Литофиновая гипотеза: молекулярные механизмы фотоиндуцированной петрификации троллей
Недавно с женой пересматривали Хоббита и Властелина колец. Ну это скорее жена пересматривала, я толком их и не видел раньше. И некоторые вещи стали для меня новостью. Например, я не знал (или основательно забыл), что тролли каменеют на солнце. И стало интересно, почему. Ну, то есть можно ли выдвинуть некоторую гипотезу об устройстве биохимии тролля, которая бы не противоречила законам химии, физики и биологии.
Я встречал подобные объяснения для других сказочных существ — для вампиров: в НФ романе Питера Уотса "Ложная слепота" автор строит гипотезу объясняющую, почему они боятся крестов — из-за особенностей их нейронных связей одновременная стимуляция рецепторов, отвечающих за восприятие вертикальных и горизонтальных линий, вызывает системный сбой. И еще я вспомнил, что в "Ложной слепоте" говорилось про фибродисплазию — болезнь, при которой мышцы и связки превращаются в кость — от нее умирает Челси, бывшая девушка главного героя Сири Китона. В норме у нас есть белки, которые при ранении дают сигнал, чтобы рана зарастала мышцей. У больных же фибродисплазией из-за мутации гена ACVR1 рана (в широком смысле, то есть микроразрывы мышц, очаги воспаления и т.д.) зарастает костью.
Обзор источников, версии петрификации
У Толкина устройство троллей не описывается, но по этому поводу есть кое-что у другого английского писателя — Терри Пратчета — у него тролли это не углеродная (орагническая) а кремниевая форма жизни. В книге The Science of Middle-earth палеонтолога Генри Джи (Henry Gee), где он пытается дать магии Средиземья научое объяснение, высказана та же идея (хотя текст книги я в сети не нашел, но вроде как та же). Но кремниевый тролль не каменеет — он и так каменный, и ему не нужно есть органику (в виде белок или хоббитов).
Гигантский тролль из фильма "Охотники на троллей" — по одной из версий тролли подобно деревьям растут всю жизнь
Дальше можно заглянуть в статью в англовике: Petrifaction in mythology and fiction. О химии окаменения мы оттуда не узнаем, но узнаем про норвежский фильм "Охотники на троллей" (Trolljegeren) 2010 года. Но как источник по биохимии этот фильм тоже не годится. Вот пост (англ.) про него, а я процитирую оттуда абзацы с критикой как раз научной части (автоматеический перевод):
В фильме показано, что тролли смертельно реагируют на солнечный свет. «Ветеринар» сообщает нам, что при воздействии ультрафиолетового излучения у троллей происходит процесс, связанный с их «неспособностью преобразовывать витамин D под воздействием света в кальций». Это приводит к тому, что молодые тролли взрываются, потому что их желудки расширяются, и газы попадают в кишечник и вены.
Старые тролли превращаются в камень, потому что их вены слишком сужены, поэтому происходит расширение костей, и тролль полностью окостеневает за считанные секунды. Весь этот процесс, как утверждается, чрезвычайно болезненен для жертвы. В интервью режиссер заявил, что эти идеи пришли к нему после обсуждений с его женой, которая является ветеринаром.
К сожалению, похоже, режиссер неправильно понял некоторые объяснения своей жены. Хотя организму необходим витамин D для усвоения кальция (в форме кальциферола или витамина D2), витамин D — это не кальций. Более того, не существует биологического механизма, который позволил бы неправильной переработке любого витамина привести к взрыву или образованию камней. В природе существуют заболевания, которые могут вызывать повреждения из-за воздействия солнечного света и затвердение кожи в результате травмы. Ни одно из этих явлений не имеет никакого отношения к превращению витамина D.
Тролли каменеют при солнечном свете, но им не страшен свет от костра
Еще есть обсуждение на сайте stackexchange. Там несколько "органических" версий без детальной проработки:
Версия 1. Кожа троллей содержит белки, которые затвердевают при воздействии волн определенной длинны как полимеры, используемые в стоматологии. По этой версии тролли превращаются не в камни: "их оболочка становится очень твердым органическим материалом, обладающим свойствами, во многом схожими со свойствами большинства видов горных пород".
Версия 2. Похожа на первую. Тут говорится, что тролли обладают мощной способностью к регенерации (они могут полностью поменять кожу), но белки, отвечающие за регенерацию, почему-то окаменевают при ультрафиолете (поэтому троллям страшны солнечные лучи, но не страшен свет от огня). Необходимость регенерации объясняет и почему этот деффект не был выбракован в процессе эволюции.
Версия 3. Не объясняет механизм отвердевания, но объясняет его назначение. Здесь окаменение это репродуктивная стадия организма. Пока тролль молодой, он помимо органики поедает камни, чтобы накопить минералы. И еще он накапливает "sperm from other trolls" — не уверен, что автор версии имел в виду сперму, иначе получилоась бы что окаменевают только самки. Также на коже тролля присутствуют водоросли — когда он попадает на свет, то водоросли активируются и запускают процесс затвердевания и осаждения ранее накопленных минералов. Эти же минералы работают как удобрения для водорослей, а камень защищает их. Клетки тролля постепенно отмирают, но его репродуктивная система поддерживается водорослями, которые теперь активно развиваются при солнечном свете и производят большое количество сахаров (а сахар это запас энергии). В таком виде тролль-скала может существовать бесконечно долго, производя поток крошечных троллей, которые на выходе подхватывают споры водорослей, вырастают и продолжают цикл. Автор этой версии отмечает, что окаменение это мучительный процесс для тролля: мозг тролля остается живым, будучи замурованным в неподвижном теле (как тут не вспомнить роман "Джонни взял ружье", там кстати тоже остались фактически мозг и пенис), пока не погибает от голода, так как все ресурсы организма перенаправляются на размножение. В камментах к этой версии подымается интересный вопрос, какая должна была бы сформироваться культура у троллей при такой биологии, возможно они поощряют старых особей выходить на свет, идя на самопожертвование для продолжения рода.
Версия 4. Здесь предполагается, что тролли постоянно обмазываются гипсом. В условиях постоянного движения и большой влажности в пещерах гипс остается пластичным. Как только тролль выходит на солнце, влага из гипса испаряется, он затвердевает.
Версия 5. Тут автор исходит из того, что тролли похожи на деревья, поскольку растут всю жизнь. Возможно и биохимия у них ближе к деревьям (тролли ведь созданы в насмешку над Энтами): у них есть фотосинтез. Но у троллей особый вид фотосинтеза — оксигенный (кислородный): CO2 + H2O + фотоны света => [CH2O](сахара) + O2. Этот фотосинтез является для троллей полезной адаптацией, потому что в пещерах много углекислого газа, и иначе, без производства кислорода, тролли бы задохнулись. Свет же они получают от светлячков и светящихся грибов. Но когда тролль попадает на солнечный свет, его фотосинтез, как пишет автор этой версии, "сходит с ума": фотосинтез забирает всю воду из клеток тролля, и тот превращается в высушенную мумию, а не в камень.
На мой взгляд, у всех вышеизложенных версий есть минимум два недостатка: медленная скорость и малая глубина отвердения. Обобщив источники, и заполнив некоторые лакуны, я предлагаю следующее объяснение механизма фоточувствительной кальцификации:
Литофиновая гипотеза
Сначала следует решить на каком камне создавать тоеорию в какой минерал превращается тролль. В организме человека наиболее распространены следующие "минералообразующие" элементы: кислород, углерод, водород, кальций и фосфор. Кажется, проще всего взять карбонат кальция CaCO3 — кальцит — из которого преимущественно состоит мрамор. Углекислый газ CO2 — неисчерпаемый побочный продукт дыхания, присутствующий в каждой клетке. Кальций — самый привычный металл для живых организмов, главный элемент костей и зубов. В нашей крови, межклеточной жидкости и внутри клеток тоже есть кальций — он нужен для передачи нервных импульсов и сокращения мышц. Мы не кальцинируемся изнутри благодаря белкам-ингибиторам (например, фетуину или MGP), которые блокируют спонтанную кристаллизацию фосфата кальция в мягких тканях и сосудах.
Но, чтобы тролль имел возможность быстро окаменеть, его кровь и межклеточная жидкость должны быть экстремально насыщены ионами кальция Ca(2+). В нормальном состоянии в организме тролля ионы кальция не выпадают в осадок (не превращаются в мел-мрамор) благодаря кальций-связывающим белкам-ингибиторам-петрификации (окаменения). Эти белки окутывают ионы, не давая им образовать кристаллическую решетку.
Домен EF-hand, удерживающий ион кальция. Источник
Белки-ингибиторы у тролля — это длинные цепочки аминокислот, свернутые в глобулы (клубки). Их структура содержит домены EF-hands, состоящие из двух спиралей, соединенных петлей, которая образует электростатический "карман". Этот "карман" образован боковыми цепями аминокислот (преимущественно аспартата и глутамата), которые оканчиваются отрицательно заряженными карбоксилатными группами (карбоксилат-анион COO-). Ион кальция Ca(2+) имеет положительный заряд, отрицательные заряды "кармана" притягивают его со всех сторон. Чтобы ион кальция высвободился, нужен какой-то триггер.
Что может стать таким триггером? Предположим, что в коже и мышцах тролля содержится белок из группы опсинов, наподобие нашего меланопсина — в экспериментах показано, что его активация синим светом вызывает повышение внутриклеточного уровня ионов кальция (подробнее на elementy.ru), или бактериородопсина, который работает как "протонный насос". В то время как активация меланопсина запускает сложную и сравнительно медленную цепочку химических посредников (G-белков), наш белок должен действовать гораздо быстрее, чтобы тролль моментально каменел на солнце.
На видео схема работы бактериородопсина. Литофин работает так же. Внутри него молекула ретиналя. В темноте ретиналь находится в прямой транс-форме, от фотона он изгибается в цис-форму и вызывает смену конформации белка, H+ переходит по цепочке аминокислот
Назовем этот белок, скажем, "литофином" (название придумал ИИ, от греческого λίθος, lithos — камень и φαίνω, phaino — являть-обнаруживать). По своему механизму литофин ближе к бактериородопсину, который выбрасывает ионы H+ из клетки во внеклеточное пространство. Положительно заряженный ион водорода состоит из одного протона, потому что электрон он потерял. При попадании фотона молекула литофина мгновенно меняет конформацию, выбрасывая ион H+ (количество протонов определяет, насколько жидкость является кислотой) и резко меняя кислотность (pH) среды. Скачок pH приводит к тому, что белки-ингибиторы теряют связь с ионами кальция: положительно заряженный ион H+ имеет очень маленький размер и может подобраться к атому кислорода в группе COO- гораздо ближе, чем массивный кальций, а по закону Кулона, чем ближе заряды, тем сильнее они притягиваются; поэтому протон связывается с теми самыми атомами кислорода в группах COO-, которые держали кальций (и вместо аниона COO- получится нейтрлаьная карбоксильная группа COOH), отрицательный заряд исчезает, ион кальция высвобождается.
В литофине протон (заряд) передается по молекулам воды (механизм Гротгуса, т.н Bucket brigade — так гномы перекидывали тарелки ББ) и выталкивается из клетки. Существуют и сложные механизмы (т.н Ferris wheel), работающие без света (на АТФ) в тканях желудка
Мышцы тролля потребляют кислород и выделяют CO2, в крови CO2 вступает в реакцию с водой и получается гидрокарбонат HCO3. А нам нужно как-то получить карбонат-ион CO3(2-), который соединится ионом кальция. Предположим, у тролля есть фермент наподобие карбоангидразы (которая катализирует процес образования гидрокарбоната из углекислого газа). Если этот фермент будет катализировать образование CO3(2-) из гидрокарбоната, то будет оставаться ион водорода, то есть повысится кислотность, а кислота разъедает мрамор. Поэтому используем механизм получения циклических карбонатов путем внедрения СО2 в структуру эпоксидов (описан тут, или можно погуглить на "carbonate from CO2"). Это потребует катализатора, которым и будет наш фермент. Следует уточнить, что в отсутствие интенсивного солнечного излучения (или иного источника жесткого синего и УФ-спектра) реакция невозможна, так как фермент не может разорвать оксирановое кольцо без участия катиона кальция, выступающего в роли необходимого со-катализатора.
Братство эпоксидного кольца
Эпоксидное (оксирановое) кольцо представляет собой треугольник, состоящий из одного атома кислорода и двух связанных между собой атомов углерода. Связи в кольце C-O-C сильно изогнуты и напряжены. Из-за этого напряжения кольцо крайне нестабильно. Ниже схема из работы Адама Харви (Adam P. Harvey):
A+: Катион кальция, высвобожденный "литофином" под действием излучения; X-: Активный центр фермента (предположительно нуклеофильный атом серы из аминокислоты цистеин или азота из аминокислоты гистидин); R: углеводородные хвосты эпоксистеариновой кислоты
A+ подлетает к эпоксидному кольцу и перетягивает электронную плотность кислорода на себя. X- соединяется с углеродом, кольцо превращается в цепочку, анион кислорода (О-) втягивает CO2 внутрь молекулярной цепочки
В клетках тролля есть липидные эпоксиды (например, из ненасыщенных жирных кислот). Самым простым по химической структуре эпоксидом, образующимся из ненасыщенных жирных кислот в клетках, является эпоксистеариновая кислота C18H34O3 — она получается путем окисления олеиновой кислоты (самой распространенной и структурно простой мононенасыщенной жирной кислотой в организмах).
В органической химии раскрытие оксиранового кольца под действием катионов часто (как пишут, например, на chemport.ru) осложняется скелетными перегруппировками, превращающими субстрат в побочные продукты. Фермент тролля решает эту задачу за счет прецизионной пространственной фиксации молекулы: он не просто активирует кольцо катионом кальция, но и блокирует любые альтернативные пути трансформации (например, принудительно удерживает атомы углерода на своих местах, не давая им сместиться), обеспечивая единственно возможный сценарий — немедленное внедрение CO2 в раскрытое эпоксидное кольцо. Так образуется циклический карбонат C19H34O5.
Карбоангидразы обладают побочной эстеразной активностью (ферментный промискуитет) — умеют расщеплять эфирные связи (которые как раз удерживают кольцо циклического карбоната) — используя молекулу воды (гидролиз) наш фермент разрывает кольцо и высвобождает карбонат-ион CO3(2-). Помимо карбонат-иона при гидролизе останется еще дигидроксистеариновая кислота C18H36O4 (2 атома водорода и 1 атом кислорода из молекулы воды присоединяются к жирной кислоте в местах разрыва кольца) — она нам пригодится ниже.
В этот момент происходит двухэтапная реакция: первые порции карбонат-ионов мгновенно нейтрализуют протоны, очищая среду от кислоты, которая мешает кристаллизации. Как только pH среды смещается в щелочную сторону, основная масса карбонат-ионов вступает в связь с высвобожденным кальцием и моментально выстраивает кристаллическую решетку мрамора. При этом, кристаллизация идет с выделением тепла, тепловая волна разрушает белки-ингибиторы. Кроме того, белки-ингибиторы разрушаются или меняют форму (конформация) от повышения кислотности, о котором речь шла выше. Плюс, кристаллизация создает механическое давление и микровибрации в тканях, что опять разрушает ингибиторы. Благодаря этому белки-ингибиторы отдают ионы кальция там, куда не попал свет, то есть внутри организма.
Олог-хай не боятся солнечного света
Кстати, Саурон, вероятно, починил этот момент, создав породу троллей Олог-хай, представители которой были уникальны тем, что не каменели на солнце. Олог-хай либо имели термостабильные белки-ингибиторы, которые не разрушались от тепла, либо их кожа содержала абсолютный пигмент, не допускающим фотоны до светочувствительных белков.
Без арматуры из коллагеновых волокон окаменевший тролль был бы очень хрупким и рассыпался бы как мел. На роль такой арматуры может претендовать коллаген. Коллаген — это очень длинная, закрученная в тугой и прочный на разрыв канат молекула, которая состоит из углерода, водорода, азота и кислорода. Из него состоят эндомизий — внутренняя оболочка, окружающая каждое отдельное мышечное волокно, и перимизий — более плотная соединительная ткань, окружающая пучки мышечных волокон. Но у тролля слои коллагена вокруг мышечных пучков толще, это не дает мышце раздуваться, направляя всю силу тролля в один вектор — именно поэтому тролли Толкина могут швырять огромные валуны (или это были Каменные Великаны?). Когда происходит световая вспышка, каменеет межклеточное пространство и цитоплазма — коллагеновые нити оказываются интегрированы в этот камень, а дигидроксистеариновая кислота, о которой мы говорили выше, сработает как органический клей (она активно используется в косметике как адгезивный связующий агент — binding agent, а косметика это измельченные минералы), связывающий микрокристаллы мрамора с волокнами коллагена.
Почему тролли не каменеют при свете огня?
В одной из разобранных версий отмечалось, что для окаменения нужен именно солнечный свет, вернее не любой свет дает такой эффект — в Хоббите тролли спокойно сидят у костра и не каменеют. Меланопсин, о котором упоминалось выше, обладает пиком чувствительности в синей области спектра (около 460—480 нм), и практически не реагирует на длинноволновое излучение.
Огонь (костер, свеча) излучает в основном в красной и инфракрасной области. Синего света в пламени ничтожно мало, поэтому-то вечернее сидение у огня не подавляет выработку мелатонина и не вызывает бессонницу как экраны гаджетов (поэтому тролли не могут пользоваться обычными смартфонами без риска окаменеть). Таким образом, литофин троллей остается в неактивном состоянии при свете огня, но срабатывает под воздействием солнечного излучения с коротковолновым синим и УФ-светом.
Заключение
Охотник на троллей из СОТ (Система Охраны Троллей) собирается разбить каменную статую
Предложенная теория объясняет не все явления. Например, в фильме "Охотники на троллей" (Trolljegeren) некоторые тролли взрываются, а не каменеют. Для этого нужно большее выделение тепла, чем просто при кристаллизации. Поэтому можно предложить вместо ионов кальция — аморфный карбонат кальция (Amorphous calcium carbonate, ACC), который у ракообразных используется как хранилище строительного материала. Переход из аморфного твердого состояния (ACC) в кристалл (кальцит) высвобождает гораздо больше энергии. Температура в тканях мгновенно подскочит выше 100 градусов цельсия. Вся межклеточная жидкость и кровь превратятся в перегретый пар, и тролля разорвет изнутри быстрее, чем он успеет полностью окаменеть. И в том же фильме охотник на троллей разбивает окаменелости кувалдой — значит тролль превращается не в монолоит, а в пористую известняковую структуру. И остается непонятным, почему эволюция не выбраковала этот феномен — возможно окаменение это побочный эффект какой-то полезной адаптации...
В общем, тема биохимии троллей ждет своих исследователей. Тем более, что через две недели — 25 марта — будет День толкиновских чтений, ежегодно проводимый The Tolkien Society.
Надеюсь я не окажусь с моим докладом в роли героя этого советского фильма:
Горе-руководитель института геологии Горлохватский отмахивался от оппонетов словами "на реплики людей некопмпетентных я не отвечаю". Доклад о мамонтовой свинье. Кадр из кф "Кто смеется последним" 1954 года — в тот же год вышло 1е издание Братства кольца
