Если вы когда-либо изучали биологию, вы должны быть знакомы с митохондриями - органеллами, которых часто называют "двигателем клетки". И вы, вероятно, будете знать, что их часто сравнивают с традиционными батареями типа АА, при этом каждая органелла работает как единое целое.
Но важное новое исследование показывает, что на самом деле они больше похожи на самые современные аккумуляторы в автомобилях Tesla - каждая из которых складывается внутри митохондрий, обеспечивая электропитание независимо друг от друга.
И в этом есть смысл. Причина, по которой Tesla стала такой популярной в электромобилях и накопителях энергии, заключается в том, что их аккумуляторные системы способны упаковывать много энергии в небольшое пространство, при этом не разрушая всю установку из-за отказа одной части.
Теперь новые исследования американских и немецких ученых позволяют предположить, что природа сначала придумала похожую систему.
Митохондрий играет ключевую роль в перемещении энергии, запертой в соединениях глюкозы, в форму, которая может быть использована в качестве топлива для клетки.
Для управления этим процессом структура длиной в несколько микрометров содержит волнистую внутреннюю мембрану, перцементированную каналами, которые перемещают положительно заряженные ионы водорода туда-сюда.
Складки во внутренней мембране, называемые кристаллами, увеличивают площадь поверхности этих белковых порталов, максимизируя выход отдельных митохондрий.
Справедливое предположение. В некотором смысле, одиночный митохондрий кажется немного похожим на старомодную электрохимическую ячейку.
И то, и другое определяется резервуаром химических веществ рядом с интерфейсом, который помогает направить их энергию в нечто более полезное. Таким образом, наличие большего количества складок означало бы большее пространство для такого обмена.
Это такая удобная метафора, мало кто когда-либо задумывался о том, насколько точной она может быть.
"Никто не смотрел на это раньше, потому что мы были так привязаны к этому способу мышления, предположение, что один митохондрий означает одну батарею", говорит эндокринолог Ориан Ширихай из Калифорнийского университета, Лос-Анджелес.
При всей простоте модели, избыточность сопряжена с большими рисками. Катастрофический сбой в центральной части процесса потенциально означал бы прекращение работы этой электростанции.
Если простая батарея выходит из строя внутри фонарика или маленькой игрушки, это вряд ли проблема. Просто поменяй его на новый. Но когда энергоблок, отвечающий за проталкивание нескольких тонн транспортных средств по шоссе со скоростью 100 км/ч, выходит из строя, он должен иметь план Б.
"Инженеры-электрики рассказали мне о преимуществах наличия большого количества мелких элементов батарей вместо одного большого; если что-то случится с одним элементом, система может продолжать работать, и несколько мелких элементов питания могут обеспечить очень большой ток, когда вам это необходимо", говорит Ширихай. Именно поэтому литий-ионные батареи, питающие электромобили, такие как Tesla's Model S, - это не один большой элемент, а более 7000 крошечных, соединенных вместе, каждый из которых обеспечивает небольшое количество энергии, действуя независимо друг от друга.
Многие живые клетки имеют кучу митохондрий, вероятно, по сходным причинам. Потеря одного из них не является серьезной проблемой, если есть еще дюжина, чтобы забрать недостачу. Но Ширихай видел клетки с горсткой длинных митохондрий, где единственная потеря могла быть потенциально разрушительной.
Для тестирования одной модели митохондрий/одной батареи эндокринолог и его команда использовали методы микроскопии и окрашивания высокого разрешения для наблюдения за мелкими деталями митохондрий в нескольких различных типах человеческих клеток. Окрашивание также позволило им определить разницу напряжения, называемую потенциалом митохондриальной мембраны, которая изменяется вдоль извилистой шторы внутренней мембраны.
Если вся мембрана имеет одинаковый потенциал или все деполяризовано при повреждении одного кристалла, то одним митохондрионом можно рассматривать как единое целое. Но это совсем не то, что видели Ширихай и его команда.
"Изображения говорят нам о том, что каждый из этих кристаллов электрически независим, функционирует как автономная батарея", - говорит Ширихай. "Один кристалл может быть поврежден и перестать функционировать, в то время как другие сохранят свой мембранный потенциал."
Больше информации о том, как митохондрии управляют их внутренними процессами, может многое рассказать нам о том, как мы стареем, или почему некоторые страдают от таких заболеваний, как синдром хронической усталости.
Митохондрии все еще могут думать о нас, как о батарее нашей клетки. Это просто тот, который намного более продвинутый, чем когда-либо, и за который мы когда-либо отдавали должное природе.