Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Никто не знает, когда или где точно появилась первая раковина. Прародители ее — в глубокой древности. Более 3,5 млрд лет назад одноклеточные колонии, как говорилось выше, построили строматолиты — странные куполообразные холмики карбонатных минералов. Уже первые признаки многоклеточной жизни, появившиеся примерно 600 млн лет назад, сопровождались образованиями, подобными аляповатым минерализованным пластинкам и «бронированным» то там, то сям следам ползания. Но настоящий взрыв разнообразия организмов с изящно вылепленными твердыми частями — спиральными раковинами, ветвящимися кораллами, пиловидными зубами и сложного рисунка костями — произошел в «узком окне» начала кембрийского периода, примерно 540 млн лет назад. Первыми появились карбонатные минералы, хотя подробности этого поразительного минералогического трюка остаются загадкой. Сначала клетки должны были создать локальную химическую среду, в которой ионы кальция и углерода в растворе соединились бы, сформировав твердые кристаллы оболочки. Затем минеральные компоненты должны были выстроиться таким образом, чтобы создать функциональный защищающий животное дом. Как это случилось?

Изучение данной биохимической инновации является делом всей жизни Патриции Дав, заслуженного профессора факультета наук о Земле в Политехническом университете Вирджинии в Блэксбурге, штат Вирджиния{194}. Дав получает удовольствие от занятий наукой. Чтобы продемонстрировать повседневные шедевры биоминерализации, она протянет вам разделенную на камеры и покрытую тонким орнаментом раковину наутилуса или вытащит из кармана яйцо. Исследовательница никогда не теряла ощущения чуда, испытываемого ею с детства, с тех пор как она росла на семейной ферме в Бедфорде, штат Вирджиния, в часе езды на машине к востоку от Блэксбурга. Это типичная история многих успешных ученых: родители и учителя, которые поддерживали увлечение наукой, любовь к природе и коллекционированию, призы, получаемые на научных олимпиадах, и стипендия в колледже — в случае Дав это был Политехнический университет Вирджинии. За получением степени PhD в Принстонском университете последовало недолгое пребывание в Стэнфорде и Политехническом университете Джорджии, а затем она снова вернулась в свою любимую Вирджинию.

Во всех своих исследованиях Патриция Дав подчеркивает, что раковины, зубы и кости — это гораздо больше, чем просто кристаллы минералов. Они всегда содержат в себе слои и волокна белков и других биомолекул, которые добавляют им прочности и гибкости — свойств, вдохновивших на разработку легкого стекловолокна и композиционных материалов из углеродных волокон. В некоторых раковинах материал, получающийся в результате соединения минералов и белков, оказывается в тысячу раз прочнее чистого минерала. Дав также напоминает вам, что биоминералы играют много ролей вне раковин, костей и зубов: они могут служить организмам в качестве линз, фильтров, сенсоров и даже крошечных внутренних компасов.

Энергичная исследовательская группа Дав много сил посвящает изучению механизмов образования карбонатов на атомном уровне — молекулярному танцу, основанному на тесном взаимодействии органической и неорганической углеродной химии. Эта команда исследователей обнаружила, что формирование биоминералов происходит, когда клетки создают специализированные отсеки с местными средами, где минералообразующие ингредиенты концентрируются и образуют зародыши, на которых вырастают идеально правильные кристаллы. В этих отсеках одни биомолекулы стимулируют образование кристаллов, а другие — тормозят рост.

Одно из самых удивительных открытий исследовательской группы Дав заключается в том, что многие организмы начинают биоминерализацию с той формы карбоната кальция, которая вовсе не кристаллическая. Они образуют и накапливают гелеобразное вещество — аморфный карбонат кальция (исследователи называют его АКК), который хранится про запас до нужного момента{195}. В отличие от традиционного пути образования кристаллов, кристаллический рост в этом необыкновенном процессе запускается молекулярным спусковым крючком, триггером. Некоторые линяющие[52] животные могут, видимо, хранить АКК неделями или месяцами, запуская быстрый рост раковины на критически уязвимой стадии, когда старый покров сбрасывается и вкусная мягкая ткань обнажается.

Возможно, сразу после появления первых животных с защитной оболочкой хищники переключились на более легкую, незащищенную добычу. Зачем прикладывать дополнительные усилия, чтобы разломать твердую раковину, когда прямо под рукой — сочные черви? Но, по мере того как все больше обитателей морского дна надевали броню, быстро возникали и контрстратегии: более крепкие челюсти, более острые зубы и более устрашающие клыки. Все это появилось именно тогда, когда жизнь научилась создавать защитные раковины. Этот затянувшийся «кембрийский взрыв» не был таким уж взрывным — он продолжался десятки миллионов лет, но зато бесповоротно направил биосферу Земли по новому курсу.