Молекулярные гаджеты для образования крупных форм жизни

В течение последнего миллиарда лет самые главные клеточные нововведения происходили не внутри клеток (здесь б?льшую часть работы сделали прокариоты), а в изменчивой архитектуре связей между ними. Первые многоклеточные состояли из клеток, слабо связанных друг с другом, как, например, в строматолите, где их миллиарды. Они были больше похожи на стадо, чем на организм. На самом деле многие бактерии демонстрируют стадное поведение, что говорит о некой зачаточной системе коммуникации. На практике это означает, что вычислительные сети каждой клетки соединены в вычислительную систему, строящуюся из множества отдельных клеток.

Возможно, некоторые из древних многоклеточных были многоклеточными на полставки, как современные слизевики. Диктиостелиум – амеба. Большую часть времени ее клетки ведут самостоятельную жизнь, но, когда не хватает питания, они тысячами собираются в слизистое скопление, более крупное образование, способное двигаться в поисках пищи. У этого скопления есть возможности, которых нет у отдельных особей, например оно способно перемещаться на большие расстояния к теплу и свету. А по ходу движения отдельные клетки могут меняться и брать на себя разные роли: кто-то превращается в споры, кто-то – в часть ножки или ступни. Диктиостелиум демонстрирует несколько важных вещей. Во-первых, многоклеточность возникала неоднократно и у некоторых групп организмов развивается прямо сейчас. Во-вторых, как и у живого в целом, у многоклеточных есть пограничная серая зона, организмы которой трудно классифицировать[95]. В-третьих, многоклеточность приумножает вычислительные мощности отдельных клеток, повышая их способность обрабатывать информацию об окружающей среде.

В полноценных многоклеточных организмах все клетки специализированны и взаимозависимы, так что они не могут выжить поодиночке. На самом деле истинная многоклеточность – это крайняя форма симбиоза. При этом сотрудничество облегчает то, что большинство клеток здесь генетически идентичны. Они – одна семья. Так что каждая из них поддерживает своей работой весь организм и иногда даже жертвует жизнью во благо остальных. Клетки в самом деле часто самоуничтожаются, как пилоты-камикадзе, когда перестают хорошо работать или больше не нужны; этот процесс биологи называют апоптозом. Сегодня в вашем теле целых 50 млрд клеток покончат с собой через апоптоз.

Обмен информацией в многоклеточном организме так же важен, как в современном обществе. В основном межклеточное общение происходит с помощью местного аналога почтовой службы; молекулы-курьеры просачиваются через мембраны отдельных клеток и циркулируют между ними, разнося питание, предупреждения, информацию и приказы. Какая доля генома многоклеточных посвящена сотрудничеству, стало понятно, когда в 1998 году секвенировали первый такой геном. Он принадлежал червю Caenorhabditis elegans, в нервной системе которого ровно 302 нейрона. Оказалось, что около 90 % из его 18 891 гена у одноклеточных прокариот отсутствует, потому что задача этих генов – обеспечивать совместную работу клеток[96].

Клетки крупного организма действуют сообща, потому что у них одни и те же гены, но играют разные роли, потому что в определенных клетках активируются определенные из этих генов. Когда единственная оплодотворенная клетка делится и размножается, в новых клетках активируются разные части их общего генома, в зависимости от того, в каком месте развивающегося плода они оказались. Разнообразные гены определяют, какая у клетки будет структура и какая роль в организме. Управляет этим замечательным процессом развития небольшая группа так называемых мастер-генов[97] (в которую входит, например, около 200 Hox-генов[98]). Они играют роль прорабов. Обычные гены выполняют стандартные строительные работы, образуют какой-нибудь белок или активируют фермент, а мастер-гены, опираясь на архитектурный проект, заключенный в клеточной ДНК, решают, когда и куда пойдут определенные молекулы-рабочие. Мастер-ген раздает указания: «Эй, там, начинай выпускать отросток» или «Нет, ты клетка кости, а не нейрон». Так получаются мышечные, нервные клетки, клетки кожи, костей и вообще все 200 с чем-то разных клеточных типов, из которых состоит человеческое тело.

Мастер-гены у разных биологических видов удивительно похожи, поэтому можно предположить, что они относятся к древнейшему оснащению крупных форм жизни. Таракан отличается от какаду не самими мастер-генами, а тем, как именно они активируют другие гены. Таким образом, то, что у одного вида будет ногой, у другого может оказаться крылом, а то, что сначала напоминало головастика, может превратиться в синего кита. Если активировать гены в неправильном порядке, получатся монстры, например дрозофилы с лапками на лбу. Удивительное разнообразие многоклеточных организмов, которое можно наблюдать сегодня, объясняется разницей в архитектурных проектах, к которым обращаются мастер-гены.