Чтение онлайн

Какие биохимические приемы привнесли эти некогда свободные бактерии в наше существование: приемы, которые они выполняют по сей день, без которых немедленно прекратилась бы жизнь? Два самых важных – фотосинтез, который использует солнечную энергию для синтеза органических соединений и выделяет в воздух кислород как побочный продукт; и окислительный метаболизм, который использует кислород (в конечном счете, растений) для медленного сжигания органических соединений и преобразования энергии, которая первоначально произошла от солнца (Бактерии (включая археев) также обладают монополией (наряду с разрядами молнии и человеческими промышленными химиками) на фиксацию азота.). Эти химические технологии были развиты до Большого Исторического Свидания (различными) бактериями, и, в некотором смысле, бактерии все еще являются оптимальным вариантом. Изменилось только то, что они теперь занимаются своим биохимическим искусством на специальных фабриках, называемых эукариотическими клетками.

Фотосинтетические бактерии ранее назывались сине-зелеными водорослями, ужасное название, так как большинство из них не сине-зеленого цвета, и ни одна из них не является водорослью. Большинство зеленые, и лучше называть их зелеными бактериями, хотя некоторые красноватые, желтоватые, коричневатые, черноватые или, да, в некоторых случаях синевато-зеленые. «Зеленые» также иногда используется как слово для фотосинтезирующего организма, и в этом смысле зеленые бактерии – также хорошее название. Их научное название – цианобактерии. Они, а не археи – истинные бактерии, и они, кажется, являются хорошей монофилетической группой. Другими словами, все они (и ничто иное) происходят от единого предка, который должен быть сам классифицирован как цианобактерия.

Зеленый цвет водорослей и капусты, сосен и трав, происходит от зеленых тел внутри клетки, названных хлоропластами. Хлоропласты – отдаленные потомки когда-то свободно живущих зеленых бактерий. У них все еще есть своя собственная ДНК, и они все еще размножаются бесполым делением, наращивая существенные популяции внутри каждой клетки хозяина. Что касается хлоропласта, он является членом воспроизводящейся популяции зеленых бактерий. Мир, в котором он живет и размножается, является внутренним пространством клетки растения. Время от времени его мир испытывает незначительное потрясение, когда клетка растения делится на две дочерних клетки. Примерно половина хлоропластов оказывается в каждой дочерней клетке и скоро возобновляет свое нормальное воспроизводство, населяя свой новый мир хлоропластами. Все это время хлоропласты используют свой зеленый пигмент, чтобы улавливать фотоны солнца и направлять энергию солнца на полезные цели – для синтеза органических соединений из углекислого газа и воды, поставляемых растением-хозяином. Кислородные отходы частично используются растением и частично выдыхаются в атмосферу через отверстия в листьях, называемые устьицами (своеобразными порами). Органические соединения, синтезируемые хлоропластами, в конечном счете, предоставляются в распоряжение клетки растения-хозяина.

Любопытно напоминая о «Рассказе Миксотрихи», некоторые хлоропласты приводят доказательство того, что попали в клетки растений непрямо, проникнув внутрь других эукариотических клеток, которые, по-видимому, могли называться водорослями. Доказательством служит то, что некоторые хлоропласты имеют двойную мембрану. По-видимому, внутренняя является стенкой исходной бактерии, внешняя – стенкой водоросли. Как в случае с миксотрихой, мы можем видеть современные реконструкции во многих примерах, где одноклеточные зеленые водоросли были включены в клетки или ткани грибов и животных, например морские водоросли, которые населяют кораллы. Те хлоропласты, у которых имеется единственная мембрана, по-видимому, были введены непосредственно, а не с помощью водорослей.

Весь свободный кислород в атмосфере произошел от зеленых бактерий, либо свободно живущих, либо в форме хлоропластов. И, как упоминалось прежде, когда кислород сначала появился в атмосфере, он был ядом. Действительно, некоторые люди красноречиво утверждают, что он все еще является ядом, и поэтому доктора советуют нам принимать «антиоксиданты». В эволюции это был блестящий химический ход, обнаружить, как использовать кислород для извлечения (первоначально солнечной) энергии из органических соединений. Это открытие, которое может быть представлено как своего рода обратный фотосинтез, было сделано исключительно бактериями, но различными видами бактерий. Как в случае с самим фотосинтезом, бактерии все еще имеют монополию на технологию, за исключением того, что (снова же, как в случае с фотосинтезом) эукариотические клетки, как наши, дают прибежище этим любящим кислород бактериям, которые теперь путешествует под названием митохондрий. Мы стали настолько зависящими от кислорода из-за биохимического колдовства митохондрий, что утверждение, что это – яд, имеет смысл только когда произнесено с выражением самоосознанного парадокса. Угарный газ, смертельный яд в выхлопах автомобиля, убивает нас, конкурируя с кислородом за благосклонность наших несущих кислород молекул гемоглобина. Лишение кого-либо кислорода является быстрым способом убить его. Все же наши собственные клетки без посторонней помощи не знали бы, что делать с кислородом. Об этом знали только митохондрии и их бактериальные кузены.

Как в случае с хлоропластами, молекулярное сравнение сообщает нам об особой группе бактерий, от которых произошли митохондрии. Митохондрии возникли из так называемых альфа-протеобактерий, поэтому они родственно связаны с риккетсиями, которые вызывают сыпной тиф и другие скверные болезни. Сами митохондрии потеряли большую часть своего первоначального генома и стали полностью приспособленными к жизни внутри эукариотической клетки. Но, как хлоропласты, они все еще размножаются самостоятельно, делением, создавая популяции внутри каждой эукариотической клетки. Хотя митохондрии потеряли большинство своих генов, они не потеряли их все, к счастью молекулярных генетиков, как мы видели повсюду в этой книге.

Линн Маргулис, которая в значительной степени ответственна за выдвижение этой идеи, только сейчас повсеместно принятой, что митохондрии и хлоропласты являются симбиотическими бактериями, попыталась сделать то же самое с ресничками. Вдохновленная возможными реконструкциями, такими как мы видели в «Рассказе Миксотрихи», она прослеживает прошлое ресничек к спирохетовым бактериям. К сожалению, ввиду красоты и убедительности аналогии миксотрихи, доказательства, что реснички (ундулиподии) являются симбиотическими бактериями, найдены неубедительными почти всеми, кого убедили доводы Маргулис в истории митохондрий и хлоропластов.

Поскольку Большое Историческое Свидание является истинным свиданием в прямом историческом направлении, наше путешествие с этого времени определенно должно разделиться. Мы должны следовать назад во времени за различными участниками эукариотического договора, пока они, наконец, не воссоединятся в глубоком прошлом, но я думаю, что это способствовало бы необоснованному усложнению путешествия. У хлоропластов и митохондрий есть свои сходства с эубактериями, а не с другой прокариотической группой, археями. Но наши ядерные гены немного ближе к археям и к следующему свиданию с ними в нашей обратной истории.

Ветвь археев. На основании ядерной ДНК и определенных деталей биохимии и клеточной морфологии большинство экспертов полагают, что археи – сестринская группа к эукариотам. Однако если использовать митохондриальную ДНК, самыми близкими родственниками будут альфа-протеобактерии, потому что такими когда-то были сами митохондрии (см. Большое Историческое Свидание). Обычно признают, что археи распадаются на две группы: кренархеоты и euryarchaeotes. Последовательности ДНК из горячих источников предполагают другую, рано отклонившуюся ветвь, korarchaeotes, но ни один из них фактически не был обнаружен. Не дано количество видов: не ясно какие «виды» являются аппаратом бесполых организмов.

После той неуверенности в том, что происходило на Свидании 37, и безусловно, в том, сколько свиданий скрыто под фиговым листом этого заголовка, какое облегчение возвратиться к свиданию, с которым теперь соглашаются большинство людей. Ко всем эукариотическим странникам, по крайней мере, к их ядерным генам, далее присоединяются археи, прежде называемые архебактериями. Является ли оно Свиданием 38, 39, 40 или 41, может стать предметом спекуляций (или, скорее, может стать предметом исследований следующих нескольких лет). Но установлено, что прокариоты или, как некоторые все еще их называют, бактерии, были двух совершенно различных видов – эубактерии и археи. И преобладает мнение, что археи – более близкие кузены нам, чем эубактериям, вот почему я поместил эти два свидания в таком порядке. Но нужно помнить, что вследствие необычных обстоятельств Большого Исторического Свидания частицы наших клеток ближе к эубактериям, даже если наши ядра ближе к археям.

Мой Оксфордский коллега Том Кавалир-Смит (Tom Cavalier-Smith), чьи представления о ранней эволюции жизни основаны на его больших познаниях разнообразия микробов, выдумал название Neomura, чтобы охватить и археев, и эукариот, но исключить эубактерий. Он также использует слово «бактерии», чтобы охватить эубактерий и археев, но не эукариот. Бактерии для него, поэтому, название «категории», тогда как Neomura – ветвь. Ветвь, к которой принадлежат эубактерии, является просто жизнью, так как она также включает археев и эукариот.