Энергия, секс, самоубийство - Ник Лэйн

Древа жизни всегда вызывали много споров; особенно яростно их критиковал Стивен Джей Гулд, утверждавший, что после открытия кембрийского взрыва о традиционном древе жизни говорить просто нельзя. Кембрийский взрыв — это великое и по геологическим меркам очень быстрое увеличение биоразнообразия примерно 560 миллионов лет назад. Впоследствии большинство крупных ветвей были безжалостно обрезаны — целые типы животных вымирали без следа. Дэниел Деннет в своей книге «Опасная идея Дарвина» разносит в пух и прах якобы радикальные идеи Гулда, утверждая, что его вариант не отличается от прежних ничем, кроме деформации осей: вместо горделиво возвышающегося дерева мы имеем дело с низкорослым кустарничком, пустившим вверх несколько чахлых побегов. Но Мережковскому подобные упреки не грозят. Его эволюционное древо действительно перевернуто — новый домен жизни возникает за счет срастания, а не ветвления.

То, о чем я сейчас говорю, не является откровением. Все эти соображения на слуху, а симбиоз входит в традиционный эволюционный канон, даже если там ему отводится всего лишь роль механизма возникновения эволюционных новшеств. Например, Джон Мейнард Смит (великий ученый, к сожалению, недавно умерший) и Эрш Сатмари в интереснейшей книге The Origins of Life («Истоки жизни») сравнивают биологический симбиоз с мотоциклом — симбиозом велосипеда и двигателя внутреннего сгорания. Даже если считать симбиоз шагом вперед, довольно неуклюже шутят они, кто-то должен был сначала изобрести и велосипед и двигатель внутреннего сгорания. Так и в жизни: сначала естественный отбор создает части, а потом симбиоз творчески использует их. Итак, симбиоз лучше всего объясняется в терминах дарвиновской эволюции.

Все это справедливо, но затеняет тот факт, что некоторые коренные эволюционные новшества были возможны только за счет симбиоза. Продолжая метафору Мейнарда Смита и Сатмари, если велосипед и двигатель внутреннего сгорания могли возникнуть независимо путем естественного отбора, то также мог бы возникнуть и сам мотоцикл. Конечно, при наличии готовых составных частей мотоцикл появился бы гораздо быстрее, но, если времени достаточно, он вполне мог бы возникнуть сам по себе без помощи симбиоза. Я считаю, что эукариотическая клетка сама по себе возникнуть не могла. Предоставленные самим себе, бактерии не могли дать начало эукариотам за счет одного только естественного отбора: симбиоз был нужен для преодоления пропасти между бактериями и эукариотами, а митохондрии были необходимы для разбрасывания семян сложности. Сложная жизнь невозможна без митохондрий, а митохондрии — без симбиоза. Без митохондриального союза не было бы ничего, кроме бактерий. Независимо от того, считаем ли мы симбиоз дарвиновским процессом или нет, понимание того, почему симбиоз с митохондриями был необходим, равнозначно пониманию нашего прошлого и нашего места во Вселенной[39].

В третьей части книги мы увидим, почему между прокариотами и эукариотами лежит зияющая пропасть и почему только симбиоз мог перекинуть через нее мост. Учитывая механизм производства хемиосмотической энергии (см. вторую часть книги), происхождение эукариот от прокариот путем естественного отбора практически невозможно. Поэтому бактерии остались бактериями, и по этой же причине жизнь, какой мы ее знаем, то есть основанная на клетках, химии углерода и хемиосмосе, вряд ли преодолеет бактериальный уровень сложности где бы то ни было еще во Вселенной. Также в третьей части мы увидим, почему митохондрии заронили семена сложности на эукариотическую почву и поместили эукариот на стартовую позицию в основании лестницы восходящей сложности; а в четвертой части мы поймем, почему митохондрии обеспечили подъем эукариот по этой лестнице.

7. Почему бактерии устроены просто

Великий французский молекулярный биолог Франсуа Жакоб однажды заметил, что каждая клетка мечтает стать двумя клетками. Наше тело держит эту мечту составляющих его клеток в строгой узде, в противном случае возникает рак. Но Жакоб начинал как микробиолог, а для бактерий удвоение — это больше чем мечта. Бактерии размножаются с колоссальной скоростью. При условии хорошего питания бактерии E. coli делятся примерно один раз за 20 минут, или 72 раза в день. Одна E. coli весит примерно одну триллионную долю грамма (10-12 г). Семьдесят два клеточных деления в день соответствуют увеличению в 272 раз (= 1072 x log2 = 1021.6), то есть увеличению веса с 10-12 граммов до 4000 тонн. За два дня масса экспоненциально делящихся E. coli в 2664 раз превысит массу Земли (5,977 х 1021 тонн)!

К счастью, этого не происходит, и связано это с тем, что бактерии обычно полуголодные. Они быстро поглощают всю доступную пищу, после чего нехватка питательных веществ снова ограничивает их рост. Бактерии проводят большую часть жизни в заторможенном ожидании обеда. Тем не менее когда обед им наконец-то перепадает, они мобилизуют силы на размножение с поразительной скоростью. То, как это происходит, прекрасно иллюстрирует непреодолимую силу естественного отбора в действии. Поразительно, но клетки E. coli могут делиться надвое быстрее, чем реплицировать собственную ДНК. Репликация занимает у них 40 минут, то есть вдвое больше, чем клеточное деление. Такая ситуация возможна потому, что новый раунд репликации ДНК начинается задолго до того, как закончится предыдущий. Быстро делящаяся клетка занята производством нескольких копий бактериального генома одновременно.

Бактерии корчатся в тисках естественного отбора. Главное для них — это скорость деления, и именно в этом лежит разгадка того, почему бактерии остались бактериями. Представьте себе популяцию бактерий, рост которых ограничен количеством доступных питательных веществ. Накормите их. Бактериальные клетки начинают стремительно размножаться. Клетки, воспроизводящиеся быстрее, начинают доминировать в популяции, вытесняя тех, кто размножается медленнее. Когда запасы питательных веществ заканчиваются, мы имеем дело с новой популяцией, которая впадает в транс до следующего поступления пищи. Ее основу будут составлять бактерии, которые размножались быстрее других в предыдущем раунде, при условии, что они жизнеспособны. Это так же ясно, как и то, что, если строгая программа контроля рождаемости в Китае не возымеет действия, большую часть населения Земли будут составлять китайцы.

Поскольку клеточное деление протекает быстрее, чем репликация ДНК, скорость деления бактерий ограничена скоростью репликации ДНК. Как я уже говорил, бактерии могут ускорить репликацию ДНК за счет производства более чем одной копии за цикл клеточного деления, но число копий, которые можно производить одновременно, все равно ограничено. В принципе скорость репликации ДНК зависит от размера генома и ресурсов, которые можно направить на репликации. Для нее необходим (хоть и недостаточен) запас энергии в форме АТФ. Энергетически неэффективные клетки или клетки, в распоряжении которых мало ресурсов, продуцируют меньше АТФ и поэтому, как правило, копируют свой геном более медленно. Иными словами, чтобы добиться успеха, бактерии должны воспроизводить свой геном быстрее, чем конкуренты, а для этого нужен либо меньший геном, либо более эффективный способ производства энергии. Если две бактериальные клетки производят АТФ с одинаковой скоростью, то клетка с меньшим геномом будет, наверное, самовоспроизводиться быстрее, а значит, со временем займет доминирующее положение в популяции.

Большой геном не будет для бактериальной клетки помехой в том случае, если в трудные времена дополнительные гены позволят ей производить АТФ эффективнее, чем конкуренты. Константинос Константинидес и Джеймс Тиджи (Университет штата Мичиган) провели исключительно интересное исследование — сравнили все 115 полностью отсеквенированных бактериальных геномов. Они обнаружили, что бактерии с самыми большими геномами (примерно 9–10 миллионов «букв», или 9000 генов) доминируют в местообитаниях со скудными, но разнообразными ресурсами, например в почве, где медленный рост не карается вымиранием. Многие почвенные бактерии производят всего три поколения за год, так что отбор благоприятствует не тем особям, которые размножаются быстро, а тем, которые размножаются вообще. В таких условиях очень важно использовать все имеющиеся ресурсы, а для этого нужны дополнительные гены, отвечающие за дополнительную метаболическую гибкость. Таким образом, разносторонность окупается, если дает явные преимущества с точки зрения скорости размножения. Неслучайно, что повсеместно встречающиеся почвенные бактерии, такие как Streptomyces avermitilis, являются метаболически разносторонними и имеют большие геномы.