Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем
Шрифт:
Эволюция растений и животных за пределы микрокосма осуществлялась через последовательность симбиозов, в которых бактериальные изобретения предыдущих двух миллиардов лет комбинировались в бесконечных проявлениях творчества, пока не были отобраны жизнеспособные формы. Для этого эволюционного процесса характерна возрастающая специализация — от органелл в первых эукариотах до исключительно специализированных клеток у животных.
Важным аспектом клеточной специализации является изобретение полового размножения около миллиарда лет тому назад. Мы привыкли думать, что пол и размножение тесно связаны между собой, однако, как отмечает Маргулис, сложный танец
Первым компонентом является тип деления клетки, называемый мейозом («уменьшением»), при котором число хромосом в ядре уменьшается ровно наполовину. Так создаются специализированные клетки яйца и спермы. Затем эти клетки трансформируются в процессе оплодотворения, который восстанавливает нормальное число хромосом, и появляется новая клетка — оплодотворенное яйцо. В дальнейшем эта клетка последовательно делится в процессе роста и развития многоклеточного организма.
Слияние генетического материала двух разных клеток широко распространено среди бактерий, где оно происходит в виде непрерывного обмена генами, который не связан с размножением. У ранних растений и животных появилась связь между размножением и слиянием генов, которая впоследствии эволюционировала в сложные процессы и ритуалы оплодотворения. Пол был более поздним усовершенствованием. Первые эмбриональные клетки — сперма и яйцо — были почти идентичными, но со временем они эволюционировали в маленькие, быстрые клетки спермы и большие неподвижные яйцеклетки. Связь между оплодотворением и формированием эмбриона образовалась еще позже, в процессе эволюции животных. В мире растений оплодотворение вылилось в сложные паттерны совместной эволюции цветов, насекомых и птиц.
По мере того как продолжалась специализация клеток в более крупных и сложных формах жизни, возможности, связанные с самовосстановлением и регенерацией, постепенно снижались. Плоские черви, полипы и морские звезды могут почти полностью регенерировать свои тела из маленьких частиц; ящерицы, саламандры, крабы, омары и многие насекомые все еще способны отращивать потерянные органы или конечности; однако для высших животных регенерация ограничена обновлением тканей в процессе заживания ран. Как последствие этой утери восстановительных функций, все крупные организмы подвержены старению и, в конечном счете, смерти. Тем не менее с половым размножением жизнь изобрела новый тип восстановительного процесса, в котором целые организмы опять и опять формируются заново, с каждым поколением возвращаясь к единичной ядерной клетке.
Растения и животные — не единственные многоклеточные создания в живом мире. Как и другие особенности живых организмов, многоклеточность эволюционировала неоднократно, по многим родословным древам жизни, и сегодня все еще существует несколько видов многоклеточных бактерий, а также множество многоклеточных протестов (микроорганизмов с ядерными клетками). Подобно животным и растениям, большинство видов этих многоклеточных организмов формируются последовательным делением клеток, но некоторые из них образуются как объединение клеток от разных, но принадлежащих одному и тому же виду источников.
Замечательный пример таких объединений дает слизистая плесень — макроскопический организм, но по своей конституции — протист. Простая слизистая плесень обладает сложным жизненным циклом, включающим подвижную (как у животных) и неподвижную (как у растений) фазу. В животной фазе она зарождается как массив отдельных клеток, которые обычно можно найти в лесу под гниющими бревнами и влажными листьями, где они питаются за счет других микроорганизмов и вянущей растительности. Часто эти клетки едят так много и делятся столь стремительно, что полностью истощают пищевые ресурсы окружающей среды. Когда это происходит, они объединяются в связную массу
Среди разнообразных многоклеточных организаций, которые развились из тесно связанных сообществ микроорганизмов, три — растения, грибы и животные — были столь удачны в отношении размножения, изменчивости и распространения по всей Земле, что биологи классифицировали их как царства — самые широкие категории живых организмов. Всего таких царств пять — бактерии (микроорганизмы без клеточного ядра), протисты (микроорганизмы с ядерными клетками), растения, грибы и животные43. Каждое из царств иерархически делится на подкатегории, или таксоны, начиная с типа и кончая родом и видом.
Теория симбиогенеза позволила Линн Маргулис и ее коллегам построить классификацию живых организмов на ясных эволюционных взаимоотношениях. На рис. 10-1 в упрощенной форме показано, как протисты, растения, грибы и животные эволюционировали из бактерий через ряд последовательных симбиозов, подробно описанных ниже.
Следуя за эволюцией растений и животных, мы приходим к макрокосму и должны переключить наш временной диапазон с миллиардов лет на миллионы. Самые древние животные развились около 700 млн. лет назад, а первые растения возникли около 200 млн. лет спустя. И те, и другие сначала эволюционировали в воде и вышли на сушу 400— 450 млн. лет назад, причем растения опередили животных на несколько миллионов лет. И растения, и животные развили огромные многоклеточные организмы, но если межклеточные связи в растениях минимальны, то клетки животных исключительно специализированы и тесно взаимосвязаны посредством множества сложных звеньев связи. Уровень взаимной координации и управления значительно возрос, когда стали развиваться первые нервные системы; примерно 620 млн. лет назад у животных появились зачатки мозга.
Предками растений были волокнистые массы водорослей, обитающие в мелких пронизанных солнцем водах. Время от времени воды высыхали, но некоторым водорослям удалось выжить, размножиться и превратиться в растения. У этих ранних растений, как у сегодняшних мхов, не было ни стволов, ни листьев. Чтобы выжить на суше, им было совершенно необходимо развить стойкие структуры, которые противостояли бы истощению и засухе. Они выполнили эту задачу: они создали лигнин — материал для клеточных стенок, который позволил растениям сформировать крепкие стволы и ветви, а также сосудистые системы для подъема воды от корней к ветвям и листьям.
Рис. 10-1. Эволюционные взаимоотношения между пятью царствами жизни
Основной проблемой, возникшей в новом, наземном окружении, был недостаток воды. Творческий ответ растений выразился в том, что они заключили свой зародыш в защитное семя, противостоящее засухе. Теперь они могли ждать со своим развитием до тех пор, пока не окажутся в достаточно влажной среде. Более чем сто миллионов лет, в то время, когда первые сухопутные животные — амфибии — эволюционировали в рептилий и динозавров, буйные тропические заросли семенных папоротников — фактически семенных деревьев, напоминающих гигантские папоротники, — покрывали огромные просторы Земли.