Эти химерные клетки имели преимущества перед другими в океанах нашей планеты. Имея на борту специальную бактерию, производящую энергию, эти гибридные клетки превосходили других в борьбе за превращение энергии в потомство. Наличие внутреннего бактериального двигателя стало нормой. Каждое животное на Земле сегодня, от червей до осьминогов и слонов, пользуется результатами этого великого скачка эволюции. Как и другие животные, мы тоже являемся носителями потомков тех спасительных аэробных бактерий в наших клетках. Это митохондрии.

Революционную идею о том, что митохондрии развились из симбиотических бактерий, поддержала Линн Маргулис, дальновидный эволюционный биолог. Ученые еще в XIX веке признали визуальное сходство между митохондриями и микроорганизмами, которые они рассматривали через микроскоп, и предположили возможность бактериального происхождения этих органелл, но именно Маргулис первой дала этой идее жизнь. В 1960-х годах она написала эпохальную статью, посвященную этой теории. Более дюжины журналов отказались от ее публикации, потому что посчитали текст возмутительным, но исследовательница не сдавалась. В последующие десятилетия стало ясно, что абсурдная идея Маргулис была абсолютно верной.

Митохондрии внутри клеток сохраняют собственную странную петлю ДНК – предательский след их бактериального прошлого. И мы покорно кормим их и ухаживаем за ними, как за драгоценными домашними животными, наше сердце и легкие снабжают митохондрии кислородом и забирают отходы CO2 (см. Рис. 2.1). Без них и магии окислительного фосфорилирования мы не смогли бы поддерживать энергетическую экстравагантность, которую считаем само собой разумеющейся. Жизнь никогда не превратилась бы в тот огромный зверинец, который мы видим сегодня.

Кислород является основным ингредиентом окислительного фосфорилирования именно потому, что он похищает электроны – именно эта характеристика делает его таким разрушительным. O2 является конечным акцептором электронов в так называемой цепи переноса, транспортной системе, которая пропускает их вдоль внутренней мембраны митохондрий, вытягивая ионы водорода в межмембранное пространство (см. Рис. 2.1). Без кислорода цепь переноса электронов останавливается, цикл Кребса возобновляется и митохондрии выключаются. Когда электроны соединяются с O2 в конце этого процесса, они притягивают ионы водорода, образуя воду, Н О. Митохондрии образуют больше одной чашки воды в день (около 300 мл) из кислорода, который вы вдыхаете.

Вне конкуренции

На фундаментальном уровне макронутриентов и митохондрий пути и способы производства АТФ у всех животных (включая человека), по существу, одинаковы. Рисунок 2.1 в равной степени применим к тараканам, коровам и жителям Калифорнии. И все же за почти два миллиарда лет, прошедших с тех пор, как на сцену вышли аэробный метаболизм и митохондрии, эволюционировало поразительное множество видов, и все они использовали одну и ту же основную метаболическую структуру. Обмен веществ ускорялся и замедлялся, корректировался и формировался, подпитывая энергией организмы, чтобы они двигались, росли, размножались и восстанавливались. Как мы видели в предыдущей главе, эти метаболические изменения существенным образом повлияли на развитие нашего вида.

Теперь, когда мы понимаем метаболические основы, которые являются базовыми у всех животных, давайте исследуем способы, которыми эволюция сформировала их, чтобы поддержать биоразнообразие. Давайте посмотрим, куда могут доставить нас кислородные двигатели и как они функционируют изо дня в день в реальном мире. Сколько энергии мы действительно расходуем каждый день, и на что она тратится? Сколько энергии нужно, чтобы пройти километр, побороть простуду или родить ребенка? Можем ли мы действительно ускорить метаболизм с помощью кофе, диеты или суперфудов? Как нашему организму удается обеспечить необходимое количество топлива для удовлетворения ежедневных потребностей? И почему метаболические двигатели изнашиваются и выходят из строя? Является ли смерть неизбежной ценой сжигания калорий, сделкой с дьяволом за возможность танцевать среди живых?

И самое главное: как много нужно пробежать, чтобы избавиться от чувства вины из-за съеденного пончика?

Глава 3
Чего мне это будет стоить?

Глубоко в лесу, примерно в получасе езды от Бостона, на территории списанного ракетного полигона времен Холодной войны, расположен тайный зверинец странных существ, где серьезные исследователи трудятся над разгадкой тайны жизни. Это гарвардская полевая станция – наполовину старая ферма Новой Англии и наполовину лаборатории безумного ученого. Когда осенние листья танцуют свой последний танец, эму расхаживают по пастбищам, как сварливые динозавры, а валлаби^[20] прыгают в траве поблизости. Козы и овцы на холме кажутся типичным пастушьим стадом, но обратите внимание на маленькие черные коробочки на их ошейниках, регистрирующие каждое движение, как бортовые самописцы в самолете. Внутри низких зданий из цементных блоков вы найдете цесарок на миниатюрных беговых дорожках или лягушек, прыгающих с крошечных инструментальных платформ для измерения ускорения. Летучие мыши и птицы носятся по коридорам, а аспиранты с передозировкой кофеина и высокоскоростные инфракрасные камеры наблюдают, как они мечутся и маневрируют.

Это было в конце лета 2003 года, когда за плечами у меня была уже половина докторантуры в милом моему сердцу Гарварде. Я тогда изучал все тонкости измерения расхода энергии для диссертации. До сих пор помню первые несколько недель работы на полевой станции – тогда я чувствовал себя новичком, неподготовленным стажером в секретной лаборатории в стиле Джеймса Бонда (если бы программа 007 была о животных, а не супер-злодеях, конечно). Козы в Северном загоне, беговая дорожка за этой дверью, кислородные анализаторы на тележке. Удачи, постарайся ничего не сломать и не забудь убрать козье дерьмо. В некоторые дни, особенно тяжелые, было трудно понять разницу между погруженным изучением и ощущением того, что я реально тону. И мне это нравилось.

Я провел все утро, пытаясь заставить собаку по кличке Оскар двигаться на беговой дорожке и измеряя энергию, которую он расходовал при обычной ходьбе и беге. Для проведения исследования мне приходилось надевать собакам на голову большую прозрачную пластиковую маску – импровизированный шлем астронавта, сделанный из трехлитровой бутылки содовой, – чтобы выдыхаемый воздух попал точно в кислородный анализатор. Оскар – питбуль, мы взяли его из приюта, он был верным спутником моей сокурсницы Моники и так любил беговые дорожки, что иногда это было больше похоже на манию. Тогда помогало только то, что я размазал хот-дог по внутренней стороне его маски. Кабинет Моники находился чуть дальше по коридору от лаборатории с беговыми дорожками, и она должна была удостовериться, что Оскар был внутри за закрытой дверью всякий раз, когда другая собака занимала беговую дорожку, чтобы питбуль не приревновал.

То, что начиналось как невинный проект измерения затрат энергии на ходьбу и бег у людей, собак и коз, выросло в своего рода профессиональную одержимость этим показателем. Вскоре я отправился в Калифорнию, где в то время проводили эксперимент по измерению количества энергии, затрачиваемой шимпанзе при ходьбе на двух или четырех лапах. Затем – исследования людей, бегущих со скрещенными на груди руками. Мы пытались понять энергетическое преимущество размахивания руками (оно крошечное). Дейв Райхлен, Брайан Вуд и я провели лето 2010 и 2015 годов в племени хадза. У нас была портативная метаболическая лаборатория, благодаря которой мы могли измерять энергетические затраты охотников и собирателей во время ходьбы, лазания по деревьям, рубки пчелиных гнезд и выкапывания клубней. В прошлом году я также работал с Масахиро Хориути и его коллегами в Японии, чтобы рассчитать энергию, потребляемую с каждым вдохом и ударом сердца.

Вы можете подумать, что такие странные интересы делают меня чужаком, может быть, даже изгоем. Но в университетах по всему миру есть лаборатории, занимающиеся измерением энергетических затрат. Это яркая, хотя и эклектичная область на стыке биологии и медицины. По этой теме ежегодно проводятся конференции. Но если я скажу, что не одинок в своей одержимости, то это будет выглядеть еще более странным. Зачем кому-то посвящать свою карьеру измерению того, во сколько энергии что обойдется?

В экономике жизни калории – это валюта. Ресурсы всегда ограничены, и энергию, потраченную на одну задачу, нельзя израсходовать на другую. Эволюция – это бессердечный бухгалтер: единственное, что имеет значение в конце жизни, – это сколько выживших потомков осталось. Организмы, которые сжигают калории неразумно, в глазах естественного отбора будут размножаться меньше. Следующее поколение будет состоять из потомства от осторожных родителей, которые владеют стратегическим планированием, – тех, кто лучше всего добывал энергию и распределял эти калории наиболее эффективно. Поскольку физиология и поведенческие тенденции передаются по наследству, эти дети будут склонны сжигать калории, как их родители. Это новое поколение снова вступает в игру, но в этом раунде более жесткая конкуренция. Наименее эффективные конкуренты отсеиваются. На протяжении эонов^[21] организмы, оставшиеся в живых, – это те, у кого есть тонко настроенные стратегии получения и расходования калорий. Каждый вид представляет собой определенную метаболическую стратегию, откалиброванную в соответствии с его средой обитания. Последний ход в этой бесконечной игре жизни.

Хотите узнать, как эволюция сформировала физиологию вида? Желаете понять, как различные задачи распределяются по приоритетам или сортируются в трудные времена? Следите за калориями.

На плечах гигантов

Ничто не могло быть более очевидным, чем потребность в еде и дыхании, однако все равно нужно было много времени, чтобы создать науку о метаболизме. Понимание и формулирование каждой детали, которую мы рассмотрели в Главе 2, слова и стрелки на рисунке 2.1, заняли у кого-то – или, чаще, у нескольких человек – годы.

Эта наука появилась более двух столетий назад.

Первые прорывы в понимании метаболизма произошли в середине и конце XVIII века, когда исследователи в Европе и Америке открыли роль кислорода и пищи. Ученые той эпохи, как и все остальные с незапамятных времен, знали, что люди и другие животные должны есть и дышать, чтобы выжить. Исследователи даже установили связь между огнем и обменом веществ, признав, что тела людей и других млекопитающих вырабатывают тепло. Однако детали до сих пор были достаточно размытыми. Никто не знал, что именно из воздуха нам нужно или как организм использует пищу. Ничего из того, о чем мы говорили во второй главе, еще не было известно.

Не помогло и то, что ранние исследования обмена веществ проводились на основе ретроградных взглядов о строении мира. Когда началась эпоха Просвещения и в XVII веке начала зарождаться современная западная наука, сложилось следующее общее мнение: мы не получаем ничего важного из воздуха. Вместо этого ученые полагали, что тепло тела (а также жар от огня) представляет собой субстанцию (они называли ее флогистоном), которая испаряется. Считалось, что флогистон был основной составляющей всех горючих веществ, которая делала их огнеопасными, высвобождаясь при горении. Воздух поглощал флогистон, но вмещал его не так уж много. Вот почему свеча гаснет, когда на нее ставят сосуд: как только воздух внутри насыщается флогистоном, он больше не может высвобождаться, и огонь затухает.