Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

По мере того, как эндосимбионты теряют свои гены, уменьшаются их собственные потребности в АТФ. Это приводит к забавному казусу. Клетка в процессе дыхания синтезирует АТФ из АДФ. В свою очередь, АТФ расщепляется обратно до АДФ, а выделяющаяся энергия расходуется на нужды клетки. Если уровень потребления АТФ сильно падает, весь АДФ в клетке превращается в АТФ, что ведет к остановке клеточного дыхания[78]. В таких условиях дыхательная цепь накапливает избыточное количество электронов, становится “перевосстановленной” (гл. 7), и электроны начинают стекать с нее на кислород, что приводит к образованию свободных радикалов, которые повреждают белки, ДНК, даже запускают апоптоз. Возникновение одного из ключевых митохондриальных белков – АДФ/АТФ-транслокатора – позволило клетке-хозяину отвести часть АТФ из клеток эндосимбионтов на свои нужды. Но самое замечательное, что это еще и решило проблему перевосстановления дыхательных цепей эндосимбионтов. За счет отведения избытка АТФ и снабжения эндосимбионтов АДФ клетка-хозяин сократила образование свободных радикалов внутри эндосимбионтов и так снизила риск того, что она сама окажется поврежденной или даже погибнет. Это объясняет, почему и клетка-хозяин, и эндосимбионты заинтересованы в том, чтобы спускать большие количества АТФ на такие расточительные приобретения, как динамический цитоскелет[79]. Но суть в том, что каждая стадия эндосимбиотических взаимодействий оказывается выгодной, в отличие от плазмид, которые не делают выгодным ни увеличение размеров клетки, ни производство большего количества АТФ.

Возникновение эукариот – уникальное событие. За 4 млрд лет это случилось лишь однажды. Если рассматривать причудливую траекторию эволюции в отношении информации и геномов, понять ее закономерности почти невозможно. Но картина приобретает смысл, если взглянуть на нее с позиции энергии и физической структуры клеток. Мы разбирались, как хемиосмотическое сопряжение могло возникнуть в щелочных гидротермальных источниках и почему оно навсегда осталось универсальным и у бактерий, и у архей. Мы убедились, что хемиосмотическое сопряжение обусловило удивительные адаптивные возможности прокариот и их огромное разнообразие. Вероятно, те же факторы играют роль и в возникновении жизни на других планетах: для этого нужно немногим больше, чем горная порода, вода и CO₂. А сейчас вы увидите, почему естественный отбор, действующий на бесконечную популяцию бактерий в течение бесконечно долгого времени, не приведет к возникновению крупных и сложных клеток эукариотического типа иначе, чем путем эндосимбиоза.

Нет универсальных или предопределенных путей развития, ведущих к возникновению сложно устроенной жизни. Вселенная не “беременна” идеей нашего существования. Сложная жизнь может возникнуть где угодно, но это очень редкое событие – по этой причине мы не наблюдаем ее повторного возникновения на Земле. Первая часть объяснения проста: эндосимбиоз прокариот довольно редок. Вторая часть менее очевидна и заставляет вспомнить Сартра: “Ад – это другие”. Тесное эндосимбиотическое взаимодействие могло вывести бактерий из затянувшегося эволюционного тупика, но, как мы увидим, из мучительного процесса рождения эукариотической клетки можно понять, почему подобные события чрезвычайно редки и почему сложным формам жизни свойственно много специфических черт, например половое размножение и смерть.

Глава 6 Половое размножение и происхождение смерти

Природа не терпит пустоты, писал Аристотель. О том же две тысячи лет спустя рассуждал Исаак Ньютон. Оба ученых очень интересовались, чем же заполнено пространство. Ньютон полагал, что пространство заполнено загадочной субстанцией – эфиром. Физики в XX веке отказались от эфира, но в экологии идея horror vacui, “боязни пустоты”, жива и здравствует. Мысль, что все экологические ниши должны быть заняты, выражена в стихотворении Джонатана Свифта:

Под микроскопом он открыл, что на блохе
Живет блоху кусающая блошка;
На блошке той блошинка-крошка,
В блошинку же вонзает зуб сердито
Блошиночка, и так ad infinitum

.

Любая экологическая ниша, которую только можно вообразить, оказывается занята видом, который наилучшим образом приспособлен к ней. Каждый организм (растение, животное, бактерия и т. д.) является пристанищем для паразитов, вирусов и мобильных генетических элементов всех мастей, не говоря уже о хищниках крупнее себя. И так всегда.