Энергия, секс, самоубийство

Ник Лэйн

Энергия, секс, самоубийство

Митохондрии и смысл жизни

Посвящается Ане и Энеко, родившемуся как раз на шестой части книги

Благодарности

Когда пишешь книгу, иногда чувствуешь себя одиноким путником, бредущим в бесконечность, но большую часть пути я не был одинок. Мне помогали самые разные люди — от лично не знакомых мне ученых, отвечавших на мои электронные письма, до друзей и родственников, которые вычитывали отдельные главы (или всю книгу целиком) или поддерживали меня в трудные минуты.

Кроме того, несколько специалистов взяли на себя труд внимательно прочитать отдельные главы и подробно откомментировать текст. Я особенно обязан трем людям, проверившим большие куски рукописи. Их воодушевляющий отклик помог мне справиться с самым сложным периодом написания книги. Билл Мартин, профессор кафедры ботаники в Университете имени Генриха Гейне (Дюссельдорф), высказал несколько поразительно глубоких замечаний об эволюции. С его проницательностью может сравниться только его кипучая энергия: когда обсуждаешь с Биллом научную проблему, кажется, что на тебя на полной скорости движется танк. Надеюсь, мне удалось хотя бы отчасти воздать должное оригинальности его идей. Фрэнк Харольд, почетный профессор кафедры микробиологии в Университете штата Колорадо — ветеран войн эпохи окислительного фосфорилирования. Одним из первых он осознал смысл и значение хемоосмотической теории Питера Митчелла, а его собственные экспериментальные работы, написанные прекрасным языком, хорошо известны среди специалистов. Я не знаю никого, кто лучше бы понимал пространственную организацию клетки и осознавал бы ограниченность чисто генетического подхода к биологии. И наконец, я хочу поблагодарить Джона Хэнкока, доцента кафедры молекулярной биологии Университета Западной Англии (Бристоль). Он обладает удивительно широкими познаниями в самых разных областях биологии, и его замечания часто заставали меня врасплох. В результате мне нередко приходилось пересматривать свои гипотезы, зато теперь, когда я, надеюсь, удовлетворительно ответил на его критику, я еще больше уверен в том, что митохондрии действительно имеют непосредственное отношение к смыслу жизни.

Некоторые другие ученые по моей просьбе прочитали главы, посвященные темам их исследований. Еще раз поблагодарить всех — моя приятная обязанность. Когда пишешь о столь разных областях знания, трудно быть уверенным в том, что уловил все тонкости какой-нибудь важной подробности, и если бы не их великодушные ответы на мои электронные письма, меня все еще грызли бы сомнения. Теперь же надеюсь, что вопросы, оставшиеся в этой книге без ответа, свидетельствуют не столько о моем невежестве, сколько о том, что ответа на них еще нет. Именно такие вопросы и подстегивают любопытство ученых. Итак, я хочу поблагодарить следующих людей: Джон Аллен, профессор кафедры биохимии колледжа королевы Мэри Лондонского университета; Густаво Барья, профессор кафедры физиологии животных Мадридского университета Комплутенсе; Альберт Беннетт, профессор кафедры эволюционной физиологии Калифорнийского университета (Ирвайн); доктор Нейл Блэкстоун, доцент кафедры эволюционной биологии в Университете Северного Иллинойса; доктор Мартин Брэнд, сотрудник Центра изучения питания человека при Совете по медицинским исследованиям (Кембридж); доктор Джим Камминс, доцент кафедры анатомии, университет Мердока; Крис Ливер, профессор кафедры растениеводства Оксфордского университета; Готтфрид Шатц, профессор кафедры биохимии Базельского университета; Алоизиус Тиленс, профессор кафедры биохимии Утрехтского университета; доктор Джон Терни, группа передачи научной информации Имперского колледжа (Лондон); доктор Тибор Веллай, Зоологический институт университета города Фрибурга; Алан Райт, профессор кафедры генетики Центра генетики человека при Совете по медицинским исследованиям (Эдинбургский университет).

Я очень признателен доктору Майклу Роджерсу, ранее работавшему в издательстве «Oxford University Press», который заказал мне эту книгу перед тем, как вышел на пенсию. Я горд тем, что он и впоследствии сохранил к ней живой интерес; опытным взглядом просмотрев первую версию рукописи, он сделал множество исключительно ценных критических замечаний. Должен тут же поблагодарить и Латху Менон, старшего выпускающего редактора «Oxford University Press». Унаследовав эту книгу от Майкла, она подошла к работе над ней со своим вошедшим в легенду энтузиазмом, доскональностью и умением видеть вещи в широком контексте. Я также очень благодарен доктору Майклу Ридли (Оксфорд), автору книги «Демон Менделя», который прочитал всю рукопись целиком и отметил несколько крайне важных моментов. Не знаю никого, кто способен лучше оценить далекие друг от друга аспекты эволюционной биологи, а также никого, кто столь щедро делился бы знаниями. Я польщен тем, что ему было интересно читать мою книгу.

Некоторые главы прочитали также мои друзья и родственники. Благодаря им я смог понять пределы того, что способен стерпеть далекий от науки читатель. В частности, я хотел бы поблагодарить Элисон Джонс, чей искренний энтузиазм и полезные замечания вселяли в меня веру в собственные силы; Майка Картера, который по-дружески прямо сказал мне, что первые версии текста слишком трудны для восприятия (а последующие похвалил за ясность); Пола Эсбери, который прекрасно умеет и рассказывать, и внимательно слушать, особенно во время прогулок на природе; Иана Амброза, всегда готового выслушать и дать совет, особенно за кружкой пива; доктора Джона Эмсли, способного руководить и вдохновлять; профессора Барри Филлера, лучшего в мире коллегу, всегда готового поспорить в лаборатории, в пабе или даже на теннисной площадке; а также моего отца, Тома Лэйна — он прочитал почти всю книгу, не скупясь на похвалы и мягко указывая мне на стилистические огрехи, и это при том, что сам в это время напряженно работал над собственными книгами. Моя мать Джин и мой брат Макс всегда поддерживали меня, как и мои испанские родственники, и я благодарю их всех.

Иллюстрации в начале каждой главы выполнила доктор Ина Шуппе Койштенен, шведская исследовательница, работающая в области биомедицины, и прекрасная акварелистка, специализирующаяся на научных рисунках. Эта серия иллюстраций была заказана специально для данной книги, и каждая картинка связана с темой главы. Мне кажется, рисунки Ины прекрасно отражают загадку микрокосма, а также вносят в книгу оригинальную ноту, и я очень признателен художнице.

Особое спасибо Ане, моей жене. Как и я, она жила этой книгой, а это было временами нелегко. Как надежный спарринг-партнер, она живо реагировала на мои идеи и тут же подбрасывала немало своих. Я уже не говорю о том, что она бессчетное число раз придирчиво вычитывала рукопись. Ана была последним и самым строгим судьей стиля, смысла и содержания. Нельзя передать, насколько я обязан ей.

Последнее словечко я приберег для Энеко: он и книги несовместимы, разве что ему разрешается их погрызть, и все же он чудо, а то, что я узнал благодаря ему, стоит целой библиотеки.

Введение

Митохондрии — тайные правители мира

Митохондрии — это маленькие клеточные органеллы, которые производят практически всю нашу энергию. Одна клетка содержит в среднем 300–400 митохондрий, то есть во всем человеческом теле их десять миллионов миллиардов. Митохондрии есть фактически во всех сложно устроенных клетках. На вид они похожи на бактерии, и это тот случай, когда внешность не обманчива. Когда-то митохондрии были свободно живущими бактериями, а затем — около двух миллиардов лет назад — приспособились к жизни внутри клеток. Как знак былой независимости, они сохранили фрагмент генома. Непростые отношения между митохондриями и клетками-хозяевами определяют многие аспекты жизни клеток — от производства энергии, полового процесса и размножения до самоубийства, старения и смерти.

Митохондрия — одна из многих «энергетических станций» клеток, которые контролируют нашу жизнь самыми неожиданными способами

Митохондрии — секрет Полишинеля. Так или иначе, о них слышали очень многие. В газетных статьях и некоторых учебниках их называют «энергетическими станциями жизни». Эти миниатюрные генераторы, спрятанные в клетках, производят почти всю нужную нам энергию. В одной клетке могут находиться сотни или тысячи митохондрий, сжигающих органику с помощью кислорода. Они так малы, что в песчинке свободно уместился бы миллиард. С появлением митохондрий жизнь получила мощнейший двигатель, уже работающий на высоких оборотах и готовый к использованию. Все животные, включая самых малоподвижных, имеют хоть сколько-то митохондрий. Даже неподвижные растения и водоросли используют их как источник дополнительной энергии, добавку к энергии фотосинтеза, которую они получают от своих «солнечных батарей».

Некоторые, наверное, слышали выражение «митохондриальная Ева». Предполагается, что она была праматерью человечества, последним общим предком всех ныне живущих людей. «Митохондриальная Ева» предположительно жила в Африке (возможно, 170 000 лет назад), и ее также называют «африканской Евой». Мы можем проследить нашу генетическую родословную до митохондриальной Евы, возможно, потому, что у митохондрий есть свой небольшой геном, который обычно передается следующему поколению только через яйцеклетку, а не через сперматозоид. Это означает, что митохондриальные гены выступают в роли фамилии, передаваемой по женской линии, которую, таким образом, можно проследить; так, некоторые семьи возводят свой род по мужской линии к Вильгельму Завоевателю, Ною или пророку Мухаммеду. В последнее время некоторые положения этой теории были оспорены, но в целом она устояла. Конечно, этот метод позволяет не только определить наших предков, но и понять, кто нашим предком не был. Например, анализ митохондриальных генов говорит о том, что неандертальцы все же не скрещивались с Homo sapiens, а были вытеснены на окраины Европы, где и вымерли.

Митохондрии также «прославились» своей ролью в судебной медицине. Их часто использовали для идентификации людей, живых или мертвых, и некоторые такие истории имели широкий резонанс. Как и в случае с определением наших предков, метод идентификации основан на том, что у митохондрий есть собственные гены. Подлинность останков Николая Второго, последнего российского императора, была подтверждена путем сравнения его митохондриальных генов с митохондриальными генами его родственников. А в конце Первой мировой войны в Берлине из реки вытащили семнадцатилетнюю девушку, которая утверждала, что она — Анастасия, потерянная дочь Николая Второго. Девушку отправили в лечебницу для душевнобольных. Анализ митохондриальных генов, проведенный после ее смерти в 1984 г., положил конец семидесятилетним спорам, показав, что дочерью Николая Второго она не была.

Если обратиться к недавнему прошлому, то митохондриальный анализ помог опознать обезображенные до неузнаваемости тела людей, погибших в результате теракта 11 сентября 2001 г. при обрушении башен Всемирного торгового центра в Нью-Йорке. Этот же метод позволил отличить «настоящего» Саддама Хусейна от его многочисленных двойников. Одна из причин, по которой митохондриальные гены оказываются столь полезны, — это большое число их копий. Геном каждой митохондрии представлен 5–10 копиями, а в клетке обычно находятся сотни митохондрий, так что общее число их геномов исчисляется тысячами копий. Для сравнения, геном самой клетки представлен всего двумя копиями (которые находятся в «пункте управления» клеткой — ядре). Поэтому почти из любого образца можно получить некоторое, пусть даже минимальное, количество митохондриальных генов. А тот факт, что они общие у ребенка, его матери и всех родственников по материнской линии, дает возможность подтвердить или опровергнуть предполагаемое родство.

Пойдем дальше. Существует так называемая митохондриальная теория старения. Она утверждает, что свободные радикалы — химически активные молекулы, «утекающие» из митохондрий в процессе обычного клеточного дыхания, вызывают старение и многие сопутствующие ему болезни. Проблема в том, что в митохондриях не полностью исключено «искрообразование». Когда они «сжигают» пищу под воздействием кислорода, образующиеся «искры» свободных радикалов могут повреждать соседние структуры, включая и сами митохондриальные гены, а также более удаленные гены в ядре клетки. Свободные радикалы атакуют гены в наших клетках от 10 000 до 100 000 раз в день — иными словами, ждать от них какого-нибудь подвоха приходится буквально каждую секунду. Большая часть нанесенных повреждений тут же исправляется, но некоторые атаки вызывают необратимые мутации, то есть устойчивые изменения нуклеотидной последовательности гена. С возрастом они накапливаются в организме, и клетки с самыми серьезными повреждениями умирают. Постоянный износ и лежит в основе старения и связанных с ним болезней. С мутациями, появившимися в результате атаки свободных радикалов на митохондриальные гены, также связаны многие тяжелые наследственные заболевания. Эти болезни нередко наследуются странным и непредсказуемым образом, а их тяжесть варьирует из поколения в поколение, но общее правило заключается в том, что все они неумолимо прогрессируют с возрастом. Обычно митохондриальные заболевания затрагивают метаболически активные ткани, такие как мышцы и мозг, и могут приводить к судорогам, двигательным расстройствам, слепоте, глухоте и мышечной дистрофии.

Некоторые слышали о митохондриях в связи с одним из способов лечения бесплодия, по поводу которого велись ожесточенные споры. Суть его в том, что содержащий митохондрии фрагмент ооплазмы из яйцеклетки здоровой женщины-донора переносят в яйцеклетку бесплодной женщины (так называемый перенос, или трансплантация, ооплазмы). Когда информация об этом методе впервые просочилась в СМИ, одна британская газета напечатала статью под броским заголовком: «Младенцы от двух матерей и одного отца». Нельзя сказать, что в этой журналистской шутке нет доли правды. Хотя все «обычные» гены ребенок получает от «настоящей» матери, некоторое количество митохондриальных генов он получает от женщины-донора ооплазмы. Так что, строго говоря, младенцы действительно получили гены от двух разных женщин. Несмотря на то что благодаря этому методу на свет появились более 30 вполне здоровых младенцев, он был впоследствии запрещен в Великобритании и в США как по этическим, так и по практическим соображениям[1].

Митохондрии даже попали в сериал «Звездные войны» (к вящему негодованию некоторых фанатов) в качестве довольно туманного обоснования знаменитой Силы, которая «да пребудет с тобой». В первых эпизодах предполагалось, что эта сила имеет если не религиозную, то, по крайней мере, духовную природу, однако в четвертом эпизоде ее связали с «мидихлорианами». Мидихлорианы, как популярно объяснял один джедай, — это «микроскопические формы жизни, обитающие во всех живых клетках. Мы живем с ними во взаимовыгодном симбиозе. Без мидихлорианов не было бы жизни, и мы никогда не узнали бы, что такое Сила». И в объяснении, и в самом названии есть прозрачная, намеренная аллюзия на митохондрии. Митохондрии, имеющие бактериальное происхождение, тоже живут внутри наших клеток как симбионты (организмы, находящиеся во взаимовыгодных отношениях с другими организмами). Как и мидихлорианы, митохондрии обладают рядом загадочных, можно сказать, мистических свойств, и даже могут обмениваться информацией, объединяясь в ветвящиеся сети. Идея о бактериальном происхождении митохондрий, которая была предложена Линн Маргулис в 1970-х гг. и воспринималась тогда как очень спорное утверждение, теперь большинством биологов рассматривается как установленный факт.

Перечисленные выше особенности митохондрий знакомы многим по популярным статьям и массовой культуре. Некоторые другие аспекты их существования, прояснившиеся в последние десять-двадцать лет, менее очевидны для широкой общественности. Главный из них — это апоптоз, или программируемая смерть клеток. Отдельные клетки совершают самоубийство ради всеобщего блага — существования целого организма. Примерно в середине 1990-х гг. исследователи обнаружили, что апоптоз регулируется не ядерными генами, как считалось раньше, а генами митохондрий. Выводы из этого открытия имеют большую медицинскую значимость, так как неспособность клеток к своевременному апоптозу — главная причина рака. Теперь в фокусе исследований в области канцерогенеза находится не ядерный геном, а митохондриальный. Но из этого открытия следуют и гораздо более глубокие выводы. При раке отдельные клетки внезапно начинают бороться за «личную» свободу, сбрасывая оковы своих обязательств перед организмом в целом. Должно быть, такие оковы было трудно наложить на ранних этапах эволюции многоклеточности: с какой стати потенциально свободноживущие клетки должны подписывать собственный смертный приговор ради привилегии жить в большем сообществе клеток, если у них есть альтернатива по-прежнему жить в одиночестве? Не исключено, что без программируемой клеточной смерти никогда не возникли бы связи, объединяющие клетки в сложный многоклеточный организм. А поскольку программируемая смерть клеток зависит от митохондрий, очень может быть, что многоклеточные организмы не могли бы существовать без них. Если это рассуждение покажется вам надуманным, вспомните тот непреложный факт, что митохондрии есть у всех многоклеточных растений и животных.

Еще одна область, при обсуждении которой часто всплывают митохондрии, — это происхождение эукариотических клеток, то есть тех сложных клеток, из которых состоят все растения, животные, водоросли и грибы. Слово «эукариотический» происходит от греческих слов, означающих «настоящее ядро». Имеется в виду такое ядро, в котором локализованы гены. Однако это название, честно говоря, не отражает всей сути. На самом деле в структуру эукариотических клеток, кроме ядра, входит еще много разных элементов, в том числе, что важно, митохондрии. Эволюция таких клеток — предмет горячих споров. Общепринятая точка зрения заключается в том, что они эволюционировали постепенно, шаг за шагом, пока в один прекрасный день примитивная эукариотическая клетка не захватила бактерию, которая после многих поколений рабства стала полностью зависимой митохондрией. Эта теория предсказывает, что предками всех эукариотических организмов являются какие-то неизвестные одноклеточные эукариоты без митохондрий — реликты тех времен, когда митохондрии впервые были «захвачены» и «пущены в дело». Но теперь, после десяти лет тщательного генетического анализа, создается впечатление, что все известные эукариотические клетки либо имеют митохондрии, либо когда-то имели (а затем утратили) их. Из этого следует, что происхождение сложных клеток неотделимо от происхождения митохондрий: эти два события на самом деле, были одним. Если это так, то митохондрии были необходимы для эволюционного происхождения не только многоклеточных организмов, но и их компонентов эукариотических клеток. Таким образом, без митохондрий эволюция жизни на Земле не продвинулась бы дальше этапа бактерий.

Еще один аспект существования митохондрий, который обсуждается менее широко, связан с разницей между двумя полами или даже, можно сказать, с самой необходимостью существования двух полов. Вопрос о том, зачем вообще нужны два пола — знаменитая загадка с известным ответом. Дело в том, что при половом размножении для рождения ребенка нужны двое родителей, в то время как при вегетативном или партеногенетическом размножении достаточно одной только матери, а отец не нужен вовсе. Его существование не только избыточно, но и приводит к непростительному разбазариванию ресурсов. Более того, наличие двух полов означает, что мы должны выбирать себе полового партнера только из половины популяции, по крайней мере, если мы ищем его ради произведения потомства. Как с точки зрения размножения, так и с любой другой было бы гораздо лучше, если бы все люди принадлежали к одному и тому же полу или если бы полов было неограниченное количество. Два пола — это худший из возможных вариантов. Ответ на эту загадку, предложенный в конце 1970-х гг., в настоящее время принимается большинством ученых, но почти незнаком неспециалистам. Как вы уже догадались, он связан с митохондриями. Два пола необходимы потому, что один из них должен специализироваться на передаче митохондрий потомству (в яйцеклетке), а другой, наоборот, не должен их передавать (в сперматозоиде). Почему это должно быть так, мы увидим в главе 6.

Исследования во всех перечисленных направлениях вернули митохондриям то внимание, которого они были лишены с дней их расцвета в 1950-е гг., когда ученые впервые обнаружили, что митохондрии являются энергетическими станциями клетки и производят практически всю необходимую нам энергию. Ведущий научный журнал Science признал это в 1999 г., когда посвятил митохондриям львиную долю очередного выпуска. Его обложка гласила: «Митохондрии возвращаются». О митохондриях забыли по двум причинам. Одна из них заключалась в том, что биоэнергетика — изучение производства энергии в митохондриях — считалась трудной и запутанной областью. Этот подход хорошо иллюстрирует обнадеживающая фраза, которую в свое время нередко шептали в аудиториях во время лекций и докладов: «Не волнуйся, этих митохондриальных маньяков никто не понимает». Вторая причина связана с подъемом молекулярной генетики во второй половине XX в. Как заметил Иммо Шеффлер, один из выдающихся «митохондриальных маньяков», «возможно, молекулярные биологи не обращали внимания на митохондрии потому, что не сразу поняли многообещающие выводы и возможности, проистекающие из открытия митохондриальных генов. Потребовалось время, чтобы накопилась достаточно обширная и разнообразная база данных, позволяющая приступить к решению труднейших вопросов антропологии, биогенеза, медицины, эволюции и многих других областей».

Я уже сказал, что митохондрии — секрет Полишинеля. Тем не менее, несмотря на вновь обретенную славу, они остаются загадкой. Многие серьезные эволюционные вопросы, связанные с митохондриями, редко поднимаются и еще реже подробно обсуждаются даже в научных журналах, а разные области связанных с митохондриями исследований обычно замкнуты каждая в своем собственном узком мирке. Приведу пример. Транспорт протонов через мембрану — механизм, с помощью которого митохондрии генерируют энергию. Этот механизм обнаружен у всех жизненных форм, включая самые примитивные бактерии, и странен до крайности. Как сказал один специалист, «впервые после Дарвина в биологии появилась столь же парадоксальная и противоречащая здравому смыслу гипотеза, как, например, гипотезы Эйнштейна, Гейзенберга или Шредингера». Тем не менее, эта гипотеза оказалась верной, и ее автор Питер Митчелл в 1978 г. получил Нобелевскую премию. Однако при этом мало кто задается вопросом: а почему, собственно, столь необычный способ производства энергии стал так важен для самых разных жизненных форм? Как мы увидим позже, ответ на этот вопрос проливает свет на само происхождение жизни.

Еще одна увлекательнейшая проблема, которой не уделяется должного внимания, — это сохранение митохондриальных генов. Авторы научных статей с помощью этих генов прослеживают нашу родословную вплоть до «митохондриальной Евы» и даже выявляют родственные связи между разными видами, но редко задаются вопросом о том, почему эти гены вообще сохранились. Их считают пережитком бактериального прошлого митохондрий. Может быть, может быть. Проблема в том, что митохондриальные гены запросто переносятся en bloc[2] в ядро. У разных видов в ядре оказались разные митохондриальные гены, но при этом все виды с митохондриями все же сохранили один и тот же базовый набор митохондриальных генов. Что в них такого особенного? Как мы увидим, ответ на этот вопрос поможет понять, почему бактерии так и не достигли уровня сложности эукариот. Он также поможет объяснить, почему во всех других областях Вселенной жизнь, возможно, никогда не выберется из бактериальной колеи, иными словами, почему мы если и не одни, то уж точно одиноки.

Подобных вопросов немало. Проницательные ученые время от времени поднимают их в научных статьях, но до широкой публики эти рассуждения доходят редко. На первый взгляд эти вопросы могут показаться до смешного заумными и малоинтересными. Однако ответы на них, взятые вместе, создают цельную картину эволюционной траектории, которая начинается с происхождения жизни, проходит через этапы возникновения сложных клеток и многоклеточных организмов и ведет к увеличению размеров тела, приобретению пола, появлению теплокровности, старения и смерти. Эта картина представляет собой абсолютно свежий взгляд на то, почему мы вообще существуем на Земле, почему мы одни во Вселенной, почему мы обладаем чувством индивидуальности, почему мы занимаемся любовью, кто были наши предки, почему нам суждено стареть и умирать. Короче говоря, она позволяет понять смысл жизни. Как писал красноречивый историк Фелипе Фернандес-Арместо, «истории объясняют сами себя; если мы знаем, как развивались события, мы начинаем понимать, почему они происходили». И при воссоздании истории жизни на Земле вопросы «как?» и «почему?» тоже тесно переплетены.

Я хотел написать книгу для широкой аудитории, не разбирающейся в науке вообще и в биологии в частности. Тем не менее пришлось предположить, что читатель знаком с основами биологии клетки, и иногда прибегать к специальной терминологии. Однако некоторые части книги могут показаться трудными для восприятия даже тем, кто с терминологией вполне знаком. Но прочитать их все же стоит. Очарование науки и тот особый восторг, который испытываешь, когда начинаешь что-то понимать, постигаются в борьбе с вопросами, на которые нет четких ответов. На многие вопросы, затрагивающие события далекого прошлого (миллиарды лет назад), вряд ли вообще возможно дать точные ответы. Тем не менее мы можем использовать те знания, которые мы имеем, или думаем, что имеем, для того чтобы сузить список возможных ответов. Ключи к разгадке разбросаны повсюду и иногда их находишь в самых необычных местах. Чтобы их найти, нужны некоторые познания в современной молекулярной биологии, отсюда и неизбежная сложность некоторых разделов. Имея в своем распоряжении эти ключи, мы можем вслед за Шерлоком Холмсом исключить некоторые варианты ответов и сосредоточиться на других. Как говорил великий сыщик: «Отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался»[3]. Хотя размахивать словом «невозможно» перед носом у эволюции довольно опасно, испытываешь ни с чем не сравнимое удовольствие сыщика, напавшего на верный след, когда пытаешься восстановить наиболее вероятные эволюционные пути. Надеюсь, что мой энтузиазм отчасти передастся и вам.

Краткое определение некоторых специальных терминов я поместил в глоссарий. Тем не менее перед тем, как продолжить, возможно, стоит немного рассказать об основах биологии клетки тем из читателей, кто не знаком с биологией вовсе. Живая клетка — это миниатюрная вселенная, простейшая форма жизни, способная к независимому существованию. Следовательно, именно она является базовой единицей биологии. Одна клетка может быть самостоятельным организмом (вспомним амеб или, если уж на то пошло, бактерий). Такие организмы называются одноклеточными. Организм многоклеточных состоит из многих клеток (в случае нас с вами их миллионы миллионов). Наука, изучающая клетки, называется цитологией, от греческого слова cyto — клетка (изначальное значение — сосуд, вместилище). Корень «цито» входит в состав многих терминов. Например, цитохромы — «цветные» белки в клетке, цитоплазма — внутренняя среда клетки (все, кроме ядра), эритроцит — красная клетка крови.

Не все клетки равны между собой, а некоторые значительно равнее других. Проще всего устроены бактериальные клетки. Даже разглядывая их в электронный микроскоп, трудно понять, что они собой представляют. Бактерии редко превышают несколько микрометров[4] в диаметре и обычно имеют форму шара или палочки. От окружающей среды они отделены прочной, но проницаемой клеточной стенкой, к которой изнутри прилегает тончайшая, но относительно непроницаемая клеточная мембрана толщиной несколько нанометров[5]. Бактерии производят энергию с помощью этой исчезающе-тонкой мембраны, поэтому ей и посвящена значительная часть нашей книги.

Бактериальная клетка, как и любая другая, заполнена цитоплазмой. Она имеет консистенцию геля и содержит (в виде раствора или взвеси) самые разнообразные биологические молекулы. Некоторые из них можно еле-еле разглядеть под микроскопом при максимальном увеличении (в миллионы раз). При таком увеличении цитоплазма выглядит шероховатой, как испещренное кротовинами поле с высоты птичьего полета. Прежде всего, среди этих молекул нужно назвать длинные извитые молекулы ДНК (носителя генетической информации), похожие на ходы сумасшедшего крота. Молекулярная структура ДНК — знаменитая двойная спираль — была открыта Уотсоном и Криком более полувека назад. Другие «шероховатости» — это крупные белки. Они едва заметны даже при таком увеличении и тем не менее состоят из миллионов атомов, организованных с такой безупречной точностью, что молекулярную структуру белков можно расшифровать при помощи рентгеноструктурного анализа. Это всё. Больше мы ничего особенно и не увидим, хотя биохимический анализ показывает, что бактерии, простейшие из клеток, на самом деле крайне сложны, и мы еще только начинаем понимать, как они устроены.

Мы с вами состоим из совсем других клеток. На клеточном «скотном дворе» они «равнее» многих других. Начнем с того, что они гораздо больше. Их объем иногда в сотни тысяч раз превышает объем бактериальных клеток. Внутри у них можно разглядеть очень многое. Там есть огромные стопки складчатых мембран, имеющих шероховатую поверхность, разнообразные пузырьки, содержимое которых отделено от остальной цитоплазмы, как в пакетиках для замораживания, а также густая разветвленная сеть волокон, обеспечивающих структурную поддержку и эластичность клетки, — цитоскелет. А еще там есть органеллы — органы клетки, выполняющие специализированные функции, подобно тому, как, например, наши почки выполняют функцию выделения. Но главное, в наших клетках есть ядро — задумчивая планета, царящая в клеточном микрокосме. Его поверхность, подобно лику Луны, испещрена «кратерами» (на самом деле мельчайшими порами). Клетки, имеющие такое ядро, называются эукариотическими. Это самые важные клетки на Земле. Без них мир был бы непредставимо другим, потому что все растения и животные, все водоросли и грибы, практически все живое, что можно увидеть невооруженным глазом, состоит из эукариотических клеток, и у каждой из них есть свое ядро.

В ядре находится дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). У эукариот и бактерий эта макромолекула идентична по молекулярной структуре, но различается организацией на макроуровне. ДНК бактерий представляет собой длинную извитую замкнутую петлю. Сумасшедший крот рано или поздно приходит в исходную точку и получается одна кольцевая хромосома. В эукариотических клетках хромосом обычно несколько, и они не кольцевые, а линейные. Я не имею в виду, что они вытянуты в прямую линию, просто у каждой хромосомы два конца. Во время нормальной работы клетки ничего этого не видно, но во время клеточного деления хромосомы меняют свою структуру: они конденсируются, приобретая хорошо распознаваемую трубчатую форму. Большинство эукариотических клеток находятся в диплоидном состоянии, то есть имеют по два экземпляра каждой хромосомы (число хромосом у человека 23 х 2 = 46), и одинаковые хромосомы во время деления образуют пары, оставаясь соединенными примерно по центру. Это придает хромосомам характерную «звездчатую» форму, которую можно различить под микроскопом. Хромосомы эукариот состоят не только из ДНК. Они также покрыты особыми белками, важнейшие из которых называются гистонами. В этом заключается существенное различие между бактериями и эукариотами — ни одна бактерия не покрывает свою ДНК гистонами, она всегда голая. Гистоны не только защищают ДНК эукариот от химических атак, но и ограничивают доступ к генам.

Фрэнсис Крик, когда открыл структуру ДНК, тут же понял, как работает механизм генетической наследственности, и вечером объявил в пабе, что разгадал загадку жизни. ДНК — это матрица для сборки как самой себя, так и белков. Каждая из двух полинуклеотидных цепей двойной спирали служит матрицей для другой. Когда они расходятся, а это происходит во время деления клетки, каждая цепь предоставляет информацию, необходимую для сборки полной, двойной спирали. В результате получаются две идентичные копии. Информация, закодированная в ДНК, диктует «по буквам» молекулярную структуру белков. Это, говорил Крик, и есть «центральная догма» всей биологии — гены кодируют белки. Длинная телеграфная лента ДНК представляет собой последовательность всего лишь четырех молекулярных «букв» (нуклеотидов); так все наши слова и все наши книги состоят из сочетаний всего лишь 33 букв. Полная библиотека генов организма называется геномом, размер которого может достигать миллиарда «букв». Ген — по сути дела, код для «изготовления» одного белка — обычно состоит из тысяч нуклеотидов. Белок представляет собой цепочку субъединиц, которые называются аминокислотами. Порядок аминокислот определяет функциональные свойства белка, а последовательность букв в гене — последовательность аминокислот в белке. Мутация гена (изменение последовательности «букв») может привести к изменению структуры белка (а может и не привести, так как генетический код обладает некоторой степенью избыточности, или, выражаясь специальным языком, вырожденности, и одну и туже аминокислоту могут кодировать несколько разных комбинаций букв).

Белки — предмет особой гордости и славы жизни на Земле. Разнообразие их форм и функций практически бесконечно. И практически всё разнообразие жизни обязано своим существованием разнообразию белков. Благодаря белкам стали возможны все физические достижения жизни — от метаболизма до движения, от полета до зрения, от иммунитета до сигнальных систем. По своим функциям белки делятся на несколько больших групп. Одна из важнейших — ферменты. Они являются биологическими катализаторами и могут на несколько порядков повышать скорость протекания биохимических реакций при потрясающей специфичности к субстратам. Некоторые ферменты даже могут различать изотопы (разные формы одного и того же атома). Другие важные группы белков — это гормоны и их рецепторы, белки, отвечающие за иммунную систему, такие как антитела, белки, ДНК — связывающие белки, такие как гистоны, и структурные белки, образующие цитоскелет.

Генетический код инертен. Это огромное количество информации помещено в надежное хранилище — ядро, изолированное от протекающих в цитоплазме процессов; так, ценные энциклопедии хранят в библиотеках, а не штудируют бесконечно, скажем, на заводе. Для повседневной работы в клетке используются малоценные ксерокопии. Они сделаны из РНК. Структурные элементы этой макромолекулы похожи на структурные элементы ДНК, но она скручивается в виде одинарной, а не двойной цепи. Есть несколько типов РНК, и каждый выполняет свою функцию. Прежде всего, следует назвать информационную, или матричную РНК (иРНК, или мРНК), длина которой более или менее соответствует длине одного гена. Как и ДНК, иРНК состоит из последовательности нуклеотидов и представляет собой точную реплику генетической последовательности ДНК. Генетическая последовательность ДНК транскрибируется в несколько иную каллиграфию иРНК — шрифт меняется, но смысл предложения остается неизменным. Эта РНК — крылатый вестник. Она физически переходит из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке. Там она «швартуется» к какой-нибудь рибосоме — одной из многих тысяч фабрик сборки белков. По молекулярным меркам они огромны, по микроскопическим — крайне малы. Их можно еле-еле различить в электронный микроскоп на некоторых внутренних мембранах клетки, которым они придают шероховатый вид, а также в цитоплазме в виде мельчайших точек. Рибосомы состоят из смеси рибосомальных РНК и белков. Их функция — трансляция, перевод информации, которую принесла иРНК, на язык белков, то есть последовательность аминокислот. Транскрипция и трансляция контролируются и регулируются многочисленными специализированными белками, важнейшие из которых называются факторами транскрипции. Они регулируют экспрессию генов, то есть их конвертацию из пассивного кода в активный белок, у которого есть дела в клетке или за ее пределами.

Вооружившись этими базовыми познаниями в клеточной биологии, давайте вернемся к митохондриям. Эти клеточные органеллы («органы» клетки) специализируются на производстве энергии. Я уже упоминал, что митохондрии произошли от бактерий и до сих пор немного похожи на них (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения митохондрии. Видны внутренняя и наружная мембрана; внутренняя мембрана складчатая, и эти многочисленные складки называются кристами. Именно в них протекает процесс клеточного дыхания

Обычно их изображают в форме колбасок или червяков, но они могут принимать и более причудливые формы, завиваясь чуть ли не в штопор. Обычно митохондрии размером с бактерии: длиной несколько тысячных долей миллиметра (1–4 микрометра) и диаметром около половины микрометра. Клетки нашего тела обычно содержат множество митохондрий, а точное число зависит от метаболических запросов конкретной клетки. Метаболически активные клетки (в печени, почках, мышцах и мозге) содержат сотни или даже тысячи митохондрий, занимающих до 40 % цитоплазмы. Пальма первенства принадлежит яйцеклетке (ооциту). Она содержит и передает следующему поколению около ста тысяч митохондрий, А вот сперматозоиды обычно содержат менее 100 митохондрий. Кровяные клетки и клетки кожи содержат мало митохондрий или вообще лишены их. По грубым подсчетам, взрослый человек содержит 1 миллион миллиардов митохондрий, которые вместе составляют около 10 % веса его тела.

Митохондрии отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Внешняя мембрана гладкая и непрерывная, а внутренняя образует причудливые складки или трубочки (кристы). Митохондрии не остаются на одном и том же месте. Они могут перемещаться в пределах клетки туда, куда им нужно, и иногда довольно активно. Как и бактерии, они делятся надвое, и происходит это, насколько можно судить, независимо от других митохондрий. А еще они могут сливаться друг с другом, образуя обширные сети.

Впервые митохондрии — структуры, похожие на гранулы, палочки или волокна, — заметили еще в световой микроскоп. Их происхождение тут же стало предметом споров. Одним из первых важность митохондрий осознал немецкий ученый Рихард Альтман. Он предположил, что эти мельчайшие гранулы являются основополагающими частицами жизни. В 1886 г. он назвал их биобластами. Ему представлялось, что биобласты — единственные живые компоненты клетки, а сама клетка — их укрепленное жилище, похожее на крепости людей железного века. Все остальное в клетке, в том числе плазматическую мембрану и ядро, биобласты построили для собственных нужд, а цитозоль (водянистая часть цитоплазмы) служит им резервуаром питательных веществ.

Идеи Альтмана не прижились, а его самого откровенно высмеивали. Нашлись и такие, кто утверждал, что биобласты всего-навсего плод его воображения, артефакты сложного процесса приготовления микроскопических препаратов. Дело осложнялось тем, что цитологи того времени были зачарованы величавым танцем хромосом во время деления клеток. Чтобы визуализировать этот танец, прозрачные компоненты клетки окрашивали специальными красителями. Хромосомы лучше всего окрашивались кислыми красителями, а они, к сожалению, обычно растворяли митохондрии. «Зацикленность» на ядре приводила к тому, что цитологи своими руками уничтожали все свидетельства существования митохондрий. Некоторые другие красители окрашивали митохондрии лишь на короткое время, а затем обесцвечивались. Такое поведение добавило скепсиса: что это за структуры, которые, на манер приведений, то появляются, то исчезают. Наконец, в 1897 г. Карл Бенда показал, что митохондрии — не иллюзия, а реальные клеточные структуры. Он определил их как «гранулы, палочки или филаменты в цитоплазме почти всех клеток <…> которые разрушаются под действием кислот или растворителей жира». Предложенный им термин «митохондрии» происходит от греческих слов mitos — нить и chondrion — зернышко. Это название выдержало испытание временем, но тогда было лишь одним из многих. В разные времена митохондрии величали более чем тридцатью восхитительно туманными прозваниями, такими как хондриосомы, хромидии, хондриоконты, эклектосомы, гистомеры, микросомы, пластосомы, полиоплазмы и вибриодены.

Итак, существование митохондрий перестали подвергать сомнению, однако их функция оставалась загадкой. Мало кто вслед за Альтманом считал их основополагающими элементами жизни. Как правило, им отводили гораздо более скромную роль. Одни считали митохондрии центрами синтеза белков или жиров, другие — вместилищем генов. Фактически митохондрии выдало мистическое обесцвечивание гистологических красителей. Краски исчезали из митохондрий в результате окисления — процесса, аналогичного окислению пищи при клеточном дыхании. В 1912 г. Бенджамин Фриман Кингсбери высказал предположение, что митохондрии могут быть респираторными центрами клетки. Его справедливость была подтверждена только в 1949 г., когда Юджин Кеннеди и Альберт Ленинджер показали, что дыхательные ферменты действительно локализуются в митохондриях.

Хотя идеи Альтмана о биобластах были отвергнуты, некоторые другие исследователи также высказывали мысли о том, что митохондрии — независимые структуры, симбионты, живущие в клетке ради общего блага. Симбиоз — это взаимоотношения, участники которых каким-то образом выигрывают от присутствия друг друга[6], а симбионтами называются партнеры по симбиозу. Классический пример — египетский бегунок, или крокодилов сторож (Pluvianus aegyptius). Эта птица выковыривает остатки пищи из зубов нильских крокодилов, получая в обмен за услуги по чистке зубов бесплатный обед[7]. Подобные взаимоотношения могут существовать на клеточном уровне, например бактерии могут жить в более крупных клетках в качестве эндосимбионтов. В начале XX в. разные исследователи отводили роль эндосимбионтов практически всем клеточным структурам, таким как ядро, митохондрии, хлоропласты и центриоли (клеточные структуры, организующие цитоскелет). Эти теории были основаны на внешнем виде и поведении соответствующих структур (например, их перемещении или независимом на вид делении) и поэтому в принципе не могли выйти за спекулятивные рамки. Более того, приверженцы этих идей часто боролись за научный приоритет или оказывались по разные стороны политических и языковых баррикад, что мешало им прийти к согласию. Как писал историк науки Ян Сапп в замечательной книге «Эволюция по ассоциации»: «Так разворачивается полная иронии история яростного индивидуализма тех, кто постулировал созидательную роль ассоциаций в эволюционных изменениях».

Ситуация подошла к критической точке после 1918 г., когда французский ученый Поль Портье опубликовал великолепно написанную книгу «Симбионты». Он утверждал (и трудно переоценить его смелость), что «все живые существа, все животные от амебы до человека, все растения от споровых до двудольных, образованы путем ассоциации, emboitement[8], двух разных существ. Каждая живая клетка содержит в своей протоплазме образования, которые гистологи называют митохондриями. Для меня эти органеллы не что иное, как симбиотические бактерии, которые я называю симбионтами».

Во Франции работа Портье снискала как восторженные похвалы, так и суровую критику, но в англоязычном мире она осталась практически незамеченной. Важно, однако, что это был первый случай, когда идея о симбиотическом происхождении митохондрий основывалась не на морфологическом сходстве между ними и бактериями, а на попытках культивировать митохондрии тем же способом, которым культивируют клетки. Портье утверждал, что ему это удалось, по крайней мере, с «прото-митохондриями», которые, как он объяснял, еще не полностью адаптировались к существованию внутри клеток. Его открытия были публично оспорены группой бактериологов из Института Пастера, которым не удалось их воспроизвести. К тому же стоило ему получить кафедру в Сорбонне, Портье забросил работу в этом направлении, и его труд был тихо предан забвению.

Несколько лет спустя, в 1925 г., американец Айвен Валлин независимо выдвинул свои собственные идеи о бактериальной природе митохондрий. Он утверждал, что тесные симбиотические связи были движущей силой происхождения новых видов. Валлин тоже пытался культивировать митохондрии и тоже верил, что ему это удалось. Однако и на этот раз интерес к его идеям увял после того, как другим не удалось воспроизвести его эксперименты. На этот раз симбиотическую теорию отвергали без прежнего яда, однако американский клеточный биолог Эдвард Б. Уилсон хорошо подытожил общее мнение в знаменитой фразе: «Многим, несомненно, эти спекуляции покажутся слишком фантастическими, чтобы их можно было упоминать в приличном биологическом обществе; тем не менее нельзя полностью исключать, что когда-нибудь их можно будет обсуждать в серьезном ключе».

«Когда-нибудь» наступило полвека спустя, и произошло это, как и подобает истории тесного симбиотического союза, в «лето любви». В июне 1967 г. Линн Маргулис подала в Journal of Theoretical Biology («Журнал теоретической биологии») знаменитую статью, в которой вдохнула новую жизнь в «забавные фантазии» прошлых поколений исследователей, облачив их в модные научные одежды. В ее распоряжении находился внушительный материал. К тому времени уже было доказано, что в митохондриях есть ДНК и РНК, а также был составлен список примеров «цитоплазматической наследственности» (то есть случаев, когда наследственные признаки не зависели от генов, находящихся в ядре). Маргулис тогда была замужем за астрономом Карлом Саганом и, возможно, поэтому подходила к вопросам эволюции жизни на Земле с поистине космическим размахом, привлекая к своим рассуждениям не только биологию, но и геологические данные об эволюции атмосферы, а также ископаемые свидетельства о бактериях и ранних эукариотах. Она полагалась на свои непревзойденные познания морфологии и химии микроорганизмов и использовала критерии систематики для доказательства правдоподобности гипотезы симбиоза. Тем не менее поначалу Маргулис не поняли. Ее основополагающую статью отклонили пятнадцать разных журналов, пока, наконец, ее не принял Джеймс Даниэлли, дальновидный редактор «Журнала теоретической биологии». После выхода статьи редакцию завалили просьбами об оттисках — за год пришло 800 запросов. Издательство Academic Press отказалось от публикации книги Маргулис «Происхождение эукариотических клеток», хотя она была написана по его заказу; в 1970 г. книгу опубликовало издательство Yale University Press. Впоследствии она стала одним из самых авторитетных биологических текстов столетия. Маргулис удалось выстроить настолько убедительную логическую цепь аргументов, что биологи теперь принимают ее некогда неортодоксальные взгляды за факт, во всяком случае, в том, что касается митохондрий и хлоропластов.

Яростные споры (не выплескивавшиеся, правда, за пределы узких научных кругов) не стихали на протяжении десяти лет после публикации книги. Они были абсолютно необходимы. Без них мы не могли бы быть уверены в справедливости окончательного решения. Все сошлись на том, что между митохондриями и бактериями действительно существуют параллели, но не все совпадали во мнении, что они означают. Бактериальная природа митохондриальных генов была очевидна: во-первых, они находятся на одной кольцевой хромосоме (у эукариот хромосомы линейные), во-вторых, они «голые», то есть лишены гистоновой «обертки». Кроме того, у бактерий и митохондрий сходным образом происходит транскрипция и трансляция. Процесс сборки белков у них тоже похож и во многих деталях отличается от этого процесса у эукариот. У митохондрий даже есть собственные рибосомы («фабрики» сборки белков), и выглядят они очень «бактериально». Действие многих антибиотиков на бактерии основано на блокировке сборки белков, и они же блокируют синтез белков в митохондриях, но не влияют на синтез белков, кодируемых ядерными генами эукариотической клетки.

Может показаться, что эти параллели между митохондриями и бактериями, взятые вместе, неопровержимо свидетельствуют об их родстве, но на самом деле можно предложить и ряд альтернативных объяснений, и именно из них проистекали упомянутые выше споры. В общем и целом, объяснить «бактериальные» признаки митохондрий можно, если считать, что скорость эволюции митохондрий ниже, чем скорость эволюции ядра. Если это так, то все просто: у митохондрий больше общего с бактериями просто потому, что они эволюционировали медленнее, чем ядро, и не успели зайти настолько далеко, как оно. У них тогда должны остаться атавистические признаки. Поскольку митохондриальные гены не рекомбинируются при половом процессе, это предположение выглядело допустимым, хотя и не слишком убедительны. Чтобы его опровергнуть, нужно было знать истинные темпы эволюции, а для этого требовалось провести секвенирование митохондриальных генов и сравнить их с ядерными генами. Только после того, как в 1981 г. группа ученых из Кембриджа под руководством Фредерика Сенгера[9] отсеквенировала митохондриальный геном человека, стало ясно, что митохондриальные гены, наоборот, эволюционируют быстрее, чем ядерные. Их атавистические свойства можно объяснить только прямым родством с бактериями; более того, было показано, что это родство с одной очень специфичной группой — с альфα-протеобактериями.

На наше счастье, даже провидица Маргулис не всегда была права. Как и первые сторонники теории симбиоза, она утверждала, что когда-нибудь нам удастся вырастить митохондрии в культуре, надо только подобрать подходящую среду. Теперь мы знаем, что это невозможно. Почему митохондрии не растут в культуре, тоже стало понятно после полного секвенирования митохондриального генома: митохондриальные гены кодируют лишь несколько белков (если быть точным, 13), а также весь генетический аппарат, необходимый для их синтеза. Подавляющая часть митохондриальных белков (около 800) кодируются ядерными генами, а их в общей сложности от 30 000 до 40 000. Таким образом, независимость митохондрий мнимая. То, что они полагаются на оба генома (митохондриальный и ядерный), очевидно уже из того, что некоторые их белки состоят из нескольких субъединиц, часть которых кодируется митохондриальными генами, а часть — ядерными. Именно поэтому митохондрии можно культивировать только внутри клеток. По этой же причине их вполне корректно называть «органеллами», а не симбионтами. Тем не менее слово «органелла» не дает никакого представления ни об их поразительном прошлом, ни об огромном влиянии, которое они оказали на эволюцию жизни.

Многие современные биологи расходятся с Линн Маргулис еще в одном, а именно в воззрениях на эволюционные возможности симбиоза в целом. Маргулис считала эукариотическую клетку продуктом слияния нескольких партнеров по симбиозу, в разной степени интегрированных в общее целое. Ее «теория серийного эндосимбиоза» предполагала, что эукариотические клетки произошли за счет последовательных слияний независимых клеток. Маргулис утверждала, что от бактерий произошли не только хлоропласты и митохондрии, но и клеточный скелет с его организующими центрами — центриолями, только он произошел от другого типа бактерий — спирохет. Собственно говоря, Маргулис считала весь органический мир микрокосмом — плодом совместной деятельности бактерий. Истоки этой идеи можно найти у Дарвина, который высказал ее в знаменитой фразе: «Каждое живое существо является микрокосмом — маленькой вселенной, состоящей из самостоятельно размножающихся организмов, невообразимо маленьких и таких же многочисленных, как звезды на небе».

Микрокосм — красивая и воодушевляющая гипотеза, но с ней есть несколько сложностей. Сотрудничество вовсе не исключает соперничества. Кооперация между разными бактериями просто поднимает планку конкуренции, только теперь конкурируют более сложные организмы, а не их кооперирующие субъединицы. При этом, как выясняется, многие из этих субъединиц, включая митохондрии, вовсе не отказались от собственных корыстных интересов. Но самую большую теоретическую сложность представляют собой сами митохондрии. Они, так сказать, грозят пальчиком, предостерегая нас от далеко идущих выводов о силе микроскопического сотрудничества. По-видимому, все эукариотические клетки либо имеют митохондрии, либо когда-то имели, а затем утратили их. Иными словами, митохондрии — sine qua non[10] существования эукариотических организмов.

С какой бы стати? Если взаимодействие между бактериями — обычное дело, то должны были бы появиться самые разнообразные «эукариотические» клетки, каждая со своим набором кооперирующих микроорганизмов. Конечно, есть множество примеров симбиоза бактерий и эукариот. Они особенно часто встречаются в «необычных» микроскопических сообществах, например среди обитателей морских донных осадков. Поражает другое. Все эукариоты, включая самые экзотические, имеют общее происхождение, и у всех у них есть (или когда-то были) митохондрии. Иными словами, все иные случаи симбиоза на уровне клетки завязаны на существование митохондрий. Не случись изначального слияния с митохондриями, никаких других просто не было бы. Мы можем утверждать это почти наверняка, ведь бактерии сотрудничают и соперничают друг с другом уже почти четыре миллиарда лет, а эукариотическую клетку они породили лишь однажды. Приобретение митохондрий было переломным моментом в истории жизни.

В поле зрения ученых то и дело попадают новые местообитания, в которых обнаруживаются новые взаимоотношения между организмами. Они служат удобным полигоном для проверки научных гипотез. Приведу лишь такой пример: одним из самых удивительных открытий на рубеже тысячелетий было обнаружение в микропланктоне экстремальных местообитаний обилия мельчайших эукариотических организмов — пикоэукариот. Они обитают и на дне антарктических морей, и в сильно закисленных, богатых железом реках (одна из таких рек — Рио Тинто на юге Испании; из-за темно-красного цвета воды финикийцы называли ее «огненной рекой»). Раньше такие места считались вотчиной экстремофильных бактерий, и никому даже в голову не приходило искать там нежных эукариот. Пикоэукариоты сравнимы с бактериями по размеру и живут в сходных местообитаниях, поэтому они тут же вызвали большой интерес как возможные переходные формы между бактериями и эукариотами. Тем не менее, несмотря на маленький размер и любовь к экстриму, они прекрасно уложились в существующую классификацию эукариот. Как ни поразительно, генетический анализ показал, что все эти разнообразнейшие вариации на эукариотическую тему относятся к группам, известным нам уже много лет.

Именно в таких экстремальных местообитаниях можно было бы ожидать уникальных случаев симбиоза, но их там нет. Вместо этого мы видим все то же самое, что и в других местах. Возьмем, например, самую маленькую эукариотическую клетку — Ostreococcus tauri. Ее диаметр — меньше тысячной доли миллиметра (1 микрометра), что меньше, чем у большинства бактерий, и тем не менее это полноценный эукариотический организм. У нее есть ядро с 14 линейными хромосомами, один хлоропласт и, что самое удивительное, несколько мелких митохондрий. И она не одна такая. Из экстремальных местообитаний этого неожиданно открывшегося «рога изобилия» выделили примерно двадцать или тридцать новых подгрупп эукариот. Судя по всему, несмотря на маленький размер, необычный образ жизни и суровые условия окружающей среды, у всех у них есть или когда-то были митохондрии.

Что же это означает? Это означает, что митохондрии — не просто один из возможных партнеров по симбиозу. Они хранители ключей к эволюции сложности. Эта книга о том, что митохондрии сделали для нас. Я не буду останавливаться на «второстепенных подробностях», таких как синтез порфиринов или даже цикла Кребса, о них можно прочитать в учебниках. Подобные процессы могли бы протекать где угодно в клетке, и то, что они обосновались в митохондриях, — простая случайность. Лучше мы посмотрим, почему митохондрии так важны для жизни, в том числе нашей с вами. В этой книге мы увидим, почему митохондрии являются тайными правителями мира, повелителями силы, секса и самоубийства.

Часть 1

«Многообещающие монстры»

Происхождение эукариотической клетки

Все настоящие многоклеточные организмы состоят из эукариотических клеток, то есть клеток, у которых есть ядро. Их происхождение окутано тайной. Возможно, это было самое маловероятное событие за всю историю жизни на Земле. Решающим моментом, однако, было не появление ядра, а объединение двух клеток, одна из которых дала начало митохондриям. Но захват одной клетки другой — обычное явление. Почему же «эукариотическое» слияние произошло только один раз?

Первый эукариотический организм — два миллиарда лет назад одна клетка захватила другую, породив удивительную химеру

Одиноки ли мы во Вселенной? С тех пор как Коперник показал, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца, наука постепенно уводит нас от глубоко внедрившегося представления о том, что человек — центр Вселенной, к пониманию того, что наша планета — всего лишь скромное и малозначительное поселение. С точки зрения статистики существование жизни где-нибудь еще во Вселенной представляется весьма вероятным, но с той же точки зрения эта другая жизнь, если она есть, находится так далеко, что ее существование лишено для нас всякого смысла. Шансы на встречу с инопланетянами стремятся к нулю.

В последние десятилетия эту проблему стали рассматривать в новом ключе. Поворотный момент совпал с повышением научной «респектабельности» исследований, затрагивающих происхождение жизни. Когда-то это была запретная тема — безбожная для одних, антинаучная и бездоказательная для других. Теперь же она обернулась решаемой научной загадкой, к которой подбираются с двух концов — прошлого и будущего. С одной стороны, астрономы и геологи двигаются от начала времен к настоящему. Они пытаются понять, какие же условия жизни на ранней Земле — в самом отдаленном прошлом и впоследствии — могли привести к возникновению жизни. В поле их внимания попадают самые разные явления — от столкновений Земли с астероидами, вызывавшими испарение воды, и адской мощи огня вулканов до особенностей химии неорганических молекул и способности материи к самоорганизации. Молекулярные биологи идут с другой стороны. Они начинают с настоящего и погружаются в глубь времен, сравнивая полные нуклеотидные последовательности геномов микроорганизмов в попытке реконструировать древо жизни до самых корней. Хотя споры о том, когда и как именно возникла жизнь на Земле, не утихают, сам факт возникновения жизни больше не кажется таким уж невероятным, и произошло это гораздо быстрее, чем мы думали раньше. Согласно оценкам «молекулярных часов», возникновение жизни как-то подозрительно точно совпадает по времени с периодом мощной метеоритной бомбардировки 4000 миллионов лет назад, благодаря которой возникли кратеры Луны и Земли. Если это действительно произошло так быстро в нашем побитом метеоритами клокочущем котле, то почему бы подобному не произойти и в других местах?

Эта картина — возникновение жизни на фоне адского пейзажа древней Земли — не кажется неправдоподобной благодаря удивительной способности современных бактерий процветать или, по крайней мере, выживать в крайне неблагоприятных условиях. В конце 1970-х гг. научный мир был потрясен открытием бактериальных колоний, чувствующих себя вполне бодро под огромным давлением и опаляющими температурами серных гидротермальных источников на дне океанов (так называемых «черных курильщиков»[11]). Одним ударом была поколеблена самодовольная уверенность в том, что жизнь на Земле обязана своим существованием энергии Солнца, которую бактерии, водоросли и высшие растения превращают в органические соединения путем фотосинтеза. С тех пор было сделано еще несколько революционных открытий, потрясших устои наших представлений об эволюции жизни. Оказалось, что в горных породах земной коры, на глубине нескольких километров (в так называемой глубинной горячей биосфере[12]) обитают в огромном количестве некоторые автотрофные[13] бактерии. Кое-как перебиваясь на минералах, они растут так медленно, что смена поколений может занять миллион лет, но при этом они, несомненно, живые, а не мертвые и не оцепеневшие. По некоторым оценкам, их биомасса сравнима с общей бактериальной биомассой всего освещенного Солнцем мира. Некоторые бактерии переносят огромные, калечащие гены, дозы радиации в безвоздушном пространстве и прекрасно чувствуют себя на атомных электростанциях или в стерилизованных мясных консервах. Другие обитают в сухих долинах Антарктики, миллионы лет хранятся в вечной мерзлоте Сибири, переносят щелочные озера и кислотные ванны, вода которых растворяет резиновые сапоги. Трудно представить, что столь выносливые бактерии не смогли бы выжить на Марсе, если бы их туда занесли, или не смогли бы отправиться «автостопом» на кометах по открытому космосу. А если они могут жить в таких условиях, то почему они не могли там возникнуть? После того как за дело взялись пиарщики из НАСА[14], всегда готовые прочесывать космос на предмет признаков жизни, эти замечательные способности бактерий привели к зарождению и развитию новой науки — астробиологии.

Глядя на успех жизни в неблагоприятных условиях, некоторые астробиологи поддаются искушению рассматривать появление живых организмов как следствие универсальных законов физики. Создается впечатление, что эти законы благоприятствуют эволюции жизни в нашей Вселенной. Будь физические константы хоть чуть-чуть другими, звезды не образовались бы или давно сгорели бы, или солнечные лучи были бы лишены своей живительной силы. Возможно, мы живем в мультиверсуме — сообществе вселенных, в каждой из которых действуют свои константы, а наша Вселенная, по определению Мартина Риса[15], биофильна. Она одна из немногих вселенных, в которых фундаментальные константы благоприятствуют жизни. А быть может, благодаря некоему пока неоткрытому свойству элементарных частиц или умопомрачительной случайности или мановению руки Творца, нам повезло и наша Вселенная, пусть и единственная, благоприятствует жизни. Как бы то ни было, искра жизни в ней имеет шанс разгореться. Некоторые философы заходят еще дальше и рассматривают появление в процессе эволюции человечества и особенно человеческого сознания как неизбежный результат общих законов природы, то есть тонкой настройки фундаментальных физических констант. По сути, это современный вариант «заводной вселенной» Лейбница и Ньютона, взгляды которых пародировал Вольтер, вложив в уста доктора Панглосса фразу «Все к лучшему в этом лучшем из миров»[16]. Некоторые интересующиеся биологией физики и астрономы находят духовное величие в мысли о том, что Вселенная — повитуха разума. Подобные прозрения сокровенной сути природы представляются возможностью проникнуть в намерения Бога.

Большинство биологов более осторожны, а может, менее религиозны. В эволюционной биологии можно найти больше предостерегающих примеров, чем в любой другой науке. Беспорядочные метания жизни, когда одни группы организмов без видимой причины взлетают к вершинам эволюционного успеха, а целые типы вымирают без следа, больше обязаны историческим случайностям, чем физическим законам. В своей знаменитой книге «Живительная жизнь» Стивен Джей Гулд[17] задается вопросом, что было бы, если бы эволюционный фильм прокручивался снова и снова с самого начала. Повторялась ли бы история, вела бы она каждый раз к эволюционной вершине человечества, или всякий раз получался бы новый, странный, экзотический мир? (В последнем случае, разумеется, мы не могли бы его оценить, так как «нас» не было бы.) Гулда критиковали за то, что он уделял недостаточно внимания конвергентной эволюции — тенденции неродственных организмов формировать структуры, сходные морфологически и функционально. Так, например, все летающие организмы имеют крылья, все видящие организмы имеют глаза. Страстную и убедительную критику теории Гулда мы находим в книге Саймона Конвей-Морриса «Решение жизни». Забавно, что Саймон Конвей-Моррис является одним из героев «Живительной жизни» Гулда, но реальный Конвей-Моррис не согласен с далеко идущим выводом этой книги. Прокрутите ленту эволюции назад, говорит он, и вы увидите, как поток жизни снова и снова устремляется в те же русла. Это связано с тем, что число возможных инженерных решений одной и той же проблемы ограничено, и естественный отбор будет подталкивать жизнь к одним и тем же решениям, какими бы они ни были. Споры на эту тему, по сути, сводятся к тому, что важнее — случайность или конвергенция. В какой мере эволюция подчиняется случаю, а в какой — необходимости? Гулд считает все игрой случая, а Конвей-Моррис ставит совсем другие вопросы — например, всегда ли обладающее разумом двуногое существо имело бы на руке пять пальцев, один из которых противопоставлен другим?

Поднятый Конвей-Моррисом вопрос конвергенции важен для понимания эволюции разума как здесь у нас, так и в любой другой точке Вселенной. Было бы досадно осознать, что никакие формы высшего разума не возникли больше нигде. Почему? Потому что самые разные организмы должны — за счет конвергенции — приходить к разуму как к удачному решению общих проблем. Разум — удобное эволюционное приобретение, он открывает новые экологические ниши тем, у кого хватает ума их занять. Не стоит думать в этом ключе только о человеке; некоторая степень разумности, а также, на мой взгляд, самосознания, широко встречается у животных, от дельфинов до медведей и горилл. Люди очень быстро заняли самую «высокую» нишу, чему, несомненно, способствовало несколько случайных факторов, но кто может сказать, что медведи — те самые, которые сейчас так ловко таскают еду из мусорных баков, — не могли бы достичь сходного уровня разумности, будь в их распоряжении свободная ниша и несколько десятков миллионов лет? Или, скажем, гигантские кальмары — величественные и умные обитатели морских глубин? Возможно, подъем Homo sapiens, а не какой-нибудь другой вымершей линии рода Homo, был обусловлен обстоятельствами, по большому счету, случаем, но сила конвергенции всегда бы подталкивала кого-нибудь занять эту нишу Да, мы гордые обладатели уникально развитого интеллекта, но в эволюции разума как такового ничего невозможного нет. Высокий уровень интеллекта мог бы снова появиться на Земле, а мог бы, по тем же причинам, в какой-нибудь другой точке Вселенной. Жизнь будет снова и снова искать и находить самые удачные решения. В этом и есть суть конвергенции.

Сила конвергенции хорошо видна на примере таких «полезных навыков», как полет и зрение, которые неоднократно появлялись в процессе эволюции. Конвергенция вовсе не означает, что такие вещи неизбежны, но она коренным образом меняет наше представление о вероятности их появления. Несмотря на очевидную сложность инженерных решений, полет независимо возникал по меньшей мере четыре раза — у насекомых, птерозавров (например, птеродактилей), птиц и летучих мышей. В каждом из этих случаев неродственные организмы приобрели довольно сходное крыло, выполняющее роль несущей поверхности (это же инженерное решение люди использовали в самолетах). То же самое и со зрением. Глаз возникал независимо по меньшей мере сорок раз по ограниченному набору «технических заданий». Назовем для примера глаза со светопреломляющим аппаратом (например, у млекопитающих и головоногих) или сложные фасеточные глаза (например, у насекомых и трилобитов). А мы изобрели фотоаппараты, которые работают по сходным принципам. Эхолокация как способ ориентации в пространстве появилась независимо у дельфинов и летучих мышей, а люди разработали звуковые эхолокаторы прежде, чем поняли, что эти животные ориентируются именно так. Их навигационные системы удивительно сложны и тонко приспособлены к их потребностям, но тот факт, что они возникали независимо, наводит на мысль, что шансы на возникновение были довольно велики.

Если так, то конвергенция важнее вероятности, а необходимость торжествует над случаем. Ричард Докинз в книге «Рассказ предка» приходит к такому выводу: «Меня привлекает мнение Конвей-Морриса о том, что не надо больше относиться к конвергентной эволюции как к колоритной диковине, при виде которой надлежит восхититься и сделать мысленную отметку. Возможно, нам стоит считать ее нормой и удивляться при виде исключений». Так что если снова и снова прокручивать ленту жизни, может быть, мы — такие, какие мы есть, — и не увидим результата, но, скорее всего, какие-нибудь разумные двуногие будут зачарованно следить за полетом каких-нибудь крылатых существ и размышлять о смысле существования.

Если происхождение жизни в горниле древней Земли не так маловероятно, как когда-то полагали ученые (подробнее об этом во второй части книги), а большинство главных эволюционных приобретений возникали неоднократно, то резонно предположить, что разумные существа возникнут где-нибудь в другом месте нашей Вселенной. Резонно-то резонно, но лично меня все равно грызут сомнения. Все пышное многообразие жизни у нас на Земле возникло за последние 600 миллионов лет, то есть примерно за шестую часть общего времени ее существования. До того не было ничего, кроме бактерий и нескольких примитивных эукариот. Означает ли это, что нечто тормозило эволюцию, что было какое-то другое случайное обстоятельство, которое нужно было преодолеть, чтобы жизнь могла набрать полный ход?

Наиболее очевидный вариант такого тормоза в мире, где преобладают одноклеточные организмы, — это сложности, связанные с эволюцией крупного многоклеточного существа, клетки которого сотрудничают друг с другом, чтобы функционировать как единый организм. Но если подойти и к этому вопросу с мерилом воспроизводимости, то препятствия на пути к многоклеточности не покажутся непреодолимыми. Многоклеточные организмы, вероятно, возникали несколько (возможно, довольно много) раз. Увеличение размеров, несомненно, происходило независимо у животных и растений, а возможно, и у грибов. Сходным образом, многоклеточные колонии, возможно, неоднократно возникали у водорослей. Красные, бурые и зеленые водоросли — древние линии жизни, разошедшиеся более миллиарда лет назад, когда преобладали одноклеточные. Никакие черты организации или генетического родства не говорят о том, что многоклеточность возникала у них лишь однажды. На самом деле многие из них настолько просты, что их правильнее считать большими колониями похожих клеток, а не истинными многоклеточными организмами.

На самом базовом уровне многоклеточная колония — это просто группа клеток, которые поделились, но не разошлись. Разница между колонией и настоящим многоклеточным организмом заключается в степени специализации (дифференциации) генетически идентичных клеток. У нас, например, клетки мозга и клетки печени имеют одни и те же гены, но выполняют разные функции, «включая» и «выключая» определенные гены по мере необходимости. В этом и заключается суть специализации. Некоторый уровень дифференциации клеток есть даже у относительно простых колоний, в том числе бактериальных. На самом деле граница между колонией и многоклеточным организмом довольно туманна, и некоторые специалисты утверждают, что ряд бактериальных колоний следует считать многоклеточными организмами (хотя большинство людей назвали бы их просто слизью). Важно то, что возникновение многоклеточности, по-видимому, не было серьезным препятствием к эволюции замысловатых жизненных форм. Если эволюция завязла, то не потому, что не могла заставить клетки сотрудничать.

В первой части книги я покажу, что за всю историю жизни действительно маловероятным было только одно событие. Именно оно является причиной долгой задержки, предшествовавшей расцвету жизни. Если снова и снова прокручивать ленту жизни, то мне кажется, что она каждый раз застревала бы в одной и той же точке. Наша планета кишела бы бактериями, и только. Переломным событием стало возникновение эукариотической клетки — сложной клетки, обладающей ядром. Может показаться, что такой эзотерический термин, как «эукариотическая клетка», — это не ответ, а увертка, но факт остается фактом — все истинные многоклеточные организмы, включая нас с вами, состоят только из эукариотических клеток. Все растения, животные, грибы и водоросли — эукариоты. Большинство ученых сходится в том, что эукариоты возникли лишь однажды. Несомненно, что все ныне известные эукариотические организмы родственны, то есть у них был общий генетический предок. Если снова приложить правила вероятности, то происхождение эукариотических клеток выглядит гораздо менее вероятным, чем возникновение многоклеточности, полета, зрения и разума. Оно выглядит как истинная случайность, непредсказуемая, как удар астероида.

При чем тут митохондрии, спросите вы. А при том, что все эукариоты либо имеют митохондрии, либо когда-то имели их. До недавнего времени митохондрии считались малосущественным фактом эволюции эукариот, мелким конструкторским улучшением, а не технологическим прорывом. По-настоящему важным считалось появление «истинного» ядра, по которому эукариоты и получили свое название. Теперь картина эволюции рассматривается по-другому. Последние исследования показывают, что приобретение митохондрий означало нечто большее, чем подключение к надежному источнику энергии уже сформировавшейся сложной клетки с ядром, полным генов. Нет, именно это событие, и только оно, сделало возникновение сложной клетки возможным. Если бы не союз с митохондриями, на свете не было бы ни нас, ни какой-либо другой разумной или даже многоклеточной жизни. И потому философская проблема случайности сводится к сугубо практическому вопросу: а как же возникли митохондрии?

1. Эволюционная пропасть

Пропасть между бактериями и эукариотами больше, чем любое другое биологическое различие. Даже если мы неохотно признаем бактериальные колонии истинными многоклеточными организмами, это не изменит того факта, что уровень их организации крайне низок. Вряд ли дело в недостатке времени или возможностей. Бактерии доминировали на Земле два миллиарда лет, заселив за это время все мыслимые места обитания (а также несколько немыслимых). С точки зрения биомассы они перевешивают все многоклеточные организмы вместе взятые. Тем не менее по какой-то причине бактерии так и не стали настоящими многоклеточными организмами, то есть такими, многоклеточность которых без колебаний признал бы каждый. Эукариотические клетки появились гораздо позже (по крайней мере, согласно традиционной точке зрения), но за какие-то несколько сотен миллионов лет — куда меньший промежуток времени, чем тот, что был в распоряжении бактерий, — дали начало великому всплеску жизни, которая сегодня нас окружает.

Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв[18] давно интересовался возникновением и эволюцией жизни. В мудрой книге-завещании Life Evolving («Эволюцирующая жизнь») он предположил, что происхождение эукариот было связано не с каким-то маловероятным событием, а с эффектом «бутылочного горлышка» (bottleneck), иными словами, почти неизбежным следствием относительно внезапных изменений условий окружающей среды, а именно повышения содержания кислорода в атмосфере и мировом океане. Одна форма протоэукариот случайно оказалась лучше приспособлена к этим изменениям и, быстро пройдя через «бутылочное горлышко», обратила новые условия себе на пользу. Эта форма стала процветать, а хуже адаптированные формы вымерли, что и дало обманчивое впечатление случайности. Вероятность этого варианта зависит от того, в какой именно последовательности происходили эволюционные события и какое именно давление отбора испытывали организмы. Конечно, какое именно давление отбора испытывали организмы два миллиарда лет назад, мы никогда не сможем знать наверняка. Тем не менее, как я уже говорил во введении, с помощью современных молекулярно-биологических исследований вполне возможно исключить некоторые варианты, и тогда в нашем распоряжении останется значительно менее пространный список того, что действительно могло иметь место.

Я безмерно уважаю де Дюва, но его теория «бутылочного горлышка» не кажется мне убедительной. Она слишком абстрактна, ей не хватает конкретности. Против нее свидетельствует само бесконечное разнообразие жизни, в которой находится место практически всему. Не может быть, чтобы весь мир изменился в одночасье; наверняка в нем сохранялось множество разнообразных ниш. Важнее всего, наверное, следующий аргумент: бескислородные (аноксические) местообитания, а также местообитания, в которых кислород присутствует в небольшом количестве (гипоксические местообитания), никуда не делись и по сей день. Выживание в таких местообитаниях требует совершенно иных биохимических «навыков», чем жизнь в избытке кислорода. Тот факт, что некоторые эукариоты существовали уже тогда, не должен был помешать эволюции «других» эукариот, например в застойном иле на дне океанов. Тем не менее этого не произошло. Невероятно, но одноклеточные эукариоты, живущие в бескислородных местообитаниях, — родственники организмов, живущих на «свежем воздухе». На мой взгляд, исключительно маловероятно, что первые эукариоты были настолько эволюционно успешны, что вытеснили своих конкурентов отовсюду, в том числе из местообитаний, в которых они сами жить не могли. В конце концов, не вытеснили же они бактерии. Они заняли место рядом с ними, открыли для себя новые экологические ниши и заселили их. На мой взгляд, параллелей нет и на других уровнях. И если эукариоты стали виртуозами кислородного дыхания, это не значит, что оно исчезло у бактерий. Разнообразные бактерии существуют миллиарды лет, несмотря на постоянную беспощадную конкуренцию за одни те же ресурсы.

Давайте рассмотрим один конкретный пример — метаногены. Эти прокариоты[19] сводят концы с концами, продуцируя метан из водорода и углекислого газа. Остановимся на этом примере чуть подробнее, так как метаногены еще понадобятся нам в дальнейшем. Так вот, для метаногенов проблема заключается в том, что хотя углекислого газа хоть пруд пруди, с водородом дела обстоят иначе. Он быстро вступает в реакцию с кислородом, образуя воду, и поэтому в богатых кислородом местообитаниях долго не живет. Поэтому метаногены выживают только там, где у них есть доступ к водороду. Обычно это местообитания, где кислорода нет совсем, или где постоянная вулканическая деятельность пополняет запасы водорода быстрее, чем он используется. Однако метаногены не единственные бактерии, которые используют водород. Более того, они делают это не слишком-то эффективно. Еще одни бактерии — сульфатвосстанавливающие бактерии — живут за счет того, что преобразуют (или восстанавливают) сульфат, превращая его в сероводород — газ с характерным запахом тухлых яиц (а если точнее, то, конечно, тухлые яйца пахнут сероводородом). Для этого они тоже могут использовать водород и обычно опережают метаногенов в соперничестве за его скудные ресурсы. Несмотря на это, метаногены существуют уже три миллиарда лет в разнообразных экологических нишах, где сульфатвосстанавливающим бактериям по разным причинам делать нечего (обычно потому, что там нет сульфата). Например, они не могут существовать в бедных сульфатом пресноводных озерах, и метаногены процветают в иле на дне таких озер, а также в болотах. Не случайно испускаемый ими метан также называют болотным газом. Иногда он вспыхивает и загадочным синим пламенем пляшет над болотом; это явление, известное как блуждающие огоньки, объясняет многие случаи встреч с духами и летающими тарелками. Но результаты деятельности метаногенов далеко не столь эфемерны, как блуждающие огоньки. Сторонники перехода с нефти на газ могут поблагодарить метаногенов, ведь именно они создали практически весь запас природного газа. Метаногены также встречаются в кишечнике скота и даже людей, так как в кишках крайне мало кислорода. Особенно хорошо метаногенам живется в организме вегетарианцев, так как трава и растительность вообще бедна соединениями серы. Мясо гораздо богаче серой, и у плотоядных животных метаногенов, как правило, замещают сульфатвосстанавливающие бактерии. Измените рацион, и разница даст о себе знать, хотя в приличном обществе вам об этом не скажут.

Я завел разговор о метаногенах в доказательство того, что они, не проскочив первыми через «бутылочное горлышко», все же выжили в определенных местообитаниях. Вообще, редко бывает, что проигравшие полностью исчезают с лица Земли, а опоздавшим не достается хотя бы клочка земли. Более раннее возникновение полета у птиц не помешало появлению активного полета у рукокрылых, которые стали вторым по числу видов отрядом млекопитающих. Водоросли не исчезли с приходом растений, сосудистые растения не вытеснили мхи. Даже массовые вымирания редко приводят к исчезновению целых классов организмов. Пусть динозавры вымерли, но рептилии все еще среди нас, несмотря на жесткую конкуренцию со стороны птиц и млекопитающих. Мне кажется, что единственное в эволюции «горлышко бутылки», сравнимое по масштабу с возникновением эукариотической клетки по де Дюву, — это происхождение самой жизни. Возможно, она возникла лишь однажды, а может быть, несколько раз, но осталась только одна форма (то есть она тоже прошла через бутылочное горлышко). Возможно… но это плохой пример, потому что это просто-напросто неизвестно. Наверняка можно сказать лишь одно — все современные формы жизни произошли от одного прародителя. Кстати говоря, становится сомнительной гипотеза о том, что нашу планету заселяли, волна за волной, пришельцы из космоса. Подобный взгляд, у которого есть свои приверженцы, несовместим с глубинным биохимическим родством всех известных форм земной жизни.

Если происхождение эукариотической клетки и не было связано с эффектом бутылочного горлышка, то оно, скорее всего, было крайне маловероятным событием. Может быть, будучи сам многоклеточным эукариотом, я сужу предвзято, но я не верю, что бактерии когда-либо поднимутся к вершинам сознания или вообще продвинутся дальше слизи, здесь или где бы то ни было во Вселенной. Нет, секрет сложной жизни заключается в химерной природе эукариотической клетки — «многообещающего монстра», родившегося 2000 миллионов лет назад. Это событие впечатано в основы нашей организации и по сей день определяет нашу жизнь.

Гипотезу «многообещающих монстров»[20] выдвинул Рихард Гольдшмитд в 1940 г. (в том же году Освальд Эвери показал, что гены состоят из ДНК). С тех пор одни поносят Гольдшмитда как фантазера, а другие превозносят как героического антидарвиниста. На самом деле он не заслуживает ни того ни другого клейма, так как его теория не является ни невозможной, ни антидарвинистской. Гольдшмитд утверждал, что постепенное накопление мелких генетических изменений — мутаций — играет важную роль, но объясняет только внутривидовую изменчивость, а не происхождение новых видов. Он полагал, что генетические различия между видами не могли возникнуть за счет последовательных мелких мутаций. Для этого требовались «макромутации» — громадные скачки через «генетическое пространство», то есть через пропасть между двумя разными генетическими последовательностями. При этом он отдавал отчет в том, что случайные макромутации — внезапные существенные изменения генетической последовательности — должны в большинстве случаев порождать нежизнеспособных уродов. Потому-то он и окрестил предполагаемую жизнеспособную форму, появляющуюся, возможно, один раз на миллион макромутаций, «многообещающим монстром», понимая под этим удачный исход большого и неожиданного генетического изменения. «Многообещающий монстр» — это такой монстр, которого мог бы создать в лаборатории безумный гений после многих лет бесплодных усилий и сводящих с ума неудач. Теперь мы знаем, что виды не возникают за счет макромутаций (по крайней мере, виды многоклеточных животных; у бактерий, как утверждала Линн Маргулис, такое не исключено). Тем не менее мне кажется, что слияние двух геномов, которое привело к возникновению первой эукариотической клетки, гораздо логичнее считать результатом макромутации, давшей миру «многообещающего монстра», чем следствием мелких генетических шажков.

Так каким же монстром был первый эукариотический организм и почему его возникновение было столь маловероятным? Чтобы найти ответы на эти вопросы, мы должны подумать о природе эукариотических клеток и о том, чем они так сильно отличаются от бактерий. Я уже немного говорил об этом во введении, но теперь пришло время всерьез задуматься о масштабе различий и заглянуть в пропасть, разделяющую бактерий и эукариот.

Различия между бактериями и эукариотами

По сравнению с бактериями, большинство эукариотических клеток — великаны. Бактерии редко превышают несколько тысячных долей миллиметра (микронов) в длину. Напротив, хотя среди эукариот и встречаются малыши размером с бактерию (так называемые пикоэукариоты), большинство из них крупнее в десятки и сотни раз. Иными словами, объем клетки эукариот больше, чем у бактерий, в 10 000–100 000 раз.

Однако важен не только размер. Первостепенная черта эукариот, по которой они и получили свое греческое название, — это наличие «настоящего» ядра. Как правило, оно представляет собой сферическую плотную массу завернутой в белки ДНК, окруженную двойной мембраной. Вот вам уже три больших отличия от бактерий. Во-первых, у бактерий вообще нет ядра (или есть примитивное ядро, не окруженное мембраной). Поэтому бактерии и называют «прокариотами» (от греческого «до ядра»), В принципе не исключено, что ученые поторопились — есть мнение, что клетки с ядром ничуть не менее древние, чем без него. Однако большинство специалистов сходятся на том, что прокариотам вполне подходит их название, так как они действительно возникли раньше, чем клетки с ядром (эукариоты).

Второе большое различие между бактериями и эукариотами — размер их геномов (напомню, что геном — это совокупность генов). У бактерий обычно гораздо меньше ДНК, чем даже у самых простых одноклеточных эукариот, таких как дрожжи. Эту разницу можно выразить количественно либо через общее число генов (тогда разница составляет сотни или тысячи генов), либо через общее количество ДНК, так называемый C-уровень, который измеряется в «буквах» ДНК. Он включает не только гены, но и участки некодирующей ДНК — то есть те участки ДНК, которые не кодируют белки и поэтому не могут считаться «генами». Различия как в числе генов, так и в C-уровне говорят сами за себя. Одноклеточные эукариоты (например, дрожжи) имеют в несколько раз больше генов, чем большинство бактерий, а люди, наверное, раз в двадцать больше. Разница в общем количестве ДНК еще более значительна, так как эукариоты имеют гораздо больше некодирующей ДНК, чем бактерии. Общее количество ДНК у эукариот на пять порядков (!) выше, чем у бактерий. Геном крупной амебы Amoeba dubia более чем в 200 000 раз больше, чем геном мелкого эукариотического организма Encephalitozoon cuniculi. Столь широкий разброс не связан ни с общим числом генов, ни со сложностью организации. У Amoeba dubia в 200 раз больше ДНК, чем у человека, хотя генов у нее гораздо меньше, а устроена она (надеюсь, никто не станет спорить) значительно проще. Это странное явление получило название C-парадокса[21]. Имеет ли некодирующая ДНК какое-либо значение для эволюции, непонятно. Некоторое ее количество, несомненно, имеет такое значение, но эволюционная роль огромной ее части остается загадкой, и совершенно непонятно, зачем амебе столько ДНК (мы вернемся к этому в четвертой части книги). Тем не менее факт остается фактом (и требует объяснения): у эукариот обычно на несколько порядков больше ДНК, чем у прокариот. Это влечет за собой определенные затраты. Энергия, необходимая для копирования всей этой «лишней» ДНК и обеспечения точности копирования, влияет на скорость и условия деления клеток. Последствия этого мы обсудим чуть позже.

Третье существенное отличие касается упаковки и организации ДНК. Как я уже говорил во введении, большинство бактерий имеет одну замкнутую в кольцо хромосому. Она заякорена на клеточной стенке, но при этом свободно плавает по клетке, готовая к быстрой репликации. Бактерии также держат в карманах генетическую мелочь в виде плазмид — мелких колечек ДНК. Они реплицируются независимо, и одна бактерия может передавать их другой. Ежедневно обмениваясь плазмидами, бактерии как бы расплачиваются мелочью. Это объясняет, например, то, почему гены, отвечающие за устойчивость к определенному лекарству, могут так быстро распространиться в популяции бактерий — одна монета может побывать за день в двадцати разных карманах. Возвращаясь к их главному банку генов (кольцевой хромосоме): бактерии редко «заворачивают» основную хромосому в белки, их гены — «голые», а значит, легкодоступные — так сказать, текущий, а не сберегательный счет. Бактериальные гены, как правило, организованы в группы, которые служат сходной цели и выступают в качестве функциональных единиц (оперонов). Напротив, среди эукариотических генов порядка нет. Эукариотические клетки имеют довольно много отдельных линейных хромосом; обычно они двойные, то есть образуют пары эквивалентных хромосом (у человека, например, 23 пары хромосом). У эукариот гены расположены на этих хромосомах фактически случайным образом; хуже того, они часто разбиты на короткие участки, перемежаемые длинными участками некодирующей ДНК. Чтобы построить белок, часто приходится сначала считывать длинный отрезок, и только потом определенные последовательности вырезаются и соединяются вместе, так что получается осмысленная последовательность, кодирующая белок.

Эукариотические гены не только случайно расположены и разбиты на фрагменты, до них еще и не так просто добраться. Доступ к генам блокируют гистоны, в которые завернута хромосома. Если ДНК надо реплицировать во время деления клетки, или если гены надо скопировать во время изготовления матрицы для синтеза белков, конфигурация гистонов должна быть изменена так, чтобы ДНК стала доступной. Этот процесс контролируется белками, которые называются факторами транскрипции.

В целом геном эукариот устроен крайне сложно, и одни примечания к тому, что нам о нем известно, заполнили бы целую библиотеку. Еще один аспект его запутанной организации мы затронем в пятой части книги (это половой процесс, который у бактерий не встречается). Пока что, однако, нужно хорошо усвоить одну вещь — за всю эту сложность приходится расплачиваться энергетическими затратами. Если у бактерий все процессы, как правило, просты, эффективны и поставлены на поток, то эукариоты не ищут легких путей.

Много шкафов и один скелет

Эукариотические клетки очень отличаются от бактерий и за пределами ядра. Кто-то когда-то пошутил, что у эукариотических клеток внутри полно «всяких штучек» (рис. 2).