чем у земных животных. Также не является существенным фактором относительный дефицит кобальта по сравнению с железом, ведь в то время как кобальт всего на один процент так же распространен, как железо в земных морях, он примерно так же распространен, как фосфор, хлор и калий, все из которых распространены в биохимии млекопитающих. Более того, элементы медь и ванадий, содержащиеся в пигментах крови гемоцианине и хромагене ванадия, почти на порядок превышают кобальт в космосе и имеют сопоставимое обилие на поверхности планет. Ещё одна интересная, хотя и менее вероятная, аналог привычной нам крови заключается в использовании так называемого комплекса Вакса, представляющего из себя синтетическое, не встречающееся у каких бы то ни было земных организмов, вещество — транс-хлоркарбонилбис( трифенилфосфин )иридий(I), способное к обратимому связыванию с кислородом ( и рядом других веществ, таких, как галогены и галоген-производные метана ) и имеет лимонно-жёлтый цвет в свободном виде и оранжевый в связи с кислородом. Хотя оно нерастворимо в воде и других полярных средах, таких как жидкий аммиак и спирты, это не создает препятствий для его использования в крови, ведь хромаген ванадия, обнаруженный в асцидиях, также нерастворим в воде. В данном растворе соединение иридия поглощает один атом кислорода на молекулу, превращаясь из ярко-желтого в тускло-оранжевый. Реакция протекает не так быстро, как с комплексами кобальта, поэтому, использующим его организмам, потребуются более сложные лёгкие. При насыщении кислородом кровь на основе иридия должна быть защищена от света из-за её высокой чувствительности к ультрафиолетовому излучению под действием которого этот пигмент медленно разлагается в течение нескольких дней или недель при воздействии сильного света, постепенно меняя цвет с оранжевого на зеленый и, наконец, на глубокий голубовато-черный. Таким образом, инопланетные организмы с иридиевой кровью должны были бы иметь сосуды или само тело из непропускающего или отражающего ультрафиолетовое излучение вещества, или же проживать в плохоосвещаемых условиях с низким уровнем ультрафиолетового излучения ( в отсутствие света молекула остается стабильной в течение многих лет ). Данный химический комплекс на основе иридия обладает ещё одним свойством, представляющим интерес для астробиологов: он может обратимо связываться как с водородом, так и с кислородом. Вероятно, существует много других обратимо связывающих соединений, которые химикам ещё предстоит изучить, и мало внимания уделяется возможности внеземной жизни, использующей окислители, отличные от кислорода. На сегодняшний день химики едва ли рассматривали обратимое связывание хлора или серы. В земных условиях гемоглобин по-прежнему является наиболее эффективным известным переносчиком кислорода, хотя он может быть превзойден другими, если другие металлы будут более распространены или организмы, которые их развивают, будут обладать другими эволюционными преимуществами. Как обсуждалось здесь, во всяком случае, при более низких концентрациях кислорода в атмосфере ( px < 0.02 атм ) гемоцианин становится гораздо более эффективным вариантом для его переноса, чем гемоглобин. Хлорокруорин и гемеритрин имеют ряд некоторых особенностей которые не позволяют им в должной мере конкурировать с гемоглобином, кобоглобином или же гемоцианином, в то время как комплекс Васка более эффективен, чем несколько форм гемоглобина при px < 0,02 атм и px > 0,2 атм. Кобоглобин находится примерно на одном уровне с гемоглобином и немного эффективнее с px Тем не менее, в благоприятных условиях ( высокое атмосферное давление, высокая концентрация кислорода, высокая температура ) может потребоваться очень эффективный перенос кислорода, поэтому мелкие пигменты в любом случае могут процветать. В любом случае железу и меди отдается предпочтение перед другими металлами просто потому что их больше. Розовый ( железо - гемеритрин ) Красный ( железо - гемоглобин ) Оранжевый ( иридий - хлор-карбонил-бис (трифенилфосфин)-иридий ) Желтый ( кобальт - кобоглобин, иридий - хлор-карбонил-бис (трифенилфосфин)-иридий ) Зеленый ( железо - хлорокруорин ) Синий ( медь - гемоцианин ) Фиолетовый ( железо - гемеритрин ) Прозрачный ( кобальт - кобоглобин, железо - гемеритрин ) Коричневый ( марганец - пиннаглобин )