В механизме жажды — ключ к долголетию?

Источник материала:

— Эта «рыбка» поймалась совершенно неожиданно, — объясняет доктор биологических наук, профессор Владимир Реуцкий. – Мы пытались измерить динамику потребления растением воды, для чего создали оригинальную установку, но попутно с ее помощью нашли ответы на фундаментальные вопросы, связанные с работой механизма снабжения клетки влагой. Знать это важно, поскольку перед наукой открывается возможность ускорить селекцию, синтез средств защиты растений и стимуляторов физиологических процессов, подбор оптимальных условий для развития сельскохозяйственных культур, сделать более оперативным и точным мониторинг полей, лугов и лесов.

Называя свой успех неожиданным, Владимир Григорьевич явно скромничает. С тех пор, как в 80-е годы прошлого века американцами были сенсационно открыты аквапорины – специализированные белки, регулирующие прохождение воды через клеточные мембраны, предметом поиска тысяч ученых во всем мире стала расшифровка функций этих белков. В исследования включилась и возглавляемая им лаборатория водного обмена растений Института экспериментальной ботаники НАН Беларуси. Так что, работая над экспериментальной установкой, он, конечно же, думал не только о прикладной стороне дела, но и о расшифровке самих принципов природного механизма водного обмена. И удача ему улыбнулась. 

Но прежде чем поведать о том, чем обогатил теорию белорусский ученый, необходимо все же рассказать об уникальной установке, аналогов которой в мире нет и без которой новое слово в науке едва бы состоялось. Она позволила решить неразрешимую прежде задачу –  оценить происходящее в живой клетке растения, не вскрывая лист и не вторгаясь в нее никакими инструментами. 

Для оценки потребления и расхода воды клетками требовалось измерить всего два параметра: как изменяется объем взятой у растения частицы листа по мере наполнения его водой и как изменяется при этом вес образца. Когда прикинули, с какими величинами при этом придется иметь дело, то выяснилось, что точность измерений следует выдерживать на уровне полмикрона! И потому биологи обратились к ученым Объединенного института физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси, где разрабатываются и изготавливаются самые точные на сегодняшний день датчики, используемые в системах ориентации и позиционирования  космических аппаратов и астрономических приборов. Именно эти уникальные датчики, а также технические решения, предложенные учеными Физико-технического института НАНБ, позволили создать компьютеризированную сверхточную измерительную систему. 

Пока этот прибор существует в единственном экземпляре, но уже практически готовы пять его дублеров, которым в институте найдется дело для работы с полной загрузкой. Ведь заказов на проведение уникальных исследований, сокращающих цикл тестирования новых средств защиты растений с нескольких лет до нескольких часов, ожидается много. В перспективе же, считают ученые, такие приборы могут быть в распоряжении каждого агронома. 

Ну а теперь вернемся к результатам многолетнего поиска физиологов. Как и предполагал Владимир Григорьевич, эксперименты показали, что белки-аквапорины, расположенные в клеточной мембране, делятся на два типа. Одни играют роль водных каналов, а другие выполняют работу насосов, перекачивая воду в клетку. При этом выстроенные прибором графики работы насосов совершенно четко рисовали зависимость интенсивности перекачки воды от степени воздействия на растение каким-либо фактором – гормонами, гербицидами или просто изменением температуры. Если растение чувствовало себя хорошо, то клеточные насосы включались дружно, и это отражал график, где появлялся характерный след. Но как только растение начинало испытывать дискомфорт, насосы работали медленнее, и линия графика существенно менялась. Анализируя эту картину, компьютер легко рассчитывает, какое внешнее воздействие наиболее благоприятно сказывается на динамике водного обмена, которая в свою очередь свидетельствует о жизнеспособности растения. 

Впервые проведенные на таком высоком уровне исследования механизма водного обмена позволили обратить внимание на одну чрезвычайно важную особенность. Оказалось, что от работы насосов-аквапоринов зависит скорость наработки органического вещества. Как только снижается объем прокачиваемой через клетку воды, поступление в нее углекислоты моментально тормозится. Стало быть, самый важный для растения газ поступает в клетки не в процессе диффузии прямо из воздуха, а накачивается вместе с водой насосами-аквапоринами. Отсюда становится понятной и та неуемная жадность, с которой зеленый росток способен поглощать влагу. 

Новый взгляд на природу водного обмена, убежден Реуцкий, во многом меняет основные физиологические принципы в биологии. И это имеет отношение не только к растительному миру, но и к физиологии животных и человека, клетки которых также несут в себе подобные белки. Ведь что такое старение? Это активное обезвоживание, которое начинается именно с поломки аквапоринов. Стало быть, здесь и надо искать ключ к долголетию, а также и к лечению многих заболеваний. 

По мнению ученого, новые знания могут быть использованы и в технике, которая всегда заимствовала идеи у природы. Например, никто до сих пор не может объяснить, почему вода поднимается по капиллярам дерева на десятки метров. Ведь присасывающая сила испарения листьев, которой приписывают этот подвиг, способна на самом деле поднять ее лишь на десяток сантиметров. Но вода об этом не знает и движется, хотя, если делать расчеты, исходя из традиционных представлений, она обязана закипать из-за чудовищного перепада давления, в капиллярах должна возникать губительная кавитация. 

По Реуцкому, сформулировавшему изящную гипотезу природы явления, роль такого сверхнасоса должны выполнять все те же аквапорины. Эффект, как он считает, можно смоделировать, и тогда появятся нанонасосы, способные, например, без затрат энергии поднимать воду на последние этажи небоскребов, обеспечивать фантастический КПД технических систем. Ведь такой насос, в отличие от широко известного погружного, поднимает воду не подталкивая ее снизу вверх, а поднимает ее более экономичным механизмом – сверху, и при этом водяной столб не разрывается от перепада давления. 

Впрочем, технические приложения идей Владимира Реуцкого будут уделом других специалистов. Он биолог, а потому все планы на ближайшие годы связывает со своей дисциплиной. Вот, например, оснастив лабораторию установками, займется изучением воздействия на насосы-аквапорины физиологически активных веществ. Актуальная задача – исследование взаимодействия растений и грибов, образующих продуктивный симбиоз. Надо бы обстоятельно рассмотреть и влияние света на работу аквапориновых насосов. Да и мало ли какие проблемы подбросит жизнь?