Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Наконец, когда льды отступили, а пыль осела, появились первые крупные животные — напоминающие медуз мешки протоплазмы, вегетарианцы-вендобионты. Эти крупные существа имели пищеварительный тракт и испражнялись. Их тяжелые экскременты осаждались на дно и оказывались погребенными в океанских глубинах, лишая океаны органического вещества. Захоронение экскрементов предотвращало расщепление содержащегося в них органического вещества за счет дыхания и, следовательно, снижало потребление кислорода, способствуя насыщению им воды. Зловонный мир серных бактерий был вынужден уступить место новой, насыщенной кислородом экосистеме, ожидавшей новых изобретений природы. С появлением кислорода многократно возросла эффективность извлечения энергии из пищи, и вслед за этим появились хищники. Впервые появился смысл поедать друг друга, и стали складываться протяженные пищевые цепи. Во время кембрийского взрыва, 543 млн лет назад, жизнь начала активно заполнять все вакантные пространства. В океанах поселились подвижные бронированные монстры — охотники и добыча. С появлением хищников началась гонка вооружений, в процессе которой хищники и их потенциальные жертвы соревновались в размере (что стало возможным только с появлением кислорода, необходимого для получения энергии и создания структурных компонентов тела). С увеличением размера возникли сложные адаптации, позволившие начать колонизацию суши.

И всеми этими переменами управлял кислород. Первые одноклеточные эукариоты были примитивными организмами среди бактерий с широким спектром возможностей. Они потеряли метаболические способности LUCA и жили за счет того, что переваривали органические останки или заглатывали бактерии. Для построения мембран им нужен был кислород, но при очень высокой концентрации кислорода они жить не могли. Но в один прекрасный день эукариотическая клетка съела поглощающую кислород пурпурную бактерию и смогла безнаказанно перемещаться на мелководье, защищаемая внутренним «пылесосом» [95] По поводу происхождения эукариотических клеток см. примеч. пер. в главе 3. — Примеч. пер. . Это было соглашение вполне в духе Мефистофеля: постепенно пурпурные бактерии превратились в митохондрии и стали обменивать избыток энергии на жизнь, полную опасностей. Кислород вызывал мутации ДНК, заставляя гены изменяться и эволюционировать. Вероятно, это было одним из движущих факторов эволюции самого эффективного механизма очистки генома — половой рекомбинации. Однако оставалась одна чрезвычайно важная проблема: митохондрии сохранили несколько генов, необходимых для функционирования эукариотической клетки в целом. Митохондрии, находившиеся под сильнейшим воздействием кислорода и лишенные возможности делиться так же быстро, как свободноживущие бактерии, не могли омолаживать свои гены ни за счет полового размножения, ни за счет отбора, как бактерии. Эти гены могли только отмирать. Решением было не просто изобретение полового размножения, а появление двух полов. Если две половые клетки сливаются для создания дочерней клетки, одна родительская клетка должна использовать свои митохондрии только как источник энергии, но не может передавать их следующему поколению. Другая родительская клетка должна сохранять свои митохондрии в спящем состоянии до тех пор, пока они не окажутся в новом организме, как астронавты, погруженные в состояние гибернации до высадки на далекой планете. На самых ранних этапах эмбрионального развития митохондрии отделяются и сохраняются «на льду» до появления следующего поколения.

С возникновением полового размножения и системы двух полов образовалась избыточность. Если следующему поколению передаются лишь некоторые гены, все остальные признаки становятся вторичными по отношению к передаче этих генов. Избыточность позволяет развивать специализацию дополнительных клеток и в конечном итоге формировать сложные организмы. Тела становятся избыточными машинами, позволяющими передавать гены от родителей детям [96] Это иная формулировка идеи «эгоистичного гена», высказанной Ричардом Докинзом. Большинство биологов воспринимают эту идею не в качестве новой теории, а в качестве удобного способа объяснения сути естественного отбора. Конечно же, наши тела — это не только машины по производству генов, о чем говорит и сам Докинз. Но многие негативные элементы жизни, такие как болезни, старение и смерть, легче понять в рамках данной концепции. . Тело защищает половые клетки от повреждения, голода, мутаций, поедания и инфекций, демонстрируя качество генов за счет представления публике белковых продуктов. Вклад генов в поддержание сохранности тела зависит от вероятности их передачи, а это, в свою очередь, зависит от двух основных факторов — плодовитости (количества потомков, производимых в единицу времени) и длительности репродуктивного периода.

Компромисс между половым размножением и выживанием, а также между необходимостью передачи генов следующему поколению и достаточной для этого продолжительностью жизни определил эволюцию оптимальной продолжительности жизни. Детородный период должен укладываться во временное окно до статистически вероятного наступления смерти. Если нам отпущено 70 лет жизни, мы можем размножаться неторопливо и выращивать потомство, но если с высокой вероятностью мы окажемся в зубах саблезубого тигра, не дожив до 10 лет, придется вместить детородный период в 10 лет, иначе вид не сохранится. Опоссумы очень часто становятся добычей хищников, не дожив и до трех лет, и именно такова их продолжительность жизни. Если угроза быть съеденными ослабевает, опоссумы постепенно начинают жить дольше. В таком случае они направляют больше ресурсов на поддержание организма за счет ресурсов на воспроизведение, так что снижается их плодовитость (количество детенышей в помете и частота приплода). Но при этом детородный период следующих поколений опоссумов удлиняется — единовременно они приносят меньше детенышей, но их общая плодовитость на протяжении жизни сохраняется.

У всех исследованных видов животных перераспределение жизненных ресурсов, при котором предотвращение и репарация повреждений на молекулярном уровне происходят в ущерб размножению, приводит к отдалению старости. Этот переход может растягиваться на несколько поколений (в таком случае изменения наследуются в виде фиксированного увеличения продолжительности жизни) или происходить на протяжении жизни одного поколения (в таком случае изменяется экспрессия существующих генов). В любом случае за увеличение продолжительности жизни отвечают одни и те же гены, и их действие всегда сводится к ограничению повреждений на молекулярном уровне. Степень влияния генов зависит от их мобилизации и эффективности, а не только от их природы, так же как эффективность действующей армии и ополчения определяется не методами ведения войны, а опытом и дисциплиной.