Чтение онлайн

Lane N. Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution. New York: W. W. Norton & Company, 2009. (Лейн Н. Лестница жизни / Пер. П. Петрова. – М.: АСТ: Corpus, 2013. С. 142–185.)

Lane N. Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life. Oxford: Oxford University Press, 2016. (Лейн Н. Энергия, секс, самоубийство: митохондрии и смысл жизни / Пер. Н. Ленцман. 2-е изд. – СПб.: Портал, 2022.)

Lane N. The Vital Question: Why Is Life the Way It Is. London: Profile Books, 2015. (Лейн Н. Вопрос жизни: энергия, эволюция и происхождение сложности / Пер. К. Сайфулиной и М. Колесника. – М.: АСТ: Corpus, 2018.)

Pereira C. V., Gitschlag B. L., Maulik R., Patel M. R. Cellular Mechanisms of mtDNA Heteroplasmy Dynamics. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. 2021. 56(5): 510–525.

Stewart J., Chinnery P. The Dynamics of Mitochondrial DNA Heteroplasmy: Implications for Human Health and Disease. Nature Reviews. Genetics. 2015. 16(9): 530–542.

Однажды – возможно, 2 млрд 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 насмарку. 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 перебои. 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 вовсе 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 нашего 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 слишком она убедительная – так и тянет говорить о ней как о реальной истории. Эту гипотезу связывают с именем Билла (Уильяма) Мартина (род. 1957) – ученого, предложившего массу захватывающих идей касательно происхождения жизни и ее разных интересных проявлений. У его гипотез 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, самоубийство» или хотя бы только одноименную главу.

Так что отбросим всякие 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. Оказалось, что 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 вставных кусочков, которые прерывают связный текст – то есть инструкцию по синтезу белка. 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 матричной РНК (мРНК) все ненужное, прежде чем начать использовать ее по назначению.

Итак, клетку перегородили на ядро и цитоплазму, выделив таким образом кабинет для босса. Как и в человеческом офисе, младшие начальники после этого тоже могут захотеть отгородиться от низового персонала, и вот уже вместо демократичного open plan у вас выстраивается лабиринт каморок-компартментов. В результате наша клетка становится совсем уж не похожа на бактериальную. Бактерия вообще-то внутри жидкая: если ее проткнуть, из нее все вытечет. А наша клетка студенистая внутри из-за этих перегородок, и из нее ничего не вытекает, потому что она вся заполнена разными прочными молекулярными структурами.

Или вот еще разница между мной и бактерией или археей: мои хромосомы большие, линейные и их много, а у большинства микробов хромосома маленькая, кольцевая и одна. Казалось бы, налицо некий созидательный прогресс. Но подумайте: как сделать из одного кольца много линейных кусочков? Да просто порубить это кольцо в нескольких местах. А как теперь сделать эти линейные кусочки большими и важными? Напихать в них всякого мусора, то есть тех же паразитических последовательностей. И вот уже вместо конструктивного прогресса начинает вырисовываться совсем другая история. Наши предки устали бороться с натиском всевозможных мутаций, при попытке починить которые может образоваться разрыв в хромосоме. Предки махнули рукой: пусть встраиваются эгоистичные элементы, пусть геном непомерно распухает от ненужного хлама, пусть вместо аккуратного кольца будут отдельные кусочки [14] . Постараемся компенсировать ущерб другими способами.

Ну что – вроде компенсировали. Так теперь и живем.

О том, что все могло быть именно так, догадался тот же Билл Мартин. Вместе с Евгением Куниным (род. 1956) они написали статью, а потом Кунин коротко и понятно изложил эту идею в своей книжке «Логика случая». Этот сценарий подкупает убедительностью: вторжение молекулярных паразитов (вставочных последовательностей ДНК, или уж назовем их честно «интронами II типа») объясняет множество черт сложных клеток, которые раньше казались странными и непонятно откуда взявшимися.

Но мы-то толкуем о сексе, так при чем тут секс? Зайдем теперь с другого конца. В первых главах нашей истории мы несколько раз сталкивались с одной трудностью. Половое размножение действительно может способствовать выживанию, а раз так, естественный отбор должен быть на его стороне. Но вот только ущерб от полового размножения – «двойная цена» секса – наступает немедленно, а выгоды могут проявиться через несколько поколений. А отбор не заглядывает вперед, так что вроде бы те, кто придумает размножаться половым путем, обречены на исчезновение еще до того, как успеют воспользоваться всеми преимуществами своей затеи. Многие из обсуждавшихся гипотез могут отлично работать только в том случае, если выгодами секса тоже можно будет воспользоваться немедленно: те, кто его не освоит, должны вымереть в следующем же поколении, расчистив место для сексуальных новаторов.