Секс в трудные времена: как любовь помогла выжить нашему одноклеточному предку
Продолжаем публикацию цикла «Зачем живые любят друг друга» о загадках размножения и других парадоксах биологии. В этой части речь о том, что самое прекрасное в нашей жизни мы, возможно, унаследовали от предков, живших два миллиарда лет назад
Глава двадцать четвертая, в которой древний микроб потерял девственность
Однажды — возможно, два миллиарда лет назад или около того — на земле настали трудные времена. Начались они с того, что некоторые бактерии научились кислородному фотосинтезу, то есть стали использовать солнечный свет для синтеза органики, при этом разрушая молекулы воды и выделяя кислород. Нам с вами кислород нравится, но объективно это довольно неприятное вещество, очень химически активное, немногим лучше какого-нибудь хлора. Кислород начал портить всякие вещества, нарушать химические реакции, на которых строила свое благополучие тогдашняя бактериальная жизнь. Вся, как сейчас выражаются, «экология» пошла псу под хвост. Древним клеткам надо было как-то выкручиваться.
Одна из таких клеток — архея, привыкшая жить и питаться, восстанавливая углекислый газ водородом (на языке химиков «восстанавливать» что-то — это значит навешивать туда электроны, а у водорода как раз есть лишний электрон). Но с водородом начались проблемы. По счастью, неподалеку от археи жили бактерии, которые как раз, среди своих прочих навыков, умели питаться органикой, выделяя водород в качестве побочного продукта. Архея подружилась с бактериями, прижалась к ним тесно, впитывая драгоценный водород, а потом и заключила бактерию в собственную клетку — то ли проглотила от избытка чувств, то ли, наоборот, бактерия сама влезла внутрь, чтобы полакомиться органикой. В итоге получилась химерная клетка: внутри археи поселились одна или несколько бактерий. Как было сказано в прошлой главе, археи вообще-то не большие мастера по инновациям в области биохимии, но тут у химерной клетки оказались в арсенале все инструменты для кормежки, то есть гены и ферменты, которыми владели бактерии. А поскольку кислорода становилось все больше и больше, хозяйской клетке показалось удобнее вообще отказаться от своего пристрастия к водороду и перейти на новый распорядок: большая клетка тем или иным способом добывает органику, а внутренние бактерии-симбионты жгут ее с помощью кислорода, делясь энергией.
Так появились сложные эукариотические организмы (потомки той химеры) и их митохондрии (потомки тех бактерий). Описанные же события ныне известны как «Великий симбиоз» и под этим именем упоминались в прошлой части рассказа. Поясним: то, что этот симбиоз вообще случился, — уже твердо установленный факт, вошедший в научный мейнстрим полвека назад благодаря Линн Маргулис. А вот конкретный изложенный выше сценарий пока из области предположений.
Надо было, конечно, с самого начала написать, что это «лишь одна из гипотез», но уж больно она убедительная — так и тянет говорить о ней как о реальной истории. Эту гипотезу связывают с именем Билла Мартина — ученого, предложившего массу захватывающих идей касательно происхождения жизни и ее разных интересных проявлений. У его идей есть одна общая черта: когда про них читаешь, возникает ощущение, что иначе и быть не могло. О «водородной гипотезе» происхождения эукариот быстрее всего можно узнать, прочитав книгу Ника Лейна «Энергия, секс и самоубийство» или хотя бы только одноименную главу.
Так что к черту оговорки: будем и дальше делать вид, будто ученые точно знают, что там произошло. А произошло немало интересного: только в сказках бывает так, что «стали они жить-поживать да добра наживать», а в реальности с предложения «Давай съедемся?» начинаются вовсе не идиллии, а букеты проблем. Так и у нашей химерной клетки. Натурально, у бактерии-сожителя были проблемы со здоровьем: в ее геноме водились паразитические последовательности, прыгавшие из гена в ген. Бактерии научились как-то их контролировать, или наоборот, паразиты научились прыгать осторожно, чтобы случайно не убить бактерию и не погибнуть вместе с ней. Но тут для паразитов открылось новое поле деятельности — геном археи-хозяина, которая никогда раньше с ними не встречалась. Паразиты встраивались в гены и портили их, в результате производились никуда не годные белки. Очень многих это убило. Выжили те, кто научился кое-как справляться с напастью. Мы от них и произошли.
От тех времен в наших клетках осталось хорошо заметное наследие. В отличие от бактериальных (да, кстати, и архейных) генов, в наших генах полным-полно вставочных последовательностей. Они называются интронами. Прежде чем синтезировать на генетической матрице белок, наши клетки тщательно вырезают из нее эти самые интроны. Оттуда же берет начало и другая наша особенность, давшая название всей нашей ветке жизни — «эукариоты». Это ядро, в котором заключен наш геном. Идея ядра состоит в том, чтобы как-то изолировать гены от цитоплазмы, где делаются белки, и дать клетке возможность вырезать из мРНК все ненужное, прежде чем начать использовать ее по назначению.