Журнал «Новый мир» - Новый Мир. № 12, 2000

М. Б.Есть ли объяснения, почему жизнь на Земле стартовала именно с микробов, а не сразу, скажем, с каких-то более сложных организмов. В чем особые достоинства одноклеточных?

В. Р.Темп деления микробов в 100 — 10 000 раз выше скорости удвоения клеток многоклеточных организмов. За одни сутки можно получить 40 поколений клеток, то есть сотни миллиардов бактерий. От 30 до 50 процентов потоков энергии и питательных веществ преобразуются у бактерий в новые копии ДНК. Бактерии перекачивают солнечную энергию в главные информационные молекулы жизни. Поскольку цивилизация бактерий создавалась в эпоху мощных геологических катаклизмов и непредсказуемых изменений климата, бактерий выручала их уникальная способность приспосабливаться и выживать за счет постоянной модификации генов, невероятная скорость приспособления в широчайших диапазонах. Бактерии первыми на Земле создали гигантскую «библиотеку» генов, включая целые генные кланы, семейства и родословные, которые затем перекочевали в многоклеточные организмы. Если бы жизнь начиналась с многоклеточных, на создание той же библиотеки и банка генов ушло бы гораздо больше времени. Бактерии оказались главным источником вирусов. Многие из вирусов-«казанов» научились легко преодолевать «границы и таможни» видов и биоценозов, занимаясь «контрабандой» чужих генов. Этот так называемый «горизонтальный» перенос генов между клетками в биосфере сыграл важнейшую роль в возникновении и распространении многоклеточной жизни. «Вертикальный» же перенос информации от ДНК родителей к потомству оберегает любой вид жизни от уничтожения. Возникновение и стабилизация видов связаны с надежной информационной изоляцией половых клеток и полового процесса и его защитой от внешних помех.

Когда жизнь на земле вошла в спокойное русло, скорость приспособления клеток перестала быть главным фактором выживания. Самораскручивающийся маховик эволюции стал осваивать новые пласты качества, в том числе и другие масштабы пространства-времени. Бактериальные клетки в новой ситуации лишились перспективы, хотя накопили гигантский арсенал генов, из которых только крохотная часть использовалась в их краткосрочной жизни.

По мнению биолога Ричарда Доукинса, эволюция — это своего рода гигантское биопредприятие по освоению пространства и времени, напоминающее современную фирму. Здесь имеется свой «отдел новых разработок» и свой «отдел практического внедрения». Ключевые позиции в «отделе разработок» занимают вечно изменчивые бактерии, в каждом поколении поставляющие на «рынок» биоинформации новые гены. С помощью вирусов и латерального переноса новые гены постепенно внедряются в геном других видов. Новизна приходит в живой мир с новыми молекулами ДНК. Вместе с тем хромосомы как бактерий, так и растений и животных имеют семейства «константных» генов, структура и функции которых не меняются более миллиона лет. Этот «золотой запас» информации используется для незаменимых ключевых реакций, без которых клетке не выжить. «Золотой запас» формирует основной каркас «ковчега жизни». По каким-то неизвестным пока причинам структура генов из «золотого запаса» практически не меняется на гигантских отрезках эволюции. В дополнение к «золотому запасу» в каждом геноме бактерий или многоклеточных имеется «экспериментальный отдел», где создаются, привносятся или испытываются новые гены или целые кассеты генов в поисках неизвестных ранее возможностей и функций. С помощью «экспериментальных» генов любая клетка расширяет диапазон функций и качество воспринимаемой информации.

М. Б.Почему эволюция не собрала многоклеточные организмы из клеток бактерий? Зачем нужно было принципиально изменить устройство клеток, образовать в них ядро, органеллы, другие специализированные «цеха и заводы», чтобы приступить к созданию многоклеточных? Какова была последовательность шагов этого перехода — сперва появились новые, более сложно устроенные клетки и уже потом из них возникли многоклеточные организмы?

В. Р.Нет сомнения, что эволюция испробовала любые возможности, в том числе и те, которые вы упомянули. Но судить об этом мы можем лишь по крошечной доле чудом сохранившихся успешных результатов. Эволюция десятки миллионов лет маленькими порциями усложняла геном бактерий. Происходило это путем избирательного дублирования фрагментов хромосом, путем импортирования чужих генов, а также за счет слияния генов бактерий-симбионтов. По всем направлениям факты свидетельствуют: с универсальной неизбежностью время усложняло устройство ДНК всех видов. Разные виды бактерий добивались случайных успехов в создании новых генераторов химической энергии, новых молекулярных машин, новых органелл для избавления от шлаков. Информационные связи между бактериями позволяли копировать важные находки и не изобретать велосипед вслепую тысячи раз. Эволюционируют структуры, а не принципы самоусложнения и саморазвития жизни. Эукариотические бактерии (то есть бактерии с типичным ядром и набором органелл) стали зачинателями великих перемен.

Если информационные возможности бактериальной клетки оцениваются цифрой порядка 1 мегабайта, то у эукариотической клетки они уже порядка 700 мегабайтов. Для сравнения: все тома Британской энциклопедии занимают 600 мегабайтов на компактном диске. Так что скачок от бактериальной к эукариотической клетке можно сравнить с рывком от примитивной лодки к современному лайнеру. Представьте себе, что количество фигур и полей на шахматной доске увеличилось в десять раз. Эти новые начальные условия таят в себе миллиарды новых информационных ситуаций.

М. Б.Значит, в истории эволюции бактериям случалось выходить из режима постоянной конкуренции и это вело к образованию симбиозов, а затем и многоклеточных?

В. Р.Да, бактерии действительно с успехом налаживали взаимовыгодное сотрудничество, если того требовали обстоятельства. Недавно в Австралии в породах с возрастом около 3,5 млрд. лет были обнаружены сохранившиеся отпечатки скоплений цианобактерий (сине-зеленых водорослей) в симбиозе с другими бактериями. Такие «кооперативы» бактерий опережали умением и способностями кустарей-одиночек. Предполагают, что слияние геномов симбионтов сыграло важную роль в эволюции ДНК. Однако это был лишь первый шаг на пути возникновения многоклеточных.

Описательная палеонтология, позднее молекулярная палеобиология накопили такие гигантские массивы данных, что упорядочить их без современной компьютерной базы попросту невозможно. Эволюция — это многослойный «пирог» изменений жизни, но при этом многие изменения организмов не являются эволюционными. Требуется квалифицированная научная экспертиза, чтобы воссоздать реальную, а не мифическую цепь событий. Сам момент превращения бактерий-симбионтов в многоклеточные организмы от нас пока ускользает — аналогичного озеру Восток бесценного подарка природы с реликтовыми живыми многоклеточными пока не удалось разведать. Лучшее, что имеет сейчас наука, — это окаменевшие музеи ранних многоклеточных, найденные в скальных породах Британской Колумбии (Канада), Австралии, Китая. Поражает многообразие форм многоклеточных организмов, возникших практически одновременно.