Очень краткая история жизни на Земле: 4,6 миллиарда лет в 12 лаконичных главах
Шрифт:
Первые 2 миллиарда лет истории Земли самой сложной формой жизни были бактерии. Бактериальные клетки чрезвычайно просты по своему устройству – одиночные ли это бактерии или соединенные в маты на океанском дне либо в длинные нитчатые колонии цианобактерий. Это совсем крошечные клетки – на кончике иглы их может уместиться столько же, сколько хиппи съехалось когда-то в Вудсток (и еще останется место) [13] .
Под микроскопом бактериальная клетка выглядит простой и бесхитростной. Но эта простота обманчива. Бактерии отлично адаптируются к самым разным местам и особенностям обитания. Они могут жить почти везде. В человеческом теле (и на нем) бактериальных клеток во много раз больше, чем собственных человеческих. И хотя одни бактерии вызывают серьезные болезни, но нам не выжить без других – тех, что населяют наш кишечник и помогают нам переваривать пищу.
13
Вот как это описывала Джони Митчелл: «Когда мы добрались до Вудстока, нас было уже полмиллиона», а празднично одетый журналист добавил: «…и триста тысяч искали туалет».
С точки зрения бактерий наш внутренний мир, несмотря на все разнообразие его условий – например температуры и кислотности, – тихое место. Есть бактерии, для которых кипящий чайник – словно для нас погожий весенний день. Есть бактерии, которые благоденствуют в сырой нефти, или в канцерогенных растворителях, или даже в ядерных отходах. Некоторые бактерии способны
14
См.: Vreeland R. H. et al. Isolation of a 250-million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal // Nature. 2000. 407: 897–900; Parkes J. A case of bacterial immortality? // Nature. 2000. 407: 844, 845.
Бактерии хоть и крохотны, но весьма общительны. Разные виды бактерий собираются в группы для обмена метаболитами. Отходы одного вида могут оказаться лакомством для другого. Строматолиты – которые, как мы уже видели, были первыми явными признаками жизни на Земле – были колониями разных видов бактерий. Бактерии могут даже обмениваться друг с другом некоторыми генами. Именно благодаря такому обмену в наше время бактерии развивают устойчивость к антибиотикам: если какая-то бактерия не защищена от конкретного антибиотика, она может безвозмездно позаимствовать нужный ген у другого вида, обитающего в этом же месте.
Такая тяга бактерий к образованию сообществ из разных видов привела к следующему большому эволюционному рывку: бактерии вывели сожительство на следующий уровень – появились клетки с ядрами.
Более 2 миллиардов лет назад небольшие колонии бактерий постепенно начали перенимать привычку жить под одной мембраной [15] . Все началось с маленькой бактериальной клетки под названием «архебактерия», которая предпочла получить некоторые ключевые питательные вещества от своих соседей, став полностью зависимой от них [16] . Затем эта клетка протянула к соседям выросты своего тела, чтобы упростить обмен веществами (и генами). Постепенно участники этого, поначалу добровольного, объединения становились все больше и больше зависимы друг от друга. Каждый из них сосредоточивался на чем-то одном.
15
Возможно, это стремление было подстегнуто встряской в результате кислородной катастрофы.
16
Вообще-то бактерии и архебактерии – очень разные организмы, но и те и другие являются микроскопическими существами одного уровня организации, поэтому я здесь пользуюсь собирательным обозначением «бактерии» для них обоих.
Цианобактерии, специализируясь на сборе солнечного света, превратились в хлоропласты – яркие зеленые точки в растительных клетках. Другие разновидности бактерий посвятили себя добыванию энергии из пищи, став крошечными розовыми электростанциями под названием «митохондрии», которые есть практически во всех клетках с ядром – и растительных, и животных [17] . И все они, независимо от своей специализации, передали свои генетические ресурсы центральной архебактерии, ставшей клеточным ядром – библиотекой клетки, хранилищем генетической информации, памятью и наследием [18] .
17
См.: Martijn J. et al. Deep mitochondrial origin outside sampled alphaproteobacteria // Nature. 2018. 557: 101–105.
18
Образование ядерных клеток благодаря слиянию нескольких разновидностей бактерий и архей подтверждено методами молекулярной археологии, способными выявлять слияния клеток и организмов (Rivera M. C. and Lake J. A. The Ring of Life provides evidence for a genome fusion origin of eukaryotes // Nature. 2004. 431: 152–155; Martin W. and Embley T. M. Early evolution comes full circle // Nature. 2004. 431: 134–137). Систематическая принадлежность превратившейся в ядро архебактерии остается неясной, так как она должна была обладать теми свойствами ядерных клеток, которых нет у архебактерий, например скелетом из белковых фибрилл. Такие архебактерии были обнаружены в осадочных отложениях на морском дне (Spang A. et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes // Nature. 2015. 521: 173–179; Embley T. M. and Williams T. A. Steps on the road to eukaryotes // Nature. 2015. 521: 169, 170; Zaremba-Niedzwiedska K. et al. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryote cellular complexity // Nature. 2017. 541: 353–358; McInerney J. O. and O’Connell M. J. Mind the gaps in cellular evolution // Nature. 2017. 541: 297–299; Eme L. et al. Archaea and the origin of eukaryotes // Nature Reviews Microbiology. 2017. 15: 711–723).
После героических усилий их удалось культивировать в лаборатории (Imachi H. et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface // Nature. 2020. 577: 519–525; Schleper C. and Sousa F. L. Meet the relatives of our cellular ancestor // Nature. 2020. 577: 478, 479). Удивительно, что эти создания очень малы, но от них отходят длинные «щупальца», охватывающие соседние бактерии, выжить без которых эта архебактерия не способна – возможно, такое поведение было первым шагом на пути к объединенной клетке (Dey G. et al. On the archaeal origins of eukaryotes and the challenges of inferring phenotype from genotype // Trends in Cell Biology. 2016. 26: 476–485).
Подобное разделение труда сделало жизнь такой колонии гораздо более эффективной и упорядоченной. То, что начиналось как рыхлая колония, стало единым целым, новым типом жизненной формы – ядерной, эукариотической, клеткой. Состоящие из таких клеток организмы – как одноклеточные, так и многоклеточные – называются «эукариоты» [19] .
Возникновение ядра позволило сформироваться более организованной системе размножения. Клетки бактерий обычно делятся надвое, производя две идентичные копии исходной клетки. Привнесение нового генетического материала происходит случайно, фрагментарно и бессистемно.
19
Большинство эукариот и сегодня живут в виде единственной клетки. Одноклеточными являются обитающие в каждом пруду амебы и инфузории, равно как и возбудители многих болезней – малярии, сонной болезни, лейшманиоза и многих других. Эукариоты с телами из множества клеток включают животных, растения и грибы, а также многие водоросли. Но даже многоклеточные эукариоты проводят часть своей жизни в одноклеточной стадии. Вы, дорогой читатель, начинали с одной-единственной клетки.
У эукариот же, напротив, в каждом родительском организме формируются особые репродуктивные клетки, благодаря которым происходит прекрасно срежиссированный обмен наследственным материалом. Смешиваясь, гены обоих родителей становятся планом развития нового самостоятельного индивида, отличающегося от
20
Есть два типа полового процесса. При первом оба участника образуют половые клетки примерно одинаковых размеров. Такой вариант больше распространен у примитивных существ – например бактерий. При гораздо более распространенном втором варианте одна сторона производит сравнительно небольшое количество крупных половых клеток, называемых яйцами, а другая – множество очень мелких – спермиев. Вторые заинтересованы в том, чтобы оплодотворить как можно больше яиц, но это противоречит интересам первых, которых беспокоит качество спермиев, оплодотворяющих их яйца. Так начинается война между самцами и самками.
21
Многоклеточность неоднократно независимо развивалась у разных организмов (см.: Sebe-Pedros A. et al. The origin of Metazoa: a unicellular perspective // Nature Reviews Genetics. 2017. 18: 498–512). Помимо животных, существуют еще растения и их близкие родственники зеленые водоросли, разные варианты красных и бурых водорослей, разнообразные грибы. Впрочем, большинство эукариот – одноклеточные, как и все половые клетки всех эукариот, в том числе человеческие яйцеклетки и сперматозоиды. В каком-то смысле многоклеточность – всего лишь эффективный механизм обеспечения существования половых клеток.
Эукариоты тихо и скромно возникли в период между 1,85 миллиарда и 850 миллионами лет назад [22] . Примерно 1,2 миллиарда лет назад они разошлись на одноклеточных простейших, или протист, и ранних предков нынешних водорослей и грибов [23] . Впервые в истории Земли жизнь оторвалась от морей – эукариоты колонизировали пресноводные пруды и реки, удаленные от морских берегов [24] . Водорослевые и грибные налеты и корки лишайников [25] расцветили еще недавно безжизненные побережья.
22
Геологи – которые не вылезут из кровати, если не предвидится какого-то апокалиптического тектонического события, – пренебрежительно называют этот период истории Земли «Скучным миллиардом».
23
Протисты представляют собой обширную группу крайне разнообразных одноклеточных эукариот, которых традиционно помещают в мусорную группу Protozoa. Наравне с привычными обитателями прудов вроде амеб и инфузорий сюда же попадают такие важные в планетарном масштабе существа, как вызывающие «красные приливы» динофлагелляты, строящие минеральные домики необыкновенной красоты форамениферы и кокколитофориды, возбудители малярии и сонной болезни плазмодии и трипаносомы и просто прекрасные динофлагелляты Nematodinium – обладатели восхитительного глаза с подобным роговице слоем, хрусталиком и сетчаткой (см.: Gavelis G. S. Eye-like ocelloids are built from different endosymbiotically acquired components // Nature. 2015. 523: 204–207). Протисты подобны джек-рассел-терьеру: не вышли размером, но индивидуальности хоть отбавляй.
24
См.: Strother P. K. et al. Earths earliest non-marine eukaryotes // Nature. 2011. 473: 505–509.
25
Лишайники – это настолько тесные союзы грибов и водорослей, что их выделяют как самостоятельные виды. Лишайники замечательно описаны в книге Мерлина Шелдрейка «Запутанная жизнь: как грибы меняют мир, наше сознание и наше будущее» (Sheldrake Merlin. Entangled Life: How Fungi Make Our Worlds, Change Our Minds, and Shape Our Futures. L.: The Bodley Head, 2020 (Шелдрейк М. Запутанная жизнь: как грибы меняют мир, наше сознание и наше будущее / Пер. с англ. О. Н. Ольховской. М.: АСТ, 2021).
Некоторые эукариоты отважились даже сыграть в многоклеточность – в результате появились морская водоросль Bangiomorpha [26] возрастом 1,2 миллиарда лет и гриб урасфера (Ourasphaira) [27] возрастом 900 миллионов лет. Но были и более диковинные существа. Первые известные признаки многоклеточной жизни датируются периодом 2,1 миллиарда лет назад. Некоторые из этих созданий достигают в поперечнике 12 сантиметров – их никак не назовешь микроскопическими. Но форма их настолько не похожа ни на что остальное, привычное нашему глазу, что совершенно непонятно, к чему они относятся – грибам, водорослям или чему-то еще [28] . Возможно, это какие-то разновидности колониальных бактерий. Не исключено, правда, что когда-то жили группы живых существ – бактерий, эукариот или вовсе каких-то совсем других, – которые вымерли, не оставив потомков, оставшись непостижимыми для нас.
26
См.: Butterfield N. J. Bangiomorpha pubescens n. gen. n. sp.: implications for the evolution of sex, multicellularity, and the Mesoproterozoic/Neoproterozoic radiation of eukaryotes // Paleobiology. 2000. 26: 386–404.
27
См.: Loron C. et al. Early fungi from the Proterozoic era in Arctic Canada // Nature. 2019. 570: 232–235.
28
См.: Albani El et al. Large colonial organisms with coordinated growth in oxygenated environments 2.1 Gyr ago // Nature. 2010. 466: 100–104.
Первым отголоском надвигающейся бури стал распад суперконтинента Родинии, в который была объединена вся суша, существовавшая в то время [29] . Последствием этого геологического события стала череда ледниковых периодов, подобных которым не случалось со времен кислородной катастрофы. На 80 миллионов лет льды вновь, как и тогда, укрыли всю планету. И вновь жизнь ответила, подняв ставки.
Когда жизни был брошен вызов, его приняли миролюбивые водоросли, грибы и лишайники. Когда солнце вернулось, его лучам предстали создания совсем другие – жесткие, быстрые, настороженные. В вулканическом пламени жизнь на Земле была выкована. В ледниковой стуже она закалилась.
29
Литосфера – совокупность всех литосферных плит – дышит. Каждые несколько сотен миллионов лет все континенты собираются в один суперконтинент – лишь для того, чтобы вновь разойтись в разные стороны, когда суперконтинент распадется под ударами магматических плюмов из глубин планеты. Последним суперконтинентом была Пангея, достигшая максимального размера около 250 миллионов лет назад. Перед ней была Родиния, еще раньше – Колумбия. Есть свидетельства существования и более древних суперконтинентов. Все, что вы хотели бы знать о тектонике плит, можно найти в книге моего друга Тэда Нилда «Суперконтинент» (Supercontinent).