Новый Мир. № 12, 2000 - Журнал «Новый мир»

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 лишились перспективы, хотя накопили гигантский арсенал генов, из которых только крохотная часть использовалась в их краткосрочной жизни.

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.

Первая группа ископаемых многоклеточных верифицирована в слоях, датируемых прекембрием — 560–570 млн. лет назад. Находки приходятся на последний, вендианский, период прекембрия. Поэтому вендианские ископаемые определяют по геологическому периоду — из-за трудности классификации: разнообразные останки невозможно причислить к животным, губкам или морским растениям. Окаменелые находки имеют самую разнообразную форму: монеты, блюдца, спирали, пальца, расчески с выломанными зубьями — никакого общего плана для систематики. К тому же эти диковинные существа не имели типичных органов пищеварения, дыхания, выделения. Пластичность материала, из которого «лепилась» первая обнаруженная многоклеточная жизнь, подобна пластичности нынешней жевательной резинки. Природа как бы импровизировала без строгих правил с формой этих существ. Внутренняя структура, напоминающая ячеистую губку, позволяла им поддерживать существование за счет притока и оттока морской воды. Колонии клеток функционировали в режиме пульсирующего «насоса» — сперва накачивали в себя воду для доставки кислорода и пищи, затем откачивали ее для выведения шлаков и отходов. Десять палеонтологов различных стран и школ дают десять разных ответов на загадки вендианской цивилизации многоклеточных. Вендианская эпоха — это эволюция без отбора и цензуры, когда многоклеточные делали первые шаги. Первым образцам многоклеточных еще не грозила конкуренция на протоматерике в районе нынешней Антарктиды. Завершение эпохи обледенения закончилось резким повышением уровня мирового океана и возрастанием содержания кислорода в атмосфере. Вендианцы первыми — великая находка! — научились созидать энергию путем фотосинтеза: синтезировать питательные вещества из углекислого газа и воды. Не конкурируя с предшественниками за источники энергии, они создают первое «открытое общество», где преобладало мирное сосуществование, а не конкуренция. Потому вендианцы и не имели органов перемещения — не было хищников и жертв.

М. Б. Как данные о вендианских многоклеточных согласуются с находками молекулярных палеобиологов, изучающих эволюцию ДНК? С имеющимися у нас сведениями об эволюции эукариотических бактерий, которая началась около 1 млрд. лет назад?

В. Р. Большое дерево жизни нельзя построить из маленького генома. Когда геном клетки имеет огромный резерв генов, гены начинают работать «командами». Каждая «команда» генов создает разные специализированные клетки из одного набора (генотипа). В этом случае для создания биоразнообразия нет нужды прибегать к импорту генов.