ВОДА И СОЛЬ:

происхождение жизни, здоровье и болезни

Юрий Викторович Наточин, профессор, академик РАН, Институт эволюционной физиологии и биохимии РАН, Санкт-Петербургский гос. университет

Возникновение живых существ неразрывно было связано с водой и неорганическими веществами, прежде всего ионами металлов – таких, как натрий, калий, кальций. Протоклетка появилась на Земле около 4 млрд лет назад, позднее возникают многоклеточные организмы, появляются жидкости внутренней среды, системы регуляции их состава. Важнейшим достижением эволюции стало формирование системы стабилизации физико-химических параметров околоклеточной среды в очень узких, строго контролируемых значениях. Это позволило живым организмам освоить моря и пресные воды, сушу и воздушное пространство. Высшие интеллектуальные достижения, работа мозга требует исключительной стабильности физико-химических параметров внутренней среды.

В лекции Юрия Наточина рассказано о новой гипотезе среды происхождения жизни, о новых достижениях в понимании механизмов пептидной регуляции мембранного транспорта ионов, об организации водно-солевого обмена, обеспечивающего наше здоровье и новые подходы к лечению его нарушений. Эти проблемы имеют очень широкое биологическое значение – от миграции камчатского лосося и русского осётра до лечения инсульта и ночного энуреза, от профилактики нарушений при полёте человека в космос до механизмов перераспределения белков в организме при длительном голодании.

Вот, что он рассказал.

"Недавно купил учебное пособие для подготовки к ЕГЭ. В нём прочитал то, что абсолютно не соответствует никаким представлениям о водно-солевом обмене и работе почек человека. Расскажу об этом чуть позже. Но это упоминание принципиально для понимания природы водно-солевого обмена в организме…

…Примечательно, что китайцы называют физиологию словосочетанием, которое можно перевести как «логика жизни». И точно: для того чтобы понять логику жизни, нужны и физика и химия, биология, литература и искусство. Задача знания даже в большей степени – уметь оценить чудо.

Жизнь не из моря?

Первое, что хотелось бы уяснить для себя: жизнь действительно зародилась в море? Во всех энциклопедиях и учебниках указано, что жизнь зародилась в воде мирового океана в палеозойскую эру. Этому учат в университетах. Когда говорили о рождении жизни, то упоминали первую молекулу белка. Но не было речи о том, какой была среда, в которой возникала жизнь. Для того чтобы из аминокислот был синтезирован полипептидный компонент, огромное значение имеет солевой компонент среды.

В начале 80-х вышла книга Александра Сергеевича Спирина, в которой пишется об ионах, имеющих значение в синтезе белка. Оказывается, для синтеза белка in vivo in vitro необходимы магний и калий. А ионы натрия и лития не могут заменить их. Более того, они антагонисты, ингибируя работу белок синтезирующей системы. То есть в воде, богатой ионами натрия, не может появиться жизнь.

И вот однажды, двенадцать лет назад, когда между Петербургом и Москвой ещё не ходили «Сапсаны», и я ездил на «Авроре» - поезде, позволявшим спокойно подумать, задал себе вопрос: как же возникла жизнь, если вокруг натриевая среда? Каким образом можно загнать в клетку калий, если нет подходящего ионного насоса?

Размышления мои совпали со временем, когда меня пригласил академик Эрик Мих. Галимов в программу изучения эволюции. И пришёл к выводу – среда жизни не могла быть натриевым морем. Предположительно это должен быть калиевый водоём. Только в этом случае можно создать первую полипептидную цепочку, а потом и первые элементы живой системы. Земля возникла 4,4 млрд лет назад. Первые живые организмы появились около 4-х млрд лет назад. Мы экспериментально доказали, что первая полипептидная цепь могла возникнуть именно в калиевой среде.

Каким же образом произошла адаптация калиевой клетки к натриевым морям? Предполагаю, что выжили те клетки, у которых появилась мембрана натриево-калиевого обмена. В результате появились две группы живых организмов: растения и животные. Последние сразу придумали для себя систему обеспечения стабильности околоклеточной среды. А растительные клетки такую систему обеспечили каждая для себя. Прогресс у животных связан с тем, что животные создали почку – систему поддержания внутренней среды.

Наша красота - в почках

Обратите внимание на такие цифры. Каждый из людей на поддержание стабильности внутренней среды тратит до 20% энергии. Я подсчитал соотношение калия и натрия во Вселенной, в океане и в плазме крови. Во Вселенной – 0,05, в океане – 0,02, в плазме крови человека – 0,035. И только в клетках отношение в 30 раз больше. Размер полипептидной цепи когерентен размеру калия, а не натрия. Красота живых организмов (наших девушек в первую очередь) запрограммирована системой регуляции каждой клетки. И это не шутка или красивая фигура речи. Это факт. Объёмы и пропорции живых тел, их частей и тканей и самих клеток запрограммирован и постоянны. Любое изменение объёма связано с клиническими нарушениями и приводят к тяжёлым последствиям.

Постоянство систем регулируется кровью и внеклеточными жидкостями. Их количество и качество обусловлено работой солевых желез и почек. Только у человека и у млекопитающих почка способна обеспечить осмотическую стабильность внутренней среды. У животных без почек есть солевые железы – органы опреснения. Солевой состав крови у рыб почти такой же, как у нас, но в море солёность и осмотическое давление внешней среды в 3-4 раза выше. Рыбы для жизни получают пресную воду через клетки, которые находятся в жабрах. Такая же система имеется и у морских птиц и черепах. У них есть солевые железы, расположенные около глаза или у носовой полости. Почка млекопитающих также отчасти несёт ту же функцию.

Но есть рыбы, которые могут обитать с морях только с определённым уровнем осмотического давления. Так, осетровые не случайно обитают в Каспийском море. Их нельзя переселить в Чёрное море или добавить черноморские воды в каспийские, как когда-то хотели у нас. Потому что уровень солёности Каспия другой, нежели в Чёрном море.

Почка состоит из двух частей: корковая и мозговая. В мозговом веществе повышается осмотическое давление жидкости. За счёт высокого осмотического давления обеспечивается движение околоканальцевой жидкости и вода всасывается по осматическому градиенту.

Для того чтобы человек влюблялся, играл, ел, спал и работал ннеобходимо поддерживать гомеостаз - постоянство внутреннего состояния. Эта проблема была сформулирована ещё Клодом Бернаром (Claude Bernard; 1813-1878; Коллеж де Франс). Он считал, что крайне важна стабильность вокруг клеток. В организме есть специальные осморецепторы, которые регистрируют осмотическое давление околоклеточной жидкости. В мозгу, в гипоталамусе, вырабатывается нонапептид – вазопрессин. Этот гормон вырабатывается в случае повышения осмотического давления. Он подходит к почке, и та начинает всасывать в себя воду. Осмотическое давление некоторых животных превышает 9 тыс. миллиосмолей, т.е. около 220 атм. на мм ткани. В крови – 300-330 мОсм.

Тонна крови в сутки!

В сутки через почки каждого человека проходит более тонны крови, в её канальцах фильтруется более 180 л жидкости. А выделяет человек в сутки 1-2 л. То есть почка в основном занята сохранением постоянства внутренней среды. Рецепторы вазопрессина регулируют транспорт ионов калия, натрия и воды. В почке неравноценны мембраны, обращённые к крови, и мембраны, обращённые в просвет канальца. В первой есть рецептор, взаимодействующий с гормоном, далее в клетке образуется циклический аденозинмонофосфат (АМФ), а на противоположной мембране встроены водные каналы (аквапорины) и активируются ионные каналы. Таким образом, эти процессы разделены внутри клетки.

Важно, что вода поступает в клетку только по осмотическому градиенту. Активный транспорт воды в природе никто не описал.

Человек не может долго находиться без воды. Когда-то выходила в свет книга «За бортом по своей воле» (1953, рус. пер. 1959) Алена Бомбара (Alain Bombard, 1924-2005), который более двух недель пробыл без пресной воды в море. Ему повезло, он выжил. Дело в том, что почка человека не может выделять жидкость, осмоляльность которой выше, чем морская вода. (Концентрация растворённых частиц в 1 л раствора – осмолярность, в 1 л воды – осмоляльность. - Прим. В.Ш.)

Осторожно: соли!

Нарушения в водно-солевом обмене выражаются в отёках, развитии остеопороза, гипертензии, ночном энурезе и т.д. Например, такие нарушения очевидны у девушек, снявших туфли после напряжённого рабочего дня (или даже танцев). Серьёзные последствия после обычного приёма воды могут наступить у наркоманов. Вплоть до летального исхода. (Не потому ли скончалась известная американская певица Уитни Хьюстон? - В.Ш.) Тяжёлые отёки наблюдаются у больных сердцем, а также у людей, которым сделали экстракорпоральное оплодотворение. У последних трудно лечить отёки с такой этиологией.

В некоторых случаях детской пневмонии летальность достигает 30%. Детям с высокой температурой начинают давать воду. Те отворачиваются, сжимают зубы. (И правильно делают: организм сам чувствует, что ему следует делать.) Тогда им начинают вводить физраствор. И в этом случае летальность возрастает. Оказалось, осмотическое давление крови при пневмонии у детей падает. В лёгких выделяется пептид, похожий на вазопрессин. Подобный эффект, кстати, наблюдается и при некоторых раковых заболеваниях. Почка начинает всасывать воду. Чтобы этого не происходило, надо блокировать водные каналы нефронов почки. Нам это удалось сделать – количество осложнений при пневмонии резко уменьшилось.

Другой случай. Как-то нам потребовалась кровь. Были тяжёлые времена, ничего не достать. Нам предоставили её. Оказалось, она была получена от больных ишемическими инсультами. Нам пришла в голову мысль исследовать гемопрепарат. Обнаружили, что осмоляльность их крови у них намного выше, чем у здоровых. Я посмотрел, как зависит осмоляльность крови от длительности пребывания больного в клинике. Она повышалась. И на седьмой день больные погибали. Это возникало из-за того, что врачи вводят геморастворы (гепариновой группы? - В.Ш.), чтобы уменьшить отёк мозга. Не измеряя осмоляльность. В результате больные умирали от гиперосмоляльного шока. Надо было менять тактику лечения. Что мы и рекомендовали врачам. Летальность в больницах уменьшилась в 2-3 раза. Сложность в том, что всё это происходило с больными без сознания, они не могли рефлекторно контролировать приём воды за счёт питья и тем самым регулировать осмоляльность своей крови.

Попутно отмечу вот что. Самый сильный диуретик (мочегонное) – фуросемид. Можно создать ещё более действенный диуретик? Да. Фуросемид блокирует приёмный канал в клетке-нефроне (этот транспортёр находится на мембране), который пропускает через себя натрий, калий и фтор. Мы создали препарат, который работает с подобными каналами в 50 тыс. раз интенсивнее за счёт вторичного посредника, которые перекрывает мембранные транспортёры изнутри. И тут я должен предупредить любителей быстрого похудения: приём таких препаратов регламентирует только врач. Мало того, что к таким препаратам происходит привыкание, они и очень опасны. Бывают нарушения водного обмена, бывают – ионного. Можно ли использовать пептид для селективной блокады отдельных видов рецепторов? Нам удалось получить лекарственный препарат на основе агинин-вазотацина. Он очень нужен при диализе, при почечной недостаточности, когда у больного наблюдается гиперкалимия.

Почка - фабрика гормонов

Чем же занимается почка? Избавиться от лишних жидкостей - только одна из её многих функций. Когда-то в 60-е годы был создан хороший аппарат для гемодиализа, который хорошо очищал кровь, а больной через год-два всё равно умирал. Оказалось, что почка выделяет огромное число гормонов. Она обеспечивает важную метаболическую функцию. В почке трансформируются все неправильные белки. Она регулирует липидный обмен. Тогда когда это нужно, она вырабатывает столько же глюкозы, сколько в 6 раз большая печень. Поэтому ответ в ЕГЭ на вопрос о функции почки, что она выделяет из организма вредные вещества – совершенно неверный.

Главная функция почки – не выделение, фильтрация, а поддержание гомеостаза. Почка знает, чего недостаёт в организме и поддерживает баланс нужных химических соединений. Она выделяет гормоны, которые регулируют артериальное давление и адсорбцию натрия (нитраты влияют на сокращение / увеличение просвета сосудов. При психических или физических нагрузках сосудам следует расширяться, что пропуска большего количества крови. Это так называемая ренин-вазопрессивная система. – Прим. В.Ш.)

Почка выделяет эритропоэтин, количество эритроцитов в крови – головная боль почки. Раньше больных давали рыбий жир, но ведь витамин D3 вырабатывает почка! Она же вырабатывает тромбопоэтин, количество которого регулирует свёртываемость крови. Поэтому вариант ответа на этот вопрос в ЕГЭ о том, что почка вырабатывает гормоны, – более правильный ответ. Надо шире понимать функции почки.

Ещё один вопрос. Есть гормоны – инкретины. Они вырабатываются в кишечнике. Оказалось, что они очень важны не только в глюкозном, но и в водном и хлорном обменах. При введении его глюконоподобного аналога – эксенатида – ускоряется выведение воды и натрия из почки.

Регуляция давления
и распределение крови

Наши работы касались и проблем космонавтики. В невесомости кровь приливает от ног в грудной отдел. А при возвращении на Землю почка наоборот отбрасывает кровь в нижние конечности, но для головы крови не хватает. Поэтому космонавтов раньше выносили на носилках из спускаемого аппарата. Специальный почечный препарат решил эту проблему.

Изучение почки помогает и в борьбе с аллергией. Чужеродный белок всасывается в кишечнике и поступает в почку. Почка должна расщепить его до аминокислот. Но не всегда это у неё получается. В экстремальных же условиях она способна это делать успешно. Этим объясняется, как выживали люди в блокадном Ленинграде. Жизненно важные органы – сердце и мозг – получали нужные белки и продолжали функционировать.

Сколько пить воды?

Столько, сколько чувствуете нужным. Лучший датчик у вас, но не перебирайте и не пейте сразу много. Если пить больше, то несколько снижается опасность коронарных проблем, а также рака мочевого пузыря и кишечника. Обращать нужно внимание на чистоту выпиваемой воды. Сейчас стали больше пить из-за рекламы".

Ответы на вопросы

- В 30-е годы был создан грамицидин (антибиотик тиротрициновой группы). Из мочи беременных женщин выделяли вещество, на которые возлагались надежды по продлению жизни. В советском правительстве пытались принимать такой препарат.

- Юрий Наточин: Подобные исследования в области почки с целью обретения препарат по продлению жизни у нас не проводятся. Сдержанно отношусь к таких намерениям. Следует правильно понимать, для чего нужна почка. В 1948 г. советский академик Штерн одна занималась (всех других расстреляли) проблемой энцефалического барьера и пыталась создать эликсир продления жизни.

- Сегодня можно было бы спасти Юрия Андропова?

- Можно. В те годы даже меня позвали, я был в курсе дела. Я знал Герта Кулакова (специалиста по гемодиализу). Впрочем, в случае с Андроповым были уже очень серьёзные проблемы... Но я хочу сказать о другом. В 1965 г. ко мне из Англии приехали Д. А. К. Блэк и Х. Э. де Уорденер, два крупнейших британских нефролога. Они рассказали мне об успешной пересадке почки в их стране. Спустя несколько лет мы вновь встретились, в Америке. Они подошли ко мне: «Вы помните, мы рассказывали вам о пересадке почки?» «Конечно, помню». «Так вот, спустя 27 лет после пересадки реципиент умер. Но знаете от чего? Погиб в автокатастрофе». Это показатель уровня, которого достигали специалисты при грамотном ведении дела. Тот человек был на гемодиализе.

- Чем помогли детям, которые болели пневмонией?

- Ваптан уменьшает действие вазопрессина. В таких ситуациях надо не воду выводить, а нормализовать осмотические давление, не использовать физраствор, а блокировать аквапорин в нефронах.

- Вы говорили, что первые белки должны были зародиться в калиевой среде. Что это могло быть?

- Этим вопросом занимался упомянутый мною Эрик Мих. Галимов. При образовании Земли могли появиться калиевые озёра. Дело в том, что в процессе геогенезиса неорганические частицы и мелкие льдинки, сталкиваясь, разогревались и содержали больше калия, чем натрия. Другой вариант – геотермальные источники. Уже потом могли появиться первые живые организмы с противонатриевой мембраной клеткой. Они и смогли расселиться по Земле.


Материал подготовил Виктор Шергин. Статья не является научной публикацией и носит ознакомительный характер. Подзаголовки Виктора Шергина.
Использованы репродукции слайдов из презентации Юрия Наточина


Читайте другие статьи о Фестивале науки 2015 г.:

«Сколько просвещения на Фестивале науки?»

«Нейронаука за спиной искусственного интеллекта: почему наш разум не может быть выгружен на внешние носители?»

«Обыкновенное чудо генетики»

«Культурные традиции у китов и дельфинов»

«Судьба писателя как текст: Достоевский vs Толстой»

Добровольное кораблекрушение

Ален Бомбар планировал пересечь Атлантику с яхтсменом Джеком Палмером из Панамы, другом и товарищем по монакскому плаванию. Но в день отплытия напарник не явился на причал. Утром 19 октября 1952 г. Бомбар поцеловал новорождённую дочь и отплыл на надувной лодке (длина 4,5 м), названной им «Еретик». Позже экспериментатор объяснил такое название лодки. Ведь многие относились как к еретическим его утверждениям, что человек может жить одними дарами моря и пить солёную воду. В океане Бомбар выжил благодаря пойманным рыбам, используя их и как пищу, и как источник пресной воды. Для этого он выжимал воду из них лично сконструированным насосом. Впрочем, маленькими дозами он пил и морскую воду, чередуя её с пресной. За 65 дней перехода Ален Бомбар из-за обезвоживания потерял более 25 кг собственного веса.

P.S. Звучание французского слова naufrage ("нёфраж") так напоминает "нефро-лог"!