Кислород. Молекула, изменившая мир

Сохранение воды стало первыми важным результатом фотосинтеза. Вторым оказался сам кислород. Несколько раз на протяжении долгого докембрийского периода на Земле происходили катастрофические перемены глобального масштаба — оледенения и формирование новых горных массивов, — которые прерывали длительные периоды эволюционного застоя и способствовали захоронению огромного количества органического материала, что тоже благоприятствовало накоплению кислорода в атмосфере. И с каждым повышением уровня кислорода жизнь делала шаг вперед. В первый раз это случилось примерно 2,7 млрд лет назад; к этому периоду относятся первые молекулярные маркеры (стеролы — аналоги холестерина), свидетельствующие о появлении наших с вами общих предков эукариот. В следующий раз после очередного оледенения и формирования новых горных массивов около 2,3 или 2,2 млрд лет назад присутствие эукариот стало более заметным, так что до нас дошли первые палеонтологические доказательства их существования. Вскоре после этого появились многоклеточные водоросли, но потом на протяжении миллиарда лет не происходило почти никаких изменений. А вот затем случились самые серьезные геологические катаклизмы за всю историю планеты: Земля пережила несколько периодов оледенения, и более 160 млн лет поверхность планеты была покрыта льдом, но в результате уровень кислорода в атмосфере достиг современных показателей.

Наконец, когда льды отступили, а пыль осела, появились первые крупные животные — напоминающие медуз мешки протоплазмы, вегетарианцы-вендобионты. Эти крупные существа имели пищеварительный тракт и испражнялись. Их тяжелые экскременты осаждались на дно и оказывались погребенными в океанских глубинах, лишая океаны органического вещества. Захоронение экскрементов предотвращало расщепление содержащегося в них органического вещества за счет дыхания и, следовательно, снижало потребление кислорода, способствуя насыщению им воды. Зловонный мир серных бактерий был вынужден уступить место новой, насыщенной кислородом экосистеме, ожидавшей новых изобретений природы. С появлением кислорода многократно возросла эффективность извлечения энергии из пищи, и вслед за этим появились хищники. Впервые появился смысл поедать друг друга, и стали складываться протяженные пищевые цепи. Во время кембрийского взрыва, 543 млн лет назад, жизнь начала активно заполнять все вакантные пространства. В океанах поселились подвижные бронированные монстры — охотники и добыча. С появлением хищников началась гонка вооружений, в процессе которой хищники и их потенциальные жертвы соревновались в размере (что стало возможным только с появлением кислорода, необходимого для получения энергии и создания структурных компонентов тела). С увеличением размера возникли сложные адаптации, позволившие начать колонизацию суши.

И всеми этими переменами управлял кислород. Первые одноклеточные эукариоты были примитивными организмами среди бактерий с широким спектром возможностей. Они потеряли метаболические способности LUCA и жили за счет того, что переваривали органические останки или заглатывали бактерии. Для построения мембран им нужен был кислород, но при очень высокой концентрации кислорода они жить не могли. Но в один прекрасный день эукариотическая клетка съела поглощающую кислород пурпурную бактерию и смогла безнаказанно перемещаться на мелководье, защищаемая внутренним «пылесосом»[95]. Это было соглашение вполне в духе Мефистофеля: постепенно пурпурные бактерии превратились в митохондрии и стали обменивать избыток энергии на жизнь, полную опасностей. Кислород вызывал мутации ДНК, заставляя гены изменяться и эволюционировать. Вероятно, это было одним из движущих факторов эволюции самого эффективного механизма очистки генома — половой рекомбинации. Однако оставалась одна чрезвычайно важная проблема: митохондрии сохранили несколько генов, необходимых для функционирования эукариотической клетки в целом. Митохондрии, находившиеся под сильнейшим воздействием кислорода и лишенные возможности делиться так же быстро, как свободноживущие бактерии, не могли омолаживать свои гены ни за счет полового размножения, ни за счет отбора, как бактерии. Эти гены могли только отмирать. Решением было не просто изобретение полового размножения, а появление двух полов. Если две половые клетки сливаются для создания дочерней клетки, одна родительская клетка должна использовать свои митохондрии только как источник энергии, но не может передавать их следующему поколению. Другая родительская клетка должна сохранять свои митохондрии в спящем состоянии до тех пор, пока они не окажутся в новом организме, как астронавты, погруженные в состояние гибернации до высадки на далекой планете. На самых ранних этапах эмбрионального развития митохондрии отделяются и сохраняются «на льду» до появления следующего поколения.