Король монстров и его радиоактивная диета

Знаете ли вы, что есть всего два малюсеньких отличия между способами питания Годзиллы и берёзы?

Q: Годзилла питается радиацией. Как такое вообще может быть?

Первое и самое главное, что надо понять: Годзилла – это не животное. Несмотря на то, что он внешне напоминает огромного ящера, он не имеет никакого отношения ни к динозаврам, ни к рептилиям, ни к позвоночным, ни вообще к царству Animalia. Это совершенно другая форма жизни, а её физиология намного ближе к (внимание!) растениям, чем к животным.

Инородность Годзиллы прекрасно отражена в фильме “Годзилла: Возрождение” (2016).

Радиация как источник энергии

Мало кто задумывается, но на Земле уже существуют организмы, которые умеют питаться радиацией. Это называется фотосинтез – способность усваивать энергию электромагнитного излучения. И гамма-радиация, и видимый свет – это электромагнитное излучение.

Суть фотосинтеза растений сводится к трём простым принципам:

Принцип №1. Вещества могут поглощать электромагнитное излучение; при этом один из их электронов переходит на более высокоэнергетическую орбиту.

Принцип №2. Некоторые вещества умеют напрямую передавать друг другу электроны.

Принцип №3. Когда вещества приобретают или теряют электроны, их свойства меняются: они могут менять цвет, плотность, способность реагировать с другими веществами и т.п.

Фотосинтез у растений происходит в специальных органоидах – хлоропластах. Внутри хлоропластов находятся тилакоиды – небольшие замкнутые ёмкости. И именно на мембранах тилакоидов происходит всё самое интересное.

Фотосинтез – это многоступенчатый процесс:

1. Свет попадает в фотосистему – один из её электронов поглощает излучение и поднимается на более высокую орбиту (принцип №1).
2. Приподнятый электрон менее устойчив, поэтому затаившийся неподалёку мобильный переносчик пользуется возможностью и выхватывает его из фотосистемы (принцип №2).
3. Свойства мобильного переносчика меняются, потому что он приобрёл электрон: он теряет связь с фотосистемой и уплывает (принцип №3).
4. Мобильный переносчик натыкается на протонный насос и передаёт ему электрон (принцип №2).
5. Протонный насос меняет свои свойства, потому что приобрёл электрон: сначала он присоединяет к себе протон, а потом меняет форму так, что протон переносится внутрь тилакоида (принцип №3).
6. Протонный насос передаёт электрон финальному акцептору (принцип №2), который уносит его прочь.

Фотосистема – зелёный, мобильный переносчик – красный; протонный насос – голубой; финальный акцептор электронов – коричневый; протоны – синие шарики, электроны – жёлтые шарики.

То же самое, но ещё проще: каждый раз, когда насос пропускает через себя электрон, он перекачивает один протон сквозь мембрану – поэтому, если подавать ему свежие электроны, он будет непрерывно работать и качать протоны. Для этого фотосистема жертвует своими электронами и передаёт их насосу через посредника-мобильного переносчика. А свет нужен для того, чтобы приподнимать электроны фотосистемы – иначе она не сможет их отдать.

Кстати, принцип №3 работает и для фотосистемы: она отдаёт свои электроны, а значит её свойства меняются: она становится более реактивной и стремится восполнить утрату. Чем больше электронов она отдаёт, тем больше в ней возникает электронных дырок, и тем злее она становится.

Наконец она становится настолько реактивной, что получает способность реагировать с молекулами воды. Она вырывает из них недостающие электроны и заполняет свои электронные дыры, а вода распадаются на протоны и кислород: кислород улетает, а протоны остаются плавать внутри тилакоида.

После этого фотосистема готова принимать новые световые удары.

Q: Ну и к чему мы пришли в итоге?

Весь этот футбол электронами нужен с единственной целью: запихнуть в тилакоиды как можно больше протонов. Тут вам и протонный насос, и фотосистема, которая время от времени разбивает две молекулы воды и высвобождает аж четыре протона в тилакоид.

Через минуту непрерывной работы фотосинтеза происходит следующее:

Тысячи протонов (которые, кстати, заряжены положительно и расталкивают друг друга с огромной силой) оказываются замкнутыми в узком пространстве. Это – своеобразная батарейка: теперь, если аккуратно выпускать протоны по одному из тилакоида, то они будут вырываться наружу с такой силой, что смогут совершать работу и питать энергией самые разные реакции.

Например, синтез АТФ.

Эта вертуха называется АТФ-синтаза: молекулярная машина, производящая молекулы АТФ – основной энергетический ресурс клеток.  Протоны, закаченные в тилакоиды в ходе фотосинтеза, начинают протискиваться наружу через ротор синтазы и раскручивают его, запуская производство АТФ.

Таким образом энергия света сначала конвертируется в напор протонов, а затем напор протонов конвертируется в АТФ.

Гамма-радиация – это такое же электромагнитное излученение, как и свет. Она точно так же несёт энергию и может поглощаться электронами.

Есть только два малюсеньких отличия.

Во-первых, гамма-излучение обладает просто невероятной проникающей способностью. Видимый свет, к примеру, полностью останавливается куском картонки. Вот почему растения вынуждены упаковывать фотосинтезирующую ткань в листья толщиной меньше миллиметра – будь она хоть немного глубже, до неё бы вообще не доходил свет.

Гамма-радиация, напротив, спокойно проходит сквозь древесину, бетон, металл, не говоря уж о мягких живых тканях. Поэтому Годзилле не нужна листва: он может поглощать радиацию всей толщей своего тела.

Поглощение видимого света растением против поглощения гамма-излучения Годзиллой. Видимый свет усваивается плоскостью, гамма-излучение усваивается объёмом.

Но не проникающей способностью прославилась гамма-радиация: Wi-Fi, в конце концов, тоже сквозь стены проходит. Огромная энергия – вот её ключевая особенность.

Каждый квант гамма-радиации несёт просто чудовищное количество энергии – в 10000 (!) раз больше чем видимый свет.

С одной стороны, это вроде и неплохо: чтобы прокормить такую громадину как Годзилла, двумя тысячами килокалорий не отделаешься.

Но.

Когда излучение обладает такой огромной энергией, оно становится ионизирующим: там где видимый свет всего лишь возбуждает электроны, гамма-излучение полностью вышибает их с орбит и отправляет в свободное плаванье. Причём делает оно это без разбору: белки, жиры, ДНК – всё что попадётся на пути. А поскольку гамма-радиация свободно проходит сквозь живую плоть, она бьёт по абсолютно всем органам и тканям на любой глубине.

Помните правило №3: когда молекула теряет электрон, её свойства меняются. Поэтому, как только белки или ДНК ионизируются, они тут же перестают работать. Межатомные связи, которые являются их каркасом, просто перестают существовать – молекула буквально рассыпается.

Однако главная жертва ионизирующего излучения – это даже не белки, и даже не ДНК. Вода.

При попадании в воду ионизирующее излучение вышибает из неё электрон, и молекула превращается в реактивную форму кислорода. Это чрезвычайно агрессивное химическое соединение с дырявой электронной орбитой, которую она стремится залатать любой ценой – в том числе выдирая электроны из белков, ДНК и других органических соединений. А поскольку живые клетки на 99% состоят из воды, этих монстров образуется целая туча.

Вся эта вакханалия с летающими во все стороны электронами и реактивными формами кислорода, которые ведут себя как собаки на терминальной стадии бешенства – вот причина, почему облучённые радиацией клетки не живут долго.

Чтобы существовать за счёт энергии гамма-радиации, Годзилла должен решать две задачи:

1. Преобразование ионизирующего излучения в химическую энергию (радиосинтез).
2. Защиту тканей и органов от гамма-лучей (радиозащита).

Гамма-радиосинтез

В растительном фотосинтезе молекулы напрямую передают друг другу электрон, а энергия света всего лишь слегка приподнимает его и делает доступным для перехвата. Никогда в ходе фотосинтеза электроны не находятся вне орбит атомов.

В радиосинтезе всё будет по-другому: сначала электрон будет полностью вышибаться из одной молекулы (ионизация); потом какое-то время свободно летать вне орбиты; и наконец встраиваться в орбиталь другой молекулы (рекомбинация).

Значит, в радиосинтезирующих клетках есть некие молекулы, которые поглощают гамма-излучение, ионизируются и высвобождают электроны; далее специальные электроносборочные комплексы отлавливают их и передают протонному насосу.

Место действия. Радиосинтез, как и фотосинтез, должен происходить на мембранах специальных ёмкостей (что-то вроде тилакоидов). Однако там, где тилакоиды растений упакованы в хлоропласты, у Годзиллы они плавают прямо в цитоплазме радиосинтезирующих клеток.

Помимо этого, есть ещё две существенные детали:

1. Гамма-тилакоиды намного крупнее тилакоидов растений и занимают практически весь объём радиосинтезирующих клеток.
2. В радиосинтезирующих клетках вообще нет ядер и ДНК: тот минимум генетической информации, без которого радиосинтезирующие клетки не могут существовать, хранится в небольших молекулах РНК, причём в нескольких копиях (вернее нескольких тысячах).

Почему это важно – об этом дальше.

Сравнение фотосинтезирующей клетки растений (слева) с гипотетической радиосинтезирующей клеткой Годзиллы (справа). В радиосинтезирующей клетке тилакоиды огромные и не вложены в хлоропласты. Помимо этого, в ней нет ядра, а генетическая информация хранится в молекулах РНК, плавающих в цитоплазме.

Донор электронов. Поглощать гамма-излучение и отдавать электроны будет не какой-нибудь специальный пигмент, а самая обычная вода. Это имеет смысл хотя бы потому, что вода в любом случае будет впитывать 99% всей радиации, и никуда от этого не деться.

При попадании гамма-фотона в молекулу воды от неё будет отваливаться электрон и улетать с огромной скоростью в произвольном направлении. При этом он может сталкиваться с другими молекулами воды и выбивать из них другие электроны. Получается мини-цепная реакция, когда электрон, выбитый радиацией из одной молекулы, может сам выбивать другие электроны из других молекул.

Когда гамма-фотон попадает в молекулу воды, он выбивает из неё электрон (жёлтый). Если выбитый электрон столкнётся с другой молекулой воды, то он выбьет из неё ещё один электрон.

Уже здесь начинает просматриваться существенная проблема использования ионизирующего излучения: оно очень хаотично. Если в фотосистеме растений электрон поглощает свет и поднимается на более высокую орбиту с заранее известной энергией, где его аккуратно перехватывает переносчик электронов – то в случае с гамма-излучением мы не знаем ни направления, ни скорости, ни энергии свободных электронов: они просто разлетаются во все стороны и творят что хотят.

Электроносборочный комплекс. Для того, чтобы рекомбинировать свободные электроны и передавать их протонным насосам, в клетках Годзиллы имеются специальные комплексы.

Протонные насосы – оранжевый; электроносборочные комплексы – тёмно-серый; финальный акцептор электронов – светло-синий.

Каждый из этих комплексов, во-первых, должен по-максимуму закрывать собой насосы и мембрану, чтобы избежать утечки свободных электронов; а во-вторых, должен обладать высоким сродством к электронам с  очень широким диапазоном энергий.

Q: А что именно происходит с молекулой воды после того, как она теряет электрон?

При идеальном раскладе, вода должна распадаться на протоны и молекулярный кислород (как и в фотосинтезе). Они не только безопасны, но и полезны сами по себе: кислород может использоваться в других клеточных реакциях, а протоны так и так надо закачивать в тилакоиды.

Проблема в том, что протоны и молекулярный кислород не являются основными продуктами радиоактивного разложения воды – в 99,9% случаев ионизированная вода превращается в уже упоминавшиеся реактивные формы кислорода. Более того, чтобы разложиться на протоны и кислород, одна молекула воды должна остегнуть сразу два электрона: маловероятно, что в одну и ту же молекулу ударят сразу два гамма-фотона с интервалом в меньше чем в миллисекунду.

Чтобы решить эту проблему, клетки Годзиллы должны растворять в воде особые комплексы-катализаторы, которые будут связывать промежуточные продукты распада воды и заставлять их превращаться в протоны и молекулярный кислород.

Когда гамма-радиация разбивает молекулу воды, её ошмётки тут же связываются с комплексом-катализатором (красно-розовый, или хз как этот цвет называется).

В итоге энергия гамма-радиации будет конвертироваться в протонный градиент: за счёт контролируемого разложения воды и работы тысяч насосов тилакоиды будут битком набиваться протонами в считанные секунды.

Q: Что дальше?

Дальше всё как у растений: вкаченные протоны под напором выходят из тилакоида и своим мощным потоком приводит в движение роторы какой-нибудь машинерии: например, АТФ-синтазы.

Показано направление потока электронов: когда протоны выходят из тилакоида через ротор АТФ-синтазы, начинает производиться АТФ.

Радиозащита

В первую очередь важно защитить от повреждений белки радиосинтезирующей ткани, которая принимает на себя основной удар радиации: если эти белки выйдут из строя, то всё описанное выше просто перестанет работать.

Опыт показывает, что белки (в отличие от ДНК) практически не подвержены прямому воздействию гамма-лучей: даже под запредельными дозами излучения они почти не ломаются. Однако, они крайне уязвимы к воздействию реактивных форм кислорода и моментально выходят из строя под напором этих тварей.

Обычно обезвреживанием этой пакости занимаются антиоксиданты: вещества, которые преобразуют реактивные формы в безвредные молекулы.

Однако внутри тилакоидов Годзиллы уже и так есть защита от реактивных форм – это катализаторы распада воды: те самые, которые связывают ошмётки воды после попадания гамма-лучей и заставляют их превратиться в протоны и кислород, а не в какую-нибудь иную дичь.

Получается, что катализаторы выполняют сразу две функции: с одной стороны, они обеспечивают выделение протонов из воды, а с другой выполняют антиоксидативную функцию, не давая ионизированной воде превратиться в агрессивные молекулы.

Q: А снаружи тилакоидов?

Вот тут уже не обойтись без антиоксидантов. Это может быть, например, сверхмощный дейноксантин – антиоксидант бактерии Deinococcus radiodurans, которая не дохнет даже под радиацией в миллион рад.

Более того, как упоминалось выше, тилакоиды Годзиллы занимают практически весь объём радиосинтезирующих клеток – а значит, почти вся вода в клетках будет внутри них.

Q: А что насчёт ДНК?

В радиосинтезирующих клетках её просто нет: когда они созревают, они утрачивают ядро и почти всю генетическую информацию. Те гены, без которых радиосинтезирующим клеткам не обойтись, хранятся в виде небольших молекул РНК, которые непрерывно копируются.

А если эти РНК ломаются, то клетка может делать одну из трёх вещей:

1. Просто избавляться от сломанных РНК и размножать их заново с тех копий, что уцелели.
2. Пытаться их ремонтировать: именно так поступает уже упомянутая Deinococcus radiodurans, которая умеет безошибочно восстанавливать молекулу ДНК из сотен ошмётков.
3. Импортировать РНК из других клеток.

Q: Окей, радиосинтезирующие клетки бессмертны. А а что насчёт других тканей и органов?

Всё очень просто: радиация до них вообще не достаёт. Абсолютно всё ценное: ДНК, стволовые клетки, жизненно важные органы и т.п. – всё это находится у Годзиллы внутри костей.

Напомню, с чего начиналась эта статья: Годзилла – это НЕ животное! Он не имеет никакого отношения ни к рептилиям, ни вообще к позвоночным. И потому нет вообще никаких оснований считать, что скелет Годзиллы должен выглядеть вот так:

Скорее всё должно выглядеть вот так:

Скелет Годзиллы (если это вообще можно назвать скелетом) – это самая настоящая броня толщиной в пять-десять метров с многочисленными вкраплениями из веществ, хорошо останавливающих радиацию. А полости внутри костей – это противоядерные бункеры, в которых заныканы стволовые клетки и все-все-все внутренние органы.

Даже мышцы Годзиллы крепятся изнутри костей. Снаружи скелета – только радиосинтетическая ткань.

Помимо радиозащиты, такое устройство скелета более логично по двум причинам:

1. Опять же, Годзилла – НЕ животное; с чего бы у него быть позвоночнику, рёбрам и лопаткам?
2. Обычный скелет просто не выдержит его массы (зацените скелет ног у нашей модели).

Q: Это же не канон – в фильмах показывали его скелет, и он выглядит обычно.

Не сказать, что у Годзиллы вообще есть единый канон: его природу и происхождение переписывали раз десять. Наше дело – выбрать самые правдоподобные из них.

Q: А что насчёт теплового луча изо рта?

Пожалуй, как-нибудь в другой раз…

Рекомендуемое чтиво:

Статья про Халка – ещё одного любителя ионизирующего излучения
Все статьи по спекулятивной биологии