Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Как только Земля стала более пригодной для жизни, потомки общего предка не замедлили по ней расселиться. Они распространились по морскому дну, образовали рифы и бактериальные маты [22] Бактериальные маты — сложные многовидовые и многослойные сообщества микроорганизмов. Играют большую роль в экстремальных экосистемах. Часто встречаются на дне водоемов или в прибрежной зоне. . Над морской гладью поднялись материки, и древние существа двинулись на сушу, формируя налеты и корки на камнях. Одновременно они брали на вооружение новые способы питания и роста. Некоторые бактерии и археи поглощали двуокись углерода и использовали в качестве источника энергии железо или другие химические вещества из глубоководных термальных источников. Именно они создали запас органического углерода, которым начали питаться другие микроорганизмы.

Не исключено, что от этих древних нахлебников и произошла E. coli. Ясно, что 3 млрд лет назад ее предки никак не могли жить внутри организма человека, да и никакого другого животного тоже. Данные о некоторых ближайших современных родичах E. coli (группа, известная под названием гамма — протеобактерии) позволяют сделать некоторые предположения о том, чем могли заниматься предки E. coli 3 млрд лет назад. Одни из них питаются нефтью, которая просачивается сквозь океанское дно. Другие живут на склонах подводных вулканов и приклеиваются к проплывающим мимо кусочкам белка, которые потом расщепляют. Возможно, E. coli получила свой обмен веществ в наследство именно от таких иждивенцев — добытчиков углерода.

Сложную общественную жизнь — привычку к формированию биопленок, применение колицинов в качестве биологического оружия и тому подобное — E. coli, вполне возможно, тоже унаследовала от свободноживущих морских предков. По крайней мере современные водные бактерии ведут исключительно активную общественную жизнь и гораздо чаще обитают в биопленках, нежели свободно плавают сами по себе.

Около 2,5 млрд лет назад предки E. coli сильно пострадали от катастрофы планетарного масштаба: в атмосфере Земли начал накапливаться кислород. Для нас кислород — необходимое условие жизни, но на древней Земле это был настоящий яд. Первоначально атмосфера планеты представляла собой густой туман из смеси разных молекул, включая и такой парниковый газ, как метан; его вырабатывали бактерии и археи. Свободный кислород был редок — отчасти потому, что его молекулы очень быстро вступали в реакцию с железом и другими элементами и образовывали новые молекулы. Жизнь сумела изменить химию планеты, когда некоторые из бактерий развили способность поглощать и использовать солнечный свет. Кислород у них возникал как побочный продукт реакции, и спустя 200 млн лет он начал накапливаться в атмосфере. Но кислород может быть смертелен для живых существ, которые не умеют себя защитить. Его атомная структура такова, что кислород способен вырывать атомы из других молекул и вступать с ними в связь. Возникающие при этом кислородосодержащие соединения могут натворить в клетке немало дел: они разрушают ДНК и другие попавшиеся на пути молекулы.

Первые 1,5 млрд лет существования жизни планета, к счастью, была свободна от этой напасти. Но 2,5 млрд лет назад уровень содержания кислорода в воздухе вырос десятикратно. За это время многие виды, вероятно, вымерли, а другие укрылись в таких местах, где содержание кислорода по — прежнему оставалось низким, — в толще ила, к примеру, или на океанском дне. Но некоторые виды — включая и предков E. coli — приспособились. Они обзавелись генами, способными защитить их от токсичного действия кислорода, а защитившись, изменили свой метаболизм так, чтобы получать от кислорода пользу; при помощи кислорода они научились значительно более эффективно, чем прежде, извлекать энергию из пищи. Однако и до сего дня E. coli сохраняет способность пользоваться как древним бескислородным метаболизмом, так и более новой кислородной версией, а также переключаться между ними в зависимости от того, сколько кислорода микроорганизм обнаруживает в окружающей среде.

Еще одна серьезнейшая революция, которую пережили предки E. coli, была результатом деятельности наших собственных предков. Биологи считают, что в древности примитивные эукариоты были главными хищниками на Земле. Эти существа очень напоминали сегодняшних амеб и так же рыскали в толще земли и воды в поисках добычи, которую они в состоянии поглотить. Естественный отбор благоприятствовал тем бактериям, которые способны были защитить себя от этих хищников. Надо сказать, что сегодня бактерии располагают внушительным арсеналом средств защиты от амеб и других хищников — эукариот. Они умеют производить токсины и вводить их внутрь амебы при помощи микроскопического «шприца». Хищникам не так‑то легко проникнуть в созданные ими биопленки. Даже будучи съеденными, бактерии продолжают бороться и всячески пытаются избежать гибели.

В некоторых случаях бактериям, возможно, удалось поменяться с хищником местами. Сегодня амеба может заболеть от бактериальной инфекции, вызванной теми видами, которые научились проникать в клетки хищников — простейших и прекрасно там себя чувствуют. Другие бактерии выказывают больше благодарности и в обмен на жилище обеспечивают одноклеточных простейших необходимыми для жизни химическими веществами. Когда‑то эукариоты таким образом обзавелись бактериями, дышащими кислородом [23] Аэробные бактерии. — Прим. ред. , и эти бактерии с тех пор стали частью наших с вами клеток. В свою очередь, предки водорослей обзавелись фотосинтезирующими бактериями, и среди их потомков — все растения, которые делают нашу Землю такой зеленой. Благодаря партнерам — бактериям на материках получили возможность развиваться крупные экосистемы с лесами, степями и болотами, ставшие домом для животных всех сортов — от насекомых до млекопитающих.

Потомки хищников — эукариот, гонявшихся несколько миллиардов лет назад за бактериями, теперь сами стали новой экосистемой, которую бактерии успешно освоили. Тысячи микроорганизмов сумели приспособиться к богатому пищей царству — кишечнику животных; среди этих тысяч и предки нашей E. coli. Эти бактерии принесли с собой способность расщеплять органические вещества, обмениваться между собой информацией и сотрудничать. Они прошли долгий путь от общего предка всех живых организмов, но, выбрав в качестве среды обитания внутренности животных, они по — своему вновь соединили давно разошедшиеся ветви древа жизни.

Здание федерального суда в городе Гаррисберг (штат Пенсильвания) представляет собой невыразительную коробку из темного стекла. Здешние судьи разбирают в основном скучные конфликты по поводу работы похоронных контор, лицензий на продажу алкоголя, парковок при аэропортах. Но в 2005 г. здание суда оказалось неожиданно наводнено толпами людей — репортеров, фотографов и просто зевак. Всех их привлекло одно и то же дело: Китцмиллер против управления образования округа Дувр. Одиннадцать родителей из небольшого городка Дувр подали иск против местного совета по образованию. Обвинение состояло в том, что совет ввел религию в программу занятий по естественнонаучным дисциплинам. Дело привлекло внимание мировой общественности, поскольку суду впервые предстояло рассмотреть креационизм в его самом свежем воплощении, известном как теория разумного замысла. Процесс стартовал 26 сентября 2005 г. В зале установили проекторы, чтобы адвокаты и эксперты, приглашенные в качестве свидетелей, могли демонстрировать на большом экране картинки, иллюстрирующие их точку зрения. На экране снова и снова появлялась одна и та же картинка: изображение жгутика E. coli.