Взламывая биологию

Исследования ДНК показывают, что первыми формами жизни были прокариоты, бактерии и археи, клетки которых довольно мелки и примитивны. Теория симбиогенеза предполагает, что более крупные и сложные клетки, протисты и многоклеточные организмы появились, когда прокариоты стали объединяться в группы.

Симбиоз – феномен, когда два разных вида извлекают выгоду от сосуществования. В 1967 г. американский генетик Линн Маргулис выдвинула удивившую многих теорию о том, что эукариотические клетки с их сложными внутренними структурами развились из неродственных им прокариотов, образовавших группы. Митохондрии и хлоропласты в эукариотических клетках, как заметили еще в 1910 г., похожи на бактерии – отсюда и вывод. Более поздние открытия показали, что эти органеллы содержат собственные ДНК. Анализ ДНК митохондрий, которые находят почти во всех живых клетках, доказал их сходство с протобактериями, также известными как несерные пурпурные бактерии. Это многочисленная группа прокариотов: некоторые из них вызывают заболевания, а прочие – это азотфиксирующие бактерии в почвах. Хлоропласты в клетках растений в свою очередь близко связаны с цианобактериями, или сине-зелеными водорослями. Это были первые фотосинтезирующие организмы.

Исключение из правил

Идея Маргулис известна как симбиогенез, или эндосимбиотическая теория, ведь составные элементы клетки зависят друг от друга. Но, возможно, все начиналось совсем не так. Инородные микроорганизмы могла поглотить более крупная клетка в качестве пищи, они также могли быть паразитами. ДНК в ядре эукариотов ближе к ДНК археи, а не бактерии, поэтому предполагается, что клетка, которая сформировала укрытие для эндосимбионта, была археей, мембрана которой разраслась и усложнилась.

Первая эукариотическая клетка появилась по меньшей мере 1,5 млрд лет назад. Считается, что этот процесс увенчался успехом только однажды. Все протисты, грибы, растения и животные произошли от одной этой клетки. Считается, что первый эукариот кормился другими организмами и не использовал фотосинтез. Он дал начало грибам и животным. Фотосинтезирующий хлоропласт возник позже, и с него началась история растений.

Симбиогенез потенциально может включать следующие этапы. 1) Прокариотическая клетка, вероятно архея, увеличивается, на ее мембране формируются складки, за счет которых растет площадь ее поверхности. 2) Складки отделяются от мембраны клетки и формируют мембрану вокруг ядра, где хранится генетический материал, – так образуется эндоплазматический ретикулум. 3) Терпимые к кислороду несерные пурпурные бактерии проникают внутрь и выживают. Они способны размножаться и сохраняться при делении клетки. 4) Бактерия использует кислород производства энергии для клетки – как примитивная митохондрия. 5) Цианобактерия попадает в клетку и начинает производить сахар á с помощью фотосинтеза. Клетка приобретает сходство с растительной.

Родственный отбор

Выражение «эгоистичный ген» часто встречается в популярных книгах по биологии. Это не означает, что все организмы эгоистичны. Термин появился, когда ученые пытались объяснить, почему животные иногда помогают друг другу.

Иногда животное ведет себя парадоксально: увеличивает шансы на выживание менее приспособленных особей, но лишает себя возможности успешно воспроизводиться. Например, львица выхаживает чужих львят, а рабочие пчелы, защищая колонию, обрекают себя на гибель, нападая на противника. В конце 1960-х гг. британский биолог Уильям Д. Гамильтон придумал концепцию генетического родства, объясняющую подобный альтруизм. Ученый утверждал, что демонстрируемый альтруизм помог выжить и укорениться генам, общим для этих животных. Концепция получила название кин-отбор, или родственный отбор.

В семье