Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК

Моя коллега Николь Кинг из Калифорнийского университета в Беркли изучает один специфический тип одноклеточных существ. Эти микроскопические существа в форме зерен фасоли имеют один необычный признак – кольцо торчащих в стороны ворсинок на одном конце клетки, напоминающее тонзуру испуганного монаха. Хоанофлагелляты, или “хоаны”, как любовно называет их Кинг, наделены и другими примечательными особенностями. Около десяти лет назад их геном прочли и сравнили с геномами животных и геномами других одноклеточных существ. Выяснилось, что хоанофлагелляты являются ближайшими родственниками многоклеточных животных. Это означает, что их изучение может пролить свет на механизмы происхождения тел.

Кроме того, хоанофлагелляты умеют делать важный фокус. Большую часть жизни они свободно плавают, перемещаясь с помощью своих волосков. Но в один прекрасный момент по сигналу они объединяются в группы. Эти группы, называемые розетками, поскольку по форме напоминают цветы, могут содержать десяток и более сцепленных друг с другом хоанофлагеллятов, которые ранее существовали раздельно. Переход от одноклеточных существ к многоклеточным труппам, который осуществлялся на протяжении миллиардов лет эволюции, у “хоанов” происходит за один миг.

Хоанофлагелляты могут образовывать колонии, как показано на этой фотографии

Хотя Кинг училась на молекулярного биолога, она рассуждает как палеонтолог. Охотники за окаменелостями смотрят на живых существ и задаются вопросом, какими могли быть их предки, – Кинг делает то же самое в отношении процесса формирования тел, пытаясь ответить на вопрос, какие молекулярные механизмы необходимы для формирования тела и как они возникли.

Как мы видели, клетки производят специфические белки для построения тел, поэтому, возможно, ключ к возникновению тел найдется при изучении происхождения этих молекул. Ответы содержатся в геномах – в последовательностях ДНК хоанофлагеллятов, бактерий и самых разных микробов, ожидающих своих исследователей. Используя компьютерные базы данных, ученые способны проанализировать геном организма и понять, какие именно белки он может производить.

Когда был прочитан геном хоанофлагеллятов, выяснилось одно невероятное обстоятельство. В этом одноклеточном существе уже присутствуют многие белки, которые служат для построения тел. Хоанофлагелляты используют белки для образования розеток или поиска и переваривания пищи. Эти наблюдения заставили Кинг и других ученых расширить периметр охоты и проанализировать геномы разных микробов. В результате сложилась картина эволюции, которую мы обсуждали выше.

Кинг и ее коллеги обнаружили, что белки, которые используются для построения тел животных, имеются у многих одноклеточных существ от бактерий до более сложных организмов с органеллами. Зачем им нужны эти белки, если они не служат для формирования тела? Одноклеточные организмы используют их, чтобы прикрепиться к добыче или каким-то объектам из окружающей среды, а также чтобы избегать хищников. Кроме того, одноклеточные организмы могут общаться друг с другом посредством химических сигналов. Адаптируясь к окружению, микробы создали предшественников химических молекул, впоследствии использованных животными для построения тел. Многоклеточные формы жизни могут существовать только по той причине, что новые сочетания молекул стали применяться иначе, чем применялись раньше в одноклеточных организмах. Великие изобретения, благодаря которым существуют тела, были сделаны до того, как возникли сами тела.

Недавно Кинг идентифицировала сигнал, заставляющий хоанофлагелляты собираться в розетки. В присутствии бактерий определенного вида хоанофлагелляты начинают выделять белок, который “сгоняет” их в группы. Мы точно не знаем, почему бактерии служат триггером такого поведения. Возможно, они подают какой-то химический сигнал, вызывающий образование розеток. Но это интересное наблюдение: одноклеточные организмы не только служили исходным материалом для формирования тел, но и могли индуцировать их формирование.

Для возникновения тел нужна была как готовность, так и благоприятная возможность. Механизм формирования существовал бесконечное количество лет до того, как появились первые тела, дошедшие до нас в виде окаменелостей. Примерно миллиард лет назад кислород создал новый мир для существ, которые уже готовы были в нем процветать. С повышением концентрации кислорода в атмосфере существа, использующие кислород, могли затрачивать на жизнь больше энергии. Эту энергию взяли в оборот новые клетки, о которых говорила Маргулис. Производство белков в необходимом для построения тел масштабе стало возможным только потому, что клетки имели внутри себя электростанции, работавшие на кислородном топливе. А это топливо миллиард лет назад присутствовало в изобилии.

Сумма частей