Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

По крайней мере три четверти истории Земли «жизнь» состояла исключительно из микроскопических клеток, в большинстве своем скрытых глубоко под землей и только время от времени показывающихся на поверхности в виде каменных строматолитовых построек или зловонных масс нитей зеленых водорослей. Вам бы потребовался мощный микроскоп, чтобы получить хоть какое-то представление о том древнем живом мире. Сегодняшняя биосфера, наполненная плавающими, ползающими и летающими существами, — относительно недавняя инновация, представляющая лишь последние 10% времени богатой событиями эволюционной истории Земли. И в связи с этим возникает вопрос: зачем после 3 млрд лет успешной жизни в одноклеточном виде клеткам нужно было начинать сотрудничать таким образом, чтобы стало возможным появление этих больших организмов?

Самый простой ответ заключается в том, что единичной клетке сложно делать все это: создавать основные молекулы жизни или питаться ими, защищаться от других голодных клеток и делать точные копии себя поколение за поколением. Вот почему самые простые одноклеточные организмы природы зачастую живут в сложных сообществах, называемых консорциумами, в которых разные виды клеток играют специализированные химические роли. Микробные консорциумы исполняют изящный электронный танец, постоянно передавая электроны от доноров к акцепторам. Некоторые микробы получают энергию от Солнца, другие — от химических веществ, вырабатываемых их фотосинтезирующими соседями. Многие члены консорциума развивают особые химические навыки, производя только часть основных биомолекул для других членов клуба. Следовательно, выживание клеток в консорциумах полностью зависит от их соседей.

Эти умные кластеры клеток похожи на нашу обусловленную энергией экономику. Некоторые бодрые, энергичные люди производят энергию, добывая уголь, выращивая продукты питания, собирая солнечный свет или обуздывая ветер. Другие специализируются на производстве полезных товаров — машин, одежды, домов, музыки — и обменивают эти продукты на энергию. Так же и клеточные консорциумы состоят из множества клеток, каждая из которых является независимым подрядчиком, играющим свою роль, что основана на ее отличной от других генетической идентичности и внутренней химии.

Преимущества совместной игры

Как минимум 1,5 млрд лет назад появился абсолютно новый и чрезвычайно важный вариант клеточного сотрудничества — когда у группы относительно крупных одноклеточных организмов, называемых эукариотами («полноядерными» в переводе с греческого), образовались внутренние структуры, окруженные собственными мембранами{184}. Эти органеллы (что-то вроде жизненно важных органов людей) включают в себя ядро, содержащее ДНК клетки, митохондрии, которые действуют как клеточные энергетические станции, и хлоропласты, которые накапливают свет и преобразуют его в богатый энергией сахар. Некоторые биологи считают появление эукариотов самой важной инновацией в истории жизни, поскольку в результате этого события клетки получили источник внутренней энергии, позволивший им развиваться и кооперироваться как никогда раньше.

Как же возникла эта новая сложная клеточная архитектура эукариот? Основные подсказки нам дают митохондрии и хлоропласты. У них есть собственные мембраны и собственная ДНК, и они сами воспроизводятся, как если бы были независимыми клетками, живущими внутри более крупного эукариота. Сегодня общепризнано, что эукариотические клетки появились, когда бо́льшая клетка проглотила одну или несколько меньших. Гости не были переварены более крупным организмом, вместо этого сложился новый вариант сотрудничества.

Этот концептуальный прорыв, который заметнее всех поддерживала блестящая и противоречивая исследовательница Линн Маргулис, стал теперь прописной истиной, пересказываемой с прекрасными иллюстрациями в каждом учебнике по введению в биологию{185}. Но так было не всегда. В течение двух десятилетий биологическое сообщество резко критиковало гипотезу симбиогенеза. Статья Маргулис 1967 г., отстаивающая эту концепцию, отвергалась более десятка раз; заявки на грант также были отвергнуты, да еще и с едкими замечаниями{186}.

Горячность критики отчасти была вызвана тем, что новая гипотеза воспринималась как угроза устоявшейся эволюционной теории. Дарвиновская парадигма эволюции посредством естественного отбора требовала изменений постепенных, происходящих благодаря бесчисленным, обычно небольшим мутациям, за которыми следовало выборочное отсеивание среди разных популяций более или менее подходящих индивидуумов. В версии дарвинизма XX столетия эти мутации возникали исключительно из-за генетических вариаций ДНК. Гипотеза же симбиогенеза утверждала, что новые формы жизни иногда появляются при взаимном слиянии двух совершенно разных видов. Какое-то время наука находилась в досадном тупике, пока не произошло открытие ДНК в митохондриях и хлоропластах и не стало ясно, что эти органеллы некогда были независимыми клетками.