Ник Лейн - Лестница жизни

Представьте, что вы перенеслись на машине времени в прошлое на три миллиарда лет и оказались на прибрежном мелководье. Первое, что вы заметите, — что небо, подернутое дымкой, окрашено не в голубой, а в тускло-красный цвет, немного напоминающий Марс. Воздух теплый, хотя солнце из-за дымки видно неотчетливо. На суше глазу не на чем остановиться. Повсюду лишь голые камни, там и тут покрытые влажными бесцветными пятнами бактерий, изо всех сил держащимися за этот сухопутный форпост на краю их владений. Ни травы, ни какой-либо другой растительности нет. Но на мелководье стоят, как на параде, десятки странных каменных куполов зеленоватого цвета. Это явно плоды трудов живых организмов. Самые высокие из них достигают примерно метра в высоту. Немногочисленные подобные структуры и сегодня можно найти в самых удаленных и недоступных лагунах Земли: это строматолиты. Больше в воде не заметно следов жизни. Нет ни рыбы, ни водорослей, ни суетливых крабов, ни актиний с колышущимися щупальцами. Попробуйте снять кислородную маску — и быстро поймете, почему: в таком воздухе вы задохнулись бы за несколько минут. Кислорода в нем почти нет даже возле самых строматолитов. И все же построившие их сине-зеленые бактерии (цианобактерии) уже начинают понемногу подмешивать в атмосферу этот ядовитый газ. Пройдет миллиард лет, и их выбросы наконец окрасят Землю яркими зелеными и синими цветами. И только тогда будет легко узнать наш общий дом.

Если бы мы, глядя на эту древнюю Землю из космоса, смогли что-нибудь разглядеть сквозь тусклый красный смог, мы отметили бы лишь одну черту, более или менее напоминающую современную нам планету: «цветение» воды. Его вызывают цианобактерии (родственницы тех, что создают строматолиты), свободно плавающие в море, образуя обширные скопления. Из космоса эти скопления выглядели бы примерно так же, как те, что порой возникают сегодня, а если бы мы посмотрели на эти древние цианобактерии под микроскопом, то оказалось бы, что они почти неотличимы от современных, таких как Trichodesmium. Периоды «цветения» продолжались несколько недель, в течение которых бурное размножение цианобактерий поддерживали минеральные вещества, выносимые в море реками или поднимаемые из глубин восходящими течениями. После «цветения» скопления бактерий за одну ночь рассеивались в воде, которая вновь окрашивалась в тусклый красный цвет, отражая безжизненное небо. Обширные участки «цветущей» воды в современных океанах тоже могут исчезать за одну ночь.

Нам лишь недавно удалось разобраться в том, что при этом происходит. Эти полчища бактерий не просто умирают: они совершают самоубийство. В клетке каждой цианобактерии содержится аппарат для такого суицида — древняя система ферментов, на удивление похожих на ферменты наших собственных клеток, осуществляющие демонтаж клетки изнутри. Мысль, что бактерии могут самоликвидироваться, оказалась настолько неожиданной, что исследователи неоднократно пренебрегали фактами, свидетельствующими в ее пользу, но теперь это уже доказано окончательно. Бактерии действительно могут погибать «преднамеренно», и генетические данные, полученные Полом Фалковски и Кеем Бидлом из Рутгерского университета (штат Нью-Джерси), указывают на то, что этому явлению уже три миллиарда лет. Но почему это происходит?

Потому что умирать выгодно. «Цветение» воды вызывают бесчисленные триллионы генетически сходных или даже идентичных клеток. Но и генетически идентичные клетки не всегда одинаковы. В состав нашего тела входят клетки нескольких сотен различных типов, и все они генетически идентичны. Клетки развиваются по-разному, то есть дифференцируются, в ответ на тонкие различия между химическими сигналами, получаемыми из окружающей среды, которая в случае нашего организма представлена окружающими клетками. В случае же бактериального «цветения» воды окружающая среда включает не только другие клетки, иные из которых могут выделять сигнальные вещества или даже токсины, но и еще ряд факторов, таких как уровень освещенности, доступность питательных веществ или вирусные инфекции. Так что даже если бактерии генетически идентичны, их среда оказывает на них давление самыми разными способами, проявляя бесконечную изобретательность. А именно это и составляет основу дифференциации.

Около трех миллиардов лет назад бактерии начали демонстрировать первые признаки дифференциации: генетически идентичные клетки стали принимать разный облик, и им была уготована разная судьба. Одни становились твердыми, высокоустойчивыми спорами, другие образовывали тонкие липкие пленки (биопленки), нарастающие на покрытых водой поверхностях, например подводных камнях, третьи жили сами по себе, вдали от своего племени, а четвертые просто умирали.

Вообще-то правильнее будет сказать: они не просто умирали: они умирали с трудом. Точно неизвестно, как в ходе эволюции возник сложный аппарат клеточной смерти. Самый правдоподобный ответ гласит, что это произошло в результате взаимодействия с бактериофагами — вирусами, заражающими бактерии. Вирусные частицы в современных океанах встречаются в огромных количествах: их концентрация составляет сотни миллионов на миллилитр морской воды, что по крайней мере на два порядка больше, чем концентрации бактерий, и в древности дела почти наверняка обстояли примерно также. Непрекращающаяся война бактерий с бактериофагами — одна из важнейших и незаслуженно малоизвестных сил эволюции.

Вполне вероятно, что запрограммированная смерть возникла как один из древнейших способов ведения этой войны.

Простой пример: модули токсин/антитоксин, используемые многими фагами. Среди небольшого количества генов этих фагов есть ген определенного токсина, способного убивать бактерии-хозяев, а также ген антитоксина, защищающий бактерию от данного токсина. Подлость в том, что молекулы токсина долговечны, а противоядие к нему живет недолго. В клетках зараженных бактерий обычно синтезируется и токсин, и антитоксин, что позволяет этим клеткам выжить, в то время как незараженные бактерии, или зараженные бактерии, пытающиеся сбросить с себя вирусные оковы, отравляются и погибают. Самый простой способ, позволяющий бедным бактериям разорвать этот порочный круг, состоит в том, чтобы украсть у вируса ген антитоксина и встроить его в собственный геном, защитив от токсина и незараженные клетки. Нередко именно это и происходит. Впрочем, вирусы, эволюционируя, разрабатывают все более сложные токсины и антитоксины, так что война продолжается, и используемое оружие постепенно становится все изощреннее. Не исключено, что именно так возникли ферменты каспазы — возможно, как раз у цианобактерий [86] Строго говоря, у бактерий и растений имеются так называемые метакаспазы, а не настоящие каспазы, но ясно, что именно метакаспазы были эволюционными предшественниками каспаз, и многие функции тех и других совпадают. Для простоты я буду называть все эти ферменты каспазами. Подробнее о них можно прочитать в моей статье «Происхождение смерти» (Lane, N. Origins of Death // Nature 453: 583–585; 2008). . Эти специализированные «белки смерти» могут кромсать содержимое клетки. Один такой фермент активирует другой, который, в свою очередь, активирует третий, и так далее, так что в итоге на клетку обрушивается целая армия палачей [87] Каскады ферментов имеют большое значение для клеток, потому что позволяют существенно усиливать слабые сигналы. Представьте себе, как один фермент, активируясь, активирует десяток других, каждый из которых, в свою очередь, активирует еще десяток. В итоге мы получаем сотню активных ферментов третьего уровня. Если каждый из них активирует еще десяток ферментов четвертого уровня, мы уже получим тысячу, затем десять тысяч, и так далее. За шесть этапов этот каскад позволяет активировать миллион ферментов. Именно так и запускается работа «палачей», разрывающих клетку изнутри. . Существенно, что у каждой каспазы есть свой собственный ингибитор — «противоядие», способное останавливать работу фермента. Очень может быть, что вся эта сложная система токсинов и антитоксинов, включающая много уровней нападения и защиты, сформировалась в ходе затяжной эволюционной войны между бактериофагами и бактериями.