Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Первые живые организмы, вероятно, относились к домену архей, хотя организмы второго домена, бактерии, тоже появились рано. Оба домена полностью состоят из прокариот, крошечных одноклеточных существ, у которых нет ни отдельного ядра, ни других специализированных клеточных органелл. Прокариоты преобладали в биосфере на протяжении более 7/8 ее истории, это закончилось около 600 млн лет назад. Если где-то еще в нашей галактике обнаружатся живые существа, скорее всего, мы не сможем пожать им руку, а будем разглядывать их в микроскоп.

Прокариоты такие маленькие, что сто тысяч из них могли бы устроить вечеринку в точке в конце этого предложения. Их гены свободно плавают в виде колец и ворсинок в соленом молекулярном бульоне цитоплазмы, так что их ДНК постоянно подвергается ударам, как и все в цитоплазме, и ее легко повредить или изменить. Кусочки генетического материала могут даже проплыть через клеточную мембрану и мигрировать в другие клетки. В мире прокариот многие генетические идеи уходили на сторону и распространялись среди не связанных между собой особей, а не только передавались по вертикали от родителя к потомству. Прокариоты торгуют генами, как мы – акциями и облигациями, поэтому в их мире понятие отдельного вида определить труднее, чем в нашем.

Сегодня прокариоты по-прежнему преобладают в биосфере. На вашем теле и внутри его их клеток, вероятно, больше, чем клеток с вашей ДНК. Но мы на них не обращаем внимания (пока они не вызывают боль в животе или простуду), потому что они гораздо меньше наших клеток. Мы делим с ними огромный теневой мир, который называется микробиом.

До недавних пор был велик соблазн считать историю одноклеточных организмов скучной, чтобы можно было спокойно пропустить первые 3 млрд лет существования биосферы. Теперь становится ясно, что новейшую ее историю невозможно осмыслить, не разобравшись в значительно более длинной эпохе мелких форм жизни. В процессе эволюции прокариоты разработали множество новых приемов, которые позволили им осваивать различные среды, и некоторые из биохимических средств, открытых ими, мы используем по сей день.

Все прокариоты умеют обрабатывать информацию. В некотором смысле они даже обучаемы. В их мембраны встроены тысячи молекулярных рецепторов, которые способны отмечать перепады освещенности и кислотности, чувствовать, что поблизости может быть пища или яд, и замечать, что произошло столкновение с чем-то твердым. Рецепторы состоят из белков, у которых, как и у всех ферментов, есть центры связывания, цепляющиеся за определенные молекулы снаружи клетки или реагирующие на изменения освещенности, кислотности или температуры. Обнаружив что-то, такие белки немного изменяют форму, и внутрь клетки поступает сигнал. Например, в мембрану кишечной палочки (популярного объекта исследований) встроены молекулы-рецепторы четырех разных типов, и они вместе могут определять около пятидесяти видов положительных и негативных факторов вокруг нее [83] Dennis Bray . Wetware: A Computer in Every Living Cell. New Haven, CT: Yale University Press, 2009, loc. 1084, Kindle. . Если рецептор что-то выявил, у клетки есть выбор. Например, она может решить пропустить определенные молекулы через стенки мембраны (потому что они похожи на пищу) или оставить их снаружи (потому что они выглядят как яд). Принятие решения может быть совершенно простым, основанным на очень скудных входящих данных и требующим лишь ответа «да/нет»: «Впустить эту молекулу или нет?» или «Ой, с этой стороны стало жарко! Мне подвинуться?». Но даже самые простые рецепторы, в сущности, создают зарисовку окружения клетки. Если принято решение переместиться, активируется ее оборудование для управления движением. У многих бактерий это своеобразное вращающееся щупальце, жгутик, который может выступать в роли пропеллера. В мембрану кишечной палочки встроено шесть таких отростков, похожих на хлыстики. Каждый из них состоит из двадцати разных частей и может совершать несколько сотен оборотов в секунду, используя энергию протонного градиента по разные стороны от мембраны. При необходимости жгутики вращаются вместе, чтобы движение стало более направленным [84] Описание взято из следующей книги: Gerhard Roth . The Long Evolution of Brains and Minds. N. Y.: Springer, 2013. P. 70. . Связь между рецепторами в мембране и жгутиками говорит о том, что, по сути, у кишечной палочки есть краткосрочная память. Она может работать всего несколько секунд, но ее силы достаточно, чтобы сказать либо «Все в порядке, ничего не нужно делать!», либо «Ситуация нехорошая, жгутик, приступить к вращению!» . В основе краткосрочной памяти лежат мелкие изменения рецепторов и химические вещества, которые те выделяют.

Это примитивное оборудование для обработки информации, но здесь уже есть три основных компонента этого процесса: входящие данные, обработка, исходящие данные.

Благодаря управлению информацией прокариоты получили больше контроля над локальными потоками энергии. Со временем они научились получать, контролировать энергию и управлять ею во многих разнообразных средах океанов Земли. Первые прокариоты, скорее всего, были хемотрофами. Это значит, что они получали энергию из геохимических реакций между водой и горными породами, продуктами которых были простые вещества, такие как сероводород и метан – химическая энергия, к потоку которой они могли подключиться [85] См.: Andrew Knoll . Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2003. P. 20; в книге превосходно описано поразительное разнообразие систем метаболизма у прокариот. Об энергетических потоках, которыми пользовались первые организмы, см.: Olivia P. Judson. The Energy Expansions of Evolution // Nature: Ecology and Evolution 28, April 2017. P. 1–9. . Но количество легко усваиваемых химикатов, которые по капельке обеспечивали бы вливания энергии, в древних океанах было ограничено, в свободном доступе они встречались лишь изредка, например в условиях глубоководных гидротермальных источников. Эти ограничения могли бы сузить возможности для жизни на Земле. Некоторые прокариоты достаточно быстро научились есть других прокариот. Это были первые гетеротрофы в биосфере, одноклеточный аналог хищников, таких как тираннозавр. Мы с вами тоже гетеротрофы: мы получаем пищевую энергию, потребляя другие организмы, а не едим химикаты. Но даже питаясь другими организмами, придется столкнуться с ограничениями, если энергетическая цепь, на которой держится вся биосфера, как на якоре, привязана к океану.

Около 3,5 млрд лет назад новейшая эволюционная разработка, фотосинтез, позволила некоторым организмам освоить потоки солнечной энергии. Для живых существ это была первая энергетическая золотая жила, и в мире прокариот она вызвала соответствующий эффект.