Ник Лэйн - Вопрос жизни [Энергия, эволюция и происхождение сложности]

Нам повезло жить во времена стремительного развития геномных технологий, в разгар научной революции. В нашем распоряжении тысячи целиком расшифрованных геномов, общая протяженность которых измеряется миллиардами знаков. Нередко они несут противоречащие друг другу послания из далекого прошлого. Интерпретация этих данных требует наличия строгого логического, вычислительного и статистического аппарата и понимания биологических закономерностей. Мнения, суждения, интерпретации повисли тяжелыми тучами. В моменты, когда между ними появляется просвет, открывается сюрреалистический вид, всякий раз все страннее. От привычной картины не осталось и следа, а новая пугает. С точки зрения исследователя, ищущего себе великие задачи, от этой просто дух захватывает. Главные вопросы биологии все еще ждут ответов. Эта книга – моя собственная попытка подступиться к ним.

Как бактерии связаны со сложными формами жизни? Корни этого вопроса уходят в 70-е годы XVII века, когда голландец Антони ван Левенгук открыл микроорганизмы. В резвящихся “зверушек” сначала мало кто верил, но вскоре существование микробов подтвердил не менее изобретательный Роберт Гук. Левенгук в знаменитой работе 1677 года описал бактерий, которые были “необыкновенно малы – настолько малы, что, по-видимому, и целая сотня их, выстроенная в ряд, не превысила бы песчинки. Чтобы сравняться с ней, потребовался бы по крайней мере десяток тысяч этих существ”. Многие сомневались, что Левенгук увидел бактерий при помощи своих примитивных микроскопов, хотя сейчас это считается бесспорным фактом. Левенгук находил бактерий везде: и в дождевой воде, и в море, даже на собственных зубах. Он интуитивно провел границу между “зверушками” и “гигантскими чудищами” – микроскопическими протистами – с их “лапками” (ресничками) и занятными повадками. Он даже заметил, что самые большие клетки состоят из множества “глобул” (шариков), которые он сравнивал по размеру с бактериями (хоть и не использовал этот термин). Среди глобул Левенгук почти наверняка увидел клеточное ядро: хранилище генов всех сложных клеток. После этого на несколько столетий все утихло. Знаменитый систематик Карл Линней спустя полвека после Левенгука просто отнес все микроорганизмы к роду Chaos (бесформенные) внутри типа Vermes (черви). Эрнст Геккель, великий немецкий эволюционист, современник Дарвина, вновь отделил бактерии от остальных микроорганизмов. И все же в идейном плане значительных шагов не было сделано до середины XX столетия.

Проблема систематики бактерий встала особенно остро при попытке объединить их в группы по биохимическим признакам. Бактерии из-за невероятно разнообразных метаболических путей кажутся совершенно не поддающимися такой классификации. Они могут расти почти на чем угодно: на цементе, аккумуляторной кислоте, бензине. Но если все эти сильно различающиеся способы существования не имеют ничего общего, как мы можем классифицировать бактерий? И как разобраться с ними без классификации? Подобно тому, как периодический закон принес в химию логику и связность, биохимия упорядочила науку об эволюции клеток. Голландец Алберт Клюйвер показал, что, несмотря на исключительное разнообразие живых организмов, их жизнедеятельность поддерживают очень схожие биохимические процессы. Столь различные процессы, как дыхание, брожение и фотосинтез имеют единую основу, а это свидетельствует о том, что все живое восходит к общему предку. Что справедливо для бактерий, справедливо и для слонов, утверждал Клюйвер. С точки зрения биохимии, барьер между бактериями и сложными клетками незначителен. Биохимия бактерий несравнимо многообразнее, но ключевые процессы поддержания жизнедеятельности у них по существу такие же, как у сложных клеток. Возможно, ближе всего к пониманию различия между бактериями и сложными клетками подошли ученик Клюйвера Корнелис ван Ниль и Роджер Станьер. Бактерия, утверждали они, неделима, как и атомы, и представляет собой минимальную функциональную единицу. Многие бактерии, как и мы, способны дышать кислородом, но бактериальная клетка вовлекается в этот процесс целиком: в ней нет предназначенных для дыхания компартментов, как в наших клетках. Бактерии делятся пополам, когда вырастают, но функционально они неделимы.

Так началась первая из трех биологических революций второй половины XX века, не оставивших камня на камне от прежних представлений о живом. Первая революция началась в “лето любви” 1967 года, а разожгла ее Линн Маргулис. “Сложные клетки появились не в ходе «классического» естественного отбора, – утверждала Маргулис. – Они зародились в оргии взаимного ублажения, когда клетки были так близки, что даже проникали друг в друга”. Долговременное сотрудничество нескольких видов называется симбиозом и напоминает обмен товарами и услугами. В случае микроорганизмов товары – это метаболические субстраты, дающие энергию для поддержания жизни клеток. Маргулис говорила об эндосимбиозе – разновидности симбиоза, при котором поддерживающие друг друга клетки находятся внутри клетки хозяина, почти как магазины под крышей одного торгового центра. Догадки на этот счет появились еще в начале XX века, а их развитие поразительно напоминает судьбу теории тектоники литосферных плит. Очертания Африки и Южной Америки выглядят так, будто эти материки составляли единое целое, а после разошлись, но это незамысловатое наблюдение долго казалось нелепым. Точно так же многим приходило в голову, что некоторые структуры сложных клеток подозрительно напоминают бактерии, даже будто бы самостоятельно растут и делятся. Может, это и есть бактерии?

Подобно теории тектоники литосферных плит, эти идеи опередили свое время и не получили развития до 60-х годов, начала эры молекулярной биологии, когда подтверждение этих идей стало возможным. Это и сделала Линн Маргулис. Она исследовала две специализированные клеточные структуры: митохондрии и хлоропласты. В митохондриях осуществляется клеточное дыхание – сжигание пищи в кислороде с выделением энергии, которая идет на поддержание жизненных процессов клетки. Хлоропласты – особые приспособления фотосинтезирующих растений, преобразующие энергию солнечного света в энергию химических связей. Эти органеллы (греч. “миниатюрные органы”) сохранили собственные геномы, кодирующие несколько десятков генов, задействованных в механизмах дыхания и фотосинтеза. Как только были получены точные последовательности этих генов, стало ясно, что митохондрии и хлоропласты произошли от бактерий. Но обратите внимание, что я говорю “произошли от бактерий”: сейчас это уже не бактерии, они утратили автономность, так как большая часть их жизненно важных генов (минимум 1,5 тыс.) находится в ядре – генетическом “центре управления” клетки.

Читать дальше