Спасение в эукариотах

Надолго ли хватило бы таких мер? Ведь под действием подобных механизмов условия в биосфере должны были бы опасно колебаться от экстремальной жары к экстремальному холоду и обратно. Если так, почему же климат оставался относительно стабильным в течение миллиарда лет (2–1 млрд лет назад)? Теперь на помощь пришла биология: она создала новые типы организмов, способных поддерживать термостаты Земли, высасывая из воздуха кислород. Эти существа, первые эукариотические клетки, не только помогли стабилизировать глобальную температуру, – с них началась биологическая революция, которая привела к появлению крупных организмов, таких как мы с вами.

До сих пор все живые организмы были одноклеточными прокариотами из домена архей или бактерий. Появление третьего домена живых существ, эукариот, важно для нас, потому что все крупные организмы, включая нас самих, состоят из эукариотических клеток. Это были первые клетки, способные систематически использовать кислород, эксплуатируя его мощную химическую энергию в процессе, который называется респирацией, – мы делаем то же самое, когда дышим. Дыхание обратно фотосинтезу и на самом деле представляет собой способ освобождать солнечную энергию, захваченную и хранимую в клетках в результате фотосинтеза. При фотосинтезе энергия солнечного света используется, чтобы превратить углекислый газ и воду в углеводы, где она запасается, а кислород при этом остается побочным продуктом. При дыхании же с помощью химической энергии кислорода энергию, запасенную в углеводах, удается из них стащить, а в качестве отходов остаются углекислый газ и вода. Общая формула дыхания такова: CH₂O (углеводы) + O₂ ? CO₂ + H₂O + энергия.

Как и фотосинтез, дыхание эукариот можно считать энергетической золотой жилой, потому что с его помощью эти новые организмы получили доступ к гигантской химической энергии кислорода, но в малых, мягких дозах, которые не рвали их на части. Дыхание дает энергию огня без его разрушительности. Используя кислород с умом, с помощью дыхания из органических молекул можно выделить по крайней мере в 10 раз больше энергии, чем старыми способами, когда пищевые молекулы расщепляются без кислорода[90]. Получая больше энергии для метаболизма, эукариоты могли увеличить уровень первичного производства – производства живых организмов – в любое число раз от 10 до 1000[91].

Генетические данные говорят о том, что первые эукариоты появились около 1,8 млрд лет назад[92]. Они размножались, поглощая все больше кислорода, и выделяли в атмосферу углекислый газ в качестве побочного продукта. Здесь мы видим зарождение нового планетарного термостата с биологическим управлением. Эукариоты стали удалять б?льшую часть атмосферного кислорода, выделенного цианобактериями. Этим можно объяснить, почему климат на протяжении протерозоя был относительно стабильным – на самом деле настолько, что некоторые палеонтологи называют период от 2 до 1 млрд лет назад «скучным миллиардом».

Все клетки делятся на эукариотические и прокариотические, и современные биологи считают, что разница между ними – одно из самых фундаментальных явлений в биологии. Эукариотические клетки гораздо крупнее большинства прокариотических. Они бывают в 10 или в 100 раз шире, так что их общий объем может быть больше во много тысяч раз. У эукариот мембраны возникают не только вокруг клеток, но и внутри их, образуя отделы, где могут происходить разные процессы, как в комнатах дома. Это позволяет ввести специализацию, внутреннее разделение труда, которое у прокариот было невозможно. Один из таких отделов, ядро, защищает генетический материал всех эукариот. На самом деле слово «эукариота» происходит из греческого и означает «оболочка» или «зернышко». Защищенный контейнер ядра сделал ДНК эукариот в целом более стабильной, чем у прокариот. Ее также стало возможно хранить в б?льших количествах и проще копировать, поэтому эукариоты в основном могут забавляться б?льшим количеством генетических игрушек. В результате их развитие в конце концов оказалось еще более ярким, чем у прокариот. Кроме того, у эукариот много внутренних органелл, своеобразных упрощенных версий сердца, печени и мозга животных. Самые важные из них – митохондрии, с помощью которых некоторые эукариоты получают доступ к изобильной энергии кислорода, и хлоропласты, при помощи которых другие эукариоты получают энергию солнечного света в процессе фотосинтеза.

У эукариот появились и новые способности в области обработки информации и управления телом, а значит, они могли более сложным образом реагировать на изменения в окружающей среде[93]. У одноклеточной эукариоты инфузории-туфельки есть хороший трюк на случай препятствий. Если она с чем-то сталкивается, то отступает, поворачивает на несколько градусов, снова движется вперед и продолжает елозить туда-сюда, как неопытный водитель при параллельной парковке, пока не перестанет ни на что натыкаться. Фактически она составляет карту окружающей среды и выясняет, что делать дальше. Она использует информацию об окружающих условиях, чтобы ориентироваться в мире, избегать опасностей и находить энергию и пищу.

Как образовались первые эукариотические клетки? Биолог Линн Маргулис показала, что они возникли не в борьбе за выживание, а скорее в результате слияния двух существовавших видов прокариот. Сотрудничество между разными видами встречается нередко, это называется симбиозом. Сегодня человек состоит в жизненно важных симбиотических отношениях с пшеницей, рисом, крупным рогатым скотом, овцами и многими другими видами. Но Маргулис говорила о гораздо более радикальном виде симбиоза, при котором когда-то самостоятельные бактерии, в том числе предки современных митохондрий, в конце концов поселились внутри клетки из числа архей. Маргулис назвала этот механизм эндосимбиозом. Поначалу ее идея казалась безумной, потому что шла вразрез с некоторыми из самых основных представлений об эволюции путем естественного отбора, но теперь большинство биологов соглашаются с ее доводами.

Главное свидетельство в пользу эндосимбиоза – это тот странный факт, что некоторые органеллы внутри эукариот содержат собственную ДНК, весьма отличающуюся от генетического материала в ядре. Маргулис поняла, что такие органеллы, как митохондрии, которые распоряжаются энергией у животных, и хлоропласты, управляющие фотосинтезом в растениях-эукариотах, выглядят так, как будто когда-то они были самостоятельными прокариотическими клетками. Как именно они оказались внутри других клеток, остается неясным, и некоторые ученые утверждают, что такие слияния могли происходить исключительно редко. Тогда, наверное, можно сказать, что даже если организмы, подобные бактериям, распространены во Вселенной, то такие крупные, как мы, скорее всего, встречаются очень нечасто, потому что большой организм способны образовать лишь эукариоты – по крайней мере на нашей планете.

Открытый Маргулис эндосимбиоз говорит нам об истории жизни еще кое-что. Эволюция не ограничивается борьбой. Она также не ограничивается постоянной дивергенцией[94] при появлении нового вида. Мы наблюдаем и сотрудничество, и симбиоз, и даже взаимопроникновение. Это означает, что нужно пересмотреть расхожую метафору древа жизни, потому что если продолжать считать, что все живое делится на три домена, то третий из них, эукариоты, по-видимому, появился не благодаря росту расхождений, а в результате сближения между археями и бактериями, как если бы две ветви древнего древа вновь соединились.

И, как будто все это было недостаточно странно, у эукариот в рукаве оказался еще один козырь – секс. Как и все виды, прокариоты передают свои гены потомству. Большинство из них просто делятся на две части и делают это путем бесполого размножения. Но, как мы видели, гены прокариот могут также уходить на сторону, когда кусочки ДНК и РНК покидают борт, отправляются путешествовать и находят новое пристанище в других клетках. Клетки прокариот пользуются генами, как люди – книгами из библиотеки. А вот эукариоты передают свои гены другим, более сложным способом, и только своему потомству, а чужим – никогда.

У эукариот генетический материал надежно заперт в сейфе ядра. Его выпускают только при очень строгих условиях, по более упорядоченным правилам и с большей разборчивостью, чем у прокариот, и все это влияет на то, как развиваются клетки эукариот. Когда эукариоты выделяют половые клетки – яйцеклетки и сперматозоиды, из которых образуется потомство, – они не просто копируют ДНК. Сначала ее смешивают. Эукариота обменивается частью генетического материала с другой особью своего вида, чтобы потомок двух родителей получил случайный набор генов: половину от одного родителя, а половину – от другого. Как генетические, так и физические механизмы этого замысловатого танца чрезвычайно сложны. Но в результате в эволюции случился новый поворот. Были гарантированы небольшие, но случайные генетические отклонения в каждом поколении, потому что, даже если бы большинство генов были одинаковы (в конце концов, оба родителя принадлежат к одному и тому же виду), крошечное их количество всегда будет чуточку разным. Стало больше вариантов, у эволюции появился более широкий выбор. Поэтому кажется, что в последний миллиард лет она ускорилась. Скучный миллиард лет протерозоя подготовил почву для гораздо более увлекательного времени – фанерозойского эона, эры крупных форм жизни.