Новый Мир. № 12, 2000
Шрифт:
Клетка — ковчег порядка в океане хаоса и на ветрах информации. Клетки, как и организмы, реагируют на сигналы, а не на вещества. В отличие от потока веществ, сигналы только перекодируются на язык программы клеток. До сих пор эволюция жизни на планете «работала» исключительно на биологической информации, циркулирующей в живых клетках и между клетками. В настоящее время эволюция уже творится на стыке био- и киберсферы, работа клеток и организмов все чаще сопрягается с алгоритмами компьютеров для освоения гигантских информационных массивов. Но разговор об этом новом витке эволюции будет понятнее читателю, если мы сперва рассмотрим всю цепь событий в ретроспективе и начнем с первых шагов жизни на земле.
М. Б. Была ли вообще — по крайней мере в истории Земли — точка перехода от неживого к живому? Или первые живые организмы уже «оформившимися» попадают однажды на нашу планету из космического пространства, а момент зарождения жизни теряется где-то в астрономическом времени? А может быть, Земля так или иначе «импортировала» жизнь изначально, еще на стадии планетообразования?
В. Р. Наука скрупулезно
Другие отпрыски древнейших династий бактерий обнаружены в глубоководных вулканах на дне океана и в гейзерах. Эти микробные изоляты великолепно приспособились к температуре 150–250 °C и давлению в несколько атмосфер. Маргиналы-термофилы создали особо прочный каркас ДНК и белков.
Крайности эволюции показывают, что ДНК, белки и другие молекулы являются не целью, а средством выживания. Поэтому «репертуар» генома микроорганизмов с изменением условий подвергается кардинальной перестройке. Молекулярная архитектура подгоняется под контекст выживания. В то же время в нормальных константных условиях геном обеспечивает стабильность фенотипа клеток, пока условия среды кардинально не меняются. Только клетки, а не ДНК являются полноценными «зарегистрированными» участниками — и творцами — эволюции. Проводя конкурс без предварительного плана, эволюция вполне бездумно отбирает лучший результат, не вдаваясь в процесс и не исследуя качество отдельных молекулярных машин в клетке. Эволюции «безразлично», как бактерии дышат и каким способом они генерируют энергию. Важен конечный результат — быть или не быть! Существует сила, заставляющая любую ДНК клетки, информационный проект жизни, «раскрываться» в реальную белковую жизнь, осуществляться в реальном физическом пространстве и времени. На этой силе и держится вся лестница эволюции.
М. Б. Есть ли объяснения, почему жизнь на Земле стартовала именно с микробов, а не сразу, скажем, с каких-то более сложных организмов. В чем особые достоинства одноклеточных?
В. Р. Темп деления микробов в 100 — 10 000 раз выше скорости удвоения клеток многоклеточных организмов. За одни сутки можно получить 40 поколений клеток, то есть сотни миллиардов бактерий. От 30 до 50 процентов потоков энергии и питательных веществ преобразуются у бактерий в новые копии ДНК. Бактерии перекачивают солнечную энергию в главные информационные молекулы жизни. Поскольку цивилизация бактерий создавалась в эпоху мощных геологических катаклизмов и непредсказуемых изменений климата, бактерий выручала их уникальная способность приспосабливаться и выживать за счет постоянной модификации генов, невероятная скорость приспособления в широчайших диапазонах. Бактерии первыми на Земле создали гигантскую «библиотеку» генов, включая целые генные кланы, семейства и родословные, которые затем перекочевали в многоклеточные организмы. Если бы жизнь начиналась с многоклеточных, на создание той же библиотеки и банка генов ушло бы гораздо больше времени. Бактерии оказались главным источником вирусов. Многие из вирусов-«казанов» научились легко преодолевать «границы и таможни» видов и биоценозов, занимаясь «контрабандой» чужих генов. Этот так называемый «горизонтальный» перенос генов между клетками в биосфере сыграл важнейшую роль в возникновении и распространении многоклеточной жизни. «Вертикальный» же перенос информации от ДНК родителей к потомству оберегает любой вид жизни от уничтожения. Возникновение и стабилизация видов связаны с надежной информационной изоляцией половых клеток и полового процесса и его защитой от внешних помех.
Когда жизнь на земле вошла в спокойное русло, скорость приспособления клеток перестала быть главным фактором выживания. Самораскручивающийся маховик эволюции стал осваивать новые пласты качества, в том числе и другие масштабы пространства-времени. Бактериальные клетки в новой ситуации
По мнению биолога Ричарда Доукинса, эволюция — это своего рода гигантское биопредприятие по освоению пространства и времени, напоминающее современную фирму. Здесь имеется свой «отдел новых разработок» и свой «отдел практического внедрения». Ключевые позиции в «отделе разработок» занимают вечно изменчивые бактерии, в каждом поколении поставляющие на «рынок» биоинформации новые гены. С помощью вирусов и латерального переноса новые гены постепенно внедряются в геном других видов. Новизна приходит в живой мир с новыми молекулами ДНК. Вместе с тем хромосомы как бактерий, так и растений и животных имеют семейства «константных» генов, структура и функции которых не меняются более миллиона лет. Этот «золотой запас» информации используется для незаменимых ключевых реакций, без которых клетке не выжить. «Золотой запас» формирует основной каркас «ковчега жизни». По каким-то неизвестным пока причинам структура генов из «золотого запаса» практически не меняется на гигантских отрезках эволюции. В дополнение к «золотому запасу» в каждом геноме бактерий или многоклеточных имеется «экспериментальный отдел», где создаются, привносятся или испытываются новые гены или целые кассеты генов в поисках неизвестных ранее возможностей и функций. С помощью «экспериментальных» генов любая клетка расширяет диапазон функций и качество воспринимаемой информации.
М. Б. Почему эволюция не собрала многоклеточные организмы из клеток бактерий? Зачем нужно было принципиально изменить устройство клеток, образовать в них ядро, органеллы, другие специализированные «цеха и заводы», чтобы приступить к созданию многоклеточных? Какова была последовательность шагов этого перехода — сперва появились новые, более сложно устроенные клетки и уже потом из них возникли многоклеточные организмы?
В. Р. Нет сомнения, что эволюция испробовала любые возможности, в том числе и те, которые вы упомянули. Но судить об этом мы можем лишь по крошечной доле чудом сохранившихся успешных результатов. Эволюция десятки миллионов лет маленькими порциями усложняла геном бактерий. Происходило это путем избирательного дублирования фрагментов хромосом, путем импортирования чужих генов, а также за счет слияния генов бактерий-симбионтов. По всем направлениям факты свидетельствуют: с универсальной неизбежностью время усложняло устройство ДНК всех видов. Разные виды бактерий добивались случайных успехов в создании новых генераторов химической энергии, новых молекулярных машин, новых органелл для избавления от шлаков. Информационные связи между бактериями позволяли копировать важные находки и не изобретать велосипед вслепую тысячи раз. Эволюционируют структуры, а не принципы самоусложнения и саморазвития жизни. Эукариотические бактерии (то есть бактерии с типичным ядром и набором органелл) стали зачинателями великих перемен.
Если информационные возможности бактериальной клетки оцениваются цифрой порядка 1 мегабайта, то у эукариотической клетки они уже порядка 700 мегабайтов. Для сравнения: все тома Британской энциклопедии занимают 600 мегабайтов на компактном диске. Так что скачок от бактериальной к эукариотической клетке можно сравнить с рывком от примитивной лодки к современному лайнеру. Представьте себе, что количество фигур и полей на шахматной доске увеличилось в десять раз. Эти новые начальные условия таят в себе миллиарды новых информационных ситуаций.
М. Б. Значит, в истории эволюции бактериям случалось выходить из режима постоянной конкуренции и это вело к образованию симбиозов, а затем и многоклеточных?
В. Р. Да, бактерии действительно с успехом налаживали взаимовыгодное сотрудничество, если того требовали обстоятельства. Недавно в Австралии в породах с возрастом около 3,5 млрд. лет были обнаружены сохранившиеся отпечатки скоплений цианобактерий (сине-зеленых водорослей) в симбиозе с другими бактериями. Такие «кооперативы» бактерий опережали умением и способностями кустарей-одиночек. Предполагают, что слияние геномов симбионтов сыграло важную роль в эволюции ДНК. Однако это был лишь первый шаг на пути возникновения многоклеточных.
Описательная палеонтология, позднее молекулярная палеобиология накопили такие гигантские массивы данных, что упорядочить их без современной компьютерной базы попросту невозможно. Эволюция — это многослойный «пирог» изменений жизни, но при этом многие изменения организмов не являются эволюционными. Требуется квалифицированная научная экспертиза, чтобы воссоздать реальную, а не мифическую цепь событий. Сам момент превращения бактерий-симбионтов в многоклеточные организмы от нас пока ускользает — аналогичного озеру Восток бесценного подарка природы с реликтовыми живыми многоклеточными пока не удалось разведать. Лучшее, что имеет сейчас наука, — это окаменевшие музеи ранних многоклеточных, найденные в скальных породах Британской Колумбии (Канада), Австралии, Китая. Поражает многообразие форм многоклеточных организмов, возникших практически одновременно.
Кстати, помимо симбиоза возможен и другой сценарий взаимодействия видов, заканчивающийся «порабощением генома»: инфицированные новой программой особи одного вида превращаются в типичных «рабов», обслуживающих настоящее и будущее другого вида. В лесах Коста-Рики живет паук, который охотится на ядовитых ос, выплетая квадратные метры паутины. Однако иногда оса кусает паука, парализуя его мышечную систему на несколько часов. Одновременно оса успевает выбросить на брюшко паука порцию микроличинок. Развиваясь, личинки вгрызаются в кишечник паука. За два дня до смерти геном личинки с помощью специальных команд заставляет паука плести особые корзинки на длинных тонких нитях, в которые после смерти паука перекочевывают развивающиеся личинки осы. Эти сплетенные купели хорошо держат дождевую воду и хорошо изолированы от врагов паутиной. Это яркий пример «зомбирования» одного вида другим.