Сорок два радиотелескопа в горах на севере Калифорнии не спускают глаз с неба. Проект SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence, “поиск внеземного разума”) полвека – безуспешно – ловит сигналы от других цивилизаций. Даже подвижники уже не особенно надеются на успех. Впрочем, несколько лет назад, когда у SETI иссякли деньги, после обращения к публике средства были собраны и Антенная решетка Аллена вновь заработала. Мне кажется, в этом проекте воплощено неясное, тревожное чувство потерянности человека во Вселенной. Его работа наводит на мысли о хрупкости научного подхода как такового. Он дает нам иллюзию всеведения. Современные технологии настолько сложны, что почти уже неотличимы от научной фантастики. Тем прочнее укореняется наивная надежда, что мы не одни во Вселенной (ведь существа с других планет – частый атрибут жанра). Однако не стоит забывать, что эта надежда не имеет под собой научной основы.

Но даже если телескопы никогда не обнаружат жизнь вне нашей планеты, они не бесполезны. Может быть, вообще невозможно смотреть в эти телескопы неправильным образом и все способы верны, потому что настоящая их польза в другом. Что мы ищем в космосе? Найдутся ли где-нибудь разумные формы жизни, настолько похожие на нас, что они также будут пользоваться радиосвязью? Считаем ли мы, что основой живой материи обязательно должен быть углерод? Является ли вода необходимой составляющей жизни? А кислород? Эти вопросы на самом деле должны быть обращены не к инопланетной жизни, а к земной – почему она именно такая, какой мы ее видим. Но до биологов эти вопросы доходят, лишь отразившись от тарелок радиотелескопов. Проблема в том, что суть науки – это предсказания. Главные вопросы физики – почему физические законы таковы, какими мы их знаем, какие фундаментальные принципы определяют устройство Вселенной. В биологии нет законов, сопоставимых по предсказательным способностям с физическими. Даже эволюционная биология в этом отношении ужасающе неточна. Мы располагаем подробнейшими сведениями о молекулярных механизмах эволюции и об истории жизни на нашей планете. Но при этом мы не знаем, что в истории земной жизни – следствие случайности, а что, напротив, обусловлено физическими законами.

Нельзя сказать, что за эти проблемы никто не брался. На этом поле ведут игру крупнейшие ученые, в том числе нобелевские лауреаты, но, несмотря на остроту их ума и познания, им так и не удалось прийти к согласию. Сорок лет назад, в начале эры молекулярной биологии, французский биолог Жак Моно написал знаменитую книгу “Случайность и необходимость”, полную доводов в пользу того, что жизнь возникла благодаря редчайшему стечению обстоятельств и что мы, скорее всего, одиноки в мертвой Вселенной. Последние строки этой книги – близкий к поэзии сплав науки и метафизики:

Тогда же появились люди, которые придерживались противоположной точки зрения. Они считали, что происхождение жизни – это неизбежный результат космохимических процессов. Согласно этой гипотезе, жизнь способна зарождаться почти везде и довольно быстро. Но предположим, что на какой-нибудь планете начинает развиваться жизнь: к чему приведет это развитие? И на этот вопрос у нас нет четкого ответа. Может быть, разные пути развития жизни, подчиняясь физическим ограничениям, независимо приведут примерно к одним и тем же результатам. Так, гравитация вынуждает способных к полету существ быть легкими и обладать чем-то вроде крыльев. Еще более сильное заключение – что эволюция неизбежно должна привести к возникновению клеток: блоков, содержимое которых отделено от окружающей среды. Если такие закономерности универсальны, то инопланетная жизнь должна напоминать земную. С другой стороны, развитие жизни зависит и от случайности. Например, в результате глобальных катаклизмов наблюдается эффект “бутылочного горлышка”. Именно такой эффект проявился после падения метеорита, из-за которого вымерли динозавры. Мысленно пустим время вспять и перенесемся на полмиллиарда лет, в кембрийский период, когда в палеонтологической летописи появляются животные. Если позволить миру повторить свое развитие начиная с этого момента, будет ли он похож на наш? Кто знает! Возможно, в параллельной реальности Земля населена гигантскими сухопутными осьминогами.

Одна из причин направлять телескопы в космическое пространство состоит в том, что здесь, на Земле, мы имеем дело только с земными процессами. Мы располагаем единственным примером того, как может выглядеть жизнь, а значит, не можем предсказывать закономерности развития, опираясь на статистические данные. Мы не можем сказать, что именно определяло (если определяло) ход эволюции жизни, поскольку нам не с чем ее сравнить. Правда, если сказать об этом было бы совсем нечего, написание моей книги (как и многих других) потеряло бы смысл. Законы физики повсюду во Вселенной одни и те же. То же касается химических элементов и их свойств – и, значит, химические процессы также универсальны. У земной жизни много странных свойств, например половое размножение и старение. Если бы мы знали, каким образом химический состав и другие базовые свойства Вселенной влияют на ход событий, это заменило бы большую выборку: мы сумели бы указывать, исходя из базовых принципов, вероятность приобретения тех или иных свойств и, в конечном счете, смогли бы объяснить, почему жизнь такова, какой мы ее знаем. Впрочем, жизнь на Земле трудно счесть единственным примером: это бесконечное многообразие организмов, эволюционирующих в неограниченной временной перспективе. Но все же теория эволюции не способна объяснить, почему развитие жизни пошло именно этим путем. Я вовсе не хочу сказать, что теория эволюции неверна. Она верна, однако не обладает достаточной предсказательной силой. Идея этой книги следующая: есть действительно важные факторы, определяющие ход эволюции, и это – энергетические ограничения. Рассматривая жизнь с позиции этих ограничений, мы можем вывести из базовых принципов некоторые из ее фундаментальных свойств. Прежде чем перейти к рассмотрению этих ограничений, стоит обсудить, почему эволюционная биология обладает слабой предсказательной силой и почему мы долгое время едва ли замечали существование проблемы энергетических ограничений. Лишь в последние годы стало ясно (пока только тем, кто следит за развитием эволюционной биологии), что в центре биологической науки – ошеломительный пробел.

В этом состоянии дел мы можем винить ДНК. Забавно, что эра современной молекулярной биологии со всеми ее впечатляющими технологиями, по сути, началась с физики, точнее, с книги Эрвина Шредингера “Что такое жизнь?” (1944). Шредингер осветил два самых существенных момента. Во-первых, жизнь каким-то образом противостоит общей тенденции распада – повышению энтропии, предписываемого вторым началом термодинамики. Вторая очень важная идея Шредингера такова: жизнь смогла уклониться от этого закона благодаря генетическому материалу. Шредингер предугадал, что генетический материал представляет собой “апериодический кристалл”, структура которого не является строго повторяющейся и поэтому может функционировать как “код”. (Считается, что это первое употребление данного термина в биологической литературе.) Шредингер, подобно большинству биологов того времени, считал, что обсуждаемый квазикристалл должен представлять собой белок, однако Уотсон и Крик обнаружили, что ДНК подходит на эту роль куда лучше[4]. В 1953 году в своей второй статье в журнале “Нейчур” они указывали: “Таким образом, вероятно, определенная последовательность оснований является кодом, который содержит генетическую информацию”. Эта фраза – краеугольный камень современной биологии. Биология в нынешнем мире – это информация, геномные последовательности, хранящиеся в компьютерах, а жизнь – преобразования информации.

Изучение геномов открыло нам целый мир, чудесный и таинственный. Бесконечные строки кода (в случае нашего генома – 3 млрд символов) можно читать, как постмодернистский роман. Местами он представляет собой нарратив, перемежающийся повторами, стихами, пустыми страницами, потоком сознания, своеобразной пунктуацией. Лишь менее 2 % нашего генома кодирует белки. Несколько больше отведено под регуляторные механизмы. Рассуждение же о функциях остальной части генома может подвигнуть моих любезных коллег на нескончаемый спор, поэтому я не буду об этом говорить (кроме того, для нас это не так важно)[5]. Мы знаем, что геномы могут кодировать десятки тысяч генов и хранить информацию об огромном числе изощренных регуляторных механизмов, контролирующих такие сложные процессы, как превращение гусеницы в бабочку или взросление человека. Сравнительный анализ геномов животных, растений, грибов и одноклеточных амеб показывает, что процессы в этих организмах очень схожи. Несмотря на то, что их геномы чрезвычайно различаются по размеру и структуре, мы имеем дело с вариантами одних и тех же генов, регуляторных элементов, эгоистичных репликаторов (например вирусов) и одними и теми же участками некодирующих повторов. Геномы лука, пшеницы и амебы размерами превосходят наш и содержат больше генов. Размеры геномов амфибий, например лягушек и саламандр, могут отличаться друг от друга более чем на два порядка: геном некоторых видов саламандр больше нашего в 40 раз, а размер генома некоторых лягушек едва достигает трети размера генома человека. Если коротко описать наложенные на геном архитектурные ограничения, то получится: “Ничего невозможного”.

Это очень важно. Ведь если геном – это информация и не существует фундаментальных ограничений его структуры и размера, – значит, у закодированной в геноме информации ограничений также нет. Разумеется, это не означает, что на геном не наложены никакие ограничения. На него воздействует естественный отбор. В геноме происходит множество случайных процессов: генные, хромосомные и полногеномные дупликации, инверсии, делеции и встраивание паразитической ДНК. Во что все это выльется, зависит от многих факторов, например от экологической ниши организма, межвидовой конкуренции и размера популяции. Нам кажется, что влияние этих факторов нельзя предугадать, что они просто часть среды. Если бы все ее параметры были точно известны, то, может быть, мы смогли бы предсказать размер генома некоторых организмов. Но на деле мы сталкиваемся с бесконечным множеством видов, обитающих в бесконечно разнообразных условиях: внутри чужих клеток, в городах, в океанских глубинах под огромным давлением. Так что ограничения, наложенные на геном, лучше сформулировать так: “Возможно все”. Видимо, разнообразие геномов определяется разнообразием факторов среды. Структура геномов не позволяет увидеть будущее, но может рассказать о прошлом: с чем пришлось столкнуться организму за историю его развития.

Вернемся к иным мирам. Если основа жизни – это информация и она ничем не ограничена, то невозможно предсказать, как может быть устроена жизнь на другой планете – за исключением того, что она не должна противоречить законам физики. Стоит появиться некоему носителю наследственной информации (ДНК или нечто похожее), как на эволюцию перестают действовать информационные ограничения. И тогда определить ее путь становится невозможным: его будут определять условия среды, предшествующие случайные события и давление отбора. Но если мы вернемся с небес на Землю, то увидим, что это утверждение справедливо, когда мы говорим о невероятном разнообразии современных организмов, но не годится для большей части истории планеты. Судя по всему, существовали ограничения, которые невозможно сформулировать исходя из данных геномов, предшествующей истории и условий среды, но они миллиарды лет контролировали развитие жизни.

Нашей планете около четырех с половиной миллиардов (иначе говоря, 4500 млн) лет. В юности ей пришлось нелегко: не исполнилось ей и 700 млн лет, как она пережила Позднюю метеоритную бомбардировку (тогда Солнечная система приходила в себя после формирования). Земля испытала колоссальной силы столкновение с астрономическим объектом размером с Марс, в результате которого, вероятно, появилась Луна[6]. Земная кора непрерывно трансформируется из-за геологической активности, но нетронутая древняя поверхность Луны хранит свидетельства бомбардировки в виде кратеров. Это было выяснено по датировке осколков лунных скал, привезенных астронавтами проекта “Аполлон”.

Хотя на Земле нет горных пород сопоставимого возраста, есть и другие способы получить представление об условиях на древней Земле. Так, состав цирконов (крошечные, меньше песчинок, кристаллы силиката циркония, нередкие в горных породах) позволяет предположить, что океаны появились на Земле гораздо раньше, чем считалось. На основании датировки уран-свинцовым методом можно сказать, что некоторые из этих удивительно прочных кристаллов образовались 4,4–4 млрд лет назад, а затем в виде зерен вошли в состав осадочных пород. Кристаллы цирконов надежно сохраняют внутри химические вещества, которые попали туда еще на стадии формирования кристаллов, а значит, можно определить, в каких условиях это происходило. Химический состав древних цирконов указывает на то, что они образовались при относительно низких температурах и в присутствии воды. Не слишком похоже на одну из тех жутких картин вулканического ада, каким художники любят изображать гадейский период (катархей). Кристаллы циркона говорят обратное: это был относительно спокойный водный мир с редкими островами.

Результаты изучения цирконов не подтверждают и ту давнюю гипотезу, что атмосфера древней Земли была наполнена метаном, водородом и аммиаком и они, реагируя друг с другом, формировали органические молекулы. Некоторые редкоземельные элементы, например церий, представлены в составе цирконов в основном своей окисленной формой. Высокое содержание церия свидетельствует о том, что атмосфера в то время состояла главным образом из окисленных газов вулканического происхождения: диоксида углерода, водяного пара, азота и диоксида серы. Эта смесь по составу не отличалась от современной атмосферы – за исключением того, что в ней вплоть до возникновения фотосинтеза отсутствовал кислород. Реконструкция облика давно исчезнувшего мира опирается лишь на состав песчинок, но это гораздо лучше, чем совсем ничего. Это довод в пользу того, что древняя Земля была удивительно похожа на нынешнюю. Внезапное вмешательство астероида могло повлечь частичное испарение океанов, но вряд ли это могло сильно повредить бактериям, живущим в глубине (если, конечно, к тому времени они успели эволюционировать).

Самые ранние свидетельства жизни столь же эфемерны: едва различимые ее следы обнаружены в горных породах комплексов Исуа и Акилия (около 3,8 млрд лет) на юго-западе Гренландии (рис. 2). Эти следы представляют собой не окаменевшие организмы и даже не сложные молекулы организменного происхождения (биомаркеры). Это просто графит со смещенным соотношением типов углеродных атомов. Углерод состоит из двух стабильных типов атомов – изотопов, которые немного отличаются друг от друга по массе[7]. Ферменты (белки, катализирующие реакции в клетках) охотнее взаимодействуют с легким изотопом углерода ¹²С, поэтому именно он накапливается в живых организмах. Можно представить, что атомы углерода двух типов – это мячики для пинг-понга, которые немного отличаются по массе. Более легкие мячики ¹²С отскакивают чуть быстрее и поэтому имеют больше шансов столкнуться с ферментами и войти в состав органических веществ. Содержание тяжелого ¹³С в природном углероде составляет лишь 1,1 %. Этот изотоп хуже усваивается живыми организмами и поэтому накапливается в океанах и включается в карбонатные осадочные породы, например в известняк. Эти мелкие различия изотопного состава используются как диагностический признак для обнаружения следов жизни. Изотопному фракционированию в живых клетках подвергаются не только углерод, но и железо, азот и сера. В углистых включениях в Исуа и Акилии обнаружено смещение изотопных составов и этих элементов.

Каждый пункт этих исследований можно поставить под сомнение: от датировки горных пород до самого существования графитовых гранул, в которых видят следы жизни. Более того, выяснилось, что смещение изотопного состава, вероятно, связано не только с деятельностью живых организмов. Фракционирование изотопов, которое мы принимаем за проявление жизни, может быть следствием геологических процессов в гидротермальных источниках. И даже если возраст горных пород Гренландии определен верно и они действительно содержат углерод со смещенным изотопным составом, то это еще не доказывает, что тогда существовала жизнь. Впрочем, не стоит расстраиваться: по большому счету, никакой разницы нет. Беру на себя смелость утверждать, что различие между “живой”, геологически активной планетой и живой клеткой – лишь вопрос установления того, что такое “жизнь”. Никаких четких границ между ними нет: геохимия и биохимия плавно переходят друг в друга. Можно считать, что указанные горные породы заполняют пропасть между геологией и биологией. Живая планета и произведенная ею жизнь представляют собой единое целое.

Рис. 2. Этапы развития жизни на Земле. На шкале отражены примерные даты ключевых событий (млрд лет). Многие датировки остаются спорными, но ясно, что бактерии и археи появились на 1,5-2 млрд лет раньше эукариот.

Если мы продвинемся по временной шкале на несколько сотен миллионов лет вперед, то увидим уже более отчетливые следы жизни, столь же надежные и весомые, как запечатлевшие их камни Австралии и Южной Африки. Во-первых, это микроокаменелости, очень похожие на клетки. Впрочем, пытаться отнести эти окаменевшие клетки к одной из современных групп живых организмов – занятие неблагодарное. Многие микроскопические окаменелости покрыты слоем углерода с характерным изотопным составом. Но эти изотопные следы жизни гораздо более достоверны, они определенно появились в результате биохимических, а не геохимических процессов. Во-вторых, это образования, похожие на строматолиты – каменные идолы мира бактерий. В строматолитах растущие клетки образуют слои. Нижележащие слои постепенно минерализуются, и образуются удивительные каменные столбы высотой до 1 м. Кроме окаменевших остатков бактерий, 3,2 млрд лет назад на Земле появляются огромные геологические образования площадью в несколько сотен квадратных километров и толщиной в десятки метров – полосчатые железистые формации и углистые сланцы. Мы привыкли считать, что бактерии и минералы принадлежат к двум разным мирам – живому и неживому, однако огромные залежи осадочных горных пород появились в результате жизнедеятельности бактерий. Так образовались и полосчатые железистые формации – удивительные по красоте минералы, расписанные красными и черными линиями: когда бактерии отнимают электроны у ионов двухвалентного железа, растворенных в воде океана (такая форма железа распространена при отсутствии кислорода), образуется нерастворимая ржавчина, оседающая на дно. До сих пор остается загадкой, как в этих горных породах образовались полосы, но смещение изотопного состава и здесь выдает следы жизни.

Обширные железистые отложения указывают на то, что жившие тогда организмы уже научились фотосинтезу. Но это не хорошо нам знакомый тип фотосинтеза, который мы можем наблюдать у растений и водорослей, а его примитивная предковая форма. Во всех формах фотосинтеза энергия света расходуется на то, чтобы оторвать электроны от субстрата, который не склонен их отдавать. Таким образом, энергия света преобразуется в энергию электронов. Затем эти электроны используются, чтобы включить углекислый газ в органические молекулы. В качестве источника электронов в фотосинтезе могут использоваться разнообразные субстраты, но чаще всего – растворимые в воде ионы двухвалентного железа, сероводород и вода. Когда от этих субстратов отрываются электроны, они превращаются в окисленные формы: осадки ржавчины, элементарную серу и кислород. Вода – это, пожалуй, наихудший источник электронов для фотосинтеза, и 3,2 млрд лет назад живые организмы предпочитали пользоваться другими субстратами. Как заметил биохимик Альберт Сент-Дьерди, жизнь – это скитание ищущих покой электронов. Точно неизвестен момент, когда живые организмы научились окислять воду (иначе говоря, применять оксигенный фотосинтез). Согласно наиболее аргументированной версии, оксигенный фотосинтез возник 2,9–2,4 млрд лет назад, незадолго до периода глобальных катаклизмов. Около 2,2 млрд лет назад, перед глобальным оледенением (“Земля-снежок”), происходил масштабный процесс окисления железа в горных породах на поверхности Земли. Так образовались красноцветные отложения, которые указывают на накопления в атмосфере кислорода: “Великое кислородное событие”. Глобальное оледенение также подтверждает, что в атмосфере стал накапливаться кислород. Метан порождает мощный парниковый эффект[8]. Выделяющийся в атмосферу кислород стал реагировать с метаном, концентрация метана снизилась, и это спровоцировало глобальное похолодание[9].

С возникновением оксигенного фотосинтеза жизнь заполучила полный набор метаболических инструментов. Хотя наше стремительное путешествие сквозь 2 млрд лет истории (а это втрое дольше периода существования животных) не предполагает изложения всех подробностей, здесь мы все же остановимся и поговорим о том, что может рассказать нам временная шкала. Во-первых, жизнь возникла на Земле очень давно (4–3,5 млрд лет назад, если не раньше) в мире, который не слишком отличался от современного: во всяком случае, там было много воды. Во-вторых, 3,5–3,2 млрд лет назад бактерии уже нашли большую долю путей метаболизма, в том числе многочисленные формы дыхания и фотосинтеза. В течение миллиарда лет мир представлял собой огромный бурлящий котел с бактериями, являющий такую изощренность биохимических путей, что остается лишь диву даваться[10]. Изотопное фракционирование свидетельствует о том, что главные энергетические циклы – углерода, серы, железа и т. д. – были в ходу уже 2,5 млрд лет назад. Но лишь с повышением концентрации кислорода, которое началось 2,4 млрд лет назад, жизнь преобразила планету настолько, что это стало заметно даже из космоса. Тогда в атмосфере стала накапливаться химически активная смесь газов, например кислорода и метана, непрерывно пополняемая живыми клетками (с их стороны это было предательство прямо-таки планетарного масштаба).

Великое кислородное событие долго считалось главным эпизодом в истории планеты, однако в последние годы его значение изменилось. Новое объяснение играет чрезвычайно важную роль в приведенных в этой книге доказательствах. В рамках прежнего взгляда кислороду отводится роль ключевого фактора среды, обусловливающего развитие жизни. Согласно новому взгляду, кислород не определяет конкретные результаты эволюции: он снимает прежние ограничения и делает возможным появление гораздо более сложных форм жизни. Так, жизнь животных неразрывно связана с активным перемещением в пространстве – поиском пропитания, бегством от хищников. Для этого требуется много энергии, и легко догадаться, что животные не смогли бы существовать без кислорода, использование которого позволяет получить на порядок больше энергии, чем от других форм дыхания[11]. Это утверждение настолько банально, что не возникает и мысли оспаривать его. Но проблема отчасти именно в том, что этот тезис не обсуждается и потому не получает развития. Что ж, раз эту тему обсуждать не хочется, почему бы не принять за аксиому, что животным в любом случае требуется кислород (закрыв глаза на то, что это не всегда так), и не заняться по-настоящему важными вопросами эволюционной биологии, например строением и поведением животных и растений? Или все-таки лучше так не поступать?

Эта позиция в неявном виде поддерживается во всех учебниках. Мы привыкли думать о кислороде как о чем-то приятном и благотворном, однако в контексте древней биохимии это ядовитое и очень реакционноспособное вещество. “Школьный” взгляд гласит: когда уровень кислорода повысился, этот опасный газ выступил жестким фактором отбора в отношении микробного мира. С этим связаны наводящие ужас рассказы о массовом вымирании бактерий (Маргулис назвала это “кислородным холокостом”). Тот факт, что в палеонтологической летописи не осталось следов этого катаклизма, не должен нас беспокоить (мы знаем это наверняка): это было ужасно давно, а те создания были совсем крошечными. Кислород способствовал выработке новых взаимоотношений клеток – симбиоза и эндосимбиоза, в ходе которых те поддерживали взаимовыгодные отношения и с внешними партнерами, и с внутренними, приобретая все новые инструменты для выживания. За сотни миллионов лет появились сложные организмы, так как клетки научились не только справляться с кислородом, но и пользоваться его реакционной способностью – приобрели аэробное дыхание, дающее гораздо больше энергии. Крупные, сложно устроенные аэробные клетки таких организмов “упаковывают” ДНК в специализированный компартмент – ядро, тем самым оправдывая наименование эукариоты (то есть те, что “с настоящим ядром”). Повторяю: это история из учебника. Но в действительности (и я это докажу) дело обстояло иначе.

Сегодня все сложные живые организмы – растения, животные, водоросли, грибы и протисты (крупные одноклеточные, например амебы) – состоят из эукариотических клеток. Эукариоты шли к своему триумфу миллиард лет. Этот период известен теперь (забавно, правда?) как “скучный миллиард” – из-за ничтожного количества сохранившихся окаменелостей. Тем не менее находятся остатки отдельных клеток, относящиеся ко времени 1,6–1,2 млрд лет назад. Эти клетки очень напоминают эукариот: некоторые отлично бы вписались в современные группы вроде красных водорослей или грибов.

Затем, 750–600 млн лет назад, наступил период больших волнений: Земля попеременно покрывалась льдом и оттаивала снова. Вскоре после этого концентрация кислорода стремительно выросла, достигнув почти современного уровня. В это время в палеонтологической летописи появляется большое количество окаменелостей животных. Самые древние – группа симметричных листовидных организмов до 1 м в диаметре, которых большинство палеонтологов считает фильтраторами (хотя другие настаивают, что это лишайники). Речь идет об эдиакарской биоте, представителей которой также называют вендобионтами. Затем большинство этих существ (так же внезапно, как появились) в ходе массового вымирания исчезли, а на заре кембрийского периода (541 млн лет назад) их место заняли животные уже более привычного нам вида. Указанная дата – время “кембрийского взрыва”, заполнившего Землю разнообразными новыми формами, – столь же важна для биологов, как для западных историков 1066 или 1492 годы. Крупные и подвижные, со сложными глазами и чувствительными выростами на теле, эти устрашающие хищники и их не менее жуткие, закованные в броню жертвы вышли на арену эволюции и отыграли партию так, что Дарвин много бы дал, чтобы лично взглянуть, что творил на древней Земле естественный отбор.

Насколько этот сценарий близок к реальности? На первый взгляд, он довольно правдоподобен. Мне, впрочем, кажется, что суть его неверна, а добрая часть деталей сценария при ближайшем рассмотрении сомнительна. Суть относится к взаимодействию генов и среды. Целый сценарий завязан на кислороде, которому отводится роль ключевого фактора среды: кислород, устранив ограничения, дал зеленый свет генетическим преобразованиям. Концентрация кислорода повышалась дважды: 2,4 млрд лет назад, во время Великого кислородного события, и 600 млн лет назад, ближе к концу неимоверно долгого докембрия (рис. 2). Всякий раз при увеличении концентрации кислорода исчезали ограничения, сдерживающие развитие живых существ. После Великого кислородного события в новом мире, полном опасностей и возможностей, клетки приспособились оказывать друг другу услуги при помощи серийных эндосимбиозов, постепенно приближаясь к настоящей эукариотической сложности. Когда уровень кислорода поднялся во второй раз, перед “кембрийским взрывом”, физические ограничения были окончательно устранены. Это произошло будто по мановению волшебной палочки. Разумеется, организмы изменились не под прямым воздействием кислорода, а под влиянием обусловленного им преобразования селективного ландшафта. В новых условиях избавленные от ограничений геномы стали активно развиваться, и жизнь расцвела, породив великое множество форм и заполнив все возможные экологические ниши.

Такую точку зрения на эволюционный процесс можно интерпретировать в терминах диалектического материализма, принципов которого придерживались некоторые видные биологи-эволюционисты в первой половине ХХ века, когда формировался неодарвинизм. Гены и окружающая среда представляют собой взаимопроникающие противоположности, иначе известные как “природа и воспитание”. Всю биологию можно свести к изучению генов и того, как они реагируют на изменения окружающей среды. И что же: жизнь на этом заканчивается? Нет: жизнь включает не только взаимодействие генов и среды, но также клетки и ограничения, которые определяются их структурой. (Ниже я объясню, какие это ограничения и почему их нельзя свести к среде и генам.) Сценарии, предлагаемые в рамках двух противоположных мировоззрений, сильно различаются.

Рассмотрим первую позицию, трактующую эволюцию в терминах взаимодействия генов и окружающей среды. Самый существенный фактор, ограничивающий развитие жизни на древней Земле – отсутствие кислорода. Его накопление, соответственно, запустило бурный эволюционный процесс. Кислород вторгся в жизнь всех контактирующих с ним организмов, и тем пришлось приспосабливаться. Клетки, которые оказались лучше подготовлены к жизни в аэробной среде, выжили и размножились, а остальные погибли. Но на Земле возможно существование множества экологических ниш. Когда кислород накапливался, он не просто насыщал все возможные среды на планете. Он окислял минералы, содержащиеся в горных породах и растворенные в океанской воде, и продукты этого окисления накапливались и в анаэробных средах. Живые организмы получили доступ к нитратам, нитритам, сульфатам, сульфитам и другим окисленным соединениям. Клетки могут использовать эти вещества для дыхания вместо кислорода, и анаэробное дыхание получило широкое распространение в аэробном мире. Все это увеличивает число возможных экологических ниш в новом мире.

Представьте себе случайную смесь клеток. Некоторые, похожие на амеб, питаются путем фагоцитоза, то есть заглатывая другие клетки. Вторые способны фотосинтезировать. Третьи питаются осмотрофно: переваривают пищу вне тела, как грибы. Допуская, что структура клеток не ставит никаких непреодолимых препятствий на пути их развития, мы можем предположить, что эти разные типы клеток могли произойти от разных бактериальных предков. Некоторые бактерии были способны к примитивному фагоцитозу, другие – к простой форме осмотрофного питания, третьи умели фотосинтезировать. Их потомки стали более специализированными и довели свои умения до совершенства.

В общем, если бы повышение уровня кислорода ускоряло темпы появления новых организмов, следовало бы ожидать полифилетической радиации, когда неродственные (из разных групп) клетки или организмы, быстро эволюционируя, порождают новые виды, занимая свободные экологические ниши. В некоторых случаях так и происходит. Пример – “кембрийский взрыв”, в результате которого возникли десятки таксонов животных, среди которых губки, иглокожие, членистоногие и черви. Полифилетическая радиация животных в кембрии сопровождалась сходной радиацией среди водорослей, грибов и протистов, например инфузорий. Экологическая ситуация очень усложнилась, и это повлекло дальнейшие изменения в мире живых организмов. Мы не знаем, стал ли “кембрийский взрыв” следствием именно повышения концентрации кислорода, но ясно, что изменение окружающей среды способно радикально изменить механизмы отбора. Произошло нечто, что навсегда изменило мир.

Если же главный фактор, контролирующий развитие живых организмов, обусловлен их собственной структурой, мы наблюдали бы совершенно иную картину. Пока существуют такие структурные ограничения, они не позволяют организмам заметно изменяться в ответ на изменения среды. В таких условиях наблюдаются долгие периоды стазиса с очень редкими случаями монофилетической радиации. Иными словами, ситуации, когда живые существа преодолевают ограничения, наложенные их собственной структурой, чрезвычайно редки. Но если этот сценарий реализуется в каком-нибудь таксоне, происходит радиация этой группы организмов, и впоследствии они занимают все свободные экологические ниши (хотя, возможно, для этого им придется дождаться изменений среды). Разумеется, и такие процессы мы можем наблюдать. “Кембрийский взрыв” сопровождался радиацией групп животных, но сами животные в ходе эволюции появились всего единожды: все эти группы восходят к общему предку. Точно так же дело обстоит с растениями. Сложной многоклеточности с разделением клеток на соматическую и зародышевую линии достичь довольно тяжело. Отчасти это связано с тем, что требуются механизмы, способные очень точно управлять развитием организма, вплоть до каждой клетки. Но примитивные формы многоклеточности распространены очень широко и независимо появились примерно в 30 группах организмов (водоросли, грибы, слизевики и т. д.). Однако есть особый случай, когда ограничения, наложенные структурой клетки, преобладают над любыми другими ограничениями. Это происхождение эукариотической клетки от бактерий после Великого кислородного события.

Если бы сложные клетки появились как ответ на повышение содержания кислорода в атмосфере, можно было бы предположить полифилетическую радиацию: независимое происхождение эукариот от разных групп бактерий. Так, фотосинтетические бактерии могли бы дать начало более крупным и сложным водорослям, осмотрофные бактерии – грибам, подвижные хищные клетки – фагоцитам. Такое развитие сложности могло происходить путем обычных мутаций, генетического обмена и естественного отбора. Другой вариант – слияние и вхождение в эндосимбиотические отношения, в соответствии с теорией серийных эндосимбиозов Линн Маргулис. В любом случае, в отсутствие ограничений касательно структуры клетки повышение концентрации кислорода должно было сделать возможным приобретение сложности вне зависимости от конкретного эволюционного пути. Можно предположить, что кислород снял ограничения для всех клеток, делая возможной полифилетическую радиацию – независимое усложнение всевозможных бактерий. Но этого мы не наблюдаем.

Я расскажу об этом подробнее: важно в этом разобраться. Если сложные клетки образовались под давлением классического естественного отбора (генетические мутации обеспечивают разнообразие форм, а те попадают под действие отбора), то стоило бы ожидать множества вариантов внутренней структуры – столько же, сколько существует вариантов внешнего облика клеток. Эукариотические клетки демонстрируют удивительное разнообразие форм и размеров – от гигантских листовидных клеток водорослей до веретенообразных нейронов и растекающихся амеб. Если эукариоты приобрели большую часть сложности в рамках адаптации к конкретным способам существования в расходящихся популяциях, это должно было проявиться в виде соответствующих различий во внутренней структуре. Но заглянув внутрь клетки, мы увидим, что эукариоты, по сути, сложены из одинаковых компонентов. Большинство из нас не сможет отличить растительную клетку от клетки печени или пойманного в ближайшем пруду протиста, даже рассмотрев их под электронным микроскопом: все они поразительно похожи. Попробуйте-ка сами (рис. 3). Если увеличение концентрации кислорода устранило преграды на пути к сложности, то, согласно классической теории естественного отбора, приспособление популяций к различным способам существования должно было привести к полифилетической радиации. Однако ничего подобного мы не наблюдаем.

В конце 60-х годов Линн Маргулис заявила, что происхождение эукариотических клеток путем классического естественного отбора – это заблуждение и эукариоты появились в результате серии эндосимбиозов, в рамках которых бактерии вступали в настолько тесную кооперацию, что некоторые даже физически проникали внутрь партнеров. Эта идея восходит к началу XX века. Рихард Альтман, Константин Мережковский, Жорж Портье, Иван Валлин и другие ученые считали, что сложные клетки появились в результате симбиоза более простых. Их идеи были услышаны, однако считались “слишком фантастичными, чтобы обсуждать их в хорошем обществе”. К началу молекулярно-биологической революции 60-х годов Линн Маргулис еще прочнее утвердилась в своих взглядах, хотя почва под ее ногами оставалась зыбкой. Сейчас мы знаем, что минимум два компонента эукариотической клетки произошли от эндосимбиотических бактерий: митохондрии (преобразователи энергии в сложных клетках) – потомки альфа-протеобактерий, и хлоропласты (фотосинтетические машины растений), произошедшие от цианобактерий. Почти все специализированные органеллы эукариотической клетки хоть раз рассматривались в качестве эндосимбионтов, включая ядро, реснички, жгутик (извивающийся отросток, ритмичное биение которого направляет движение клетки) и пероксисомы (“фабрики токсичного производства” клетки). Таким образом, теория последовательных эндосимбиозов гласит, что эукариоты являют собой плод совместных усилий бактерий, трудившихся сотни миллионов лет, со времени Великого кислородного события.

Рис. 3. Сложность эукариот.

Четыре эукариотические клетки с равной морфологической сложностью.

А. Клетка животного (плазмоцит) с крупным ядром (Я), протяженными внутренними мембранами (эндоплазматический ретикулум, ЭР), на которых располагаются рибосомы, и митохондриями (M).

Б. Одноклеточная водоросль Euglena. Видны хлоропласты (Х), ядро (Я) и митохондрии (М).

В. Растительная клетка с клеточной стенкой, вакуолью (В), хлоропластами (Х), ядром (Я) и митохондриями (М).

Г. Зооспора хитридиомицета, виновного в исчезновении 150 видов лягушек: ядро (Я), митохондрии (М), жгутик (Ж) и гамма-тельца (ГТ), функция которых неясна.

Это поэтический взгляд, но теория последовательных эндосимбиозов в неявном виде подразумевает то же, что и классический отбор. Если бы она была верна, можно было бы ожидать независимого появления множества вариантов внутренней структуры, столь же многообразных, как внешний вид клеток. Рассмотрение любой серии эндосимбиозов, где сотрудничество основано на обмене метаболитами в определенной среде, наводит на мысль, что в разных средах должны реализоваться разные типы взаимодействия клеток. Гипотеза предсказывает, что если такие клетки становятся органеллами сложных эукариотических клеток, у разных эукариот должны появиться разные наборы компонентов внутренней структуры. Тогда в местах вроде стоячих илистых водоемов таились бы организмы всевозможных промежуточных форм, совсем не родственные друг другу, воплощающие разные варианты развития. До самой смерти в 2011 году Маргулис была твердо убеждена, что эукариоты – это мозаика, собранная из более простых организмов в результате цепи эндосимбиозов. Она видела в эндосимбиозе путь жизни, неизведанный “женственный” путь эволюции, на котором процветало “налаживание связей”, – кооперация, которая оказалась гораздо важнее, чем соперничество хищника и жертвы, по сути маскулинное. Но, при всем благоговении перед живыми клетками, Маргулис все же возвратилась к более сухой вычислительной филогенетике – изучению генных последовательностей и целых геномов, которое может рассказать, какие именно родственные отношения связывают разные группы эукариот. А это другая, гораздо более захватывающая история.

Эта история разворачивается вокруг крупной (более 1 тыс. видов) группы простых одноклеточных эукариот, у которых нет митохондрий. Эту группу когда-то считали примитивным “недостающим звеном” между бактериями и более сложными эукариотами, а именно – той самой промежуточной формой, существование которой предполагает теория серийных эндосимбиозов. К этой группе относится, например, пренеприятный кишечный паразит лямблия (Giardia). По словам Эдмунда Юна, она напоминает злобную слезинку (рис. 4). Ее образ жизни вполне соответствует внешнему виду: лямблия вызывает диарею. У нее не одно ядро, а целых два: казалось бы, не должно возникать сомнений в ее “эукариотичности”. Однако у лямблии нет некоторых других базовых эукариотических свойств (особенно заметно отсутствие митохондрий). В середине 80-х годов известный сокрушитель устоев Томас Кавалье-Смит утверждал, что лямблия и другие относительно простые эукариоты появились в самый ранний период эукариотической эволюции, еще до митохондрий, и сохранились в таком виде до наших дней. Хотя Кавалье-Смит и принял тот факт, что митохондрии произошли от бактериальных эндосимбионтов, у него не нашлось времени на детальное изучение теории серийных эндосимбиозов Маргулис. Вместо этого он представил (и до сих пор держится этого представления) самых древних эукариот в виде примитивных фагоцитов, вроде современных амеб, которые питаются, заглатывая другие клетки. Кавалье-Смит утверждает, что клетки, которые приобрели митохондрии, уже имели ядро, динамический внутренний скелет (который позволял им изменять форму и передвигаться), белковые механизмы (позволяющие загружать пищевые частицы внутрь клетки и перемещать их внутри), специализированные компартменты для внутриклеточного переваривания пищи и т. д. Приобретение митохондрий определенно пошло этим клеткам на пользу. Если представить, что клетка сродни автомобилю, то это нововведение сопоставимо с установкой турбокомпрессора. Но даже если машина начинает ездить быстрее, ее устройство в основе остается прежним: двигатель, коробка передач, тормоза, турбина лишь придает энергии. То же самое и примитивные фагоциты Кавалье-Смита. Все части механизма уже были на месте, за исключением митохондрий, которые снабдили клетку большим количеством энергии. Если и существует взгляд на происхождение эукариот, который можно назвать каноническим, – вот он.

С легкой руки Кавалье-Смита этих примитивных эукариот стали называть архезоями, чтобы подчеркнуть их предполагаемое древнее происхождение (рис. 4). Поскольку некоторые архезои паразитируют на человеке, вызывая болезни, их биохимия и структуры геномов представляют интерес для медицины. Исследования в этой области хорошо финансируются, поэтому мы знаем об этих существах чрезвычайно много. За 20 лет изучения геномных последовательностей и биохимии архезоев стало ясно, что на самом деле они вовсе не промежуточное звено между бактериями и эукариотами. Более того, они сами произошли от сложных эукариот, которые некогда обладали всеми компонентами эукариотических клеток, в том числе митохондриями. При переходе к паразитизму архезои утратили эту сложность. Но все они сохранили структуры, которые, как сейчас известно, являют собой упростившиеся митохондрии: гидрогеносомы или митосомы. Внешне эти структуры не похожи на митохондрии (правда, и те, и другие покрыты двумя мембранами, поэтому считалось, что митохондрий у архезоев нет), но из совокупности молекулярных и филогенетических данных точно следует, что гидрогеносомы и митосомы произошли от митохондрий, а не от других бактериальных эндосимбионтов (как считала Маргулис). Таким образом, у всех эукариот имеются либо митохондрии, либо произошедшие от них органеллы. Напрашивается вывод: митохондрии имелись уже у последнего общего предка эукариот, как в 1998 году предсказал Билл Мартин (гл. 1). Тот факт, что у эукариот имеются митохондрии, может показаться тривиальным, но в сочетании со знанием о том, как распространяются геномные последовательности по огромному микробному миру, он когда-то перевернул наше понимание эукариотической эволюции.

Рис. 4. Архезои – знаменитое якобы недостающее звено.

А. Устаревшая, вводящая в заблуждение филогенетическая схема, построенная на основе сравнения рибосомальной РНК. Она включает три домена: бактерии, археи и эукариоты. Перемычка № 1 обозначает предполагаемое раннее возникновение ядра, а № 2 – предполагаемое приобретение митохондрий, произошедшее позднее. Три группы, ответвившиеся в промежутке между полосками – это архезои, считавшиеся примитивными эукариотами, которые еще не приобрели митохондрии (к ним относится, например, лямблия).

Б. Теперь мы знаем, что архезои вовсе не примитивны: они произошли от организмов, у которых уже имелись митохондрии. В действительности ответвление архезоев произошло от главной части эукариотического дерева. (Я – ядро, ЭР – эндоплазматический ретикулум; В – вакуоль; Ж – жгутик.)

Известно, что все эукариоты восходят к общему предку, который лишь однажды возник в ходе эволюции. Абсолютно все эукариоты (растения, животные, водоросли, грибы, протисты) восходят к общему предку. Иными словами, это монофилетическая группа. Растения, животные и грибы произошли не от разных групп бактерий, а от одной популяции эукариотических клеток со сложной морфологией, единожды появившихся в истории Земли. Общий предок по определению может быть лишь один. В нашем случае под общим предком подразумевается не одна клетка, а одна популяция идентичных клеток. Само по себе это не означает, что появление сложных клеток – очень редкое событие. Вполне возможно, они возникали несколько раз, но выжили потомки лишь одной группы, а все остальные по каким-либо причинам вымерли. Я докажу, что к эукариотам это не относится, но сначала мы должны рассмотреть строение эукариотических клеток.

От общего предка эукариот довольно скоро отделилось пять “супергрупп” организмов с разной клеточной морфологией. Большинство этих групп неизвестны даже людям с классическим биологическим образованием. Примеры таких групп – Unikonta (к ним относятся животные и грибы), Excavata, Chromalveolata и Plantae (последние включают наземные растения и водоросли). Важны два момента. Во-первых, генетическое разнообразие внутри каждой группы гораздо выше, чем между предками этих групп (рис. 5). Это наводит на мысль, что в момент формирования эукариотических супергрупп происходила “взрывная” эволюция, точнее – монофилетическая радиация, которая могла быть связана с преодолением структурных ограничений. Во-вторых, общий предок эукариот уже был чрезвычайно сложной клеткой. Сравнивая признаки каждой супергруппы эукариот, можно попытаться восстановить облик общего предка. Признаки, присутствующие почти у всех видов внутри всех супергрупп, вероятнее всего, унаследованы от него. Признаки, которые встречаются лишь в одной-двух группах, скорее всего, приобретены ими независимо и позднее. Хорошая иллюстрация последнего варианта – хлоропласты, которые встречаются только у растений и хромальвеолят. Они возникли в результате эндосимбиоза, но у общего предка эукариот их не было.

Филогенетика говорит нечто поразительное о том, что было внутри клетки общего предка: было все, кроме хлоропластов. С вашего позволения, я кратко освещу несколько моментов. Мы знаем, что общий предок имел ядро, где хранилась ДНК. Ядро обладало сложной структурой, которая затем стала общей для всех эукариот. Оно окружено двойной мембраной, даже целым рядом уплощенных полостей, которые переходят в другие клеточные мембраны. Ядерная мембрана пронизана замысловатыми белковыми порами и покрыта эластичной сетью, которая поддерживает форму ядра. Внутри ядра присутствуют структуры, универсальные для эукариот, например ядрышко. Стоит подчеркнуть, что множество ключевых белков этих комплексов консервативны – они почти не отличаются у разных супергрупп организмов. Таковы, например, гистоновые белки, на которые накручиваются молекулы ДНК. Все эукариоты имеют линейные хромосомы с колпачками теломеров на концах, которые не дают хромосомам “растрепаться”, как случается с кончиками шнурков. Гены эукариот имеют фрагментарное строение: короткие участки кодирующей ДНК перемежаются длинными некодирующими последовательностями – интронами. Интроны вырезаются перед тем, как с РНК считывается белок. Удаление этих фрагментов осуществляется с помощью механизма, общего для эукариот. Даже расположение интронов нередко консервативно: вставки обнаруживаются на одном и том же месте внутри последовательности общего для разных групп эукариот гена.

Рис. 5. “Супергруппы” эукариот.

Дерево эукариот, построенное на основе сравнения тысяч общих генов, включает пять “супергрупп”, которые были описаны Евгением Куниным в 2010 году. Цифры означают число генов, общих для данной группы и для Последнего общего предка эукариот. Каждая группа независимо потеряла или приобрела множество других генов. Сильнее всего здесь различаются одноклеточные протисты. Все животные попадают в группу метазои. Заметьте, что различия между представителями одной супергруппы гораздо заметнее, чем между предками эти групп, что позволяет предположить их интенсивное эволюционирование на ранних этапах. Мне нравится символическая черная дыра в центре: Последний общий предок эукариот уже обладал всеми характерными для эукариот свойствами, но филогенетика мало что может сказать о том, как бактерии или археи передали ему эти свойства.

За пределами ядра ситуация сходная. Эукариотам свойственна, по сути, одинаковая клеточная машинерия – за исключением архезоев (разбросанных по всем пяти супергруппам, что свидетельствует о независимой утрате присущей им прежде сложности). У всех эукариот имеются сложные внутренние мембранные структуры, например эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, приспособленные для упаковки и выведения наружу белков. У всех эукариот есть динамический внутренний цитоскелет, способный принимать любую форму в соответствии с потребностями клетки. У всех эукариот есть моторные белки. Все эукариоты обладают митохондриями, лизосомами, пероксисомами, транспортными системами для перемещения веществ внутрь и наружу, а также общими сигнальными системами. И список на этом не заканчивается! Все эукариоты делятся митозом, в ходе которого хромосомы расходятся к полюсам клетки, увлекаемые микротрубочками веретена. Набор участвующих в митозе ферментов один и тот же. Эукариоты размножаются половым путем, а их жизненный цикл включает мейоз (редукционное деление), в результате которого формируются гаметы – сперматозоиды и яйцеклетки, которые впоследствии сливаются друг с другом. Те редкие эукариоты, которые отказываются от полового размножения, как правило, быстро вымирают (“быстро” в данном случае – за несколько миллионов лет).

Почти все это давно известно из исследований микроскопической структуры клеток, но наступление новой эры филогеномики прояснило два момента. Во-первых, стало понятно, что перечисленные структурные гомологии обусловлены не поверхностным сомнительным сходством. Все эти признаки закодированы в последовательностях генов миллиардами нуклеотидов, и по этим последовательностям можно выстраивать очень точные филогенетические деревья. Во-вторых, с развитием методов высокопроизводительного секвенирования значительно упростился процесс обнаружения и исследования новых организмов. Отпала необходимость в таких долгих и трудоемких процедурах, как культивация клеток и приготовление микропрепаратов. Новый метод надежен и скор. Так было открыто несколько необычных групп эукариот, например экстремофилы, способные переносить высокие концентрации ядовитых металлов, и пикоэукариоты – крошечные, размером с бактерии, клетки, обладающие полным эукариотическим набором: ядром и митохондриями. Так расширилось наше представление о разнообразии эукариот. Все недавно обнаруженные эукариоты относятся к пяти супергруппам, существование которых четко установлено: на филогенетическом дереве эукариот уже не вырастает крупных ветвей. Поразительно, что при всем разнообразии эукариоты похожи друг на друга. Нам не удается обнаружить ни переходных форм в эволюции эукариот, ни боковых ветвей. То, о чем говорила теория серийных эндосимбиозов, не сбывается.

Это порождает другую проблему. Успехи филогенетики и биоинформатики столь ошеломительны, что мы легко забываем: эти методы имеют свои ограничения. Проблему являет собой филогенетический горизонт событий, скрывающий момент появления эукариот. Ведь все их геномы восходят к Последнему общему предку эукариот (LECA), строение которого уже было очень сложным. Но откуда произошли все его структуры? Есть ощущение, будто предок эукариот родился уже зрелым, как Афина в полном вооружении из головы Зевса. О происхождении почти всех компонентов эукариотических клеток не известно почти ничего. Как и почему появилось ядро? Как возникло половое размножение? Почему у эукариот два пола? Как появилась изумительная система внутренних мембран? Как цитоскелет приобрел пластичность и динамику? Почему при мейозе число хромосом удваивается перед тем, как уменьшиться вдвое? Почему мы стареем, болеем раковыми заболеваниями и умираем? Увы, молекулярная филогенетика, несмотря на свою изощренность, почти ничего не может рассказать об этих биологических процессах. Подавляющее большинство генов, управляющих этими процессами, присуще лишь эукариотам и у прокариот не встречается. У бактерий, в свою очередь, почти не наблюдается тенденции к приобретению сложных эукариотических черт (рис. 6). История появления этих признаков – тайна.

Рис. 6. Грандиозный пробел в знаниях.

Нижний рисунок – электронная микрофотография клетки амебы Naegleria (организма, напоминающего сложностью и размерами Последнего общего предка эукариот). У этой клетки есть ядро (Я), эндоплазматический ретикулум (ЭР), комплекс Гольджи (КГ), митохондрии (М), пищеварительная вакуоль (ПВ), фагосомы (Ф) и пероксисомы (П). Вверху, для сравнения, – электронная микрофотография сравнительно сложной бактерии планктомицета. Разумеется, эукариоты происходят не от планктомицетов, но на этом примере видно, как велика пропасть между самыми сложными из прокариот и примитивнейшими эукариотами. И нам не известны выжившие промежуточные формы, которые могли бы перебросить мост через эту пропасть (возможные переходные звенья обозначены черепом с костями).

Эволюционная теория предполагает: сложные свойства приобретаются в результате ряда маленьких шагов, и каждый шаг позволяет получить небольшое преимущество. Отбор адаптивных свойств предполагает потерю менее адаптивных, поэтому промежуточные формы непрерывно отсеиваются. С течением времени высота пиков адаптивного ландшафта меняется, и пики, соответствующие самым полезным приобретениям, заслоняют соседние. Так, мы знаем глаз во всем его совершенстве, а менее совершенные промежуточные этапы его развития нам неизвестны. Дарвин в “Происхождении видов” высказал мысль: естественный отбор действительно предполагает утрату промежуточных форм. Поэтому неудивительно, что не сохранилось живых переходных форм между бактериями и эукариотами. Куда удивительнее то, что удачные приспособления не продолжают улучшаться – как в случае глаза.

Мы не можем непосредственно наблюдать этапы эволюции глаза, зато можем видеть экологический спектр его форм у разных организмов. Из зачаточного светочувствительного пятна древнего червеобразного существа глаза независимо появлялись внутри разных групп. Как раз это предсказывает теория естественного отбора. Всякое небольшое изменение обеспечивает небольшое преимущество, которое зависит от среды. В различных условиях появлялись различные по морфологии типы глаз. Некоторые различаются очень сильно (например сложные глаза мухи и зеркальные глаза гребешка), а некоторые схожи – как глаза осьминога и человека, которые в результате конвергенции приобрели почти одинаковое строение. У животных можно найти все мыслимые промежуточные стадии, от зрительных ямок до аккомодационных линз. Даже у протистов иногда встречаются миниатюрные глаза с “хрусталиком” и “сетчаткой”. Эволюционная теория предсказывает, что свойства у разных групп организмов должны были развиваться независимо (полифилетически), и каждый следующий шаг предоставлял новое преимущество. Теоретически этот принцип применим ко всем свойствам – и обычно так и происходит. Так, способность летать при помощи крыльев независимо появлялась минимум 6 раз: у летучих мышей, птиц, птерозавров и разнообразных насекомых. Многоклеточность возникала около 30 раз. Различные формы эндотермности (теплокровности) появились у нескольких групп, включая млекопитающих и птиц, а также некоторых рыб, насекомых и даже, в некотором смысле, у растений[12]. “Сознательную осведомленность” приобрели в большей или меньшей степени независимо птицы и млекопитающие. На примере глаз мы наблюдаем мириады форм, соответствующих условиям, в которых они развивались. Разумеется, существуют физические ограничения, но они недостаточно жестки для того, чтобы исключить многократное возникновение признаков.

А что можно сказать о половом размножении, ядре и фагоцитозе? В этих случаях следует рассуждать таким же образом. Если каждое из этих приобретений появилось в результате действия естественного отбора (несомненно, так оно и было), то мы должны наблюдать многократное возникновение эукариотических признаков у бактерий. Но это не так. Недалеко и до эволюционного “скандала”! У бактерий есть лишь зачатки эукариотических черт. Например, секс. Можно возразить, что бактерии практикуют конъюгацию, а это, по сути, то же самое: передача собственной ДНК партнеру. Правда, в этом случае передача происходит путем горизонтального переноса. У бактерий есть все необходимые механизмы для рекомбинации ДНК, что позволяет им формировать разнообразные новые хромосомы, а это считается главным преимуществом полового размножения. Но все же у этих процессов множество существенных различий. Секс предполагает слияние двух гамет, каждая из которых содержит половину набора генов. Затем происходит их взаимная рекомбинация и объединение в новый целый геном. Горизонтальный перенос происходит редко, случайным образом, задействуя лишь небольшую часть генома и далеко не всегда предполагая взаимный обмен. Если коротко, то эукариоты занимаются сексом по-настоящему, а у бактерий смутное его подобие. Понятно, что при этом у бактерий должно иметься преимущество перед сластолюбивыми эукариотами. Однако тогда можно ожидать, что бактерии по крайней мере некоторых типов делают такое, пусть и отличающееся в деталях. Но нет: насколько известно, они никогда этим не занимались. Так же дело обстоит с ядром, фагоцитозом и почти всеми эукариотическими признаками. Первые шаги на пути к сложности сделаны. Есть бактерии со складчатыми внутренними мембранами. Есть бактерии без клеточной стенки и с более или менее подвижным цитоскелетом. Есть бактерии с линейными хромосомами, с множеством копий генома, с клетками гигантского размера. Все это намеки на эукариотическую сложность. Но бактерии всегда останавливаются, не достигнув уровня эукариот, и очень редко (если такое вообще бывает) одна бактериальная клетка сочетает одновременно несколько эукариотических черт. Самое простое объяснение глубоких различий между бактериями и эукариотами – конкуренция. Утверждается, что, когда появились первые эукариоты, они были настолько конкурентоспособными, что заняли нишу морфологически сложных организмов и никто не мог с ними соревноваться. Если какие-нибудь бактерии и предпринимали робкие попытки посягнуть на указанную нишу, прочно обосновавшимся там эукариотам это было безразлично. То есть бактерии не представляли для них серьезной угрозы. Все мы знаем о массовом вымирании динозавров и других крупных животных и растений, и в этом свете объяснение выглядит вполне правдоподобным. Миллионы лет динозавры притесняли предков современных млекопитающих – мелких пушистых зверьков. Лишь после вымирания динозавров эти зверьки дали начало современным группам млекопитающих. Тем не менее есть веские причины подвергнуть сомнению эту удобную, но обманчивую в своей привлекательности идею. Микроорганизмы – далеко не то же самое, что крупные животные: численность их популяций несравнимо больше, и они способны путем горизонтального переноса передавать друг другу полезные гены (например гены устойчивости к антибиотикам), что сильно снижает угрозу вымирания. Не известно ни одного массового вымирания микробов. Этого не произошло даже после Великого кислородного события. Нет доказательств того, что “кислородный холокост”, в ходе которого, как предполагают, погибло большинство анаэробных клеток, действительно случился: это не подтверждается ни филогенетическими, ни геохимическими данными. Напротив, анаэробы процветали.

Еще важнее вот что. Существует убедительное свидетельство в пользу того, что промежуточные формы на самом деле не были обречены на вытеснение более сложными эукариотами. Доказательство простое: они до сих пор существуют. Мы уже встречались с ними. Это архезои – большая группа примитивных эукариот, которая когда-то ошибочно считалась “недостающим звеном”. Они не являются истинной промежуточной формой в эволюционном смысле, но в экологическом отношении они действительно в промежуточном положении – занимают ту самую нишу[13]. Эволюционная промежуточная форма – это, например, тиктаалик, рыба с ногами, или покрытый перьями крылатый динозавр археоптерикс. Экологическая промежуточная форма – это не настоящее звено, однако ее возникновение позволяет убедиться в том, что определенная экологическая ниша пригодна для жизни. Белка-летяга не является близким родственником других летающих позвоночных, например летучих мышей, тем более птиц, однако она демонстрирует, что планировать с дерева на дерево можно и без покрытых перьями крыльев. Значит, предположение, что механический полет мог начаться подобным образом, не будет пустой выдумкой. И в этом настоящая ценность архезоев: они – экологическая промежуточная форма, своим существованием подтверждающая, что такой образ жизни возможен.

К архезоям относят более тысячи видов. Эти организмы – эукариоты, которые приспособились к “промежуточной” нише путем упрощения, – а вовсе не бактерии, строение которых немного усложнилось. Позвольте это подчеркнуть. Данная ниша пригодна для жизни, и она многократно заселялась морфологически простыми клетками. Простые клетки не были вытеснены эукариотами. Напротив, они процветали, и именно потому, что пошли по пути упрощения. Статистически (при прочих равных условиях) вероятность захвата этой ниши только простыми эукариотами (а не сложными бактериями) в 1 тыс. случаях составляет 1 на 10³⁰⁰: соотношение, которое могло бы получиться в результате работы генератора бесконечной невероятности Зафода Билброкса. Даже если архезои 20 раз (возьмем самую скромную оценку) возникали независимо и всякий раз возникшая форма порождала множество дочерних видов, вероятность все же остается очень небольшой: один из миллиона. Или выпал тот самый единственный шанс, или же вмешалось что-то кроме статистической вероятности. Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что в строении эукариот было нечто, способствующее освоению ими “промежуточной” ниши, – а строение бактерий, напротив, отличалось чем-либо таким, что мешало приобрести морфологическую сложность.

Эта идея не выглядит чересчур смелой. Она не противоречит ничему из того, что мы знаем. В этой главе я говорил лишь о бактериях, но существует два домена одноклеточных организмов без ядра, которые поэтому называют прокариотами (“доядерными”). Эти группы – бактерии и археи (не путать с архезоями). Я могу лишь извиниться за путаницу. Научная терминология иногда выглядит так, будто придумана специально для того, чтобы никто ничего не понял. Запомните: археи и бактерии – это прокариоты и не имеют ядра, а архезои – примитивные эукариоты, у которых имеется ядро. На самом деле архей до сих пор иногда называют архебактериями – “древними бактериями”, в противоположность эубактериям, “настоящим бактериям”, так что представителей обеих групп можно вполне законно называть бактериями. Для простоты я продолжу использовать термин “бактерии” для обозначения обеих этих групп, за исключением случаев, когда придется подчеркнуть важные различия двух доменов[14].

Указанные два домена – бактерии и археи – в высшей степени различны в отношении генетики и биохимии, однако морфологически почти не отличаются друг от друга. Организмы, принадлежащие к обеим группам – это маленькие простые клетки, не имеющие ядра и многих других эукариотических черт, характеризующих “сложную” жизнь. Ни одной из этих групп, несмотря на поразительное генетическое разнообразие и биохимическую пластичность, не удалось выработать сложную морфологию. Это обстоятельство можно расценивать так, будто существует некий внутренний физический запрет, не позволяющий прокариотам достичь сложности, а эукариоты его каким-либо образом обошли. В гл. 5 я покажу, что эта преграда была устранена в результате редчайшего события: единичного эндосимбиоза двух прокариот. А пока отметим, что некий запрет вынуждал оба домена прокариот (и бактерий, и архей) оставаться простыми в морфологическом отношении непостижимо долгие 4 млрд лет. Только эукариотам удалось открыть мир сложности, а вступили они в него в результате стремительного лавинообразного развития – монофилетической радиации. Она подразумевает, что эукариоты освободились от всех структурных ограничений, которые только могли им мешать. Судя по всему, это случилось лишь однажды: все эукариоты родственны друг другу[15].

Это и есть новый взгляд на историю развития жизни. Здесь она изложена очень кратко. Древняя Земля не слишком отличалась от нашей: она была покрыта водой, обладала умеренным климатом и атмосферой, состоящей главным образом из азота и углекислого газа. В то время в составе атмосферы было мало подходящих для органической химии газов, например водорода, метана и аммиака. Это исключает идею “первичного бульона”. Так или иначе, жизнь возникла настолько рано, насколько это вообще возможно. Бактерии на протяжении 2 млрд лет изменяли облик земного шара, преобразуя океаны, атмосферу и континенты. Они становились причиной климатических катастроф – Земля раз за разом покрывалась льдами, а затем оттаивала вновь. Они отравили мир, наполнив химически активным кислородом атмосферу и океаны. И все же за все это время ни бактерии, ни археи не превратились во что-либо иное – они упрямо сохраняли простоту своего строения и образа жизни. В эти бесконечные 4 млрд лет, полные перемен, происходивших и с условиями, и со средой, бактерии изменяли свои гены и биохимию, но никогда – свою форму. Они так и не дали начало более сложным формам жизни – кроме одного-единственного раза, – таким, которые мы надеемся найти на других планетах.

Единственный раз, здесь, на Земле, бактерии дали начало эукариотам. Нет ни палеонтологических, ни филогенетических данных, указывающих на то, что сложная жизнь возникала неоднократно и выжила лишь одна группа: эукариоты. Напротив, то, что эукариоты – монофилетическая группа, наводит на мысль, что их появление было продиктовано необходимостью избавиться от внутренних физических ограничений, которые никак не помогали в периоды экологических потрясений, например во время Великого кислородного события. В части III этой книги мы увидим, какими могли быть ограничения. А сейчас заметим, что любой заслуживающий внимания рассказ на эту тему должен содержать объяснение, почему сложная жизнь возникла лишь однажды. Наше объяснение достаточно убедительно для того, чтобы в него можно было поверить – но недостаточно убедительно для того, чтобы перестать задаваться вопросом, почему это не происходило многократно. Любая попытка объяснить причину уникального события упирается в счастливую случайность. Как мы можем подтвердить то или иное предположение? Само событие мы, конечно, не можем наблюдать непосредственно, но оно могло оставить следы. Как только оковы “бактериальности” были сброшены, эукариоты приобрели удивительную сложность и морфологическое многообразие. Путь наращивания сложности вовсе не был прямым и простым: эукариоты приобрели целый ряд черт (от полового размножения и старения до видообразования), ни одна из которых не встречалась у бактерий или архей. Все эти древнейшие эукариотические черты объединились в единственном и неповторимом общем предке. Мы не знаем переходных форм между морфологической простотой бактерий и чрезвычайной сложностью общего предка, никаких существ, которые могли бы заполнить эту пропасть. Это открывает перед нами захватывающие перспективы: главные вопросы биологии еще предстоит решить! Содержат ли эти черты нечто, что позволило бы понять, как они эволюционировали? Я думаю, да.

Эта загадка возвращает нас к вопросу, поставленному в начале главы. В какой степени, исходя из базовых принципов, можно предсказать свойства жизни и ход ее истории? Я предположил, что жизнь подчиняется таким ограничивающим факторам, которые непросто объяснить с точки зрения генетики, истории и экологии. Идею рассматривать жизнь исключительно в информационном ключе я не поддерживаю, так как этот взгляд не позволяет предсказать ни единого эпизода этой непостижимой истории. Почему жизнь зародилась так рано? Почему она на миллиарды лет застыла на одном уровне морфологической сложности? Почему изменения условий и среды столь мало повлияли на бактерий и архей? Почему сложная жизнь за 4 млрд лет появилась лишь однажды? Почему прокариоты вновь и вновь не порождают новые, более сложные клетки и организмы? Почему этого даже иногда не происходит? Почему свойственные эукариотам специфические черты, например половое размножение, наличие ядра и способность к фагоцитозу, не возникают у бактерий или архей? Почему эукариоты обладают всеми этими чертами?

Если жизнь сводится к информации, то эти вопросы – глубочайшие тайны. Я не верю, что на них можно найти ответ, опираясь исключительно на информацию. Возникновение причудливых особенностей жизни пришлось бы списать на случайность, дело рук беспечной и безжалостной Фортуны. Мы бы не имели возможности предсказывать свойства живого на других планетах. Все же вышло так, что ДНК, будто бы обещающая дать ответ на любой вопрос, заставила нас забыть о втором центральном принципе, который выдвинул Шредингер: жизнь сопротивляется энтропии. В своей книге “Что такое жизнь?” Шредингер заметил, что, если бы сочинял книгу для физиков, то должен был бы вместо термина “энтропия” использовать другой термин: “свободная энергия”.

Слово “свободная” здесь имеет специфическое значение, которое мы обсудим в следующей главе. Сейчас скажу лишь, что энергия – это как раз то, чего не хватает в этой главе и, как верно заметил Шредингер, в его книге. Ее знаменитое заглавие представляет собой неправильно поставленный вопрос. Если учесть, что жизнь – это процесс, требующий активного участия, то есть энергии, вопрос станет гораздо содержательнее: “Что значит жить?” Но оставим Шредингера в покое. Когда он писал свою книгу, о биологическом потоке энергии было известно очень мало. Сейчас мы знаем, как это устроено, вплоть до атомного уровня. Оказывается, сложные механизмы получения энергии являются общими для всех организмов – так же, как является общим для всех генетический код. Этими механизмами определяются действующие на клетки фундаментальные структурные ограничения. Но мы не знаем ни того, как они возникли, ни того, как именно биологическая энергия ограничивала и направляла развитие жизни. Это и есть вопрос, которому посвящена книга.

Они хладнокровные и расчетливые убийцы. Они совершенствовали свои навыки много миллионов поколений. Они перемещаются по организму, с легкостью обманывая иммунную систему. Распознавая и связывая белки на поверхности клеток, они силой или обманом получают доступ к сокровенному содержимому. Они могут безнаказанно угнездиться в ядре клетки, даже в клеточном геноме, и таиться там долгие годы. В других случаях они приступают сразу к делу: подчиняют себе биохимические процессы клетки, заставляя ее производить тысячи таких же убийц, облаченных в маскировочные костюмы из белков и липидов. Когда множество убийц-клонов выходит наружу, каждый из них готов внедриться в новую клетку и запустить цикл разрушения. Они способны убить человека, разрушая одну клетку тела за другой; могут вызывать эпидемии; способны в одночасье сделать безжизненными сотни миль океанских вод. При этом большинство биологов даже не считает их живыми. Впрочем, вирусам нет дела до того, как именно их классифицируют.

Почему вирусы можно считать неживыми? Потому что у них нет собственного метаболизма, их единственный источник энергии – ресурсы клетки-хозяина. Является ли метаболическая активность неотъемлемым признаком жизни?[16] Принято считать, что да. Но почему? Среда обитания вируса – это внутреннее содержимое клетки, он пользуется ее ресурсами для самовоспроизведения. Но ведь мы и сами, по сути, делаем то же самое – поедаем других животных и растения, дышим кислородом. Если человек отгородится от окружающей среды – например надев на голову полиэтиленовый пакет, – то через несколько минут погибнет. Так что мы паразитируем, как и вирусы. То же самое относится к растениям. Растения необходимы нам так же, как и мы – им. Чтобы фотосинтезировать и расти, им нужны солнечный свет, вода и углекислый газ (CO₂). Растения не способны расти в отсутствие CO₂, в темных пещерах и безводных пустынях. Они не испытывают недостатка в CO₂ благодаря животным, грибам и бактериям, которые непрерывно разлагают органику, в конечном счете превращая ее в атмосферный CO₂. Кроме того, мы обогащаем атмосферу углекислым газом, сжигая ископаемое топливо. Хотя это может привести к ужасным последствиям для планеты, для растений это благо: чем больше СО₂, тем быстрее они растут. Так что растения паразитируют, как и мы, на окружающей среде.

Увиденные с этой точки зрения растения и животные отличаются от вирусов лишь тем, что живут в несколько менее питательной среде. Вирусы кормятся внутренностями клеток, а в клетке сытнее и уютнее, чем в утробе матери: там есть почти все, что только можно пожелать. Поэтому вирусы могут позволить себе вступить на путь радикального упрощения и стать тем, что Питер Медавар назвал “дурной вестью в белковом конверте” (именно из-за того, что среда обитания вирусов настолько удобна). Другая крайность – это растения, способные жить почти везде, где есть вода, свет и воздух. Им пришлось приобрести чрезвычайно сложное внутреннее строение для того, чтобы выживать в столь суровых условиях. С точки зрения биохимии, растения в прямом смысле способны добыть из воздуха все, что им нужно[17]. Мы с вами где-то посередине. Кроме питательных веществ, в нашей пище должны присутствовать некоторые витамины, без которых у нас развиваются опасные болезни, например цинга. Мы не способны самостоятельно производить витамины из их простых предшественников, поскольку утратили соответствующие предковые биохимические процессы. Без внешнего источника витаминов мы оказались бы в положении вируса, который не нашел клетку-хозяина.

Так что все организмы зависимы от среды обитания. Вопрос лишь в том, насколько сильна эта зависимость. Даже самые простые вирусы превосходят по сложности мобильные генетические элементы, например ретротранспозоны – “прыгающие гены”. Мобильные генетические элементы лишь распространяют свои копии по всему геному, никогда не покидая клетки-хозяина. Некоторые плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК, кодирующие небольшое число генов, независимые от остального генома, – способны непосредственно передаваться от одной бактерии к другой через специальные межклеточные контакты, не соприкасаясь с внешней средой. Вирусы, ретротранспозоны и плазмиды объединяет способность направлять ресурсы среды обитания на создание собственных копий. Так являются ли они живыми? Правильнее всего ответить так: пытаться провести границу между живым и неживым – бессмысленно. Они плавно переходят друг в друга. Большинство определений жизни относится к живым организмам и не учитывает их паразитов. Вот определение, которое дает НАСА: жизнь – это “самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции”. Соответствуют ли вирусы этому определению? Скорее нет – хотя это зависит от того, что мы понимаем под “самоподдерживающаяся”. В любом случае это определение не подчеркивает неразрывность жизни и среды обитания. Среда воспринимается априори как нечто отдельное от жизни, но мы увидим, что это не так: жизненные формы и среда их обитания всегда связаны.

Что происходит с живыми организмами, отрезанными от среды обитания? Например, мы умираем, поскольку другого выбора у нас нет. Но это не единственно возможное развитие событий. Вирусы не разрушаются и не “умирают”, будучи отрезанными от ресурсов клетки-хозяина – для них это естественное положение вещей. В миллилитре морской воды на каждую бактерию приходится по десятку вирусов, готовых в любой момент “ожить”. По своей устойчивости вирусы напоминают бактериальные споры, которые способны на долгие годы впадать в анабиоз. Споры сохраняют жизнеспособность, пролежав тысячи лет в вечной мерзлоте, они выживают даже в открытом космосе. При этом у них останавливается метаболизм. Семена растений и некоторые животные, например тихоходки, также способны (без пищи и воды) выдерживать экстремальные условия – и полное высушивание, и радиацию, в тысячи раз превышающую летальную дозу для человека, и давление в океанских глубинах, и космический вакуум.

Почему споры бактерий, тела вирусов и тихоходок не рассыпаются в прах, как предписывает им второе начало термодинамики? Конечно, если прицельно выжечь их космическими лучами или переехать автобусом, им придет конец – но в целом они очень устойчивы, когда впадают в анабиоз. Это может прояснить для нас разницу между “жизнью” и тем, что значит “жить”. Хотя споры фактически не проявляют признаков жизни, большинство ученых все же относит их к живым организмам, поскольку они способны оживать. Буквально так: они могут ожить, следовательно, они не мертвы. Тогда я не вижу причин, почему мы не можем сказать то же самое о вирусах: попадая в подходящую среду, они также оживают. То же самое относится к тихоходкам. Термин “жизнь” относится к структуре организма (которая в основном определяется генами и эволюционным процессом), а “жить” – к взаимодействию организма со средой обитания. Мы знаем чрезвычайно много о том, как гены кодируют клеточные компоненты, но почти ничего – о том, как физические ограничения определяют структуру и ход эволюции клеток.

Второе начало термодинамики гласит, что энтропия – мера хаоса – всегда возрастает. Поэтому, на первый взгляд, странно, что вирусы и бактериальные споры так устойчивы. У энтропии, в отличие от жизни, есть строгое определение, и ее даже можно измерить – в Дж/(моль·К). Проведем мысленный эксперимент: возьмем спору, раздробим ее на молекулы и посмотрим, как изменится энтропия. Мы, конечно, ожидаем, что она должна возрасти. То, что было прекрасной упорядоченной системой, способной вернуться к жизни, попав в подходящие условия, превратилось в случайный нефункциональный набор обломков, энтропия которого по определению высока. Но все не так! Согласно измерениям биофизика Теда Бэттли, энтропия почти не изменится. Это объясняется тем, что мы должны учитывать не только изменение энтропии самой споры, но и изменение энтропии окружающей среды.

Спора состоит из взаимодействующих частиц, плотно прилегающих друг к другу. Энергия межмолекулярных взаимодействий отделяет липидные (то есть жировые) мембраны от воды. Если приготовить смесь липидов с водой, хорошенько ее потрясти и дать отстояться, липиды начнут самопроизвольно собираться в тонкие двухслойные мембраны, а те, в свою очередь, будут формировать пузырьки: наиболее стабильное состояние системы (рис. 7). По той же причине нефть в океане образует тонкую пленку, способную затянуть сотни квадратных километров водной поверхности и вызвать экологическую катастрофу. Нефть не смешивается с водой: из-за сил притяжения и отталкивания молекулы нефти и воды предпочитают взаимодействовать с себе подобными, а не друг с другом. Белки ведут себя похоже. Белки с большим количеством электрических зарядов хорошо растворяются в воде, а незаряженные белки гораздо легче взаимодействуют с жирами: такие белки называют гидрофобными, “боящимися воды”. При слипании молекул масла и при растворении заряженных белков в воде выделяется энергия: так система приходит в наиболее стабильное низкоэнергетическое состояние. Энергия выделяется в форме тепла, а оно не что иное, как беспорядочное движение молекул. Чем больше выделяется тепла, тем быстрее движутся молекулы, тем менее они упорядочены и тем выше энтропия. Следовательно, при разделении смеси воды и масла энтропия увеличивается – за счет выделяющегося тепла. Поэтому, если рассматривать общую энтропию системы, энтропия упорядоченной липидной мембраны, покрывающей клетку, выше энтропии случайной смеси молекул, хоть первая и выглядит более упорядоченной[18].

Рис. 7. Строение липидной мембраны.

Оригинальная жидкостно-мозаичная модель липидного бислоя, предложенная Сингером и Николсоном в 1972. Белки плавают в липидном море. Некоторые погружены частично, другие пронизывают мембрану насквозь. Липиды состоят из гидрофильных головок (обычно это фосфоглицерат) и гидрофобных хвостов. У бактерий и эукариот хвосты образованы жирными кислотами. Мембрана организована в виде бислоя: гидрофильные головки взаимодействуют с водным содержимым цитоплазмы и с внешней средой, а гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и соприкасаются лишь друг с другом. Это низкоэнергетическое, “комфортное” состояние: несмотря на то, что эта структура выглядит упорядоченной, формирование липидного бислоя повышает общую энтропию за счет выделения в окружающую среду энергии в виде тепла.

Если раздробить спору, общая энтропия мало изменится: хотя сама спора после дробления становится менее упорядоченной, энергия ее частей повышается. Жиры смешиваются с водой, в тесном соседстве оказываются не смешиваемые друг с другом белки. Поддержание этого физически “некомфортного” состояния энергозатратно. Физически комфортное состояние предполагает выделение энергии в виде тепла в окружающую среду, с системами в физически “некомфортном” состоянии дело обстоит наоборот. Такая система должна поглощать энергию из среды, охлаждая ее и понижая ее энтропию. Писатели в жанре хоррор точно выразили суть этого процесса в леденящих душу сюжетах. Призраки, полтергейсты и дементоры замораживают все вокруг, высасывая энергию для поддержания своего противоестественного существования.

Если при рассмотрении случая со спорой учесть все это, получается, что общая энтропия едва изменится. На молекулярном уровне структура полимеров соответствует локальному минимуму энергии. Избыток энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла, повышая ее энтропию. В естественных условиях белки сворачиваются, принимая форму с максимально низким возможным уровнем энергии. Их гидрофобные части спрятаны глубоко внутри, как можно дальше от воды. Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга: положительные заряды удерживаются на месте благодаря тому, что они уравновешены отрицательными, это стабилизирует трехмерную структуру белка. Таким образом, белки самопроизвольно сворачиваются, принимая определенную форму, пусть не всегда оптимальную. Прионы – это совершенно нормальные белки, способные спонтанно перестраиваться в квазикристаллические структуры, которые затем инициируют образование новых прионов. Общая энтропия при этом меняется незначительно. У белка может быть несколько стабильных форм, из которых лишь одна полезна для клетки, но в отношении энтропии эти формы мало различаются. Наверное, самое удивительное то, что общая энтропия беспорядочной смеси аминокислот (“строительных блоков” белков) очень незначительно отличается от общей энтропии аккуратно уложенного белка. Когда белок разворачивается, это возвращает его к состоянию, больше похожему на смесь аминокислот, и повышает его энтропию. Но при этом гидрофобные аминокислоты оказываются в воде, и белок, находясь в таком физически некомфортном состоянии, начинает высасывать энергию из внешней среды, охлаждая ее (можно назвать это “эффектом полтергейста”). Казалось бы, живые системы должны обладать низкой энтропией – ведь они более упорядочены, чем смесь аминокислот. Но эта идея не совсем верна.

Об этом и говорил Эрвин Шредингер, когда утверждал, что живое высасывает отрицательную энтропию из окружающей среды. Он имел в виду, что живое каким-то образом заимствует “упорядоченность” извне. Что ж, даже несмотря на то, что “бульон” из аминокислот может иметь такую же энтропию, как и белок с правильной укладкой, – из этих двух вариантов образование белка менее вероятно и потому требует затрат энергии.

Во-первых, аминокислоты в “бульоне” не будут самопроизвольно соединяться друг с другом. Белки – это цепочки соединенных аминокислот, однако сами по себе аминокислоты не реакционноспособны. Клеткам сначала нужно их активировать. Лишь после этого аминокислоты станут реагировать друг с другом, формируя цепь. При этом выделяется примерно столько же энергии, сколько было затрачено на активацию, и общая энтропия не изменяется. В процессе укладки белка энергия теряется в виде тепла, увеличивая энтропию окружающей среды. Таким образом, между стабильными в равной степени состояниями существует энергетический барьер. Он препятствует и формированию белков, и их распаду. Чтобы разложить белок на составляющие, понадобится энергия (и пищеварительные ферменты). Следует понимать, что склонность органических молекул к взаимодействию с образованием более крупных структур (белков, ДНК или мембран) не загадочней тенденции к формированию крупных кристаллов в остывающей лаве. При наличии достаточного количества реакционноспособных “строительных блоков” образование крупных структур приводит к наиболее стабильному состоянию. Вопрос в том, где взять такие “строительные блоки”.

Это подводит нас ко второй проблеме. Существование “бульона” из аминокислот, пусть активированных, в современных условиях вряд ли возможно: в конце концов он прореагирует с кислородом и превратится в смесь углекислого газа, азота, оксидов серы и паров воды. Иными словами, при образовании аминокислот затрачивается энергия, и эта же энергия выделяется при их разложении. Поэтому-то мы способны некоторое время жить без пищи, расщепляя белки наших мышц и используя их в качестве топлива. Эта энергия не извлекается из самого белка, а выделяется при “сжигании” аминокислот, входящих в его состав. Таким образом, семена, споры и вирусы не очень стабильны в современном мире, наполненном кислородом. Их компоненты будут медленно, но непрерывно окисляться. В итоге их структуры и функции окажутся нарушенными, и они не смогут вернуться к жизни, попав в подходящие условия. Так умирают семена. Но измените состав атмосферы, уберите из нее кислород – и они останутся нетленными[19]. Из-за того, что живые организмы не находятся в равновесии с насыщенной кислородом средой, они склонны окисляться, если не защищать их специально. (Впрочем, в следующей главе мы увидим, что это не всегда так.)

В обычных условиях (в присутствии кислорода) образование аминокислот и других “строительных блоков”, например нуклеотидов, требует энергии. Чтобы объединять их в ДНК, белки и другие полимеры, также нужна энергия, несмотря на то, что разница в энтропии невелика. В этом и состоит жизнь: создание новых компонентов и их объединение, рост и размножение. Рост означает еще и активный транспорт материалов вовнутрь и наружу клетки. Все эти процессы нуждаются в непрерывном потоке энергии: Шредингер называл это “свободной энергией”. Вот уравнение, на которое он опирался. Это достаточно простое уравнение связывает энтропию и тепло со свободной энергией:

В чем здесь смысл? Греческая буква дельта (∆) означает изменение. ∆G – это изменение свободной энергии Гиббса (названной так в честь великого американского физика-затворника XIX века Дж. Уилларда Гиббса), которая может “свободно” обеспечивать в клетке механическую работу – например мышечное сокращение. ∆H – это тепло, которое выделяется в окружающую среду и повышает ее энтропию. Реакция, в ходе которой во внешнюю среду выделяется тепло, должна вызывать охлаждение самой системы, потому что после реакции в ней становится меньше энергии. Таким образом, если из системы уходит тепло, то ∆H системы приобретает отрицательный знак. T – это температура. Вклад теплового эффекта в разных температурных условиях отличается. Высвобождение фиксированного количества тепла в холодную среду имеет больший эффект, чем выделение такого же количества тепла в теплую среду. Наконец, ∆S – это изменение энтропии системы. Оно имеет отрицательный знак, если энтропия системы снижается – и положительный, если энтропия повышается и система становится более хаотичной.

Свободная энергия ∆G любой самопроизвольной реакции отрицательна. Это верно для всех реакций, обеспечивающих жизнь. То есть реакция будет самопроизвольно идти, только если ∆G отрицательна. Из уравнения следует, что ∆G принимает отрицательные значения (реакция протекает самопроизвольно) либо когда в системе увеличивается энтропия, либо когда система теряет тепло, либо то и другое вместе. Это значит, что локальная энтропия может снижаться до тех пор, пока ∆H это компенсирует (это означает выделение большого количества тепла в окружающее пространство). А главное вот что: чтобы обеспечивать рост и размножение, некоторые реакции должны непрерывно выделять тепло в окружающую среду, разупорядочивая ее. Вспомните о звездах. Они платят за свое упорядоченное существование, отдавая Вселенной огромную энергию. Мы и сами платим за свое непрерывное существование теплом, которое высвобождается в результате непрерывно протекающей реакции дыхания. Мы постоянно окисляем пищу кислородом, нагревая окружающее пространство. Потеря тепла – не побочный эффект, а совершенно необходимый для поддержания жизни процесс. Чем больше потеря тепла, тем выше доступный уровень сложности[20].

Все процессы в живой клетке самопроизвольны. Они запустятся, если дать им правильную стартовую точку. Их ∆G всегда отрицательна. В отношении энергии это похоже на катание с горы. Но это означает, что стартовая точка должна находиться очень высоко. Чтобы получился белок, должно произойти событие с низкой вероятностью: в одном месте должно скопиться достаточное количество активированных аминокислот. Тогда они начнут объединяться в цепи, формируя белок с определенной укладкой. Выделение энергии при этом процессе будет повышать энтропию окружающей среды. Даже активированные аминокислоты будут образовываться самопроизвольно, если есть достаточное количество подходящих реакционноспособных предшественников. И эти предшественники также образуются самопроизвольно, если находятся в среде с высокой реакционной способностью. Таким образом, энергия для роста появляется из высокоэнергетичных компонентов среды, которые непрерывно поступают в живые клетки (в нашем случае в форме пищи и кислорода, в случае растений – в виде света). Живые клетки используют этот непрерывный поток энергии, чтобы, сопротивляясь распаду, расти. Они делают это при помощи хитроумных структур, частично программируемых генами. Но какими бы ни были эти структуры, они сами – результат роста и размножения, естественного отбора и эволюции, и ни один из этих процессов невозможен в отсутствие непрерывного притока энергии извне.

Организмам требуется неимоверно много энергии, чтобы жить. Энергетическая “валюта”, которая в ходу у клеток, называется аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ работает как монета, которую кидают в игровой автомат. Она заставляет автомат сработать один раз, после чего он выключается. В случае АТФ роль такой машины, как правило, играет белок. АТФ обеспечивает переход из одной стабильной конформации в другую – как бы щелкает переключателем. Чтобы вернуть белок в исходное состояние, требуется снова затратить АТФ – как и в ситуации с автоматом: чтобы его запустить, придется скормить еще одну монетку. Представьте живую клетку в виде огромной галереи игровых автоматов, где работают белковые машины, приводимые в действие монетками-АТФ. Одна клетка ежесекундно расходует около 10 млн молекул АТФ! В человеческом теле около 40 триллионов клеток, а ежедневный суммарный оборот АТФ составляет 60–100 килограммов (это примерно соответствует массе целого организма). В действительности в нашем теле содержится около 60 граммов АТФ, из чего следует, что каждая молекула АТФ перезаряжается один или два раза в минуту.

Что это значит – перезаряжается? При расщеплении АТФ выделяется свободная энергия, которая делает ∆G конформационного перехода отрицательной. АТФ, как правило, распадается на два неравных фрагмента: АДФ (аденозиндифосфат) и неорганический фосфат (PO₄^3-) – тот самый фосфат, который входит в состав удобрений и обозначается Ф_н. Чтобы вновь получить АТФ из АДФ и фосфата, нужно затратить энергию. Для этого используется энергия, которая высвобождается в ходе окисления питательных веществ кислородом. Так это и происходит. Этот бесконечный цикл можно записать в виде простой формулы:

Так устроены не только мы, люди. Бактерии, например Escherichia coli, способны делиться каждые 20 минут. Чтобы расти, E. coli тратит на каждое деление около 50 млрд АТФ. По массе это в 50–100 раз больше массы отдельной клетки и четырехкратно превосходит наш собственный темп синтеза АТФ. Переведите эти цифры в единицы мощности – ватты – и увидите, что это просто невероятные величины. Мы используем примерно 2 милливатта энергии на 1 г тела – 130 Вт на одного среднего человека весом 65 кг (это чуть больше, чем стандартная лампочка в 100 Вт). В пересчете на 1 г это в 10 тыс. раз больше, чем у Солнца (небольшая часть которого в настоящий момент подвергается ядерному распаду). Жизнь больше похожа на ракету, чем на свечу.

Теоретически жизнь не представляет собой ничего мистического: она не противоречит ни одному закону природы. Ежесекундно клетки пропускают сквозь себя астрономическое количество энергии, но на Землю ее поступает во много раз больше – в виде солнечного света (потому что Солнце не в пример крупнее, хотя его мощность в пересчете на грамм вещества меньше). Поскольку доля этой энергии доступна для обеспечения биохимических процессов, можно подумать, что жизнь может быть реализована почти любым возможным образом. Как и в случае с генетической информацией, по-видимому, нет никаких фундаментальных ограничений касательно того, как можно использовать энергию – лишь бы она имелась в достаточном количестве. Тем удивительнее, что жизнь на Земле оказывается очень стесненной.

Есть два неожиданных аспекта использования энергии живыми организмами. Во-первых, клетки получают энергию за счет химических реакций лишь одного типа: окислительно-восстановительных. (Или – редокс-реакций: от англ. reduction – восстановление и oxidation – окисление.) Это просто перенос электронов от донора к акцептору. Когда донор отдает электроны, говорят, что он окисляется. Именно это происходит с такими веществами, как железо, когда они реагируют с кислородом: железо отдает электроны кислороду, окисляясь и превращаясь в ржавчину. Про вещество, которое принимает электроны (в этом случае кислород), говорят, что оно восстанавливается. В ходе дыхания или горения кислород (O₂) восстанавливается до воды (H₂O), так как каждый атом кислорода принимает два электрона (становится O^2-) и два протона, которые компенсируют заряд. Реакция идет, потому что в процессе высвобождается энергия в виде тепла и повышается энтропия. Все химические реакции в конечном счете повышают температуру среды и уменьшают энергию самой системы. Реакция железа или питательных веществ с кислородом служит отличным примером этого правила. В ходе них выделяется большое количество энергии (как если бы они горели в огне). При дыхании часть энергии, выделяющейся в реакции, запасается в форме АТФ, пусть и ненадолго: до тех пор, пока АТФ не распадется снова. Расщепляясь, АТФ отдает в форме тепла оставшуюся энергию, которая заключена в связи АДФ – Ф_н. По сути, дыхание и горение – это одно и то же, но в пламени все сгорает моментально, а в ходе дыхания – несколько медленней. Эту небольшую задержку мы и называем жизнью.

Из-за того, что электроны и протоны обычно (но не всегда) объединяются друг с другом, восстановление иногда определяют как перенос атома водорода. Но чтобы разобраться в окислительно-восстановительных процессах, для начала следует сосредоточиться на электронах. Последовательность окислительно-восстановительных реакций сводится к путешествию электрона по цепи связанных друг с другом переносчиков. (Не слишком отличается от течения тока по проводам.) Именно это происходит при дыхании. Электроны от питательных веществ переходят на кислород не сразу (как при горении, когда энергия выделяется вся и сразу), а в несколько стадий, прыгая с одного переносчика на другой, будто с кочки на кочку. Обычно “кочками” служат ионы железа (Fe³⁺), встроенные в белки дыхательной цепи. Как правило, ион железа входит в состав неорганической кристаллической структуры, которая называется железосерным кластером (рис. 8). С одного кластера электрон перепрыгивает на другой, очень похожий, но с чуть более высоким сродством к электрону (более “жадного”). Когда электрон передается от одного кластера к другому, каждый раз сначала происходит восстановление (принимая электрон, Fe³⁺ восстанавливается до Fe²⁺), а затем окисление (потеря электрона и обратный переход в Fe³⁺). Наконец, совершив пятнадцать или больше прыжков, электрон достигает кислорода. На первый взгляд, у фотосинтеза у растений и дыхания у животных мало общего, однако в главном они совпадают. В основе обоих процессов лежит перенос электрона по “дыхательным цепям”. Почему? Жизнь могла бы существовать за счет тепловой или механической энергии, радиоактивного или ультрафиолетового излучения, или электрических разрядов. Число вариантов ограничено лишь вашим воображением. Но нет: все живое существует благодаря окислительно-восстановительным реакциям, которые происходят на удивительно сходных дыхательных цепях.

Второй неожиданный аспект использования энергии живыми организмами – это хитроумный механизм хранения энергии в химических связях АТФ. Живые организмы синтезируют АТФ не непосредственно, а путем создания протонных градиентов на тонких мембранах[21]. Вскоре мы дойдем до объяснения, что это означает и как работает. А пока вспомним, что о существовании такого странного механизма никто долго и помыслить не мог (по словам молекулярного биолога Лесли Оргела, это “самая парадоксальная идея со времен Дарвина”). На сегодняшний день до мельчайших деталей изучены молекулярные механизмы создания и поддержания протонных градиентов. Мы знаем, что все живое на Земле использует протонные градиенты – это такая же неотъемлемая часть жизни, как ДНК. Но и теперь мы почти ничего не знаем о том, как возник биологический механизм генерации энергии. Какими бы ни были причины – жизнь, похоже, использует поразительно ограниченный и довольно странный набор из всех возможных энергетических механизмов. Каприз истории? Или эти способы настолько лучше прочих, что в конце концов лишь они остались в употреблении? Или же (а вот это интересней) мы имеем дело с единственным возможным вариантом?

Рис. 8. Дыхательный комплекс I.

А. Железосерные кластеры расположены на более или менее одинаковом расстоянии друг от друга (14 ангстрем или меньше). Электроны перескакивают между кластерами путем квантового туннелирования в указанном стрелками направлении. Цифрами обозначено расстояние (в ангстремах) между окислительно-восстановительными центрами (кластерами). Цифры в скобках указывают расстояние от одного края до другого.

Б. Общий вид структуры бактериального комплекса I. Это изображение получено Лео Сазановым при помощи рентгеноструктурного анализа. Вертикальная “рука” переносит электроны от ФМН – места вхождения электронов в дыхательную цепь – на коэнзим Q (убихинон), который перемещает электрон на следующий белковый комплекс. Расположение железосерных кластеров в белке можно увидеть на рисунке А.

В. Комплекс I у млекопитающих, состоящий из тех же субъединиц, что и бактериальный, но частично скрытый под 30 дополнительными субъединицами. (Здесь они показаны как темные тени.) Это изображение получено Джуди Херст при помощи электронной криомикроскопии.

Это прямо сейчас происходит у вас внутри. Представьте, что вы тайно проникли внутрь собственной клетки: скажем, в клетку сердечной мышечной ткани. Она ритмично сокращается благодаря молекулам АТФ, выходящим из множества крупных митохондрий – энергетических станций клетки. А теперь вообразите, что вы уменьшились до размера молекулы АТФ и просочились в белковую пору во внешней мембране митохондрии. Вы в тесном пространстве, похожем на машинное отделение корабля, полном, насколько хватает взгляда, белковых механизмов. Внизу мельтешат сотни маленьких шариков. Они вылетают из белковых машин и через несколько миллисекунд исчезают, а потом появляются новые. Это протоны: положительно заряженные ядра атомов водорода. Все так и пляшет перед глазами. Теперь проберемся сквозь одну из белковых машин в матрикс митохондрии. Там взору открывается потрясающий вид. Вокруг – пещеристое пространство, мягкие стены так и ходят ходуном, а из них торчат гигантские клацающие машины, из которых тянутся нити, как от веретен. Осторожно, берегите голову! Огромные белковые комплексы, глубоко утопленные в стены, лениво переплывают с места на место, как по волнам, но их части движутся с невероятной скоростью. Некоторые ходят ходуном вверх-вниз так быстро, что глаз не может уследить за ними: как поршень парового двигателя. Другие вертятся вокруг своей оси, как пропеллеры, грозя в любой момент оторваться и улететь. Десятки тысяч двигателей неистово жужжат со всех сторон.

Мы глубоко внутри митохондрии, в термодинамическом эпицентре клетки, где осуществляется клеточное дыхание. Водород отрывается от продуктов молекулярного переваривания поглощенной нами пищи и попадает внутрь первого и крупнейшего дыхательного комплекса – комплекса I. Он состоит из 45 белков, и каждый – это цепь из нескольких сотен аминокислот. Вы помните, что вы размером с АТФ? Так вот, комплекс I выглядит как подвижная машина размером с небоскреб, живущая по собственным законам, приводящая в трепет своей сложностью. Электроны отделяются от протонов, попадают в пасть этого огромного комплекса и засасываются внутрь. Далее их путь пролегает глубоко в мембране, и, наконец, они извергаются наружу. Но на этом путь не заканчивается – им приходится еще пройти два огромных белковых комплекса. Все комплексы составляют дыхательную цепь. Каждый имеет несколько окислительно-восстановительных центров (в комплексе I их около 9), в которых электроны на короткое время задерживаются, прыгая с одного центра на другой (рис. 8). На самом деле “прыжки” – скорее туннелирование, некая разновидность “квантовой магии”, благодаря которой электронам удается телепортироваться между центрами: они стремительно пропадают и возникают в другом месте в соответствии с законами квантовой неопределенности. А возникают они, как правило, на следующем по ходу окислительно-восстановительном центре, если только он не слишком далеко. Здесь расстояния измеряются в ангстремах (Å). Один ангстрем примерно соответствует размеру атома[22]. Если расстояние между окислительно-восстановительными центрами – около 14 Å и каждый следующий центр имеет несколько более высокое сродство к электрону, чем предыдущий, то электроны будут прыгать по цепочке, как по кочкам на болоте. Электроны проходят через три гигантских дыхательных комплекса, не замечая их – как и вы не обращали бы особого внимания на болото, прыгая с кочки на кочку. Они стремятся вперед, к кислороду, который притягивает электроны с огромной силой. Это не воздействие на расстоянии – они оказываются на кислороде просто потому, что вероятность нахождения там для них выше, чем в любом другом месте. Это похоже на провод с изоляцией из белков и липидов, по которому идет ток электронов от питательного вещества к кислороду. Добро пожаловать в дыхательную цепь!

Все, что здесь есть, приводится в движение электрическим током. Электроны прыгают вперед, стремясь к кислороду, безразличные к лязгу машин, возвышающихся тут и там, как станки-качалки над нефтяными скважинами. Однако огромные белковые комплексы полны развилок – стрелок, которые могут быть переведены. Когда в окислительно-восстановительном центре белка находится электрон, белок имеет определенную структуру, а когда электрон уходит, структура меняется. Часть белка меняет свое положение, отрицательный заряд уходит, возникает положительный, перестраиваются целые сети слабых связей, и белковая махина за доли секунды меняет свою конформацию. Небольшие изменения в одном месте белка могут повлечь открытие канала в другом месте. Но прибывает другой электрон, и белковая машина возвращается к предыдущему состоянию. Этот процесс повторяется десятки раз в секунду. Структура дыхательных комплексов уже изучена очень подробно, с точностью до нескольких ангстрем, почти в атомном разрешении. Мы знаем, как протоны связываются с иммобилизованными молекулами воды, которые, в свою очередь, удерживаются на месте благодаря зарядам белка. Мы знаем, как молекулы воды смещаются, когда изменяется состояние каналов, и как протоны переходят с одной молекулы воды на другую через динамические мостики, быстро возникающие и исчезающие. Нам известны все превратности их тернистого пути через белок, который сразу после прохождения протона закрывается, предотвращая его обратное движение. Прямо как в приключениях Индианы Джонса, только вместо Храма Судьбы – Белок Судьбы. Эта огромная, очень сложная и подвижная машинерия служит единственной цели: она обеспечивает перемещение протонов с одной стороны мембраны на другую.

На каждую пару электронов, проходящую через первый комплекс дыхательной цепи, приходится четыре протона, которые перебрасываются через мембрану. Затем пара электронов переходит на второй комплекс (вообще-то он называется комплексом III, а комплекс II – это альтернативная точка входа электронов), который переправляет сквозь мембрану еще четыре протона. В недрах последнего грандиозного дыхательного комплекса электроны, сливаясь с кислородом, уходят в нирвану (но не раньше, чем еще два протона переместятся через мембрану). На каждую пару электронов, оторванных от пищи, приходится десять протонов, переправленных на другую сторону мембраны – вот так (рис. 9). Чуть менее половины энергии, выделяющейся в процессе движения электрона к кислороду, сохраняется в форме протонного градиента. Все эти ухищрения, все эти огромные белковые структуры нужны лишь для того, чтобы перекачивать протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану. В одной митохондрии десятки тысяч дыхательных комплексов каждого вида. Одна клетка содержит сотни, даже тысячи митохондрий. Ваши 40 млрд клеток несут по меньшей мере квадриллион митохондрий, а общая площадь поверхности их складчатых мембран составляет около 14 тыс. м² (примерно четыре футбольных поля). Предназначение этих мембран – транспорт протонов. За секунду в нашем теле перекачивается более 10²¹ протонов: во Вселенной примерно столько же звезд.

Рис. 9. Принцип работы митохондрий.

А. Электронная микрофотография митохондрий. Заметны складки внутренней мембраны (кристы), где осуществляется клеточное дыхание.

Б. Схема дыхательной цепи, на которой показаны три встроенных во внутреннюю мембрану главных белковых комплекса. Электроны (e–) входят в цепь слева и передаются на кислород через цепочку из трех больших белковых комплексов. Сначала электроны передаются на комплекс I (рис. 8), затем на комплекс III, а следом – на комплекс IV. Комплекс II (не показан) – это отдельная точка входа электронов в дыхательную цепь. Он передает электроны сразу на комплекс III. Маленькие кружки в толще мембраны – убихиноны, переносящие электроны от комплексов I и II к комплексу III. Белок, заякоренный на поверхности мембраны – цитохром c, переносящий электроны от комплекса III к комплексу IV. Направление потока электронов на кислород показано стрелкой. В ходе транспорта электронов выделяется энергия, за счет которой дыхательные комплексы I, III и IV перебрасывают протоны через мембрану (комплекс II передает электроны, но протоны не перекачивает). На каждую пару электронов, прошедших через ЭТЦ к кислороду, комплексы I и III перекачивают по четыре протона, комплекс IV – два протона. Протоны возвращаются в матрикс через АТФ-синтазу, и за счет выделяющейся энергии происходит синтез АТФ из АДФ и Фн(вправойчастирисунка).

Но это лишь половина их работы. Вторая половина – синтезировать АТФ, используя накопленную энергию[23]. Внутренняя мембрана митохондрий почти непроницаема для протонов – они могут проходить только через особые динамические каналы, которые, пропустив протон, захлопываются. Протоны крошечные (по сути, это ядра атомов водорода, самого малого из атомов), поэтому удержать их – нелегкая задача. Протоны невероятно быстро перемещаются в водной среде, перепрыгивая с молекулы на молекулу, поэтому митохондриальная мембрана должна быть совершенно непроницаема для воды. Кроме того, протоны заряжены – они несут единичный положительный заряд. Поэтому перекачка протонов через непроницаемую для них мембрану приводит, во-первых, к тому, что возникает разность концентраций протонов между двумя сторонами мембраны. Во-вторых, на мембране появляется разность зарядов, потому что снаружи положительных зарядов становится больше, чем внутри. Иными словами, на мембране возникает разность электрохимических потенциалов в 150–200 милливольт. Из-за того, что мембрана очень тонкая (около 6 нанометров), внутри нее появляется чрезвычайно высокая напряженность электрического поля. Если вы снова уменьшитесь до размера молекулы АТФ и попробуете приблизиться к мембране, то сможете в этом убедиться: напряженность там достигает 30 мегавольт на метр – в тысячу раз выше, чем в бытовой электросети. (Почти как у разряда молнии.)

Этот огромный электрический потенциал – протон-движущая сила – приводит в движение АТФ-синтазу: поражающую воображение белковую наномашину (рис. 10). АТФ-синтаза – самый настоящий роторный двигатель, в котором поток протонов вращает коленчатый вал, взаимодействующий с каталитической головкой. За счет энергии этого взаимодействия происходит синтез АТФ. АТФ-синтаза похожа на турбину гидроэлектростанции: мембрана, как плотина, сдерживает напор протонов, которым ничего не остается, как хлынуть через турбину, вращая ротор. Это не поэтическое видение, а точное описание. Впрочем, даже оно не передает удивительной сложности белкового двигателя. Например, до сих пор не вполне ясно, как протоны связываются с погруженным в мембрану участком C-кольца; какие электростатические взаимодействия вращают это кольцо (строго в одном направлении); как кольцо сообщает вращение ротору, вызывая конформационные изменения в каталитической головке, а также как двигаются субъединицы этой головки, захватывая молекулы АДФ, Ф_н и спрессовывая их в молекулу АТФ. Эта наномашина с высочайшим уровнем точности столь совершенна, что ее работа сродни магии. Чем больше мы узнаем о ней, тем больше она удивляет. Некоторые даже видят в ее совершенстве доказательство существования Бога. Я считаю “чудо” результатом естественного отбора. В любом случае это, несомненно, одна из самых удивительных природных машин.

На каждые десять протонов, прошедших через АТФ-синтазу, ротор делает один полный оборот, и в матрикс высвобождается три новообразованных молекулы АТФ. Ротор может совершать более сотни оборотов в секунду. АТФ называют энергетической “валютой” жизни. АТФ-синтаза и протон-движущая сила – это также универсальные и консервативные признаки жизни. АТФ-синтаза имеется у всех бактерий, архей и эукариот (то есть во всех трех доменах жизни), за исключением небольшого числа организмов, полностью перешедших на брожение. Протонный градиент и АТФ-синтаза универсальны, как и генетический код. В моей книге АТФ-синтаза – это такой же символ жизни, как двойная спираль ДНК. Я надеюсь, что она станет таким символом и для вас.

Рис. 10. Структура АТФ-синтазы.

АТФ-синтаза – удивительный роторный двигатель, погруженный своим основанием в мембрану (внизу). Этот прекрасный рисунок Дэвида Гудселла выполнен с соблюдением пропорций, и мы можем оценить относительные размеры молекул АТФ и протонов в сравнении с белком и толщиной мембраны. Поток протонов, проходя через мембранную субъединицу (показана стрелкой), вращает встроенный в мембрану F_О – ротор и прикрепленный к нему вал (стебелек). (Вращение показано стрелкой.) Вращение вала вызывает конформационные изменения в каталитической головке (субъединице F₁), за счет которых осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфат-ионов. Сама головка не вращается, поскольку зафиксирована статором: торчащим слева жестким стержнем. Протоны изображены снизу от мембраны в форме ионов гидроксония (H₃O⁺), то есть связанными с водой.

Концепцию протон-движущей силы предложил Питер Митчелл – один из самых тихих ученых-революционеров XX века. Я называю его “тихим” лишь из-за того, что область его научных изысканий – биоэнергетика – была и остается тихой заводью в бурлящем мире науки, завороженном величием ДНК. Повальное увлечение ДНК началось в 50-х годах ХХ века в Кембридже, с работ Крика и Уотсона. Митчелл был их современником. В 1978 году он также получил Нобелевскую премию, но его идеи были восприняты совсем не так легко, как идея двойной спирали, о которой Уотсон справедливо заметил, что она “настолько проста, что не могла не оказаться верной”. Идеи Митчелла были настолько непросты, что, казалось, идут вразрез со здравым смыслом. Сам по себе Митчелл был абсолютно невыносим, неутомим в споре и невероятно прекрасен (именно в этом порядке). В начале 60-х годов он из-за язвенной болезни желудка был вынужден уйти из Эдинбургского университета – вскоре после того, как опубликовал свою “хемиосмотическую теорию” (она была напечатана в “Нейчур”, как и знаменитая статья Уотсона и Крика). Термин “хемиосмос” Митчелл применил к транспорту протонов через мембрану. Примечательно, что он использовал греческое слово “осмотический” в исходном значении – буквально “проталкивающий” (чаще осмосом называют прохождение воды через полупроницаемую мембрану). Дыхательные комплексы в ходе окислительно-восстановительных реакций проталкивают протоны через тонкую мембрану против градиента концентрации.

За счет частных средств Митчелл за два года превратил в лабораторию старинный особняк неподалеку от Бодмина в Корнуолле и в 1965 году открыл там Глинновский институт. Следующие двадцать лет Митчелл и несколько других видных биоэнергетиков занимались проверкой хемиосмотической гипотезы. Взаимоотношения этих ученых не были простыми. Этот период вошел в историю биологии под названием войн из-за окислительного фосфорилирования (ox phos wars). Окислительное фосфорилирование – это механизм, сопрягающий передачу электронов на кислород с синтезом АТФ. Сейчас трудно представить, но факты, которым я посвятил несколько последних страниц, не были известны до 70-х годов. Многие из них до сих пор активно исследуются[24].

Почему идеи Митчелла вызвали такое недоверие? Отчасти потому, что они были совершенно неочевидными. То ли дело – структура ДНК, абсолютно логичная и приводящая в восторг своей красотой: две цепи служат друг для друга матрицами, а последовательность азотистых оснований кодирует аминокислотную последовательность белка. На этом фоне хемиосмотическая гипотеза смотрелась довольно дико, а в исполнении Митчелла ее вообще можно было принять за бред душевнобольного. Мы знаем, что жизнь, по сути, – это ряд химических реакций. Чтобы получить АТФ, нужно лишь перенести активированный фосфат с некоего интермедиата на АДФ. Реакционноспособных интермедиатов в клетке очень много, и задача заключалась в том, чтобы найти среди них нужный. Вернее, именно таким образом ученые рассуждали несколько десятков лет. А потом явился Митчелл. Он писал уравнения, которые никто не мог понять, утверждал, что дыхание не сводится к химическим процессам и что интермедиата, который так упорно ищут, вообще не существует, а механизм, сопрягающий транспорт электронов и синтез АТФ, в действительности представляет собой градиент протонов на непроницаемой для них мембране – протон-движущую силу. Неудивительно, что он приводил коллег в бешенство!

Это уже стало легендой, примером того, что наука может развиваться в абсолютно непредсказуемом направлении. В теории научных революций Томаса Куна это называется “сменой парадигм”. Сейчас, когда хемиосмос описан в любом учебнике биохимии, все считают его самим собой разумеющимся. Структуры всех компонентов дыхательной цепи были определены с атомным разрешением. За открытие структуры АТФ-синтазы Джон Уокер в 1997 году получил Нобелевскую премию. Определение структуры комплекса I было еще более сложной задачей. Знания углубляются, хотя со стороны это больше похоже на увязание в деталях. Кажется, что в биоэнергетике уже не может быть никаких революционных открытий, сопоставимых с открытием Митчелла. И это до смешного странно, поскольку сам Митчелл думал не о деталях процесса дыхания, а о другой, куда более простой и фундаментальной проблеме: как клеткам (он рассматривал бактерий) удается сохранять постоянство своей внутренней среды? С самого начала он считал, что организмы и среда их обитания неразрывно связаны друг с другом посредством мембран. Эта точка зрения – краеугольный камень моей книги. Митчелл как никто другой понимал, как важны были мембранные процессы для возникновения жизни и как важны они для нее сейчас. В 1957 году, за четыре года до опубликования хемиосмотической гипотезы, в Москве Митчелл прочитал лекцию, посвященную происхождению жизни. Я приведу отрывок из нее:

Эти рассуждения имеют более философский характер, чем выросшая из них хемиосмотическая гипотеза, но я считаю, что они заслуживают не меньшего внимания. Сейчас, сосредоточившись на молекулярной биологии, мы позабыли об идее, которой был одержим Митчелл: о мембране как посреднике между внешней и внутренней средами, о том, что Митчелл называл “векторной химией”, где направление в пространстве имеет решающее значение. Эта химия совсем не похожа на происходящее в пробирке, где все компоненты смешаны в растворе. Почти все формы жизни используют окислительно-восстановительные реакции для создания протонного градиента на мембране. Но с какой стати все устроено так? Если сейчас эти идеи не кажутся такими бредовыми, как казались в 60-х годах, то лишь потому, что мы привыкли к ним. Они успели покрыться благородной пылью и прочно обосновались в учебниках, так что никому не приходит в голову снова подвергнуть их сомнению. Сейчас мы знаем, что эти идеи оказались верны, но почему они верны? Этот вопрос сводится к двум пунктам: почему все живые клетки в качестве источника свободной энергии используют окислительно-восстановительные реакции, и – почему все клетки запасают эту энергию в форме протонных градиентов на мембране? Или: почему они используют для этого электроны с протонами?

Почему все живое на планете использует окислительно-восстановительные процессы? Этот вопрос, наверное, из самых простых. Все известные живые организмы сложены в основном из углерода, причем в частично восстановленной форме. В первом, очень грубом приближении (без учета относительно небольших количеств азота, фосфора и других элементов) “формулу” жизни можно записать так: CH₂O. Предположим, что углерод исходно пребывает в форме двуокиси. В этом случае живой организм должен осуществлять перенос электронов и протонов на CO₂ от водорода (H₂) или от подобного ему вещества. В целом не имеет значения, где брать эти электроны: их источником может послужить вода (H₂O), сероводород (H₂S) или даже ионы железа (Fe²⁺). Важно, что электроны в итоге переходят на CO₂. Подобные переходы и составляют предмет окислительно-восстановительной химии. Кстати, термин “частично восстановленная форма” означает, что углерод в ней восстановлен в меньшей степени, чем в метане.

Возможно ли существование неуглеродных форм жизни? Вообразить их возможно. Всем известно о роботах из металла или кремния, так что особенного в углероде? На самом деле – довольно много чего. Каждый атом углерода может образовать четыре прочные связи – они гораздо прочнее, чем у кремния, химического аналога углерода. Такие связи делают возможным существование множества длинноцепочечных молекул, самые важные из которых – белки, липиды, сахара и ДНК. Кремний не способен обеспечить такое химическое разнообразие. К тому же, в отличие от углерода, он не образует газообразные оксиды. Мне нравится представлять CO₂ в виде кирпичика “Лего”. Его можно извлечь из воздуха и присоединить с его помощью один атом углерода к какой-нибудь молекуле. А если попробовать вместо этого оксиды кремния… Это как пытаться строить из песка. Мы, существа с высоким интеллектом, научились подчинять своим нуждам кремний и другие элементы, но трудно представить, как из кремния сама по себе могла бы появиться жизнь. Я не говорю, что существование кремниевых форм жизни в бесконечной Вселенной вовсе невозможно – кто знает! Но в плане вероятности и предсказуемости (а моя книга посвящена именно таким материям) это не слишком вероятно. Кроме того, что углерод гораздо лучше подходит по свойствам, его во Вселенной еще и гораздо больше. Таким образом, в первом приближении жизнь должна быть углеродной.

Но потребность в частично восстановленном углероде – лишь небольшая часть ответа на поставленный вопрос. У большинства современных организмов метаболизм углерода и энергетический метаболизм в значительной степени разделены. Объединяет их лишь АТФ и несколько других общих реакционноспособных интермедиатов, таких как тиоэфиры (из них наиболее важен ацетил-кофермент А). Однако эти интермедиаты не являются обязательными продуктами окислительно-восстановительных реакций: не все организмы их используют. Некоторые организмы существуют за счет брожения, хотя этот способ не является ни древним, ни энергетически выгодным. Впрочем, есть множество остроумных предположений, какой была в химическом отношении начальная точка развития жизни. Одна из самых популярных (и сомнительных) версий предлагает цианид, который мог образоваться из азота и метана под воздействием ультрафиолетового излучения. Можно ли считать это возможным? В предыдущей главе я упоминал, что кристаллы цирконов не содержат ни намека на то, что в древней атмосфере было много метана. Впрочем, на какой-либо другой планете такой сценарий вполне мог реализоваться. Но если развитие жизни из цианида возможно, то почему это не происходит сейчас? К этому вопросу мы обратимся ниже. (Я думаю, это маловероятно по другим причинам.)

Взглянем на проблему под другим углом: чем хороша окислительно-восстановительная химия дыхания? Похоже, у нее много положительных качеств. Рассмотрим процесс дыхания в более широком смысле, не ограничиваясь тем типом, которым пользуемся мы. Мы отрываем электроны от пищи и прогоняем их по дыхательным цепям к кислороду, но очень важно отметить, что и источники, и конечные акцепторы электронов бывают разными. Сжигание пищи в кислороде позволяет получить большой энергетический выход, но принцип, лежащий в основе дыхания, гораздо шире. Например, необязательно употреблять в пищу именно органику. И водород, и сероводород, и двухвалентное железо также могут выступать донорами электронов. Они способны отдавать свои электроны в дыхательную цепь при условии, что акцептор на другом ее конце будет окислителем достаточно сильным для того, чтобы обеспечить движение этих электронов. Это означает, что бактерии могут “поедать” скалы, минералы и нефтепродукты, используя, по сути, ту же белковую машинерию, которой при дыхании пользуемся мы. В следующий раз, когда увидите на бетонной стене цветное пятно, которым колония бактерий обозначила свое присутствие, – вспомните на секунду о том, что, какими бы странными ни казались эти существа, они живут, пользуясь теми же базовыми механизмами, что и мы.

На кислороде свет клином не сошелся. Многие другие окислители могут выполнять его функцию почти столь же хорошо – например нитрат или нитрит, сульфат или сульфит (список можно продолжить). Все эти окислители (они называются так потому, что, как и кислород, окисляют вещества) способны притягивать электроны из пищи или других источников. В каждом из этих случаев при переносе электронов от донора к акцептору выделяется энергия, которая затем запасается в связях АТФ. Перечисление всех известных пар доноров и акцепторов электронов – окислительно-восстановительных пар, которые используют бактерии и археи, заняло бы несколько страниц. Бактерии умеют не только “питаться” камнями, но еще и “дышать” ими. Эукариотические клетки в сравнении с ними выглядят довольно жалко. Одна-единственная бактерия по метаболическому многообразию не уступает всем эукариотам вместе взятым, включая растения, животных, водоросли, грибы и протисты.

Такая универсальность в использовании доноров и акцепторов обусловлена невысокой реакционноспособностью большинства из них. Ранее мы отметили, что все биохимические реакции происходят самопроизвольно и всегда должны осуществляться в активной среде. Однако если среда чересчур активна, реакции в ней будут идти неконтролируемо и свободной энергии для обеспечения биологических процессов не останется. Так, атмосфера не может содержать фтор – он бы немедленно прореагировал со всем, чем можно, и исчез бы. Но многие вещества могут накапливаться до концентраций, значительно превышающих термодинамически равновесные, потому что они очень медленно вступают в реакции. Кислород, лишь дай ему волю, бурно реагировал бы с органической материей, сжигая все на планете. Однако, к счастью, его молекулы стабильны, и это не дает реализоваться его разрушительному потенциалу: он мирно сосуществует с органикой. Метан и водород реагируют с кислородом еще более бурно (вспомните катастрофу дирижабля “Гинденбург”), но, опять же, наличие у этой реакции кинетического барьера означает, что эти газы могут очень долго сосуществовать в воздухе, находясь при этом в далеком от равновесия состоянии. Это относится и ко многим другим веществам – от сероводорода до нитрата. Их можно вынудить реагировать друг с другом (при этом будет выделяться огромное количество энергии, которая может быть использована живыми клетками), но без подходящего катализатора реакция не пойдет. Жизнь эксплуатирует эти энергетические барьеры и служит более мощным источником энтропии, чем другие процессы. На этом даже основаны некоторые определения, согласно которым жизнь – это генератор энтропии. Хотя жизнь существует именно благодаря наличию кинетических барьеров, ее суть в том, чтобы их преодолевать. Жизнь – это лазейка в энергетическом барьере.

Многие доноры и акцепторы электронов стабильны и растворимы, так что могут входить в клетку и выходить из нее, не причиняя ей вреда. Поэтому активную среду, необходимую в термодинамическом плане, можно безопасно поместить внутрь клетки, прямо под ее мембраны, на которых и осуществляются процессы дыхания. Поэтому окислительно-восстановительные процессы в качестве источника энергии гораздо удобнее, чем тепло, механической энергия, ультрафиолетовое излучение или электрические разряды. Минздрав подтверждает.

Те же самые процессы послужили основой фотосинтеза. Напомню, существует несколько его разновидностей. Во всех случаях[25] энергия солнечного света (в форме фотонов) поглощается пигментом (обычно хлорофиллом), после чего его возбужденный электрон следует по цепи окислительно-восстановительных центров к акцептору (в данном случае это диоксид углерода). Пигмент, лишившийся электрона, благодарно принимает взамен утраченного другой, от ближайшего донора. Таким донором может выступать вода, сероводород или двухвалентный ион железа. Как и при дыхании, здесь не имеет значения, каким именно будет донор электронов. В “аноксигенных” формах фотосинтеза донорами выступают сероводород или железо, а в качестве побочных продуктов образуются отложения серы или ржавчина[26]. При оксигенном фотосинтезе донор гораздо упрямее – это вода, а в виде отходов выделяется кислород. Но важно вот что: фотосинтез всех этих типов, очевидно, произошел от дыхания. И при дыхании, и при фотосинтезе используются одни и те же дыхательные белки, окислительно-восстановительные центры одних типов, один и тот же протонный градиент на мембране, все та же АТФ-синтаза[27]. Единственное значительное отличие – приобретение пигмента хлорофилла, который тем не менее является близким аналогом гема, входящего в состав многих древних дыхательных белков. Энергия солнечного света изменила мир, но на молекулярном уровне она лишь заставляла электроны бежать быстрее по дыхательным цепям.

Огромное преимущество дыхания состоит в его универсальности. По сути, с помощью любой окислительно-восстановительной пары (донор и акцептор электронов) можно обеспечить движение электронов по дыхательной цепи. Специальные белки, которые отбирают электроны у аммония, немного отличаются от тех, что отбирают их у сероводорода: очень близкие вариации. Белки, передающие электроны на нитрат или нитрит, пусть и отличаются от тех белков, которые восстанавливают кислород, но также родственны им. Они настолько похожи, что один такой белок можно заменить другим, и все будет работать. Эти белки образуют общую “операционную” систему, и из них можно формировать разные наборы в соответствии со стоящими перед организмом задачами. И это не просто теоретические рассуждения: в природе такое встречается сплошь и рядом. В последние десятилетия выяснилось, что горизонтальный перенос генов (одна клетка передает другой гены в составе маленьких фрагментов ДНК – будто подкидывает подруге немного мелочи) широко распространен у бактерий и архей. Гены, кодирующие дыхательные белки, – из наиболее частых объектов горизонтального переноса. Вместе эти гены составляют, по выражению биохимика Вольфганга Ничке, “белковый окислительно-восстановительный конструктор”. Вы переселились в среду, где сероводород и кислород распространены одинаково широко – в какую-нибудь впадину на дне морском? Нет проблем. Просто обзаведитесь соответствующими генами, и они будут превосходно работать, сэр. Закончился кислород? Попробуйте нитрит, мадам! Не беспокойтесь: стоит вставить себе ген нитрит-редуктазы, и все будет в порядке!

Это говорит о том, что окислительно-восстановительные процессы должны быть важны для жизни в любом месте Вселенной. Можно представить и другие источники энергии, но, учитывая, что окислительно-восстановительные процессы необходимы для восстановления углерода, а у дыхания столько преимуществ, не удивительно, что жизнь на Земле существует именно за счет окислительно-восстановительных процессов. Но куда менее понятно, почему основой дыхания служит градиент протонов на мембранах. Дыхательные белки могут передаваться путем горизонтального переноса, взаимозаменяться и объединяться, потому что они составляют общую “операционную систему”, ядро которой – хемиосмотическое сопряжение. Но почему окислительно-восстановительные процессы должны быть связаны с протонными градиентами? Отсутствием вразумительного ответа на этот вопрос частично объясняется неприятие идей Митчелла и “войны” тех далеких лет[28]. За последние полвека мы многое узнали о том, как живое использует протоны. Но пока не узнаем, почему оно их использует, мы не сможем предсказать многие свойства жизни на Земле – или где-то еще во Вселенной.

Появление хемиосмотического сопряжения – большая загадка. Вся жизнь хемиосмотична, а значит, хемиосмотическое сопряжение возникло очень рано. Если бы оно появилось позднее, трудно объяснить, как и почему оно стало универсальным[29] – почему протонные градиенты пришли на смену всему остальному. Такая универсальность встречается удивительно редко. Все живые организмы имеют общий генетический код (с некоторыми исключениями, подтверждающими правило). Некоторые основные информационные процессы также универсальны и консервативны – например образование РНК при транскрипции на матрице ДНК и синтез белка рибосомами на матрице этой РНК. Но отличия между бактериями и археями поразительны. Как вы помните, археи и бактерии – это два огромных домена прокариот. Внешне они почти неотличимы друг от друга, но биохимически и генетически значительно различаются.

Взять, например, репликацию ДНК. Казалось бы, она должна быть столь же универсальной, как и генетический код. Но, оказывается, черты этого процесса, включая большинство участвующих в нем ферментов, у бактерий и архей сильно различаются. Так же дело обстоит с клеточной стенкой – жесткой внешней оболочкой, которая защищает нежную клетку снаружи: ее химический состав у бактерий и архей абсолютно разный. Биохимические пути брожения также различны. Даже клеточные мембраны, необходимые для хемиосмотического сопряжения (а это основа мембранной биоэнергетики), у бактерий и архей различаются по химическому составу. Выходит, что и структура барьеров, отделяющих клетку от внешней среды, и репликация наследственного материала не являются глубоко консервативными. А ведь это едва ли не самое важное в жизни клеток! Лишь хемиосмотическое сопряжение универсально: сколь сильно ни различались бы организмы, его они используют всегда[30].

Различия между археями и бактериями действительно очень глубоки, поэтому их происхождение вызывает много вопросов. Если предположить, что их общие свойства унаследованы от общего предка, а различия появились независимо, каким должен был быть этот общий предок? Увы, о нем можно сказать очень мало. Мы можем получить лишь очень расплывчатое представление, каким он был: отчасти похожим на современную клетку, а в остальном… Каким же он был в остальном? Мы можем различить лишь смутный биохимический силуэт – известно только, что у него имелись транскрипция, трансляция с участием рибосом, АТФ-синтаза, отдельные фрагменты биосинтеза аминокислот. Этим общие признаки бактерий и архей исчерпываются, а вместе с ними и черты общего предка.

А как обстоит дело с мембранами? Мембранная биоэнергетика универсальна, мембраны – нет. Можно вообразить, что последний общий предок имел мембрану бактериального типа, а археи видоизменили ее, чтобы приспособиться (так, мембраны архей устойчивее при высоких температурах). На первый взгляд, идея выглядит правдоподобной, но есть две серьезные проблемы.

Во-первых, большинство архей не является гипертермофилами и обитает в умеренных условиях, где специфические мембранные липиды не предоставляют очевидного преимущества. И наоборот, многие бактерии счастливо живут в горячих источниках и их мембраны отлично справляются с высокими температурами. Археи и бактерии почти в любой среде обитают бок о бок и даже входят в симбиотические отношения. Зачем же одной из этих групп когда-то могло понадобиться менять все мембранные липиды – несмотря на связанные с этим процессом серьезные проблемы? Если такая трансформация мембран возможна, то почему мы не наблюдаем полного замещения мембранных липидов, когда клетки адаптируются к изменениям среды? Ведь это должно быть гораздо проще, чем заново изобретать новые липиды. Почему бы некоторым бактериям, живущим в горячих источниках, не обзавестись архейными липидами?

Во-вторых, главное различие мембран архей и бактерий напоминает случайность: бактерии используют один оптический изомер (зеркальную форму) глицерола, а археи – другой[31]. Даже если археи действительно заменили все свои липиды, чтобы приспособиться к высоким температурам, сложно представить причину, в силу которой могло понадобиться менять один оптический изомер глицерола на другой. Это просто извращение. Ведь фермент, который производит левостороннюю форму глицерола, весьма далек от фермента, который участвует в образовании правосторонней формы. Чтобы перейти с одного изомера на другой, нужно сначала “изобрести” новый фермент (чтобы делать новый изомер), а затем настойчиво избавляться от старого (полностью функционального) фермента в каждой клетке, несмотря на то, что новый вариант не предоставляет никакого эволюционного преимущества. Мне не верится, что такое могло быть. Но если ни один тип липидов не заменялся на другой, то какой была мембрана у последнего общего предка? Она должна была сильно отличаться от всех современных мембран. Почему?

Сама идея, что хемиосмотическое сопряжение возникло рано, спорна. Одно из затруднений – очень высокая сложность механизма. Мы успели отдать должное гигантским дыхательным комплексам и АТФ-синтазе – поразительным молекулярным машинам с роторами и поршнями. Могли ли они появиться на заре эволюции, когда еще не было даже ДНК-репликации? Конечно нет! Такова первая мысль, но надо понимать, что этот ответ продиктован чувствами. АТФ-синтаза не намного сложнее рибосомы, а ведь никто не станет спорить, что рибосомы должны были возникнуть рано[32]. Вторая проблема – сама мембрана. Даже если не задумываться о том, какого типа она была, вопрос о ранней сложности возникает и здесь. У современных клеток хемиосмотическое сопряжение работает лишь в том случае, если мембрана непроницаема для протонов. Но все эксперименты с реконструкцией древних мембран показывают, что они беспрепятственно пропускали протоны[33]. Удерживать протоны снаружи – невероятно сложная задача, и проблема в том, что хемиосмотическое сопряжение, похоже, остается бесполезным без множества сложных белков, встроенных в непроницаемую для протонов мембрану. В этом и только в этом случае выполняет свою функцию хемиосмотическое сопряжение. Так в каком же, черт возьми, порядке возникли эти составляющие? Это проблема курицы и яйца. Какой смысл учиться перекачивать протоны, если нельзя воспользоваться градиентом? И зачем учиться использовать градиент, если вы не умеете его создавать? В гл. 4 я предлагаю возможное решение этой проблемы.

Я заканчиваю главу несколькими большими вопросами. Почему жизнь на Земле появилась так рано? Почему она на несколько миллиардов лет застыла на одном уровне морфологической сложности? Почему сложные эукариотические клетки за 4 млрд лет возникли лишь единожды? Почему у всех эукариот имеется целый ряд особенностей, которые никогда не встречаются у бактерий и архей – от наличия двух полов до старения? И почему все живое сохраняет энергию в форме протонных градиентов на мембранах? Как и когда начался этот процесс?

Я думаю, эти два ряда вопросов связаны. Ниже я докажу, что появление жизни на Земле инициировал природный протонный градиент, поэтому это должно было произойти в специфических условиях. На самом деле такие условия встречаются почти во всей Вселенной: горная порода, вода и углекислый газ (CO₂). Я покажу, что хемиосмотическое сопряжение миллиарды лет удерживало эволюцию на прокариотическом уровне и лишь однажды, когда одна бактерия каким-то образом проникла в другую, жизнь вышла из энергетического застоя. Эндосимбиоз дал начало эукариотам, размеры генома которых выросли на порядки, предоставляя материал для морфологической сложности. Я докажу, что многие странные свойства эукариот обусловлены взаимоотношениями клетки-хозяина и ее эндосимбионтов, которые впоследствии стали митохондриями. Похоже, эволюция идет одними путями, которые пролегают между барьерами, одинаковыми во всей Вселенной. Не думаю, что прав во всем, но, надеюсь, общая картина верна – и тогда, возможно, из моих рассуждений вырастет новая биология, которая предскажет больше. Может быть, однажды мы сможем предсказать, какой должна быть жизнь в любом месте Вселенной, опираясь на химический состав космического пространства.

Старинные водяные мельницы и современные гидроэлектростанции работают благодаря направленному движению потоков воды. Если перегородить реку плотиной и оставить в ней небольшое отверстие, напор воды будет гораздо мощнее и его хватит, чтобы крутить мельничное колесо. А если позволить потоку течь по широкому руслу, напор уменьшится.

Клетки живых организмов работают по тому же принципу. Метаболический путь можно сравнить с руслом, по которому “течет” углерод. В метаболическом пути последовательность химических реакций катализируется рядом поочередно действующих ферментов. Продукт реакции, катализируемой первым ферментом, является субстратом для второго, и т. д. Ферменты служат как бы берегами, в которых течет углерод, и направляют его ход. Органическая молекула входит в метаболический путь, подвергается ряду химических превращений и выходит уже в виде другой молекулы. Последовательность реакций метаболического пути надежно воспроизводится раз за разом, и исходные вещества и продукты однозначно соответствуют друг другу. В клетке одновременно функционирует множество метаболических путей. Это похоже на сеть взаимосвязанных водяных мельниц, где вода всегда с максимальным напором течет по пересекающимся каналам. Благодаря оптимальному распределению потока для роста клеток требуется гораздо меньше углерода и энергии, чем если бы поток не был ограничен. Вместо того чтобы беспорядочно участвовать в реакциях и на каждом шагу терять энергию, молекулы проходят определенный путь превращений – благодаря работе ферментов. Клеткам не нужна река, бегущая к морю: для работы их “мельниц” достаточно маленьких струек. С точки зрения энергетики, мощь ферментов заключается не столько в том, что они ускоряют реакции, сколько в том, что они делают это специфично, максимизируя выход.

Что было на заре возникновения жизни, прежде чем появились ферменты? Поток был гораздо сильнее. Чтобы расти – увеличивать количество органических молекул – и размножаться, требовалось гораздо больше энергии и углерода, чем сейчас. Клетки современных организмов минимизируют свои энергетические запросы, но мы знаем, что им до сих пор приходится использовать колоссальные объемы АТФ – имеющей повсеместное хождение энергетической “валюты”. Даже самые простые клетки, которые получают энергию, осуществляя реакцию водорода с углекислым газом, производят в процессе дыхания в 40 раз больше отходов, нежели полезной биомассы. То есть чтобы получился 1 г новой биомассы, должно образоваться минимум 40 г мусора. Жизнь – это побочный эффект главной реакции, при которой происходит выделение энергии. Так дела обстоят и после 4 млрд лет эволюции. И если даже современные клетки производят биомассы в 40 раз меньше, чем отходов, представьте, как могло обстоять дело у примитивных клеток, когда не было никаких ферментов. Фермент увеличивает скорость реакции в миллионы раз. Уберите его – и выход биомассы уменьшится в миллионы раз. Вполне возможно, что первым клеткам приходилось производить 40 т отходов (буквально грузовик), чтобы создать 1 г живой материи. Если продолжить сравнение потоков углерода и энергии с потоками воды, то первые клетки были вынуждены устраивать настоящее цунами, чтобы колеса их “мельниц” вертелись.

Вопрос о масштабах энергетических затрат имеет смысл при обсуждении всех аспектов происхождения жизни, однако он редко рассматривается достаточно подробно. Учение о происхождении жизни получило экспериментальное развитие в 1953 году, когда был поставлен знаменитый эксперимент Миллера – Юри. В том же году была опубликована статья Уотсона и Крика о структуре ДНК. Влияние двух этих работ на научный мир оказалось огромным. Область исследований происхождения жизни будто накрыло тенью от крыльев двух громадных летучих мышей. В некотором отношении тень подействовала благотворно, но были и печальные последствия. Великолепная сама по себе работа Миллера – Юри утвердила концепцию “первичного бульона”, занимавшую умы двух поколений ученых. А стараниями Уотсона и Крика в центре науки о живом оказалась генетическая информация и ДНК. Им, несомненно, принадлежат ключевые роли в происхождении жизни, но такое увлечение репликацией и происхождением естественного отбора отвлекло ученых от других важных вещей, например от изучения роли энергии.

В 50-х годах в лаборатории нобелевского лауреата Гарольда Юри работал талантливый аспирант Стэнли Миллер. В 1953 году в рамках эксперимента он пропускал электрические разряды через колбу, содержащую пары воды и смесь восстановленных (обогащенных электронами) газов. Электрические разряды имитировали молнии, а состав газовой смеси был приближен к атмосфере Юпитера. В то время считалось, что атмосфера Юпитера похожа на атмосферу древней Земли: богата водородом, метаном и аммиаком[34]. Результаты эксперимента оказались поразительными: Миллеру удалось синтезировать несколько аминокислот – молекул, которые являются структурными единицами белков и выполняют в клетках важнейшие функции. Проблема происхождения жизни показалась неожиданно простой. В начале 50-х годов это взволновало всех гораздо сильнее, чем двойная спираль Уотсона и Крика, сначала не вызвавшая интереса. Миллер, напротив, стал знаменитостью. Его портрет в 1953 году даже появился на обложке журнала “Тайм”. Его работа оказалась весьма плодотворной. Она по-прежнему не теряет своей значимости, так как это первая экспериментальная проверка гипотезы, относящейся к происхождению жизни: будто разряды молний, проходя через атмосферу восстановленных газов, способны порождать “строительные фрагменты”, входящие в состав клеток. До появления первых организмов эти предшественники могли накапливаться в океанах, постепенно превращая их в “первичный бульон”: обогащенный раствор, содержащий органические молекулы.

Хотя сначала открытие Уотсона и Крика мало кого впечатлило, постепенно заклинание “дезоксирибонуклеиновая кислота” стало действовать. Для многих понятие “жизнь” сводится к информации, записанной в ДНК. Согласно такому представлению, происхождение жизни – это происхождение информации, без которой, разумеется, невозможна эволюция под действием естественного отбора. Происхождение информации, в свою очередь, сводится к вопросу о происхождении репликации, то есть о том, как появились первые репликаторы – молекулы, способные создавать копии самих себя. ДНК слишком сложно устроена, поэтому не годится в первичные репликаторы, но РНК (рибонуклеиновая кислота) – ее более простой и реакционноспособный предшественник – вполне подходит на эту роль. РНК – главное звено на пути от ДНК к белкам, она служит катализатором белкового синтеза, а также матрицей, на которой строится белок. Поскольку РНК способна функционировать и как матрица (подобно ДНК), и как катализатор (подобно белкам), можно предположить, что в первичном РНК-мире она служила предшественником белков и ДНК. Но откуда взялись все нуклеотиды: звенья, которые, соединяясь в цепочки, формируют РНК? Из “первичного бульона” – откуда же еще! Конечно, формирование РНК не обязательно происходило в “первичном бульоне”, но это наиболее простое предположение, позволяющее избежать сложных вопросов, связанных с термодинамикой[35] и геохимией, которые встают при обсуждении других вариантов. Что ж, закроем глаза на слишком сложные вопросы, а с остальными разберутся доблестные молекулярные биологи. Если в последние 60 лет что-нибудь и объединяло ученых, работающих над проблемой происхождения жизни, то это концепция “первичного бульона”. В соответствии с ней, “первичный бульон” дал начало РНК-миру. Простые репликаторы постепенно эволюционировали, усложнялись, начали кодировать метаболические ферменты и, наконец, породили мир ДНК, белков и клеток, с которым мы имеем дело сейчас. Согласно этому воззрению, жизнь представляет собой информацию, которая со временем становится все сложнее.

Слабое место этой теории – проблема энергии. Конечно, энергия представлена и в рамках концепции “первичного бульона” – в виде этих самых вспышек молний. Я как-то вычислил, что для поддержания маленькой примитивной биосферы, по размеру соответствующей той, которая была до возникновения фотосинтеза, лишь за счет молний, то потребовалось бы четыре разряда в секунду на квадратный километр поверхности океана. И это если принимать эффективность роста такой, какой обладают современные организмы. Более подходящий источник энергии – ультрафиолетовое (УФ) излучение. Под его влиянием в атмосфере, содержащей метан и азот, могут образовываться реакционноспособные вещества, например цианид и цианамид – возможные предшественники биологических молекул. УФ-излучение постоянно воздействует на Землю и другие планеты. На древней Земле его интенсивность была выше, потому что защитный озоновый слой еще не образовался, а электромагнитный спектр молодого Солнца был более жестким. Химику-органику Джону Сазерленду даже удалось синтезировать активированные нуклеотиды, создав “правдоподобные первичные условия” (нуклеотиды образовались в ходе реакций с участием цианида и УФ-излучения)[36]. Но есть серьезные затруднения. На Земле нет организмов, использующих цианид в качестве источника углерода[37]. И не известно ни одной формы жизни, которая пользовалась бы УФ-излучением как источником энергии[38]. Напротив, оно смертельно опасно. Ультрафиолет губителен даже для современных сложных форм жизни. Хоть он и способен индуцировать образование новых органических молекул, с большей вероятностью он разрушит существующие. УФ скорее простерилизовал бы океаны, чем наполнил их жизнью[39]. Сомневаюсь, что он может служить основным источником энергии на Земле или где-либо еще.

Ученые, считающие, что УФ-излучение сыграло роль в возникновении жизни, и не утверждают, что оно могло служить основным источником энергии. Однако, по их мнению, ультрафиолет мог способствовать образованию небольших устойчивых молекул, например цианида, которые могли со временем накапливаться. С химической точки зрения, цианид действительно хороший исходный материал для синтеза других органических соединений. Для нас он ядовит, поскольку блокирует клеточное дыхание, но это скорее причудливая особенность земной жизни[40], а не следствие какого-либо более фундаментального принципа. Главная проблема в том, что достижение достаточной концентрации цианида было крайне маловероятно. Это наводит на мысль о несостоятельности теории “первичного бульона”[41]. Океаны слишком велики. При любой правдоподобной скорости образования цианида его концентрация в океане при 25 °C составила бы около двух миллионных долей грамма на литр, а этого совершенно недостаточно для того, чтобы запустить биохимические процессы. Единственный выход из этого тупика – каким-либо образом сконцентрировать морскую воду. Целое поколение ученых пыталось понять, как это могло произойти. Повысить концентрацию органических веществ в растворе можно путем вымораживания или выпаривания – но это очень жесткие методы, трудносовместимые с поддержанием клетками необходимого гомеостаза. Один сторонник цианидной теории с пеной у рта доказывал, что цианид сконцентрировался (в форме феррицианида) при испарении всего океана в результате метеоритной бомбардировки 4 млрд лет назад. Мне кажется, это просто отчаянная попытка оправдать идею, которая не работает[42]. Такие условия среды слишком неустойчивы. Чтобы приблизиться к возникновению жизни, необходима цепь глобальных изменений внешних условий, но живые клетки при этом представляют собой стабильные структуры (их элементы непрерывно заменяются, но общее строение остается неизменным).

Гераклит говорил, что в одну реку нельзя войти дважды. Но он не имел в виду то, что река перед второй попыткой могла испариться или замерзнуть (или утечь в космическое пространство). Так же, как река течет по постоянному (по человеческим меркам) руслу, так и жизнь непрерывно обновляется, в то время как ее форма остается неизменной. Живые клетки остаются клетками, даже когда все их части заменяются в ходе непрерывного круговорота веществ. Может ли быть иначе? Я сомневаюсь. В отсутствие информации, задающей структуру – как, логично предположить, было на заре возникновения жизни, до появления способных реплицироваться молекул, – структура могла возникнуть и без этого. Но поддержание ее требовало непрерывного поступления энергии. Поток энергии провоцирует самоорганизацию материи.

Вы, вероятно, знакомы с диссипативными структурами Ильи Пригожина, например конвекционными токами, возникающими в кипящем чайнике, или крутящейся воронкой, которую образует вода над отверстием слива. Никакой информации для возникновения таких структур не требуется. Конвекционные ячейки появляются в результате неравномерного нагрева жидкости, а воронка образуется согласно закону сохранения момента импульса. Диссипативные структуры возникают за счет притока энергии и материи. Ураганы, тайфуны, водовороты – все это примеры диссипативных структур. Множество их возникает в океане и атмосфере (из-за разницы в потоках солнечной энергии на экваторе и на полюсах).

Мощные океанические течения и ветра не обусловлены никакой информацией. Они стабильны и непрерывны, как и поток энергии, которая их питает. Большое красное пятно на Юпитере представляет собой громадный шторм, антициклон, в несколько раз превышающий размер Земли. Он существует минимум несколько столетий. Все диссипативные структуры требуют непрерывного поступления энергии – как конвекционные ячейки существуют до тех пор, пока электрический ток заставляет воду кипеть и испаряться. В общем, они представляют собой зримые проявления неравновесных процессов, в которых поток энергии поддерживает структуру до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие (в случае звезд это миллиарды лет) и структура не коллапсирует. Главная идея: за счет потока энергии могут появляться устойчивые физические структуры предсказуемого строения. К информации это не имеет никакого отношения, но мы увидим, что такие механизмы способны породить условия, благоприятные для возникновения биологической информации, репликации и отбора.

Согласно современным представлениям, основанным на химическом анализе древнейших горных пород и кристаллов циркона, атмосфера древней Земли была относительно нейтральной и состояла в основном из двуокиси углерода, азота и паров воды, подобно вулканическим газам.

Все живые организмы существуют за счет далеких от равновесия условий окружающей среды: мы сами также диссипативные структуры. Непрерывные дыхательные процессы снабжают клетки свободной энергией, необходимой для того, чтобы фиксировать углерод, расти, производить активные интермедиаты, соединять “строительные блоки” в длинноцепочечные полимеры (углеводы, РНК, ДНК, белки и так далее) и поддерживать свое низкоэнтропийное состояние, повышая энтропию окружающей среды. В отсутствие генов или любой другой информации определенные клеточные структуры, например мембраны и полипептиды, будут самопроизвольно формироваться до тех пор, пока будет продолжаться приток реакционноспособных предшественников – активированных аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, пока будет хватать энергии для формирования этих “строительных блоков”. Клеточные структуры существуют лишь в непрерывном потоке энергии и материи. Отдельные части могут заменяться, но общая структура стабильна и будет существовать, пока не иссякнет поток. Непрерывный приток энергии и материи – как раз то, чего не хватает в “первичном бульоне”. В “бульоне” нет ничего, что могло бы вызвать формирование диссипативных структур, которые мы называем клетками. Ничего, что могло бы заставить клетки расти и делиться: в “первичном бульоне” не было ферментов, которые могли бы запускать метаболизм и управлять его процессами. Образование клеток в таких условиях – задача, прямо скажем, не из легких. Существует ли такая среда, которая способна спровоцировать возникновение первых примитивных клеток? Безусловно, она должна была существовать. Но перед тем как мы приступим к ее поискам, обсудим, что требуется для возникновения клетки.

Что требуется для изготовления живой клетки? Всем клеткам на Земле присущи шесть базовых свойств. Я не хочу, чтобы книга стала похожей на учебник, но все-таки запишем их:

Все прочее (из стандартного набора свойств живых организмов, который школьники заучивают наизусть: движение, чувствительность и т. д.) – например, для бактерий лишь приятные излишества.

Не нужно много размышлять, чтобы прийти к пониманию, что эти шесть свойств глубоко взаимосвязаны и все были необходимы с самого начала. Непрерывное поступление органического углерода, очевидно, критически важно для роста, репликации… в общем, для всего. Даже на примитивном уровне происходила репликация молекул рибонуклеиновой кислоты. РНК – это цепь нуклеотидов. А нуклеотид – органическая молекула, которую нужно где-то взять. Среди исследователей, занимающихся вопросом происхождения жизни, не утихает спор, что возникло прежде: метаболизм или репликация. Но этот спор бессмыслен. Репликация – это удвоение, и расход “строительных блоков” увеличивается в геометрической прогрессии. Если запас “строительных блоков” не восполнять в том же объеме, репликация скоро прекратится.

Можно предположить, что первые репликаторы состояли не из органики, а были глинистыми минералами и т. п. (Эту идею выдвинул Грэм Кернс-Смит.) Но это не очень удачное решение: минералы недостаточно пластичны для того, чтобы кодировать нечто хоть немного приближающееся к РНК по уровню сложности, хотя они и способны быть хорошими катализаторами. Но если минералы не могут выступать репликаторами, нужно найти наиболее короткий и быстрый путь от неорганических молекул до органических, способных выполнять функцию репликаторов, например РНК. Если согласиться с тем, что нуклеотиды были синтезированы из цианамида, бессмысленно рассматривать неизвестные интермедиаты. Лучше сразу перейти к сути и принять, что некоторые среды на древней Земле были способны предоставлять необходимые для репликации органические “строительные блоки” – активированные нуклеотиды[43]. Даже если цианамид не годится на роль отправной точки, тенденция к образованию поразительно сходного набора органических веществ в разных условиях (под действием электрических разрядов в восстановительной атмосфере, в ходе химических процессов на астероидах, в автоклавах под высоким давлением) наводит на мысль, что определенные молекулы (в число которых, возможно, входят нуклеотиды) наиболее предпочтительны с точки зрения термодинамики. В первом приближении, образование органических репликаторов требует непрерывного поступления в среду органического углерода. Поэтому мы не рассматриваем среды с очень низкой температурой: хотя органика при замерзании растворов может концентрироваться между кристаллами льда, нет механизма, который бы работал при низких температурах и мог восполнить запас нужных для продолжения процесса “строительных блоков”.

Также необходима энергия. Для того чтобы “строительные блоки” (аминокислоты или нуклеотиды) объединились и сформировали длинноцепочечный полимер (белок или РНК), нужно их активировать. Это, в свою очередь, требует источника энергии, например АТФ или похожего. Возможно, даже очень похожего. В водном мире, каким была Земля 4 млрд лет назад, источник энергии должен был обеспечивать полимеризацию длинноцепочечных молекул. В ходе полимеризации при образовании каждой связи отщепляется одна молекула воды (реакция дегидратации). В водных растворах с молекулами, подвергающимися дегидратации, возникает та же проблема, как при попытке выжать белье под струей воды. Некоторые выдающиеся исследователи были столь озадачены этим затруднением, что поддержали идею возникновения жизни на Марсе, где вода присутствует в гораздо меньшем объеме. Возникнув на Марсе, жизнь добралась сюда на метеоритах – и, выходит, все мы в некотором роде марсиане. Но, конечно, жизнь на Земле прекрасно существует в воде. Любой клетке трюк дегидратации удается тысячи раз в секунду. И люди это умеют: мы совмещаем реакцию дегидратации с расщеплением АТФ – при каждом расщеплении АТФ из среды забирается одна молекула воды. В совокупности реакции дегидратации и “регидратации” (гидролиза) приводят к переносу воды – и к высвобождению энергии, заключенной в связях АТФ. Это упрощает дело: все, что нужно – это непрерывное поступление АТФ или более простого его аналога, например ацетилфосфата. Мы займемся вопросом, откуда они могли взяться, в следующей главе. Пока отметим, что для репликации в воде нужно непрерывное обильное поступление в среду и углерода, и чего-либо похожего на АТФ.

Итак, репликация, углерод и энергия: три из шести факторов. А что насчет отделения от внешней среды? Это также связано с концентрированием. Биологические мембраны состоят из липидов, а те, в свою очередь, – из жирных кислот или изопреноидов (которые присоединяются к глицериновой головке). Когда концентрация жирных кислот превышает пороговое значение, они самопроизвольно формируют везикулы, похожие на клетки и способные расти и делиться, если их “подкармливать” новыми жирными кислотами. Чтобы обеспечить образование жирных кислот, требуется непрерывный приток органического углерода и энергии. А чтобы жирные кислоты (или нуклеотиды) накапливались быстрее, чем они рассеиваются, нужно обеспечить локальное повышение их концентрации с помощью каких-либо физических процессов или за счет природной компартментализации, чтобы сделать возможным формирование более крупных структур. В этих условиях формирование везикул вовсе не является таинством: это наиболее физически стабильное состояние, при котором общая энтропия повышается. (См. предыдущую главу.)

Если активированные “строительные блоки” поступают непрерывно, то простые везикулы будут расти и делиться самопроизвольно, в соответствии с оптимальным соотношением площади поверхности и объема. Представьте шарообразную везикулу – простую “клетку” с разнообразными органическими молекулами внутри. Везикула растет, встраивая в мембрану новые липиды и забирая в свою полость органические вещества. Теперь представим, что она вдвое увеличилась в размерах: вдвое увеличилась поверхность мембраны и вдвое возрос объем органических веществ внутри. Что при этом происходит? Если площадь поверхности возрастает вдвое, объем увеличивается более чем вдвое: площадь поверхности возрастает как квадрат радиуса, а объем – как его куб. Если скорость накопления содержимого клетки не будет выше, чем скорость увеличения площади поверхности, везикула превратится в нечто вроде гантели, а это уже на полпути к формированию двух новых везикул. Иными словами, арифметический рост приносит нестабильность, которая с большей вероятностью приведет к делению и удвоению, а не к дальнейшему увеличению везикулы. Вопрос лишь в том, сколько времени пройдет до того, как растущая везикула разделится на меньшие пузырьки. Так, непрерывный приток органических углеродных предшественников приводит не только к образованию примитивных клеток, но и к зачаточной форме клеточного деления. Кстати, этим путем – почкованием – делятся L-формы бактерий, у которых нет клеточной стенки.

Из-за проблемы соотношения площади поверхности и объема размер клетки ограничен. Это связано просто с поступлением реагентов и выведением отходов. Ницше сказал, что “брюхо служит причиной того, что человеку не так-то легко возомнить себя Богом”. На самом деле экскреция – это термодинамическая необходимость, от которой не смогли бы уклониться и божественные создания. Чтобы любая реакция могла протекать в прямом направлении, ее конечные продукты должны удаляться. Это не более загадочно, чем поведение людей на железнодорожной станции. Если уезжающие не смогут садиться в поезд с той же скоростью, с какой прибывают новые пассажиры, образуется толпа. В случае клеток скорость образования белков зависит от скорости поступления активированных предшественников (активированных аминокислот) и удаления отходов (метана, воды, CO₂, этанола – всего, что может образоваться в реакции с выделением энергии). Если отходы не будут физически удаляться из клетки, это помешает протеканию прямой реакции.

Это еще один фундаментальный недостаток концепции “первичного бульона”, в котором плавают и реагенты, и отходы. Этот “бульон” не способен дать никакого импульса, никакой движущей силы, инициирующей новые химические процессы[44]. И чем больше становится клетка, тем больше она похожа на бульон. Из-за того, что объем клетки возрастает быстрее, чем площадь ее поверхности, относительная скорость поступления углерода и удаления отходов через внешнюю мембрану по мере увеличения объема клетки должна падать. Клетка размером даже с футбольный мяч не сможет функционировать: это будет просто “бульон”. (Конечно, страусиное яйцо по размеру почти с мяч, однако желточный мешок – это просто запас пищи. Зародыш гораздо меньше.) На заре возникновения жизни природные скорости поступления углерода и удаления отходов должны были обусловливать небольшой объем клеток. Похоже, была необходима также некая разновидность физической канализации.

Это подводит нас к вопросу о необходимости катализаторов. Сейчас живые организмы пользуются белковыми катализаторами – ферментами, но РНК также может иметь некоторую каталитическую активность. Проблема в том, что РНК – уже довольно сложный полимер. Она состоит из многочисленных “строительных блоков” – нуклеотидов, и каждый нужно сначала синтезировать, активировать, а после соединить их в длинную цепь. До этого момента РНК едва ли способна выступать катализатором. Какой бы процесс ни дал начало РНК, сначала он должен был инициировать образование других, более простых органических молекул – главным образом аминокислот и жирных кислот. Получается, древний “РНК-мир” в любом случае был загрязнен многими другими органическими молекулами. Та идея, что РНК самостоятельно обеспечила возникновение метаболизма, абсурдна, даже если она сыграла ключевую роль в происхождении репликации и белкового синтеза. Так что послужило катализатором зарождающейся биохимии? Возможный ответ: это неорганические комплексы, например сульфиды металлов (особенно железа, никеля и молибдена). Они и по сей день служат кофакторами нескольких древних, сохранившихся у всех организмов консервативных белков. Хотя мы склонны приписывать каталитические свойства именно белкам, нередко они лишь оптимизируют работу кофактора, который определяет природу реакции. Оторванные от белка, кофакторы не слишком эффективны и не очень специфичны как катализаторы, но это лучше, чем ничего. Степень их эффективности зависит, опять же, от выхода реакции. Первые неорганические катализаторы лишь начали направлять потоки углерода и энергии на образование органики, но благодаря им необходимость в “цунами” отпала и стало достаточно спокойной реки.

Все эти простые органические вещества (особенно аминокислоты и нуклеотиды) проявляют некоторую каталитическую активность по отношению и к самим себе. В присутствии ацетилфосфата аминокислоты могут даже объединяться друг с другом, формируя пептиды – недлинные цепочки аминокислот. Устойчивость пептидов отчасти зависит от их взаимодействия с другими молекулами. Гидрофобные аминокислоты или пептиды, объединяясь с жирными кислотами, существуют дольше. Заряженные пептиды, которые связываются с неорганическими кластерами, например железосерными, могут быть более стабильными. Естественные связи между пептидами и минеральными кластерами могут повышать каталитическую активность минералов, а затем эти связи будут подвергаться отбору в зависимости от того, насколько связь стабильна. Представьте себе минеральный катализатор, осуществляющий органический синтез. Некоторые продукты реакции связываются с минеральным катализатором, что повышает их устойчивость и улучшает каталитические способности минерала (по крайней мере меняет их специфичность). Теоретически такая система может обеспечить появление более богатой и сложной органической химии.

Как построить клетку с нуля? Нужен непрерывный поток активного углерода и доступной химической энергии, который проходит через примитивный катализатор, преобразующий небольшую долю потока в новые органические вещества. Поток должен быть ограничен таким образом, чтобы органические вещества (в том числе жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды) достигали высоких концентраций, но ничто не препятствовало выводу отходов. Сосредоточение потока может быть достигнуто путем естественного ограничения или компартментализации, что напоминает управление потоками воды на мельнице: это повышает силу потока в отсутствие ферментов и, соответственно, уменьшает потребность в углероде и энергии. Лишь если скорость образования новой органики превышает скорость, с которой она теряется, уходя во внешнюю среду, станет возможно концентрирование веществ, а затем самопроизвольное формирование структур, таких как клеткоподобные везикулы, РНК и белки[45].

Ясно, что это лишь намеки на будущую клетку: необходимое, но не достаточное. А сейчас сосредоточимся на очень важном моменте. Без интенсивного притока углерода и энергии, пропущенного через неорганические катализаторы, возникновение и развитие клеток невозможно. Я готов поспорить, что такая закономерность действует во всей Вселенной: учитывая потребность в углероде (см. предыдущую главу), термодинамика диктует необходимость непрерывного потока углерода и энергии через природные катализаторы. Строго говоря, это требование заставляет исключить почти все среды, которые в разное время предлагались на роль места зарождения жизни: теплые водоемы (к сожалению, Дарвин в их отношении был неправ), “первичный бульон”, пористые вулканические породы, побережья, другие планеты (в рамках идеи панспермии) – можете сами продолжить список. Но это требование не исключает гидротермальные источники. Напротив, они отлично ему соответствуют. Гидротермальные источники – как раз та разновидность диссипативных структур, которую мы ищем: работающие на непрерывном потоке и далекие от равновесия электрохимические реакторы.

Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке своей устрашающей оранжево-желто-зеленой окраской напоминает мне Око Саурона. Все дело в фотосинтетических пигментах бактерий, которые в качестве донора электронов пользуются выделяющимися из вулканических источников водородом и сероводородом. Хотя йеллоустонские бактерии-фотосинтетики почти ничего не могут рассказать о происхождении жизни, они дают представление о первобытной мощи вулканических источников. Если лишить растительности скалы вокруг источников, пейзаж стал бы напоминать место, где 4 млрд лет назад зародилась жизнь.

Правда, 4 млрд лет назад Земля была покрыта водой. Возможно, горячие источники имелись и на каких-нибудь крошечных вулканических островах, но в основном горячие источники находились глубоко под водой. Открытие подводных гидротермальных источников в 70-х годах XX века вызвало ажиотаж: не потому, что об их существовании никто не догадывался (их легко обнаружить по шлейфу теплой воды), а потому, что никто не представлял себе мощь “черных курильщиков” и не знал, что они выступают средоточием жизни на океанском дне. Оно представляет собой почти лишенную жизни пустыню. “Черные курильщики”, похожие на обвалившиеся дымоходы, непрерывно выбрасывающие клубы черного дыма, дали приют удивительным животным: гигантским червям, утратившим рот и анус, двустворчатым моллюскам с большую тарелку, безглазым креветкам. По плотности жизни “черные курильщики” сопоставимы с тропическими лесами. Открытие “черных курильщиков” привлекло биологов и океанографов, но особенно – ученых, занимавшихся проблемой происхождения жизни. Микробиолог Джон Баросс сразу оценил важность открытия. Он в большей степени, нежели остальные исследователи, сосредоточил внимание на необыкновенной силе и мощности неравновесных процессов, происходящих в гидротермальных источниках, скрытых от солнечного света километрами океанской воды.

Впрочем, “черные курильщики” не отрезаны от Солнца. Обитающие там животные существуют за счет симбиоза с бактериями, которые окисляют сероводород, выделяющийся из “курильщиков”. Именно сероводород является главной причиной неравновесного состояния в “черных курильщиках”: сероводород – восстановленное соединение, поэтому он реагирует с кислородом с выделением энергии. Вспомните механизм дыхания, описанный в предыдущей главе. Бактерии используют сероводород как донор электронов, кислород как акцептор электронов, а выделяющуюся энергию тратят на синтез АТФ. Но ведь кислород – побочный продукт оксигенного фотосинтеза, и до его появления на Земле кислорода быть не могло. Так что бурное развитие жизни вокруг “черных курильщиков” полностью, хотя и не непосредственно, зависит от солнечного света. Четыре миллиарда лет назад подводные гидротермальные источники выглядели совсем иначе.

Что останется, если убрать кислород? “Черные курильщики” возникают при прямом контакте морской воды с магмой в спрединговых зонах срединно-океанических хребтов или в других вулканически активных местах. Через океанское дно вода просачивается в вулканические камеры, которые залегают неглубоко под поверхностью дна. В них вода мгновенно нагревается до нескольких сотен градусов, насыщается растворенными сульфидами металлов и становится сильнокислой. Когда перегретая вода под давлением прорывается через дно, она резко охлаждается и растворенные в ней сульфиды железа, например пирит (“золото дураков”), сразу же кристаллизуются. Взвесь сульфидов железа образует тот самый черный “дым”. Четыре миллиарда лет назад “черные курильщики” были устроены почти так же – кроме того, что они были совершенно непригодными для жизни. Ведь жизнь целиком зависит от химического потенциала. Он обеспечивается наличием кислорода, а его тогда не было. Сероводород очень тяжело заставить реагировать с CO₂ с образованием органики, особенно при высоких температурах. Но один революционер от науки, немецкий химик, патентный поверенный Гюнтер Вехтерсхойзер решил доказать, что на самом деле все не так, и весьма в этом преуспел[46]. С конца 80-х годов Вехтерсхойзер опубликовал ряд новаторских статей, в которых очень подробно описал путь восстановления CO₂ до органических молекул на поверхности сульфидов железа. Этот процесс он назвал пиритным пуллингом. Вехтерсхойзер говорил о “железосерном мире”, в котором железосерные минералы (FeS) катализируют образование органических молекул. По своей структуре такие минералы представляют собой кристаллы, собранные из повторяющихся ячеек из ионов двухвалентного железа (Fe²⁺) и сульфид-ионов (S^2–). Крошечные неорганические кластеры из ионов Fe²⁺ и S^2–, известные как железосерные кластеры, до сих пор выполняют ключевые функции во многих ферментах, в том числе участвующих в дыхании. Структура железосерных кластеров идентична кристаллической структуре минералов сульфида железа (FeS), например макинавита и грейгита (рис. 8, 11). Такие минералы могли катализировать реакции на заре возникновения жизни. Но, несмотря на то, что железосерные минералы – прекрасные катализаторы, Вехтерсхойзер экспериментально доказал, что гипотеза пиритного пуллинга в своем первоначальном виде не работает. Только взяв более реакционноспособный монооксид углерода (CO), Вехтерсхойзеру удалось синтезировать органические молекулы. И тот факт, что неизвестны организмы, способные расти за счет пиритного пуллинга, подтверждает, что дело не в неудачных экспериментах: идея и в самом деле плоха.

Рис. 11. Железосерные минералы и железосерные кластеры.

Близкое сходство железосерных минералов и железосерных кластеров, входящих в состав современных ферментов (Russell and Martin 2004). В центре показана повторяющаяся кристаллическая структурная единица грейгита (эти единицы в совокупности образуют решетку). Справа и слева – железосерные кластеры в составе белков. Их структура напоминает структуры грейгита и сходных минералов, например макинавита. Закрашенные области отражают форму и размер названных белков. Изображенные белки, как правило, содержат несколько железосерных кластеров (с никелем или без него).

В жерлах “черных курильщиков” содержится и CO, но его концентрация ничтожно мала, так что органическую химию так не построить. (Концентрация CO в “черных курильщиках” в 1–1000 тыс. раз ниже, чем CO₂.) Есть и другая проблема. Внутри “черных курильщиков” чрезвычайно горячо: температура воды в жерле достигает 250–400 °C, но на большой глубине она не кипит из-за высокого давления. При такой температуре CO₂ – самое стабильное углеродное соединение. Это означает, что синтез органических веществ в этих условиях не может осуществляться: любая синтезированная органика будет быстро разрушена и снова превратится в CO₂. Предположение, что органические реакции могут протекать на поверхности минералов, также сомнительно. Если органические молекулы будут оставаться связанными с поверхностью минералов, их образование в конце концов остановится. Если же молекулы будут диссоциировать, их сразу смоет в океан, и синтез органики в прямом смысле вылетит в трубу. “Черные курильщики” еще и очень недолговечны, период их существования исчисляется десятками лет – слишком мало для зарождения жизни. Хотя “черные курильщики” представляют собой неравновесные диссипативные структуры и с их помощью можно разрешить некоторые проблемы гипотезы “первичного бульона”, их нестабильность и жесткие условия препятствуют синтезу хрупких органических соединений, необходимых для развития жизни. Но все же “черные курильщики” сыграли в этом процессе очень важную роль: насытили воды древнего океана важными для катализа ионами металлов, например железа и никеля, выщелоченных из магмы.

Преимуществами этих ионов могли пользоваться подводные источники и другого типа – щелочные гидротермальные источники (рис. 12). На мой взгляд, эти источники позволяют решить все проблемы, которые возникали с происхождением жизни в “черных курильщиках”. Щелочные гидротермальные источники, в отличие от “черных курильщиков”, образуются не из-за вулканической активности (и поэтому выглядят не столь впечатляюще), но на роль потоковых электрохимических реакторов подходят гораздо лучше. То, что щелочные источники отвечают требованиям жизни, показал геохимик Майк Рассел, опубликовав в 1988 году короткую статью в журнале “Нейчур”. В 90-х годах он написал ряд теоретических работ. Впоследствии к нему присоединился Билл Мартин, который обогатил исследования горячих источников своими микробиологическими идеями, и вместе они обнаружили множество неожиданных параллелей между источниками и живыми клетками. Как и Вехтерсхойзер, Рассел и Мартин утверждают, что жизнь началась с реакций между простыми молекулами, например H₂ и CO₂ – подобно тому, как автотрофные бактерии из простых неорганических предшественников синтезируют все свои органические молекулы. Рассел и Мартин также подчеркивают роль каталитических способностей железосерных минералов на ранних стадиях возникновения жизни. Мысль Рассела, Мартина и Вехтерсхойзера вращается вокруг горячих источников, железосерных минералов и происхождения автотрофности, и может показаться, что они говорят об одном и том же. В действительности их идеи радикально различаются.

Щелочные горячие источники возникают не при взаимодействии воды с расплавленной магмой, а при гораздо более мягких процессах – химических реакциях воды с горными породами. Мантийные горные породы, богатые оливином, реагируют с водой, превращаясь в гидратированный минерал серпентинит (змеевик) – красивый камень с пестрой зеленоватой расцветкой, напоминающей змеиную кожу. Серпентинит часто используют для облицовки (вспомните здание ООН в Нью-Йорке). Химическая реакция, в ходе которой оливин реагирует с водой и превращается в серпентинит, носит зловещее название “серпентинизация” (“озмеение”). Побочные продукты этой реакции и сыграли ключевую роль в возникновении жизни.

Рис. 12. Глубоководные гидротермальные источники.

Сравнение активного щелочного гидротермального источника из Затерянного города (А) с “черным курильщиком” (Б). Длина масштабной линейки в обоих случаях соответствует 1 м. Высота щелочного источника может достигать 60 м (как 20-этажное здание). Белая стрелка вверху указывает на зонд, прикрепленный к вершине источника. Более светлые участки щелочных источников – наиболее активные. В отличие от “дыма” “черных курильщиков”, гидротермальные жидкости щелочных источников не выпадают в осадок (и поэтому не выглядят как дым). Название “Затерянный город” было продиктовано возникающим там ощущением заброшенности и пустоты, однако это ощущение не вполне соответствует действительности.

Оливин богат соединениями двухвалентного железа и магния. При взаимодействии оливина с водой двухвалентное железо окисляется до трехвалентного – до соединений вроде ржавчины. Это экзотермическая (идущая с выделением тепла) реакция. В ее ходе выделяется большое количество газообразного водорода, который растворяется в теплой щелочной воде, содержащей гидроксид магния. Поскольку оливин – распространенный компонент мантии, эта реакция происходит преимущественно на дне океана вблизи спрединговых зон, где обнажаются свежие мантийные породы. Впрочем, мантийные породы в редких случаях взаимодействуют с водой непосредственно – она просачивается на глубину нескольких километров и уже там реагирует с оливином. Теплая, щелочная, насыщенная водородом жидкость поднимается (так как ее плотность ниже, чем у холодной морской воды), остывает, реагирует с растворенными в океане солями, и из нее выпадает осадок, который и формирует торчащие из морского дна столбы.

В отличие от “черных курильщиков”, щелочные источники не имеют никакого отношения к магме и формируются не над магматическими камерами в центрах океанического спрединга, а в нескольких милях от них. Вода в них не перегретая, а горячая: 60–90 °C. У них нет сквозного канала, из которого поток воды выходит в океан. Вместо этого они пронизаны сетью связанных друг с другом микроскопических пор. И вода в них не кислая, а сильнощелочная. По крайней мере, это те их свойства, которые предсказал Рассел в начале 90-х годов и которые лежали в основе его теории. Голос Рассела, одинокий и страстный, раздавался на конференциях, призывая ученых отвлечься от хтонической мощи “черных курильщиков” и обратить внимание на тихую гавань щелочных источников. Но никто не прислушивался к нему до 2000 года, когда был открыт первый подводный щелочной источник, названный Затерянным городом. Он удивительно соответствует почти всем предсказаниям Рассела, вплоть до местоположения – около 10 миль в сторону от Срединно-Атлантического хребта. Когда все это происходило, я стал задумываться о связи биоэнергетики с происхождением жизни и впервые написал об этом (в книге “Кислород”, опубликованной в 2002 году). Эти идеи сразу привлекли к себе внимание. Для меня в гипотезе Рассела важнее всего то, что она однозначно связывает происхождение жизни с протонным градиентом. Остается вопрос: как именно?

Щелочные гидротермальные источники обеспечивают точно те условия, которые требуются для возникновения жизни: мощный приток углерода и энергии, проходящий над неорганическими катализаторами, и специфические ограничения этого потока, которые позволяют добиться высоких концентраций органики. Гидротермальные жидкости насыщены растворенным водородом и, в меньших количествах, другими восстановленными газами, включая метан, аммиак и сероводород (который в щелочной среде превращается в сульфид-ион). Гидротермальные источники Затерянного города и другие известные щелочные источники имеют микропористую структуру: у них нет главного “жерла”. Составляющая их порода похожа на минерализованную губку, где крошечные, от микрометров до миллиметров в диаметре, поры разделены тонкими стенками, вместе образуя огромный лабиринт, сквозь ходы которого просачиваются наружу гидротермальные жидкости. Из-за того, что эти жидкости не перегреваются, контактируя с магмой, их температура способствует не только синтезу органических молекул, но и тому, что жидкости вытекают медленно. Вместо того чтобы неистово извергаться, жидкости спокойно протекают над каталитическими поверхностями. И гидротермальные источники существуют тысячелетиями – как Затерянный город, которому минимум 100 тыс. лет. Рассел указывает, что если перевести в более подходящие для химических процессов единицы времени, получится 10¹⁷ микросекунд. Неимоверно долго!

Теплые течения по лабиринту крошечных пор способствуют концентрированию органических молекул (в том числе аминокислот, жирных кислот и нуклеотидов), обеспечивая возрастание концентраций до значений, в миллионы раз превышающих изначальные. Это становится возможным благодаря термофорезу. Принцип примерно такой же, как в стирке: в стиральной машине мелкое белье нередко скапливается внутри большого пододеяльника. Оба этих явления зависят от кинетической энергии. При высоких температурах маленькие молекулы (и белье) кружатся и танцуют, вольные двигаться в любом направлении. А по мере того как гидротермальные жидкости смешиваются друг с другом и остывают, кинетическая энергия органических молекул падает, и они уже вовсе не так свободны (это и происходит с носками, когда их окутывает одеяло). Это означает, что они, скорее всего, уже не покинут место, где оказались. Так органические молекулы скапливаются в областях с более низкой кинетической энергией (рис. 13). Эффективность термофореза отчасти зависит от размера молекул: крупные, вроде нуклеотидов, концентрируются сильнее, чем молекулы меньшего размера. Низкомолекулярные конечные продукты, например метан, легко покидают гидротермальный источник.

Итак, постоянное гидротермальное течение сквозь микропористые стенки источников должно концентрировать органику путем активного динамического процесса, который не изменяет равновесное состояние (как, например, вымораживание или упаривание), а, напротив, сам является равновесным состоянием. Более того, термофорез обеспечивает химические взаимодействия органических молекул, благодаря чему внутри пор источника могут возникать диссипативные структуры.

Рис. 13. Термофорез позволяет добиться очень высоких концентраций органики.

А. Щелочной гидротермальный источник из Затерянного города (в разрезе). Заметна пористая структура стенок: здесь нет центрального жерла, вместо него – лабиринт пор (от микрометров до миллиметров в диаметре).

Б. Органические вещества, например нуклеотиды, теоретически могут достигать концентраций, более чем в 1 тыс. раз превышающих первоначальные, путем термофореза за счет конвекционных токов и тепловой диффузии в порах источника.

Г. Пример экспериментального термофореза, осуществленного в нашем реакторе в Университетском колледже Лондона. Здесь показан флуоресцентный органический краситель (флуоресцеин) в пятитысячекратной концентрации на пористой керамической пене (диаметр 9 см).

Д. Другое флуоресцентное вещество, хинин, концентрируется еще сильнее, минимум в миллион раз.

Возможно, это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой. Вблизи щелочных гидротермальных источников Затерянного города цветет жизнь, пусть и представленная в основном бактериями и археями. В этих источниках в небольших количествах образуется органика: метан и следы других углеводородов. Но новых форм жизни там определенно не возникает, и даже среды, богатой органикой, в результате термофореза не образуется. Конечно, уже живущие там бактерии подчищают ресурсы, но есть и более фундаментальные причины.

“Черные курильщики” 4 млрд лет назад отличались от сегодняшних. И химия щелочных гидротермальных источников в то время была иной. Конечно, в чем-то они очень похожи. Сам процесс серпентинизации не должен был измениться: теплые, насыщенные водородом щелочные потоки, по всей видимости, растекались по морскому дну и тогда. Но химия океана была совсем другой, а это должно было сказаться на минеральном составе щелочных источников. Сейчас “курильщики” Затерянного города сложены в основном из карбонатов (арагонита), а другие похожие источники, открытые позднее (например Стритан в Исландии), состоят из глин. Что творилось в катархейских океанах 4 млрд лет назад, мы не можем точно сказать. Неизвестно, какие именно структуры должны были тогда формироваться, но ясно, что двумя ключевыми факторами, определяющими их тип, являлось отсутствие кислорода и гораздо более высокая, чем сейчас, концентрация CO₂ в воздухе и океане. Из-за этих отличий древние щелочные источники в роли потоковых реакторов должны были быть гораздо эффективнее.

В отсутствие кислорода железо переходит в раствор в виде двухвалентного иона. Мы знаем, что в древних океанах было много ионов железа: они выпали в осадок, образовав огромные слоистые железные формации (гл. 1). Большая часть этих растворенных ионов попала в воду из “черных курильщиков”. Также мы знаем, что железо должно было осаждаться, формируя щелочные гидротермальные источники – не потому, что мы это наблюдали, а потому, что это должно быть обусловлено химическими закономерностями (и мы можем воссоздать этот процесс в лабораторных условиях). Железо будет выпадать в осадок в виде гидроксидов и сульфидов, которые образуют каталитические кластеры. Такие кластеры входят в состав ферментов, контролирующих метаболизм углерода и энергии (например в составе белка ферредоксина). Когда кислорода не было, минеральные стенки щелочных источников должны были содержать каталитически активные железные минералы – скорее всего с примесями других активных металлов, например никеля и молибдена (который растворяется в щелочных жидкостях). А это очень похоже на настоящий потоковый реактор: насыщенные водородом жидкости циркулируют в лабиринте микроскопических пор, стенки которых каталитически активны и где удерживаются и концентрируются продукты, а отходы – удаляются.

Но что именно вступает в реакцию? Вот мы и подобрались к сути: роли высоких концентраций CO₂. В щелочных гидротермальных источниках в наше время углерода относительно мало, потому что большая часть доступного неорганического углерода осаждается на стенах источника в виде карбоната (арагонита). По всей видимости, в катархее, 4 млрд лет назад, концентрация CO₂ была существенно выше (в 100–1000 раз), чем сейчас. Высокие концентрации CO₂ не только обеспечивали источники углеродом, но и делали воду океанов кислее, что препятствовало осаждению карбоната кальция. (В наши дни возрастающая концентрация CO₂ – и, как следствие, закисление океанов – представляет угрозу для коралловых рифов.) Уровень pH современных океанов – около 8, это слабощелочная среда. В катархее же океаны, скорее всего, были нейтральными или слабокислыми, с pH = 5–7 (геохимические данные не дают точные значения). Благодаря сочетанию высокой концентрации CO₂, слабокислых вод океанов, щелочных потоков и тонких стенок, содержащих FeS, стали возможными химические процессы, которые в иных условиях было непросто осуществить.

Химическими процессами управляют термодинамика и кинетика. Законы термодинамики предопределяют, какие из состояний материи более стабильны – иными словами, какие молекулы будут получаться в результате реакции при условии неограниченного времени. Законы кинетики указывают скорость реакций и позволяют понять, какие продукты образуются при реакции за фиксированный срок. Исходя из термодинамических закономерностей, CO₂ будет реагировать с водородом (H₂) с образованием метана (CH₄). Это экзотермическая реакция, она протекает с выделением тепла. За счет этого повышается энтропия окружающей среды – по крайней мере в определенных условиях, благоприятствующих протеканию реакции. Реакция пойдет самопроизвольно, если предоставить ей такие условия (в данном случае это умеренная температура и отсутствие кислорода). Если температура слишком высока, CO₂ становится стабильнее метана. А в присутствии кислорода водород будет реагировать преимущественно с ним, образуя воду. Четыре миллиарда лет назад умеренная температура и бескислородная среда щелочных источников должны были способствовать реакции CO₂ с H₂ с образованием CH₄. Даже сейчас, в присутствии кислорода, Затерянный город производит немного метана. Геохимики Ян Аменд и Том Макколлом рассчитали, что в условиях щелочного гидротермального источника образование органических веществ из H₂ и CO₂ остается термодинамически выгодным до тех пор, пока в среде нет кислорода. Это впечатляет. В таких условиях, при 25–125 °C, формирование тотальной клеточной биомассы (аминокислот, жирных кислот, углеводов, нуклеотидов и т. д.) из H₂ и CO₂ действительно экзергонично. Это значит, что органическая материя при таких условиях должна самопроизвольно формироваться из H₂ и CO₂. В результате образования клеток выделяется энергия и повышается общая энтропия.

Но (и это сильное возражение) заставить реагировать H₂ и CO₂ очень непросто: препятствует кинетический барьер. Хотя термодинамика и утверждает, что они должны самопроизвольно реагировать, некое препятствие не дает этому случиться. H₂ и CO₂ почти безразличны друг к другу. Чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно много энергии: бомба, которая проломит барьер. Тогда H₂ и CO₂ вступят в реакцию. Вначале будут образовываться частично восстановленные вещества. CO₂ может принимать электроны только парами. Приобретая пару электронов, CO₂ превращается в формиат (HCOO^–). Приняв еще два электрона – в формальдегид (CH₂O), а следующие два – в метанол (CH₃OH). Наконец, последняя пара дает полностью восстановленный метан (CH₄). Конечно, живые организмы состоят не из метана – основой жизни служит частично восстановленный углерод, в грубом приближении представляющий собой нечто среднее между углеродом в формальдегиде и углеродом в метане. Это означает, что на пути возникновения жизни из CO₂ и H₂ стоят два кинетических барьера. Первый нужно преодолеть, чтобы получить формальдегид или метанол. А второй не должен быть преодолен! Приняв H₂ и CO₂ в свои теплые объятия, клетка в последнюю очередь желала бы, чтобы реакция пошла до конца и образовался метан. В этом случае ее содержимое разлетелось бы, рассеялось, улетучилось. Похоже, жизнь точно знает, как сделать первый барьер ниже и как поддерживать второй (опуская его лишь при необходимости энергии). Но что случилось в самом начале?

Если бы существовал простой и экономичный способ заставить CO₂ реагировать с H₂, затрачивая на это не более энергии, чем получается на выходе, мы немедленно им воспользовались бы. Это был бы огромный шаг на пути к решению глобальной энергетической проблемы. Представьте себе: искусственный фотосинтез, с помощью которого можно расщепить воду на H₂ и O₂! И это уже реальность. Но у водородной энергетики есть свои недостатки. Гораздо лучше заставить реагировать H₂ и CO₂ из воздуха, получая природный газ – или даже синтетический бензин! Тогда можно сразу сжигать этот газ на электростанциях. При этом выброс CO₂ уравновешивался бы его забором. Мы смогли бы остановить повышение концентрации CO₂ в атмосфере, избавиться от зависимости от ископаемого топлива. Энергетический кризис нам точно не грозил бы. Пока мы не преуспели в поиске экономичного осуществления этой реакции. Вряд ли можно добиться более высокого выхода. А вот клетки, даже самые простые, делают это постоянно. Так, метаногены получают нужные им для роста углерод и энергию в результате реакции H₂ с CO₂. Но вот еще более сложный вопрос: как эта реакция могла идти до возникновения живых клеток? Вехтерсхойзер отверг такую возможность. Он решил, что жизнь не могла начаться с реакции CO₂ и H₂, потому что те просто не стали бы реагировать[47]. Даже высокое давление, как на дне океана, где находятся гидротермальные источники, не заставило бы H₂ вступить в реакцию с CO₂. Вот почему Вехтерсхойзер отстаивал идею пиритного пуллинга. Но один способ все же есть.

Окислительно-восстановительные реакции предполагают перенос электронов от донора (в данном случае H₂) к акцептору (CO₂). Готовность молекулы отдавать свои электроны называют восстановительным потенциалом. Это не слишком правильная аналогия, но она довольно проста для понимания. Если молекула “хочет” избавиться от своих электронов, восстановительный потенциал принимает отрицательное значение. Чем сильнее она хочет это сделать, тем отрицательнее потенциал. Напротив, если атом или молекула жаждут электронов и готовы их отрывать почти отовсюду, то восстановительный потенциал положителен (можно рассматривать это как притягивание отрицательно заряженных электронов). Кислород “хочет” захватывать электроны (окисляя любое вещество, у которого он их забирает), демонстрируя свой очень высокий положительный восстановительный потенциал. Все эти понятия на самом деле относятся к так называемому стандартному водородному электроду, но сейчас не стоит об этом беспокоиться[48]. Важно, что молекула с отрицательным восстановительным потенциалом склонна избавляться от электронов, передавая их любой молекуле с более высоким восстановительным потенциалом, но не куда-либо еще.

В этом и проблема H₂ и CO₂. При нейтральном pH = 7 восстановительный потенциал H₂ составляет –414 мВ. Если H₂ отдаст свои два электрона, от него останется два протона: 2H⁺. Восстановительный потенциал водорода отражает этот динамический баланс – склонность H₂ терять электроны, превращаясь в H⁺, и склонность 2H⁺ захватывать электроны, образуя H₂. Если бы CO₂ приобрел эти электроны, он превратился бы в формиат. Но восстановительный потенциал формиата равен –430 мВ. Это означает, что он склонен отдавать электроны на H⁺ с образованием H₂ и CO₂: фактически это обратная реакция. Формальдегид и того хуже. Его восстановительный потенциал примерно равен –580 мВ. Он крайне неохотно удерживает собственные электроны и с легкостью отдаст их протонам (с образованием H₂). Таким образом, если рассматривать реакцию при pH = 7, Вехтерсхойзер прав: H₂ никоим образом не сможет восстановить CO₂[49]. Но некоторые бактерии и археи живут именно благодаря этой реакции, а значит, она возможна. Мы подробно рассмотрим, как они это делают, в следующей главе. А сейчас все, что нам нужно знать: что бактерии, живущие на H₂ и CO₂, могут расти, лишь получая энергию за счет трансмембранного протонного градиента. Это и есть ключ.

Восстановительный потенциал молекулы часто зависит от pH – иначе говоря, от концентрации протонов. Причина достаточно проста. При переносе электрона переносится и отрицательный заряд. Если молекула, которая восстанавливается, может принять еще и протон, продукт получается более стабильным, потому что положительный заряд протона компенсирует отрицательный заряд электрона. Чем больше протонов доступно для компенсации заряда, тем проще осуществить перенос электрона. Веществу становится легче принять пару электронов. Действительно, восстановительный потенциал повышается при закислении среды примерно на 59 мВ с каждой единицей pH. Чем кислее раствор, тем проще передать электроны на CO₂ и получить формиат или формальдегид. К сожалению, то же самое относится и к водороду. Чем раствор кислее, тем проще перенести электроны на протоны с образованием водорода H₂. И если просто изменить pH, это не возымеет эффекта. Восстановить CO₂ при помощи H₂ по-прежнему будет невозможно.

А теперь подумайте о протонном трансмембранном градиенте. Концентрация протонов – кислотность – по разные стороны мембраны различается. Точно такое же различие наблюдается в щелочных источниках. Щелочные гидротермальные потоки держат путь через лабиринт микропор. Сквозь них же течет слабокислая океанская вода. В некоторых местах потоки соприкасаются: при этом океанская вода, насыщенная CO₂, отделяется от щелочных потоков тонкой неорганической стенкой, содержащей FeS минералы с полупроводниковыми свойствами. Восстановительный потенциал H₂ в щелочных условиях становится ниже: водород в такой среде отчаянно желает отринуть свои электроны, а оставшийся после этого H⁺ может спариться с OH^– в щелочных потоках, порождая стабильную воду. При pH = 10 восстановительный потенциал H₂ равен –584 мВ: это сильный восстановитель. А при pH = 6 восстановительный потенциал для формиата равен –370 мВ, для формальдегида он равен –520 мВ. Иными словами, при такой разнице водороду довольно легко восстановить CO₂ с образованием формальдегида[50]. Единственный вопрос: как именно электроны переносятся с H₂ на CO₂? Дело в том, что железосерные минералы в тонких неорганических перегородках микропористых источников проводят электроны – пусть не так хорошо, как медная проволока. Теоретически физическое строение щелочных источников могло обеспечить восстановление CO₂ водородом, в результате чего могла получиться органика (рис. 14). Фантастика!

Но так ли это? Вот она, красота науки: это простой вопрос, который можно проверить. Не то чтобы это было просто. Некоторое время я уже пытаюсь это сделать в лаборатории вместе с химиком Барри Херши и аспирантами Александрой Уичер и Элоем Кампруби. На деньги фонда “Леверхульм траст” мы построили настольный реактор, чтобы попробовать провести эти реакции. Осаждение в лаборатории тонких полупроводниковых стенок из сульфида железа – дело не слишком простое. Еще одна проблема – формальдегид нестабилен и он “хочет” вернуть свои электроны протонам, а при этом вновь образуются H₂ и CO₂. Легче это происходит в кислотной среде. Определенный pH и точная концентрация водорода критически важны. И в лаборатории, разумеется, затруднительно воспроизвести размеры настоящих источников (десятки метров в высоту), а тем более обеспечить высокое давление (это позволяет добиться гораздо более высокой концентрации газов, например водорода). Эксперимент прост в том смысле, что вопрос четко сформулирован и проверяем, а ответ поможет многое узнать о происхождении жизни. Нам удалось получить формиат, формальдегид и другие простые органические вещества (включая рибозу и дезоксирибозу)[51].

Пока примем теорию такой, какова она есть, и предположим, что реакция пойдет именно так, как предсказано. Что произойдет? Медленный, но устойчивый синтез органических молекул. (Каких именно молекул, разберем в следующей главе. Пока лишь отметим, что это предположение проверяемо.) После образования органики ее концентрация будет увеличиваться в тысячи раз по сравнению с изначальной за счет термофореза, обеспечивая формирование везикул и, возможно, таких полимеров, как белки. (И это предположение можно проверить в лаборатории.) Первые шаги вдохновляют: флуоресцентный краситель флуоресцеин, по размеру такой же, как нуклеотид, в нашем потоковом реакторе увеличивает свою концентрацию минимум в 5 тыс. раз, а хинин может концентрироваться еще сильнее (рис. 13).

Итак, что означают рассуждения о восстановительных потенциалах? Они одновременно и ограничивают спектр, и выявляют широкий диапазон условий, при которых во Вселенной могла возникнуть жизнь. Да, из-за подобных вещей ученые часто выглядят так, как будто они живут в изолированном мирке, потерявшись среди абстрактных размышлений. Может ли тот факт, что восстановительный потенциал водорода падает вместе с pH, приблизить нас к разрешению проблемы? Да. В условиях щелочных гидротермальных источников H₂ будет реагировать с CO₂ с образованием органических молекул. Почти в любых иных условиях этого не случится. Выше я успел отвергнуть почти все остальные среды, которые могли обеспечить происхождение жизни. Исходя из законов термодинамики, мы установили, что для того, чтобы построить живую клетку с нуля, требуется непрерывный поток активного углерода и химической энергии, проходящей над примитивными катализаторами в системе, которая ограничивает и направляет движение потока. Лишь гидротермальные источники могут обеспечить необходимые условия, и лишь единственная их разновидность – щелочные гидротермальные источники – обладает абсолютно всеми необходимыми свойствами. Но идея щелочных источников одновременно порождает серьезную проблему – и дает красивое ее решение. Серьезная проблема состоит в том, что хотя эти источники богаты водородом, водород не будет просто так вступать в реакцию с CO₂ с образованием органики. А красивое решение – это физическое строение щелочных источников: естественные протонные градиенты на тонких полупроводниковых стенках в теории могут инициировать образование органических веществ. А затем обеспечить их концентрирование. На мой взгляд, все это имеет смысл! Учтите при этом, что жизнь использует (до сих пор) трансмембранные протонные градиенты, чтобы обеспечивать энергией и углеродный, и энергетический метаболизм, и мне хочется стенать вместе с Джоном Арчибальдом Уилером: “О, могло ли быть иначе! Как мы все могли так долго оставаться слепы?!”

Рис. 14. Как получить органику из H₂ и CO₂.

А. Зависимость потенциала восстановления от водородного показателя (pH). Чем более отрицателен потенциал восстановления, тем выше вероятность, что вещество отдаст один или более своих электронов. Чем он положительнее, тем вероятней, что вещество примет электроны. Обратите внимание, что значения на шкале y становятся отрицательнее с увеличением высоты. При pH = 7 H₂ не способен отдавать электроны на CO₂ с образованием формальдегида (CH₂O). Реакция будет идти преимущественно в противоположном направлении. Однако если H₂ окажется в среде с pH = 10 (как в гидротермальных щелочных источниках), а CO₂ – при pH = 6 (как в древнем океане), теоретически возможно восстановление CO₂ до CH₂O.

Б. В пористом источнике жидкости с pH = 10 и pH = 6 могли находиться в соседних порах и отделяться друг от друга тонкой полупроницаемой стенкой, в составе которой имелся сульфид железа (FeS), ускоряющий реакцию восстановления CO₂ до CH₂O. FeS выступает в роли катализатора, как и в процессе нашего дыхания перемещая электроны H₂ к CO₂.

Но – давайте успокоимся. Восстановительный потенциал ограничивает и одновременно выявляет набор условий, при которых должна была возникнуть жизнь. Мы выяснили, что условия, которые в наибольшей мере способствовали бы возникновению жизни, реализуются в щелочных источниках… Что, и это все? Должны быть другие варианты! О’кей, может быть. В бесконечной Вселенной возможно все, но не все вероятно. Возникновение жизни в щелочных источниках вероятно. Такие источники формируются в результате химической реакции между водой и оливином – одним из самых распространенных минералов во Вселенной, главной составляющей космической пыли и аккреционных дисков, из которых формируются планеты, включая Землю. Серпентинизация оливина может происходить даже в космосе – при насыщении водой космической пыли. Согласно некоторым гипотезам, когда образовалась наша планета, вода при возрастании температуры и давления дала начало океанам. Как бы то ни было, оливин и вода – одни из самых широко распространенных веществ во Вселенной. Другой необходимый компонент – газ CO₂. Он входит в состав атмосферы большинства планет Солнечной системы и найден в атмосфере экзопланет.

Определенный минерал, вода и газ: вот список необходимого для жизни. Мы найдем все это почти на любой влажной каменистой планете. В соответствии с законами химии и геологии, эти вещества будут формировать теплые щелочные гидротермальные источники с протонными градиентами между тонкостенными каталитическими микропорами. Мы можем на это рассчитывать. Возможно, особенности их химии не всегда будут способствовать жизни. Этот эксперимент идет прямо сейчас на каждой из 40 млрд подобных Земле планет одного только Млечного Пути. Мы живем в чашке Петри вселенского масштаба. Как часто прекрасные условия дают начало жизни, зависит от того, что происходит дальше.

“Я так думаю”, – в 1837 году записал Дарвин в дневнике. Эти слова нацарапаны рядом со схематическим рисунком, изображающим дерево жизни. Прошел всего год с момента, когда Дарвин вернулся из плавания на “Бигле”. Спустя 22 года этот (несколько более художественно выполненный) рисунок стал единственной иллюстрацией в “Происхождении видов”. Концепция дерева жизни оказала такое влияние на гипотезы Дарвина и даже на современную эволюционную биологию, что попытки заявить, что она неверна, кажутся кощунством. В 2009 году, спустя 150 лет после публикации “Происхождения видов”, именно такое заявление было крупно напечатано на обложке журнала “Нью сайентист”. Несмотря на провокационный заголовок (призванный привлечь читателей), статья была гораздо сдержанней и содержала вполне определенную мысль. В некотором смысле концепция дерева жизни действительно неверна. Но отсюда не следует, что важнейшая из гипотез Дарвина – эволюция путем естественного отбора – также неверна. Из этого следует лишь, что представления Дарвина о наследственности были неполны. И это не новость. Хорошо известно, что Дарвин ничего не знал о ДНК, генах и законах Менделя, не говоря уже о переносе генов между бактериями, так что механизмы наследственности он представлял себе довольно смутно. Но ничто из этого не дискредитирует дарвиновскую теорию естественного отбора, так что заявление на обложке справедливо лишь в очень узком смысле.

Но фраза с обложки журнала поднимает очень важный вопрос. Дерево жизни подразумевает “вертикальный” способ наследования: родители путем полового размножения передают потомкам копии своих генов. Передача генов происходит в основном в рамках видов, с редкими случаями межвидового скрещивания. Репродуктивно изолированные популяции медленно дивергируют, так как возможности скрещивания между ними снижаются, и в конце концов превращаются в новые виды. Именно так на дереве жизни возникают разветвления. Но у бактерий все гораздо запутаннее. У них нет настоящего полового размножения, как у эукариот, поэтому они не образуют обособленных видов. Определение того, что такое “вид” у бактерий, всегда представляло собой проблему. Но наибольшие затруднения вызывает горизонтальный перенос генов (ГПГ): бактерии способны не только завещать свой геном дочерним клеткам, но и могут раздать его в виде милостыни всем желающим. Но опять-таки, ничто из этого никоим образом не опровергает теорию естественного отбора. Основа осталась той же: наследственность и изменчивость, вот только изменчивость реализуется куда большим числом способов, чем считалось.

Распространенность ГПГ у бактерий ставит перед нами вопрос: что мы вообще можем о них знать? По своей фундаментальности этот вопрос сравним со знаменитым физическим принципом неопределенности. Ведь почти все деревья построены по результатам анализа лишь одного гена. Пионер молекулярной филогенетики Карл Везе после тщательного отбора остановился на рибосомальной РНК (рРНК) малой субъединицы рибосомы[52]. Везе утверждал (и у него были основания), что этот ген универсален у всех организмов и очень редко передается горизонтальным переносом, поэтому филогенетический анализ этого гена покажет “единое истинное дерево жизни” клеток (рис. 15). В некотором смысле это действительно верно: когда клетка делится, дочерние клетки всегда наследуют гены рРНК предковой клетки. Но что произойдет, если через много поколений остальные гены из-за ГПГ окажутся замененными на другие? Со сложными многоклеточными организмами такое случается крайне редко. Мы можем секвенировать рРНК орла, и ее последовательность укажет, что орел – это птица, а отсюда можно сделать вывод, что у орла есть клюв, перья, когти, крылья, что он откладывает яйца, и т. д. Это так, потому что вертикальное наследование генов обеспечивает устойчивую корреляцию между рибосомальным “генотипом” и общим фенотипом организма – гены, кодирующие признаки птицы, наследуются все вместе на протяжении многих поколений. И, хотя они могут в процессе изменяться, изменения редко приводит к непредсказуемым последствиям.

Рис. 15. Знаменитое, но неверное трехдоменное дерево жизни.

Эту схему составил Карл Везе в 1990 году. Дерево построено на основе анализа одного высококонсервативного гена (гена рибосомальной РНК малой субъединицы рибосомы). Местоположение “корня” выявлено анализом расхождений между парами паралогичных генов, общих для всех клеток (которые дуплицировались еще у Последнего всеобщего предка), и оно показывает, что и археи, и эукариоты гораздо ближе друг к другу, чем к бактериям. Но это верно лишь для ключевых информационных генов. Большая доля остальных генов эукариот родственна генам бактерий, а не архей. Так что приведенная схема вводит нас в заблуждение. Ее можно рассматривать исключительно как филогенетическое дерево одного гена, но не как дерево жизни.

Представим теперь, что было бы, если у птиц был бы распространен ГПГ. Последовательность рРНК такого организма указывала бы на то, что перед нами птица. Но взглянув на такую “птицу”, мы увидели бы, что у нее нет крыльев, зато есть хобот, шесть лап, глаза на коленках, шерсть, а еще она мечет икру, как лягушка, и воет, как гиена. Это, конечно, абсурд, но именно с этим мы сталкиваемся, изучая бактерии. Чудовищные химеры ежесекундно пролетают у нас перед глазами, и мы не вопим от ужаса лишь потому, что те, как правило, очень малы и морфологически невзрачны. Тем не менее бактерии (если рассматривать их геномы) всегда химерны, а иные из них в генетическом отношении столь же чудовищны, как наша “птица”. У кого действительно есть причины вопить от ужаса при виде бактерий, так это у ученых-филогенетиков. На основании анализа рРНК мы не можем установить, как выглядит клетка и какой она была в прошлом.

Для чего тогда нужен филогенетический анализ по одному гену, если он ничего не может рассказать нам о происхождении клетки? В некоторых случаях он полезен – это зависит от выбранных временных масштабов и темпов ГПГ. Когда темпы горизонтального переноса низкие (у растений, животных, большинства протистов и некоторых бактерий), то на небольшом временном промежутке мы можем наблюдать устойчивую корреляцию между рибосомальным генотипом и фенотипом. Если же скорость ГПГ высока, корреляция быстро исчезает. Патогенные штаммы кишечной палочки (E. coli) отличаются от безвредных не последовательностями рРНК, а наличием генов, определяющих патогенность. Геномы разных штаммов E. coli могут различаться на 30 % (в 10 раз больше различий, чем между геномами человека и шимпанзе, но при этом мы продолжаем считать все кишечные палочки одним видом). Правда, если нас интересуют патогенные свойства, то филогения рРНК – последнее, что нам пригодится. За долгое время корреляция между рибосомальным генотипом и фенотипом исчезает даже при очень низких темпах ГПГ. Отсюда следует, что почти невозможно установить, какой образ жизни 3 млрд лет назад вела бактерия: за такой срок ГПГ мог заменить почти все ее гены.

Поэтому все величие древа жизни оказывается обманчивым. У нас была надежда, что удастся воссоздать истинную филогению всех клеток, установить, как одни виды возникали из других, проследить за ними до самого истока и воссоздать облик предка всего живого. Если бы мы действительно могли это сделать, мы смогли бы узнать о Последнем всеобщем предке (Last Universal Common Ancestor, LUCA) все, в том числе получить данные о составе его мембраны, среде обитания и потребляемых для роста веществах. К сожалению, мы не можем получить такие точные сведения. Билл Мартин провел очень остроумный тест, который назвал “удивительное дерево с исчезающими ветвями”. Он выделил 48 генов, консервативных для всех живых организмов, и построил филогенетические деревья для каждого гена, чтобы установить родство между 50 бактериями и 50 археями (рис. 16)[53]. Вблизи концов ветвей все 48 генов показывали одни и те же родственные взаимосвязи внутри сотни видов бактерий и архей. То же самое наблюдалось и вблизи корня: почти все гены “согласились” с тем, что корень этого дерева жизни находится где-то между бактериями и археями (фактически – с тем, что Последний всеобщий предок был прародителем бактерий и архей). Но при построении глубоких ветвей внутри бактерий или внутри архей оказалось, что все 48 генов показывают разное. Все 48 генов дают разные деревья! Этот может быть проблемой технического характера (размытие сигнала с увеличением расстояния), либо результатом ГПГ – принцип вертикального наследования генов нарушается, когда отдельные гены начинают случайным образом меняться местами. Мы не знаем, какой вариант верен, и пока нет возможности это узнать.

В сущности это означает, что мы не можем определить, какие группы бактерий или архей наиболее древние. Согласно одному дереву, наиболее древняя группа архей – метаногены. Согласно другому, это не так, и реконструкция облика древнейших клеток оказывается практически невозможной. Но даже если удалось бы доказать, что метаногены – действительно древнейшие археи, все равно не было бы уверенности, что они всегда вырабатывали метан, как современные метаногены. В соединении генов в одну последовательность для увеличения силы сигнала тоже мало проку, поскольку каждый ген может иметь свою историю, и такой анализ даст недостоверные результаты.

Но то, что все 48 выбранных Биллом Мартином универсальных генов помещают самую древнюю развилку дерева жизни между бактериями и археями, внушает некоторую надежду. Если мы сможем выяснить, какие свойства являются для бактерий и архей общими, а какие различаются и, по всей видимости, приобретены позднее, мы можем составить “фоторобот” Последнего всеобщего предка. Но и здесь мы сталкиваемся с затруднением: гены, общие для архей и бактерий, могли возникнуть лишь в одной из групп, а в другую попасть путем ГПГ: известно, что вполне возможен горизонтальный перенос между организмами всех трех доменов. Если ГПГ произойдет на ранних этапах эволюции (на пустых участках “удивительного дерева с исчезающими ветвями”), то будет казаться, что эти гены унаследованы от общего предка (вертикальный перенос), хотя на самом деле это не так. И чем полезнее ген, тем активнее он должен был распространяться на ранних этапах эволюции. Для того, чтобы отбросить влияние горизонтального переноса, мы вынуждены снова переключиться на гены, универсальность которых не вызывает сомнений и которые являются общими для представителей всех групп бактерий и архей. Это должно хоть отчасти уменьшить вероятность того, что эти гены распространялись путем горизонтального переноса на ранних этапах эволюции. Но беда в том, что известно менее сотни таких универсальных генов, то есть чрезвычайно мало, и воссозданный по ним портрет Последнего всеобщего предка выходит очень странным.

Рис. 16. Удивительное дерево с исчезающими ветвями.

На рисунке результат сравнения филогенетических схем, построенных для 50 бактерий и 50 архей по 48 универсальным и консервативным генам. Последовательности 48 генов были слиты в одну для увеличения статистической мощности (это обычный метод в филогенетике). По последовательности “супергена” построено дерево, демонстрирующее родственные связи внутри 100 видов. Построили деревья по каждому гену и каждое сравнили с “супергенным”. Для каждой ветви градиентом серого указано число деревьев, построенных по отдельным генам, которые совпадают с деревом, построенным по слитой последовательности. У основания дерева почти все 48 генов выдают то же дерево, что и слитая последовательность, указывая, что бактерии и археи действительно разошлись очень давно. На кончиках ветвей большинство деревьев, построенных по отдельным генам, также совпадают с деревом, построенным по слитой последовательности. Но мы не видим более глубоких ветвей внутри обеих групп: все построенные по отдельным генам деревья имеют иной порядок ветвления, нежели дерево, построенное по слитой последовательности. Это может быть и следствием горизонтального переноса генов, который перетасовал все точки ветвления, и размытием статистического сигнала за невообразимо долгие четыре миллиарда лет.

Мы уже сталкивались с этим (гл. 2). Cудя по всему, у Последнего всеобщего предка уже имелись белки и ДНК, а значит, в то время уже существовал универсальный генетический код, с ДНК считывались РНК-транскрипты, которые, в свою очередь, транслировались в белки на рибосомах – универсальных для всех клеток молекулярных фабриках, строящих белки. Механизмы, необходимые для прочтения ДНК и синтеза белков, задействуют множество молекул белков и РНК, общих для бактерий и архей. Структуры и последовательности этих белков и РНК не несут следов горизонтального переноса между группами – похоже, их механизмы транскрипции и трансляции разошлись на ранних этапах эволюции и затем развивались независимо. Движемся дальше. И бактерии, и археи используют энергию протонного градиента на мембране для синтеза АТФ. Фермент АТФ-синтаза – еще одна изумительная молекулярная машина, не уступающая по замысловатости рибосоме и, по-видимому, не менее древняя. Как и рибосомы, АТФ-синтазы универсальны и консервативны у всех живых организмов. Между бактериальными и архейными АТФ-синтазами есть незначительные структурные различия: по-видимому, эти АТФ-синтазы отделились от предковой АТФ-синтазы Последнего всеобщего предка, а их гены почти не переносились между доменами. Так что у Последнего всеобщего предка, судя по всему, наряду с рибосомами, РНК и ДНК, имелась и АТФ-синтаза. Кроме этого, у архей и бактерий есть несколько общих базовых биохимических путей, например пути синтеза аминокислот и некоторые реакции цикла Кребса, и они, по всей вероятности, присутствовали и у Последнего всеобщего предка. В общем, это почти все.

Что касается различий, то их чрезвычайно много. У архей и бактерий различается большинство ферментов, используемых в репликации ДНК. Хотя, казалось бы, что может иметь более фундаментальный характер для клетки? Разве что мембрана – но и мембраны у архей и бактерий различаются! То же самое можно сказать о клеточной стенке. У архей и бактерий принципиально различное строение обоих барьеров, отделяющих клетки от внешней среды. Почти не представляется возможным установить, чем вместо всего этого располагал Последний всеобщий предок. Различия можно перечислять и далее, но здесь мы остановимся. Из шести фундаментальных для клеток процессов (поток углерода, поток энергии, катализ, репликация ДНК, компартментализация и экскреция) у архей и бактерий сходны лишь первые три, да и то не во всем.

На этот счет существует несколько объяснений. Первое: все признаки у Последнего всеобщего предка могли быть продублированы, а впоследствии бактерии потеряли одну из копий, а археи – другую. Хотя это звучит довольно глупо, его нельзя необоснованно отвергать. Так, известно, что смесь бактериальных и архейных липидов способна образовывать устойчивые мембраны, и поэтому, возможно, у Последнего всеобщего предка имелись липиды обоих типов, а его потомки специализировались, утратив либо один, либо другой тип. Заметим, что этот сценарий может быть справедлив лишь для небольшого числа признаков, иначе возникает проблема, известная как геном Эдема. Если Последний всеобщий предок обладал всеми признаками, а его потомки специализировались, потеряв некоторые из них, то, следовательно, у Последнего всеобщего предка был чрезвычайно большой геном: гораздо больше, чем у современных прокариот. Я думаю, что предполагать, что сложное появилось прежде простого и что на каждую проблему было сразу два решения – все равно, что ставить телегу впереди лошади. К тому же совершенно непонятно, почему потомки Последнего всеобщего предка потеряли по половине всех его признаков. Мне кажется это неправдоподобным.

Вторая гипотеза гласит, что Последний всеобщий предок представлял собой совершенно обычную бактерию с мембраной, клеточной стенкой и репликацией ДНК бактериального типа. Позднее одна из групп его потомков – первые археи – заменила эти предковые структуры другими при адаптации к жизни в экстремальных условиях, например в гидротермальных источниках. Это общепринятое объяснение, которое тем не менее малоубедительно. Почему репликация ДНК у бактерий и архей различается, а процессы транскрипции и трансляции схожи? Если мембраны и клеточные стенки архей суть результат адаптации к жизни в горячих источниках, то почему живущие в аналогичных условиях экстремофильные бактерии сохранили свои мембраны и клеточные стенки и не поменяли их на мембраны и клеточные стенки архейного типа или что-либо иное? Бактерии и археи сосуществуют в одних экологических нишах, но при этом, несмотря на ГПГ, сохраняют фундаментальные различия. Кажется неправдоподобным, что все эти глубокие различия возникли в результате адаптации к жизни в конкретной нише и что все без исключения археи с тех пор зафиксировали эти признаки, хотя в других экологических нишах они совершенно не нужны.

Нам остается принять лишь один вариант. В природе Последнего всеобщего предка нет ничего парадоксального: он действительно использовал энергию ионного градиента для синтеза АТФ, у него была АТФ-синтаза, но при этом не было ни мембран современного типа, ни больших дыхательных комплексов, которые в современных клетках перекачивают протоны. Он действительно обладал ДНК, универсальным генетическим кодом, транскрипцией, трансляцией и рибосомами, но современных механизмов репликации ДНК у него еще не было. Невозможно вообразить, как такая странная клетка могла существовать в открытом океане, но все становится на свои места, если мы поместим ее в щелочной гидротермальный источник. Мы можем понять, как существовал Последний всеобщий предок, изучив, как теперь живут в этих источниках бактерии и археи – те из них, которые используют путь Вуда – Льюнгдаля: вероятно, первичный путь фиксации углерода, чрезвычайно напоминающий геохимические реакции геотермальных источников.

В живом мире существует всего шесть путей фиксации углерода – превращения неорганических молекул CO₂ в органические. Пять путей довольно сложны, и для их осуществления требуется много энергии – например энергии Солнца (в случае фотосинтеза). Есть еще одна причина, в силу которой Последний всеобщий предок не мог пользоваться фотосинтезом. Это цикл Кальвина – биохимический путь, в ходе которого CO₂ преобразуется в сахара. Он встречается лишь у фотосинтетических бактерий[54] (и растений, которые заполучили эти бактерии в качестве хлоропластов). Это означает, что цикл Кальвина вряд ли мог быть у Всеобщего предка. Если последний мог осуществлять фотосинтез, то эта способность должна была исчезнуть у всех архей – а терять такое полезное приспособление, конечно, глупо[55]. Гораздо вероятнее, что цикл Кальвина появился позднее, одновременно с фотосинтезом, и лишь у бактерий. То же самое можно сказать об остальных путях фиксации углерода, за исключением одного. Единственный способ фиксации углерода, который встречается и у бактерий, и у архей[56] – восстановительный путь ацетил-кофермента А (путь Вуда – Льюнгдаля).

Но и это утверждение не совсем верно. Путь Вуда – Льюнгдаля у бактерий и архей несколько отличается, и к этим различиям мы обратимся ниже. А сейчас рассмотрим, почему этот путь имеет хорошие шансы оказаться предковым, хотя данные филогенетики противоречивы и не могут подтвердить (впрочем, и опровергнуть) его раннее происхождение. Археи, живущие за счет пути Вуда – Льюнгдаля, – это метаногены, а бактерии – ацетогены. Одни деревья присваивают древнее происхождение метаногенам, другие – ацетогенам, а третьи указывают, что обе группы возникли довольно поздно, и их простота отражает скорее специализацию и оптимизацию, нежели близость к предковому состоянию. Сосредоточившись лишь на филогенетике, мы рискуем остаться ни с чем. Впрочем, никто нас и не заставляет ориентироваться только на нее.

Путь Вуда – Льюнгдаля начинается с H₂ и CO₂ – веществ, которые в изобилии имеются в щелочных гидротермальных источниках. Реакция CO₂ и H₂ с образованием органики экзергонична, то есть происходит с выделением энергии. Теоретически она должна быть самопроизвольной, но на практике существует энергетический барьер, из-за которого эта реакция протекает невероятно медленно. Метаногены используют протонные градиенты, чтобы преодолеть этот барьер. (Я постараюсь доказать, что этот прием был характерен для общего предка.) Как бы то ни было, метаногены и ацетогены растут лишь за счет реакции H₂ и CO₂: это их единственный источник углерода и энергии. Этим путь Вуда – Льюнгдаля выгодно отличается от остальных пяти способов фиксации углерода. Как заметил геохимик Эверетт Шок, “это бесплатный завтрак, за который тебе еще и платят”. Может, завтрак этот довольно скуден, зато в гидротермальных источниках его подают целый день.

И это еще не все плюсы. В отличие от других, путь Вуда – Льюнгдаля короткий и прямой. Он позволяет за небольшое число стадий перейти от простых неорганических молекул к веществу, в котором сосредоточен метаболизм клетки: маленькой и очень активной молекуле ацетил-кофермента А. Это универсальный “крючок”, который удерживает молекулы, чтобы они могли быть обработаны ферментом. Сам “крючок” не столь важен – важно то, что он держит: в данном случае это ацетильная группа. В слове “ацетил” тот же корень, что в слове “ацетат”. Ацетаты – соли уксусной кислоты, простой двухуглеродной молекулы, центральной в биохимии всех клеток. Будучи присоединенной к коферменту А, ацетильная группа находится в активированном состоянии (“активированный ацетат” – активированная уксусная кислота), что позволяет ей легко вступать в реакции с другими органическими молекулами и так участвовать в процессах биосинтеза.

Таким образом, в рамках пути Вуда – Льюнгдаля из CO₂ и H₂ за небольшое число шагов активированные молекулы синтезируются до тех пор, пока энергия не выделится в количестве, достаточном для того, чтобы обеспечить не только образование нуклеотидов и других молекул, но и их объединение в длинные цепи: ДНК, РНК, белки и т. д. В состав ферментов, катализирующих первые несколько стадий, входят неорганические кластеры, содержащие железо, никель и серу, которые участвуют в переносе электронов на CO₂, в результате чего образуются активные ацетильные группы. Эти неорганические кластеры, по сути, являются минералами, более или менее идентичными по структуре железосерным минералам, которые осаждаются в гидротермальных источниках (рис. 11). Геохимия щелочных источников настолько сходна с биохимией метаногенов и ацетогенов, что язык не поворачивается назвать ее “аналогичной”. Аналогия подразумевает лишь поверхностное сходство, а здесь сходство настолько глубоко, что речь идет скорее о гомологии (когда одна форма дает начало другой). В ходе плавного превращения неорганики в органику из геохимии выросла биохимия. По словам Дэвида Гарнера, “неорганические вещества породили органические”[57].

Но, наверное, главное преимущество ацетил-кофермента А заключается в том, что он – перекресток путей углеродного и энергетического метаболизма. На важную роль ацетил-кофермента А в происхождении жизни указал в начале 90-х годов Кристиан де Дюв, правда, рассуждая о “первичном бульоне”, а не о щелочных источниках. Ацетил-кофермент А не только обеспечивает органический синтез, но и способен реагировать непосредственно с фосфатом с образованием ацетилфосфата. Хотя сейчас ацетилфосфат не так важен в энергетическом плане, как АТФ, он до сих пор широко используется живыми организмами и может выполнять почти все те же функции, что и АТФ. Как замечено выше, АТФ не просто высвобождает энергию: он осуществляет реакции дегидратации, в которых одна молекула воды отщепляется от двух аминокислот или других “строительных блоков”, скрепляя их в цепь. Проблема дегидратации аминокислот в растворе та же самая, что и в случае выжимания белья под водой, но именно этим и занимается АТФ. В лаборатории мы показали, что ацетилфосфат может выполнять ту же функцию, потому что его химические свойства в основе такие же. Это означает, что древний метаболизм углерода и энергии мог осуществляться за счет другого простого тиоэфира – ацетил-кофермента А.

Но так ли он прост? Двухуглеродная ацетильная группа, может, и простая, но кофермент А – сложная молекула, которая, несомненно, является продуктом естественного отбора, а значит, появилась довольно поздно. Впрочем, существуют простые “абиотические” эквиваленты ацетил-кофермента А. Высокая активность ацетил-кофермента А обусловлена тиоэфирной связью (между атомом серы и атомом углерода, который, в свою очередь, связан с кислородом):

Здесь R – это радикал (остаток) молекулы, в данном случае кофермент А. CH₃ – метильная группа. Но в качестве R не обязательно выступает кофермент А. Вместо него может быть какая-нибудь простая группа, например метильная (CH₃). Тогда получится небольшая молекула – метилтиоацетат:

Это активный тиоэфир, аналогичный по химическим свойствам ацетил-коферменту А, но достаточно простой, чтобы его можно было получить в результате реакции H₂ и CO₂ в гидротермальных источниках – и действительно, он был получен Клаудией Хубер и Гюнтером Вехтерсхойзером, в качестве исходных веществ взявших лишь CO и CH₃SH. Более того, метилтиоацетат, как и ацетил-кофермент А, должен быть способен непосредственно реагировать с фосфатом, образуя ацетилфосфат. Таким образом, этот активный эфир через образование ацетилфосфата теоретически мог обеспечивать синтез новых органических молекул, а также их полимеризацию с образованием сложных цепей, например белков и РНК. Эту гипотезу мы сейчас проверяем при помощи настольного реактора (нам действительно удалось получить ацетилфосфат, хотя и в низкой концентрации).

Внутри микропор щелочных гидротермальных источников примитивный вариант пути Вуда – Льюнгдаля, в принципе, может дать все, что нужно для возникновения примитивных клеток. Я предположил бы три стадии. На первой стадии протонные градиенты на тонких неорганических перегородках, содержащих каталитические железосерные минералы, обусловили образование небольших органических молекул (рис. 14). Органические вещества концентрировались внутри более прохладных пор посредством термофореза и, в свою очередь, улучшали каталитические свойства минералов (гл. 3). Так зародилась биохимия: непрерывное образование и концентрирование активированных предшественников вынуждало молекулы реагировать друг с другом и формировать простые полимеры.

Вторая стадия: формирование простейших органических протоклеток внутри пор источника как естественный исход физического взаимодействия органических веществ. Это были простые клеткоподобные структуры, образующиеся в результате самоорганизации материи, пока не обладающие ни каким-либо генетическим базисом, ни реальной сложностью. Я думаю, что эти простые клетки осуществляли органический синтез за счет протонного градиента, но теперь на собственных органических мембранах (так, липидные бислои образуются самопроизвольно из жирных кислот), а не на неорганических стенках источника. Для этого не нужны белки. Протонный градиент может способствовать образованию метилтиоацетата и ацетилфосфата и обеспечивать углеродный и энергетический метаболизм. На этой стадии возникает ключевое отличие: отныне органическая материя формируется внутри самой клетки и этим процессом движут естественные протонные градиенты на органических мембранах. Мне нравится слово “движут”: думаю, оно подходит по смыслу лучше всех остальных. Оно позволяет подчеркнуть, что это не пассивные химические процессы, а вынужденные – инициированные непрерывным потоком углерода, энергии, протонов. Этим реакциям нужно произойти: это единственный способ разрешить нестабильное состояние, в котором пребывают восстановленные, насыщенные водородом щелочные жидкости, попадающие в окисленные, кислые, богатые ионами металлов океанские воды. Единственный путь достигнуть желанного термодинамического равновесия.

Третья стадия – возникновение генетического кода и настоящей наследственности. Это позволило протоклеткам более или менее точно воспроизводить себя. Наиболее ранние формы отбора, основанные на соотношении скоростей синтеза и распада, открыли путь настоящему естественному отбору, в ходе которого популяции протоклеток с генами и белками начали бороться за существование в порах источников. В конце концов в результате действия стандартных механизмов эволюции в ранних клетках появились белки со сложным строением, в том числе рибосомы и АТФ-синтаза (эти белки сохранились у всех организмов). Мне представляется, что Последний всеобщий предок, прародитель и бактерий, и архей, обитал в микропорах щелочных гидротермальных источников. Это значит, все три стадии, от абиотического начала и до Последнего всеобщего предка, протекали внутри пор источников. Все они обеспечивались протонными градиентами на неорганических стенках или органических мембранах. А появление сложных белков, например АТФ-синтазы – это последний шаг на каменистом пути к Последнему всеобщему предку.

В этой книге мы не рассматриваем детали древней биохимии – откуда взялся генетический код и прочие столь же сложные проблемы. Это по-настоящему важные вопросы, и ими занимаются некоторые выдающиеся исследователи. Мы до сих пор не знаем точных ответов на эти вопросы, но все идеи на эту тему предполагают обильное поступление активированных предшественников. Вот, например, красивая догадка о происхождении генетического кода, предложенная Шелли Копли, Эриком Смитом и Гарольдом Моровицем: каталитические динуклеотиды (два соединенных вместе нуклеотида) могут инициировать образование аминокислот из более простых предшественников, например пирувата. Эта остроумная схема показывает, как генетический код мог возникнуть из детерминистической химии. Для тех, кому это интересно, см. главу о происхождении ДНК в моей книге “Лестница жизни”. Но все эти гипотезы исходят из наличия постоянного снабжения нуклеотидами, пируватом и прочими предшественниками. Вопрос таков: какие движущие силы вызвали возникновение жизни на Земле? Главное, что мне хотелось бы подчеркнуть – отсутствие принципиальной сложности насчет того, откуда могли взяться углерод, энергия и катализаторы, обеспечившие образование сложных биологических молекул и дальнейшее развитие вплоть до появления генов, белков и Последнего всеобщего предка.

Рассмотренный сценарий с участием щелочных источников хорошо сочетается с биохимией метаногенов – архей, которые живут за счет H₂ и CO₂ и пути Вуда – Льюнгдаля. Эти клетки (вероятно, древние) генерируют на мембране протонные градиенты (мы рассмотрим, как именно), производя то же самое, что щелочные гидротермальные источники предоставляют даром. Протонный градиент обеспечивает прохождение пути Вуда – Льюнгдаля, и в этом участвует встроенный в мембрану железосерный белок – энергопреобразующая гидрогеназа (Ech). Он перебрасывает протоны через мембрану на другой железосерный белок – ферредоксин. Тот, в свою очередь, восстанавливает CO₂. Выше я предположил, что в щелочных источниках естественные протонные градиенты на тонких стенках из сульфида железа сделали возможным восстановление CO₂ за счет изменения восстановительных потенциалов H₂ и CO₂. Полагаю, что в энергопреобразующей гидрогеназе происходят те же самые процессы, только в нанометровом масштабе. Ферменты способны поддерживать определенные физические условия (в том числе концентрацию протонов) внутри своих полостей шириной в несколько ангстрем, и энергопреобразующая гидрогеназа могла обладать такими свойствами. Если так, то может существовать непрерывный переход от древнего состояния, в котором полипептиды стабилизируются, связываясь с железосерными минералами, встроенными в мембраны протоклеток, – и современным состоянием, в котором генетически закодированная энергопреобразующая гидрогеназа обеспечивает энергией метаболизм углерода у современных метаногенов.

Как бы то ни было, в мире генов и белков энергопреобразующая гидрогеназа использует протонный градиент, созданный за счет энергии, выделившейся в ходе синтеза метана, чтобы осуществить восстановление CO₂. А метаногены пользуются протонным градиентом для непосредственного синтеза АТФ с помощью АТФ-синтазы. Таким образом, и углеродный, и энергетический метаболизм осуществляются за счет протонных градиентов, точно таких же, как в источниках (а источники предоставляли их бесплатно). Возможно, именно так был устроен углеродный и энергетический метаболизм у первых протоклеток, обитавших в щелочных источниках. Это звучит достаточно правдоподобно, но на самом деле, если полагаться на естественные градиенты, возникают некоторые проблемы, очень серьезные и увлекательные. Мы с Биллом Мартином поняли, что может быть лишь одно возможное решение – и оно сулит многое в понимании причин фундаментальных различий бактерий и архей.

Внутренние мембраны наших собственных митохондрий почти непроницаемы для протонов. Это необходимое свойство. Какой смысл перекачивать протоны через мембрану, если они тут же устремляются обратно, будто бы сквозь бесчисленные дырочки? С тем же успехом можно носить воду в решете. В митохондриях находится электрическая цепь, в которой мембрана выступает диэлектриком. Протоны перекачиваются через мембрану, и большинство их возвращается, проходя сквозь белки, которые функционируют как турбины. В случае АТФ-синтазы синтез АТФ происходит за счет прохождения протонов сквозь крошечный вращающийся мотор. Но заметьте: система основана на активном перекачивании. Если заблокировать помпы, все процессы в клетке остановятся – как если стихнет ветер и на мельнице зерно перестанет перемалываться в муку. Это и происходит при отравлении цианидом: он блокирует протонную помпу на конце дыхательной цепи митохондрий. Если работа помп в составе дыхательной цепи затруднена, протоны могут продолжить втекать через АТФ-синтазу несколько секунд до того, как концентрация протонов не станет равной по обе стороны мембраны и ток прекратится. Трудно дать смерти столь же четкое определение, как жизни, но безвозвратная потеря мембранного потенциала приближается к таковому.

Как энергия естественного градиента протонов могла осуществлять синтез АТФ? Это сопряжено с “цианидной проблемой”. Представьте себе протоклетку внутри поры источника, которая получает энергию за счет протонного градиента. Одна сторона клетки постоянно омывается океанской водой, другая – потоками щелочных гидротермальных жидкостей (рис. 17). Четыре миллиарда лет назад океаны, вероятно, были слабокислыми (pH = 5–7), а гидротермальные жидкости – такими же, как сейчас (pH = 9–11). Получается, перепады pH были довольно резкими, в 3–5 единиц. Иначе говоря, разница концентраций протонов внутри и снаружи источника могла различаться в 1–100 тыс. раз[58]. Представим, что концентрация протонов внутри клетки совпадает с таковой для гидротермальных жидкостей. Это значит, что концентрация протонов внутри и снаружи клетки различается и протоны будут стремиться внутрь по градиенту концентрации. Впрочем, за несколько секунд поток иссякает и не возникнет снова, пока протоны не будут удалены из клетки. Этому есть две причины. Во-первых, концентрация по обе стороны мембраны быстро уравнивается. Во-вторых, важную роль играет электрический заряд. Протоны (H⁺) заряжены положительно, но в морской воде их заряд компенсируется отрицательно заряженными атомами, например ионами хлора (Cl^–). Проблема в том, что протоны проходят через мембрану гораздо быстрее, чем ионы хлора, и приток отрицательно заряженных частиц не компенсирует приток положительно заряженных. Таким образом, внутренняя сторона мембраны относительно внешней среды становится заряженной положительно, и это препятствует дальнейшему притоку H⁺. Итак, без насоса, который позволил бы выкачивать протоны из клетки наружу, естественные протонные градиенты бесполезны. Они быстро приходят в равновесие, а равновесие эквивалентно смерти.

Рис. 17. Клетка, живущая за счет природного протонного градиента.

В центре изображена клетка с проницаемой для протонов мембраной. Клетка втиснута в расщелину в неорганическом барьере, который внутри микропористого источника разделяет две фазы жидкостей. Верхняя фаза – это слабокислая океанская вода с pH = 5–7 (в рамках этой модели ее pH принят за 7), которая просачивается внутрь глубокой поры. В нижнюю фазу входят щелочные гидротермальные жидкости, которые просачиваются из одной поры в другую через соединительные каналы (их pH примерно 10). Ламинарное течение предполагает отсутствие турбулентных завихрений и смешивания, характерных для жидкостей, протекающих сквозь небольшие ограниченные пространства. Протоны (H⁺) могут проходить прямо сквозь липидную мембрану или через встроенные в нее белки (на рисунке обозначены треугольной фигурой) по градиенту концентрации протонов, меняющемуся от кислой воды океана до щелочных гидротермальных потоков. Гидроксид-ионы (OH^–) текут в противоположном направлении, из гидротермальных жидкостей в океанскую воду, но исключительно через мембрану. Интенсивность потока протонов зависит от проницаемости мембраны для H⁺, нейтрализации OH^–(с образованием H₂O), количества мембранных белков, размера клетки и заряда на мембране, накопленного в результате перемещения ионов из одной фазы в другую.

Но есть исключение. Если мембрана почти непроницаема для протонов, они не смогут попасть внутрь. Протоны входят в клетку, но не могут выйти. Но если мембрана в высокой степени проницаема, тогда другое дело. Протоны и в этом случае попадают внутрь клетки, но теперь они могут покидать ее, хоть и пассивно, через проницаемую мембрану на другой стороне клетки. В результате проницаемая мембрана представляет собой менее значительное препятствие для потока. Более того, гидроксид-ионы (OH^–) из гидротермальных жидкостей проходят через мембрану примерно с той же скоростью, что и протоны[59]. Встречаясь друг с другом, H⁺ и OH^– реагируют с образованием воды (H₂O), при этом положительный заряд протонов ликвидируется. При помощи классических электрохимических уравнений можно рассчитать скорости входа и выхода протонов из гипотетической клетки (ее компьютерной модели) как функции от мембранной проницаемости. Именно это и сделал Виктор Сохо, химик, интересующийся масштабными биологическими проблемами и работающий над диссертацией вместе со мной и Эндрю Помянковски. Зная соотношение равновесных концентраций протонов, мы можем рассчитать свободную энергию (ΔG), доступную лишь за счет протонного градиента. Доступная движущая сила зависит от проницаемости мембраны для протонов. Если мембрана слишком проницаема, протоны устремляются внутрь, а затем быстро исчезают, нейтрализованные стремительным потоком ионов OH^–. Но мы обнаружили, что и при очень высокой проницаемости мембраны протоны проходят через мембранные белки (например через АТФ-синтазу) быстрее, чем между липидами самой мембраны. Это означает, что за счет потока протонов может происходить синтез АТФ или восстановление углерода энергопреобразующей гидрогеназой. Рассмотрев разницу концентраций и заряд, а также особенности работы АТФ-синтазы и других белков, мы показали, что лишь клетки с высокопроницаемыми мембранами могут использовать протонные градиенты для углеродного и энергетического метаболизма[60]. Примечательно, что такие клетки теоретически могут получить столько же энергии за счет протонного градиента в три единицы pH, сколько современные клетки получают в ходе дыхания.

Они могут получать и гораздо больше. Большую долю времени метаногены, как следует из названия, занимаются тем, что производят метан. В среднем метаногены вырабатывают примерно в 40 раз больше отходов (метана и воды), чем органических веществ. Вся энергия, полученная в ходе синтеза метана, идет на перекачивание протонов (рис. 18). Так-то! Метаногены тратят почти 98 % своего энергетического бюджета на создание протонных градиентов при помощи метаногенеза[61] – и менее 2 % на образование новой органической материи. С естественными протонными градиентами и проницаемыми мембранами такие затраты энергии не требуются. Объем доступной энергии при этом почти такой же, но дополнительный расход уменьшается примерно в 40 раз: весьма существенное преимущество! Только представьте: в 40 раз больше энергии! Даже мои маленькие сыновья не превосходят меня настолько. Выше я отметил, что примитивным клеткам должно было требоваться больше углерода и энергии, чем современным. Отсутствие необходимости перекачивать протоны предоставляет гораздо больше углерода и энергии.

Рассмотрим проницаемую клетку, находящуюся в среде с естественным градиентом протонов. Помните, что мы живем в эпоху генов и белков, которые сами являются продуктом естественного отбора, действовавшего на протоклетки. Наша клетка с проницаемыми мембранами может использовать непрерывный поток протонов, чтобы обеспечивать метаболизм углерода при помощи энергопреобразующей гидрогеназы. Этот белок позволяет клетке осуществлять реакцию H₂ и CO₂ с образованием ацетил-кофермента А, а следом и всех “строительных блоков” жизни. Клетка также может использовать протонный градиент, чтобы осуществлять синтез АТФ при помощи АТФ-синтазы. И, конечно, она может использовать АТФ, чтобы полимеризовать аминокислоты и нуклеотиды с образованием новых белков, РНК и ДНК и, наконец, собственных копий. Важно, что нашим проницаемым клеткам не надо тратить энергию на перекачивание протонов, а значит, они должны хорошо расти, несмотря на слабую эффективность древних ферментов.

Рис. 18. Получение энергии в ходе образования метана.

А. Энергия, которая выделяется в реакции между H₂ и CO₂, расходуется на транспорт протонов сквозь клеточную мембрану. Фермент гидрогеназа (Hdr) катализирует одновременное восстановление ферредоксина (Fd) и дисульфидной связи (–S – S–, используя два электрона H₂. Ферредоксин, в свою очередь, восстанавливает CO₂ до метильной группы (–H₃), которая связывается с кофактором (R). Метильная группа затем перемещается на второй кофактор (R'), и в процессе выделяется энергия в количестве, достаточном для перекачивания через мембрану двух H⁺ (или Na⁺). На финальном этапе группа CH₃− восстанавливается группой HS– до метана (CH₄). В итоге некоторая часть энергии, выделившейся из H₂ и CO₂ в ходе образования метана (CH₄), сохраняется на клеточной мембране в виде градиента H⁺ (или Na⁺).

Б. Протонный градиент непосредственно используется двумя особыми мембранными белками, которые направляют энергию градиента на углеродный и энергетический метаболизм. Энергопреобразующая гидрогеназа (Ech) прицельно восстанавливает ферредоксин (Fd), который снова отдает электроны CO₂. Образуется метильная группа (–H₃), которая реагирует с CO. Складывается путь Вуда – Льюнгдаля. Подобным образом через АТФ-синтазу благодаря потоку H⁺ осуществляется синтез АТФ и, тем самым, энергетический обмен.

Однако такие проницаемые клетки привязаны к месту, и их выживание целиком зависит от гидротермальных потоков. Если поток иссякнет или сместится, они обречены. Хуже того: в этих условиях они не могут эволюционировать. Не имеет смысла улучшать параметры мембраны: напротив, если мембрана станет малопроницаемой, протонный градиент быстро нарушится – при условии, что не будет никакого способа избавиться от протонов внутри клетки. Таким образом, клетки, которые приобрели более “современные” непроницаемые мембраны, в ходе естественного отбора должны элиминироваться. Конечно, лишь до тех пор, пока они не научатся перекачивать протоны, но это не менее проблематично – мы уже знаем, что нет смысла перекачивать протоны через проницаемую мембрану. Наше исследование подтверждает, что перекачивание протонов остается невыгодным, даже если уменьшить проницаемость мембраны на целых три порядка.

Разберем это подробнее. У проницаемой клетки в среде с протонным градиентом есть доступ к большому количеству энергии, которого достаточно для того, чтобы обеспечить ее углеродный и энергетический метаболизм. Если в результате некоего эволюционного фокуса полностью функциональный насос будет помещен в мембрану, это не будет иметь смысла: энергии с насосом будет столько же, сколько без насоса. (Перекачивание протонов сквозь проницаемую мембрану бессмысленно – они возвращаются обратно.) Попробуем уменьшить проницаемость мембраны в десять раз: энергии не становится больше. А в сто раз? То же самое. В тысячу? Бесполезно. Почему? Уменьшая проницаемость мембраны, мы получаем возможность перекачивать протоны эффективнее, но при этом нарушается их природный градиент, и энергию становится неоткуда брать. Перекачивать протоны выгодно лишь тогда, когда в мембране много насосов, а сама мембрана почти непроницаема. И это серьезная проблема: ни насосы, ни современные малопроницаемые мембраны сами по себе не давали никаких преимуществ, а значит, не могли закрепиться. Однако они существуют. Так что мы упускаем из виду?

Сейчас я расскажу историю, которая служит прекрасным примером того, как действует научная интуиция. Мы с Биллом Мартином размышляли над этим вопросом, и вдруг нас осенило: метаногены используют белок-антипортер. Эти метаногены выкачивают ионы натрия (Na⁺), а не протоны (H⁺), но все равно у них есть проблемы, связанные с тем, что протоны накапливаются внутри. Антипортер обменивает Na⁺ на H⁺, работая по принципу двустороннего турникета или карусельной двери. На каждый Na⁺, который входит в клетку, приходится один выходящий H⁺. Это протонная помпа, работающая за счет градиента натрия. Однако антипортеры неразборчивы: им все равно, в каком направлении работать. Если градиент H⁺ превышает градиент Na⁺, антипортер может легко начать работать в обратном направлении: при вхождении в клетку одного H⁺ один Na⁺ будет выходить наружу. Ага! Если бы наша клетка с проницаемой мембраной, сидящая в гидротермальном источнике, приобрела антипортер Na⁺/H⁺, он функционировал бы как Na⁺-помпа, работающая за счет протонов! На каждый H⁺, входящий в клетку через антипортер, один Na⁺ должен был ее покидать. Теоретически антипортер мог преобразовывать природный протонный градиент в биохимический градиент натрия. Но что именно это нам дает? Я должен подчеркнуть, что это мысленный эксперимент на основе известных свойств белка. Но, согласно нашим расчетам, их роль может быть удивительно важна. Как правило, липидные мембраны примерно на шесть порядков менее проницаемы для Na⁺, чем для H⁺. Мембрана, высокопроницаемая для протонов, почти не пропускает ионы натрия. Выкачайте протон – и он тут же вернется. Выкачайте ион натрия из той же самой клетки – и вы еще долго его не увидите. Это значит, что антипортер может работать за счет природного градиента протонов: на каждый H⁺, входящий в клетку, один Na⁺ будет выталкиваться. Пока мембрана остается проницаемой для протонов, как и раньше – поток протонов через антипортер не будет утихать, способствуя выходу Na⁺. Так как мембрана менее проницаема для Na⁺, выброшенный Na⁺ скорее останется снаружи. Вернее, он будет заходить обратно в клетку через мембранные белки, а не возвращаться прямо через мембрану, просачиваясь между липидами. Это означает, что энергия потока ионов Na⁺ может быть использована для выполнения полезной работы.

Конечно, это возможно лишь в том случае, если мембранные белки, обеспечивающие углеродный и энергетический метаболизм – энергопреобразующая гидрогеназа и АТФ-синтаза, – не делают различия между Na⁺ и H⁺. Звучит абсурдно, но вполне может быть правдой. Оказывается, АТФ-синтаза некоторых метаногенов может почти одинаково легко использовать H⁺ и Na⁺. Даже на сухом языке химии они получили наименование promiscuous, “неразборчивые”. Скорее всего, причина кроется в одинаковом заряде и очень близком радиусе этих двух ионов. Хотя H⁺ по размеру значительно меньше, чем Na⁺, протоны редко пребывают в изоляции. Переходя в раствор, они формируют связи с водой с образованием H₃O⁺. Радиус этого иона почти соответствует радиусу Na⁺. Другие мембранные белки, включая энергопреобразующую гидрогеназу, также неразборчивы в отношении H⁺ и Na⁺ – вероятно, по тем же причинам. Самое главное, что перекачивание Na⁺ становится отнюдь не бесполезным. Если использовать природные протонные градиенты, выкачивание Na⁺ становится по сути “бесплатным”[62]. При наличии градиента натрия большая часть ионов Na⁺ входит в клетку сквозь мембранные белки, например энергопреобразующую гидрогеназу и АТФ-синтазу, а не непосредственно сквозь липидный слой мембраны. Теперь мембрана лучше изолирована, а значит, вероятность “короткого замыкания” гораздо ниже. Теперь для обеспечения углеродного и энергетического метаболизма можно использовать большее число ионов, а каждый ион выкачивать с большей выгодой.

У этого простого приобретения несколько неожиданных и своеобразных эффектов. Один очевиден: выкачивание ионов натрия наружу клетки уменьшает их концентрацию внутри клетки. Известно, что многие базовые ферменты, имеющиеся и у бактерий, и у архей (например ферменты, ответственные за транскрипцию и трансляцию), в результате отбора приобрели строение, оптимальное для работы при низкой концентрации Na⁺ – хотя их эволюция, скорее всего, протекала в океане, где концентрация Na⁺ была высокой даже 4 млрд лет назад. Раннее возникновение антипортера может объяснять, почему все клетки приспособлены к низкой концентрации натрия, хотя их развитие происходило в среде с высокой его концентрацией[63].

Пока для нас важнее вот что: антипортер дополняет существующий протонный градиент градиентом Na⁺. Клетка, как и прежде, получает энергию благодаря природному градиенту H⁺, и, соответственно, ее мембрана должна оставаться проницаемой для протонов. Но теперь у нее появился еще и градиент натрия, который, согласно нашим расчетам, позволяет получать на 60 % больше энергии, чем прежде, когда использовался лишь протонный градиент. Это дает клеткам большое преимущество. Во-первых, клетка с антипортером получает больше энергии, а значит, способна расти и размножаться быстрее, чем клетки без антипортера. Во-вторых, такие клетки могут существовать и при менее выраженных протонных градиентах. В нашем опыте клетки с проницаемыми мембранами хорошо росли, когда перепад концентраций протонного градиента был равен примерно трем единицам pH, а ведь это и соответствует разнице pH кислой воды океана (pH около 7) и щелочных гидротермальных жидкостей (pH примерно 10). (То есть концентрация протонов в океанской воде на три порядка выше, чем в щелочных потоках источника.) За счет более эффективного использования естественного протонного градиента клетки с антипортером способны выжить, даже если градиент pH менее двух единиц. Наличие антипортера дает им преимущество в конкурентной борьбе с другими клетками, позволяя расселяться по “родному” гидротермальному источнику и захватывать соседние источники, если они объединены в сеть. Но из-за того, что клетки по-прежнему полностью зависимы от природного протонного градиента, они не могут покинуть источник. Для этого требуется еще один шаг.

Хотя клетки с антипортером пока не способны удалиться от источника, в некоторой степени они к этому подготовлены. Антипортер – это “преадаптация”, необходимый первый шаг, который способствует дальнейшему эволюционному развитию. Неожиданное решение! По крайней мере, я удивился. Наличие антипортера впервые порождает условия для активного перекачивания. Я уже упоминал, что нет смысла перекачивать протоны через проницаемую мембрану: они будут возвращаться. Но если у вас есть антипортер, это становится выгодным. Будучи выброшены наружу, некоторые протоны просачиваются внутрь не сквозь мембрану, а через антипортер, заставляя натрий выходить из клетки. Так как мембрана пропускает натрий хуже, большая часть энергии, затраченной на то, чтобы выкачать протоны, сохраняется в виде ионного градиента на мембране. Шанс, что выброшенный протон так и останется снаружи, немного увеличивается. А это означает, что, выкачивая протоны, вы получаете преимущество, пусть и небольшое, тогда как раньше это не приносило вообще никакой пользы. Выкачивание обретает смысл только при наличии антипортера.

И это не все. Когда возникла протонная помпа (насос), стало выгодно изменить параметры мембраны. В условиях природного протонного градиента абсолютно необходимо иметь проницаемую для протонов мембрану. В то же время перекачивать протоны через мембрану абсолютно нет смысла. Антипортер отчасти исправляет положение: благодаря нему из природного протонного градиента можно извлечь больше энергии. Однако антипортер не в полной мере делает клетку независимой от этого градиента. Но все же, имея антипортер, можно выкачивать протоны с пользой, а значит, зависимость от природного градиента снижается. И теперь – лишь теперь! – становится выгодно иметь в меньшей степени проницаемую мембрану. Небольшое снижение проницаемости делает перекачивание протонов чуть выгоднее. Если изменить ее еще немного, то преимущество, соответственно, еще вырастет. И так далее. Впервые мы имеем устойчивую селективную движущую силу, одновременно способствующую эволюции и протонных помп, и современных липидных мембран. Так клетки приобрели возможность оборвать пуповину, связывающую их с природными протонными градиентами: они стали вольны покинуть источники, чтобы найти свое место в огромном, пока еще пустом мире[64].

В отличие от филогенетики, которая мало что может сказать с высокой степенью достоверности, эти физические ограничения позволяют нам указать точную последовательность эволюционных шагов, начиная с зависимости от природных протонных градиентов и заканчивая, по сути, современными клетками, которые создают собственные протонные градиенты на непроницаемых мембранах (рис. 19). Более того, теперь можно объяснить глубинные различия между бактериями и археями. И те, и другие производят АТФ, используя протонные градиенты на мембранах, хотя мембраны у представителей этих доменов сильно отличаются. Так же дело обстоит и с другими чертами, включая сами мембранные насосы, клеточную стенку и механизм репликации ДНК.

Мы рассмотрели вероятные условия зарождения жизни на Земле с точки зрения энергетики. Затем сузили область условий и остановились на щелочных гидротермальных источниках, в которых постоянные потоки углерода и энергии сочетаются с естественной компартментализацией и присутствием каталитических минералов. Но есть проблема: источник энергии и углерода в этих источниках – CO₂ и H₂, а их нелегко заставить реагировать друг с другом. Как мы видели, энергетический барьер этой реакции потенциально возможно преодолеть за счет энергии геохимических протонных градиентов на тонких полупроводниковых перегородках в порах гидротермальных источников. За счет образования реакционноспособных тиоэфиров, например метилтиоацетата (функциональный аналог ацетил-кофермента А), протонные градиенты могли стимулировать развитие путей метаболизма углерода и энергии, что привело к накоплению в порах источника органических молекул, а облегчение реакций “дегидратации” способствовало образованию ДНК, РНК, белков и других сложных полимеров. Уклонившись от рассмотрения таких подробностей, как возникновение генетического кода, я ограничился тем, что в этих условиях теоретически возможно образование примитивных клеток с белками, закодированными в генах. В популяции клеток возможен настоящий естественный отбор, и я предположил, что Последний всеобщий предок – прародитель архей и бактерий – мог быть результатом отбора в популяциях таких примитивных клеток, обитающих в порах щелочных гидротермальных источников и зависящих от естественных протонных градиентов. Под воздействием отбора появилось множество замысловатых белков, в том числе рибосомы, энергопреобразующей гидрогеназы и АТФ-синтазы: они универсальны для живых организмов и консервативны.

Рис. 19. Происхождение бактерий и архей.

Возможный сценарий расхождения бактерий и архей, который опирается на математическую модель доступности энергии в условиях естественных протонных градиентов. Для простоты на рисунке изображена лишь АТФ-синтаза, но тот же принцип действует в отношении других мембранных белков, таких как энергопреобразующая гидрогеназа (Ech). Естественный градиент протонов в источнике может обеспечивать синтез АТФ до тех пор, пока мембрана остается “протекающей”, так что не имеет смысла делать мембрану непроницаемой, потому что это лишит клетку возможности использовать естественный градиент (внизу). Натрий-протонный антипортер (SPAP) дополняет геохимический протонный градиент биохимическим градиентом натрия, что позволяет клетке выживать при менее выраженных градиентах, а это способствует распространению и дивергенции популяций клеток внутри источника. При наличии SPAP выкачивать H+ становится выгодно. С таким насосом, в свою очередь, становится выгодно делать мембрану менее проницаемой для H+. Когда степень мембранной проницаемости для протонов приближается к современному уровню, клетки становятся независимыми от естественных градиентов и могут покинуть источник. Бактерии и археи изображены покидающими источник независимо друг от друга.

В принципе Последний всеобщий предок для обеспечения энергетического обмена и метаболизма углерода мог обойтись естественными протонными градиентами, АТФ-синтазой и энергопреобразующей гидрогеназой, но для этого ему понадобились бы мембраны с очень высокой проницаемостью. В таких условиях Последний всеобщий предок не смог бы приобрести непроницаемые мембраны современного типа, как у бактерий или архей, поскольку это привело бы к исчезновению естественного протонного градиента. Но вот антипортер, преобразовывающий естественные протонные градиенты в биохимические градиенты натрия, мог оказаться полезен: он увеличивает эффективность использования энергии, а это позволяет клеткам выживать при более низких значениях протонных градиентов. Такие клетки получили возможность распространяться и заселять непригодные для остальных клеток участки гидротермальных источников, что, в свою очередь, способствовало образованию разрозненных популяций. Получив способность выживать в широком диапазоне условий, клетки смогли “заражать” соседние источники и расселяться по всему древнему дну, где в то время было много очагов серпентинизации.

Антипортер, кроме прочего, впервые сделал выгодным активный транспорт ионов. Так мы приходим к различиям пути Вуда – Льюнгдаля для метаногенов и ацетогенов. Судя по этим различиям, активный транспорт ионов независимо возник в двух разных популяциях клеток, отделившихся от общей предковой популяции за счет приобретения антипортера. Напомню, что метаногены и ацетогены принадлежат к двум разным доменам прокариот: археям и бактериям, то есть к двум самым древним ветвям “дерева жизни”. У бактерий и архей очень схожи системы транскрипции и трансляции, рибосомы, синтез белков, но чрезвычайно сильно различаются такие фундаментальные структуры, как клеточные мембраны. Я отметил, что они также различаются деталями пути Вуда – Льюнгдаля, хотя он является для них предковым признаком. Отличие и сходство этого пути могут рассказать очень о многом.

Как и метаногены, ацетогены производят ацетил-кофермент А за счет реакции H₂ и CO₂ через серию аналогичных последовательных реакций. И метаногены, и ацетогены для того, чтобы обеспечить энергией систему активного транспорта ионов, прибегают к бифуркации (разветвлению) потока электронов. Этот механизм совсем недавно открыт немецким микробиологом Рольфом Тауэром и его коллегами, и это, пожалуй, самый крупный прорыв в биоэнергетике за последние десятилетия. Формально Тауэр уже на пенсии, но результаты его исследований пролили свет на загадку биоэнергетики, над которой ученые десятилетиями ломали головы: как загадочным микробам удается расти, когда это противоречит всем стехиометрическим расчетам. Эволюция, как часто бывает, оказалась хитрее нас. Бифуркацию потока электронов можно сравнить с краткосрочным энергетическим “кредитом”. Как мы отметили, реакция H₂ с CO₂ суммарно экзергонична (протекает с выделением энергии), но первые ее стадии эндергоничны (требуют затраты энергии). Бифуркация потока электронов – хитроумный механизм, который позволяет направить часть энергии, выделяющейся на поздних, экзергонических стадиях восстановления CO₂, на выплату “энергетической задолженности” за протекание ранних, эндергонических стадий[65]. Так как на поздних стадиях выделяется больше энергии, чем требуется для протекания ранних стадий, часть этой энергии может запасаться в форме протонного градиента на мембране (рис. 18). Суммарный результат всех этих процессов – перенос протонов через мембрану за счет энергии, выделившейся в ходе реакции H₂ и CO₂.

Загадка кроется в различии путей бифуркации электронов у метаногенов и ацетогенов. Хотя и те, и другие используют весьма сходные железо-никелево-серные белки, многие другие белки и детали механизма бифуркации электронов у них различаются. Как и метаногены, ацетогены запасают энергию, выделяющуюся при реакции H₂ с CO₂, в форме градиента H⁺ или Na⁺ на мембране. В обоих случаях этот градиент расходуется на поддержание углеродного и энергетического метаболизма. И у метаногенов, у ацетогенов есть АТФ-синтаза и энергопреобразующая гидрогеназа, но, в отличие от метаногенов, ацетогены не используют энергопреобразующую гидрогеназу для непосредственного поддержания углеродного метаболизма. Напротив, у некоторых ацетогенов энергопреобразующая гидрогеназа работает в обратном направлении. Ацетогены и метаногены сильно различаются в деталях углеродного метаболизма, и эти детали кажутся настолько фундаментальными, что некоторые специалисты утверждают даже, что сходство метаногенов и ацетогенов есть следствие конвергентной эволюции или горизонтального переноса генов, а не происхождения от общего предка.

Сходство и различия метаногенов и ацетогенов складываются в единую картину, если допустить, что Последний всеобщий предок зависел от природных протонных градиентов. В этом случае ключ к пониманию различий в механизмах создания мембранных градиентов у метаногенов и ацетогенов – это направление естественного потока протонов через энергопреобразующую гидрогеназу. Был ли он направлен внутрь клетки и осуществлял фиксацию углерода – или был обращен наружу через белок, который сейчас функционирует как мембранный насос, выкачивающий из клетки протоны (рис. 20)? Думаю, что поток протонов в предковой популяции протоклеток был направлен вовнутрь, и его энергия расходовалась на фиксацию CO₂. Затем две отдельные популяции независимо приобрели механизмы создания протонных градиентов. В популяции, от которой произошли ацетогены, произошло обращение работы энергопреобразующей гидрогеназы: она стала окислять ферредоксин и за счет выделившейся энергии выкачивать протоны из клетки. Но это простое и полезное приобретение порождает проблему: восстановленный ферредоксин, который ранее использовался для фиксации углерода, теперь расходуется на транспорт протонов. Поэтому ацетогенам прошлось изобрести новый способ восстановления углерода, который не зависит от ферредоксина. Их предки нашли хитроумный выход: бифуркация потока электронов, которая позволяет осуществлять непрямое восстановление CO₂. Вполне возможно, что происхождение базовой биохимии ацетогенов вытекает из этого простого допущения – инверсии работы энергопреобразующей гидрогеназы, в результате чего ацетогены приобрели протонный насос, а с этим и ряд проблем, которые им пришлось решить.

В другой популяции клеток, давшей начало метаногенам, был найден альтернативный путь создания ионных градиентов. Клетки в этой популяции, как и их предшественники, восстанавливали ферредоксин, используя энергию протонных градиентов, и при помощи восстановленного ферредоксина осуществляли фиксацию углерода. Но этим клеткам пришлось с нуля изобрести ионный насос. Ну, почти с нуля: они переоборудовали для этой цели другой белок. Вероятнее всего, они превратили свой антипортер в прямой насос. Осуществить это несложно, но возникла проблема: как снабдить насос энергией? Метаногены приобрели другой тип бифуркации электронов. Они пользовались для этого теми же белками, что и ацетогены, но сообразно своим потребностям построили совершенно иной путь, позволяющий подключить ионный насос. Различия в углеродном и энергетическом метаболизме у метаногенов и ацетогенов связаны с направлением потока протонов через энергопреобразующую гидрогеназу. Можно выбрать: либо внутрь, либо наружу. Метаногены и ацетогены выбрали разные решения.

Рис. 20. Модель эволюции активного транспорта ионов.

Гипотеза происхождения активного транспорта ионов у бактерий и архей, основанная на направлении потока протонов через мембранный белок Ech.

А. В предковом состоянии естественный протонный градиент поддерживает углеродный и энергетический метаболизм посредством энергопреобразующей гидрогеназы (Ech) и АТФ-синтазы. Это путь возможен лишь до тех пор, пока мембрана “проницаема” для протонов.

Б. Клетки метаногенов (предположительно, именно такой образ жизни вели предки архей) также используют Ech и АТФ-синтазу для углеродного и энергетического метаболизма. Однако непроницаемые для протонов мембраны уже не позволяют им использовать естественные протонные градиенты. Поэтому им пришлось найти новые биохимические пути (пунктирные линии) и изобрести новый ионный насос (метилтрансферазу, Mtr) для получения собственных H⁺– или Na⁺-градиентов. (Обратите внимание: эта схема получается в результате комбинации схем А и Б на рис. 18.)

В. Ацетогены (предположительно древнейшая ветвь бактерий). Ech стала работать в обратном направлении, выкачивая протоны из клетки за счет энергии окисления восстановленного ферредоксина. Поэтому ацетогенам не потребовалось изобретать новый ионный насос, но пришлось найти новый путь фиксации CO₂ – с использованием НАДН и АТФ (пунктирные линии). Этот гипотетический сценарий позволяет объяснить все сходства и различия пути Вуда – Льюнгдаля у метаногенов и ацетогенов.

Когда обе группы клеток тем или иным способом приобрели механизмы активного транспорта ионов, им наконец стало выгодным усовершенствование мембран. На ранних этапах развития мембраны современного типа, обогащенные фосфолипидами, не приносили никакой пользы и даже были бы вредны. Но вскоре после того, как клетки приобрели антипортер и ионные насосы, стало выгодным встраивать в мембраны липиды с глицерольными полярными группами. Такие липиды, по-видимому, независимо появились в двух разных доменах, поэтому археи и бактерии в мембранных липидах используют зеркальные стереоизомеры глицерола (гл. 2).

Теперь, когда клетки приобрели активный транспорт ионов и мембраны современного типа, они смогли покинуть гидротермальные источники и выйти в океан. От общего предка, который жил за счет естественных протонных градиентов источников, отделились две ветви: археи и бактерии. Нет ничего удивительного ни в том, что бактерии и археи приобрели разные клеточные стенки, защищающие в незнакомой среде, ни в том, что они сконструировали различные механизмы репликации ДНК. У бактерий в ходе деления клетки ДНК прикрепляется к мембране за особый участок – репликон[66], что позволяет дочерним клеткам получить по копии родительского генома. Структура задействованных в этом молекулярных комплексов, как и многих других компонентов репликации ДНК, должна хотя бы отчасти зависеть от механизма прикрепления ДНК к мембране. Независимое происхождение клеточных мембран позволяет объяснить различия в репликации ДНК у архей и бактерий. То же самое относится к строению клеточных стенок. Перед постройкой клеточной стенки необходимо транспортировать все предшественники наружу через специальные мембранные поры. То есть синтез клеточной стенки зависит от свойств мембран, а отсюда следует, что у архей и бактерий он должен различаться.

Несмотря на то, что из базовых принципов биоэнергетики не удается вывести необходимость существования фундаментальных различий бактерий и архей, мы можем объяснить, как и по каким причинам они могли возникнуть. Глубокие различия между двумя доменами прокариот не имеют ничего общего с адаптацией к экстремальным условиям, например высокой температуре. Вероятнее всего, эти различия появились в ходе дивергенции предковой популяции клеток, мембраны которых по биоэнергетическим причинам должны быть полупроницаемыми. Хотя дивергенцию архей и бактерий нельзя предсказать исходя из базовых принципов, тот факт, что обе группы используют энергию протонного градиента на мембране, следует из физических законов, которые мы обсуждали в последних двух главах. Щелочные гидротермальные источники – наиболее подходящий кандидат на роль “колыбели жизни” на Земле или где-либо еще во Вселенной. Благодаря гидротермальным источникам клетки стали использовать природные протонные градиенты, в конце концов научившись создавать их самостоятельно. Готов поспорить, что если где-то во Вселенной существуют живые клетки, они также хемиосмотические, а значит, им пришлось столкнуться с теми же проблемами, что и на Земле. Далее мы узнаем, почему из необходимости энергии протонных градиентов следует, что сложная жизнь во Вселенной должна быть редким явлением.

Герой Орсона Уэллса в фильме-нуар “Третий человек” (1949) произнес знаменитую фразу: “При герцогах Борджиа в Италии тридцать лет бушевала война, совершались убийства и кровопролития, но Италия подарила миру Микеланджело, Леонардо да Винчи и Ренессанс. В Швейцарии же пятьсот лет процветали братская любовь, мир и демократия – и что дала миру она? Часы с кукушкой!” Говорят, эту фразу придумал сам Уэллс. Вскоре после выхода фильма в прокат он получил сердитое послание от правительства Швейцарии: “Мы не занимаемся производством часов с кукушкой!” Я не имею ничего ни против Швейцарии, ни против Орсона Уэллса – просто эта фраза хорошо описывает эволюцию. С тех пор, как 1,5-2 млрд лет назад появились сложные эукариотические клетки, мы наблюдаем войны, террор, кровопролитие: оскал природы во всей его ужасающей красе. Но прежде было целых 2 млрд лет, на протяжении которых царили мир, симбиоз и бактериальная любовь (не только платоническая) – но что прокариоты смогли предложить миру? По своей величине и сложности внешнего строения им далеко даже до часов с кукушкой. В отношении морфологической сложности ни бактерии, ни археи не сравнимы даже с одноклеточными эукариотами.

Внутри двух огромных доменов прокариот – бактерий и архей – наблюдается грандиозное генетическое и биохимическое разнообразие. В отношении метаболизма прокариоты кладут эукариот на лопатки: одна-единственная бактерия может похвастаться таким метаболическим разнообразием, какое не наберется и по всему эукариотическому домену. Но по какой-то причине ни бактерии, ни археи не достигли того уровня структурной сложности, который хоть сколько-нибудь приближен к эукариотическому. Клетки прокариот, как правило, в 15 тыс. раз мельче эукариотических (хотя есть выдающиеся исключения, которые мы рассмотрим). Хотя размеры геномов прокариот и эукариот могут совпадать, самый большой бактериальный геном содержит примерно 12 млн пар оснований ДНК. (В геноме человека примерно 3 тыс. млн пар оснований, а некоторые эукариотические геномы достигают 100 тыс. млн пар оснований или даже больше.) Удивительно, что за 4 млрд лет бактерии и археи едва ли изменились. Земля за это время пережила грандиозные перемены. Повышение концентрации кислорода в воздухе и водах океана изменило условия жизни, но бактерии остались неизменными. Периоды глобального оледенения (“Земля-снежок”) должны были поставить экосистемы на грань вымирания – но бактерии остались неизменными. “Кембрийский взрыв” вызвал к жизни множество форм: “испытательных площадок”, на которых прокариотам предстояло опробовать свои орудия. Говоря о бактериях, в первую очередь мы вспоминаем патогены, хотя болезнетворные агенты – лишь верхушка прокариотического айсберга. Но, несмотря на глобальные экологические сдвиги, бактерии остаются решительно верными бактериальной сути. Никогда они не породили ничего настолько крупного и сложно устроенного, как, например, блоха. Бактерии – самые консервативные на свете существа.

В гл. 1 я утверждал, что эти факты лучше объясняются с позиции структурных ограничений[67]. В физическом строении эукариот есть нечто такое, что радикально отличает их и от бактерий, и от архей. Преодолев это структурное ограничение, эукариоты обрели возможность исследовать мир морфологической сложности, и это удалось лишь им. Прокариоты, исследуя возможности метаболизма, находили остроумные решения сложнейших химических задач. А эукариоты, забросив развитие своего “химического интеллекта”, занялись изучением возможностей, которые предоставляют крупный размер и более высокая степень структурной сложности.

Нет ничего удивительного в идее, что существует некий барьер, не позволяющий прокариотам достигнуть эукариотической сложности. Но что представляет собой этот барьер, мнения расходятся. Предлагались разные варианты: от потери клеточной стенки (которая должна обернуться катастрофой для прокариот) до приобретения линейных хромосом. Исчезновение клеточной стенки действительно может стать катастрофой, поскольку без этого жесткого внешнего каркаса клетки быстро набухают и лопаются. Однако эта “смирительная рубашка” физически не позволяет клеткам изменять свою форму, ползать и заглатывать другие клетки путем фагоцитоза. В тех редких случаях, когда потеря клеточной стенки проходила удачно, это открывало возможности для возникновения фагоцитоза. Оксфордский биолог Томас Кавалье-Смит уже долгое время доказывает, что приобретение фагоцитоза – это ключевое событие в эволюции эукариот. Действительно, потеря клеточной стенки необходима для фагоцитоза. Но многие бактерии утратили клеточную стенку, и это не закончилось катастрофой: так называемые бактерии L-формы превосходно себя чувствуют без клеточной стенки, однако не выказывают ни намека на возникновение фагоцитоза. У некоторых архей также нет клеточной стенки, но и они не начинают фагоцитировать. Идея, что громоздкая клеточная стенка послужила главным, тем самым ограничением, которое не позволило ни бактериям, ни археям достичь большей сложности, едва ли выдерживает критику. Ей противоречит тот факт, что многие бактерии и археи, утратив клеточную стенку, не стали сложнее, тогда как многие эукариоты, включая грибы и растения, имеют клеточные стенки (хотя и отличные от прокариотических) и, несмотря на это, устроены гораздо сложнее прокариотов. Показательный пример – эукариотические водоросли в сравнении с цианобактериями. Их образ жизни примерно совпадает – и те, и другие живут за счет фотосинтеза и имеют клеточную стенку, но геномы водорослей, как правило, на несколько порядков больше, что позволяет клеткам водорослей достигать гораздо более крупных размеров и высокой структурной сложности.

С линейными хромосомами та же проблема. Прокариотические хромосомы обычно кольцевые, и репликация ДНК начинается в определенной точке кольца (репликон). Однако репликация ДНК часто происходит медленнее, чем клеточное деление, и клетка не сможет поделиться надвое до тех пор, пока ее ДНК не будет полностью скопирована. Это означает, что наличие одного репликона ограничивает максимальный размер бактериальной хромосомы, потому что клетки с хромосомами меньшего размера будут осуществлять репликацию и делиться быстрее, чем клетки, чьи хромосомы длиннее. Если клетка потеряет какие-либо ненужные гены, она сможет делиться быстрее. В итоге бактерии с маленькими хромосомами должны стать преобладающей в популяции формой, особенно если у них есть возможность приобретать путем горизонтального переноса гены, потерянные ранее и вновь ставшие нужными. У эукариот все иначе: обычно у них много линейных хромосом, и каждая содержит много репликонов. Это значит, что у эукариот репликация ДНК идет параллельно, а у бактерий – последовательно. Но и это ограничение вряд ли может объяснить, почему прокариоты не выработали многочисленные линейные хромосомы. Действительно: оказывается, некоторые современные бактерии и археи имеют линейные хромосомы и “параллельную” репликацию, но при этом не увеличили размер своих геномов, подобно эукариотам. Их должно останавливать что-либо другое.

Почти все предлагаемые варианты ограничений, не позволяющих бактериям приобрести эукариотическую сложность, вызывают сомнения по одной и той же причине: из каждого правила есть множество исключений. И поэтому, как с убийственной вежливостью говорил Джон Мейнард Смит, такие объяснения просто не годятся.

Что делать? Филогенетика не может дать простой и ясный ответ. Последний общий предок эукариот был сложной клеткой, у которой уже имелись линейные хромосомы, связанное с мембраной ядро, митохондрии, многочисленные специализированные “органеллы” и другие мембранные структуры, а также динамический цитоскелет и половое размножение. Это была вполне узнаваемая “современная” эукариотическая клетка. У бактерий нет ни одного из этих свойств в том виде, который хоть немного напоминал бы эукариотическое состояние. Некий филогенетический “горизонт событий” не позволяет нам узнать, как до Всеобщего предка протекала эволюция эукариотических черт. Вообразите, например, что эукариотические черты – это атрибуты современного общества (жилища, гигиена, дороги, разделение труда, земледелие, суды, регулярная армия, университеты, правительства – можете сами продолжить список), и историю всех этих усовершенствований можно проследить лишь до Древнего Рима, а прежде Рима нет ничего, кроме примитивных общин охотников и собирателей. Ни намека на Древнюю Грецию, Китай, Египет, Левант, Персию и т. д. – лишь многочисленные следы охотников и собирателей. Только представьте: ученые ищут цивилизации, существовавшие до Рима – ведь это помогло бы понять, как появился он сам. Найдены сотни памятников материальной культуры, но всякий раз оказывается, что находки датируются более поздними временем, чем возник Рим. Все эти города, которые выглядели древними, на самом деле построены в “темные века”, а их основатели вели родословную от жителей Древнего Рима. Все дороги ведут в Рим. И Рим, выходит, действительно был построен в один день.

Может, это похоже на бред, но ситуация очень близка к существующей в современной биологии. Никаких “переходных” цивилизаций – связующего звена между бактериями и эукариотами. Те немногие организмы, которые “притворяются” переходными формами (архезои; гл. 1), имеют славное прошлое. С ними случилось то же, что с Византией, когда после блестящих времен империя спряталась в скорлупе городских стен. Как распутать клубок? На самом деле филогенетика содержит ключ, который закономерно ускользал при изучении отдельных генов, но в эру полногеномных сравнений был обнаружен.

Проблема восстановления хода эволюции по одному гену (даже очень консервативному, например по гену рРНК) заключается в том, что один ген, по определению, должен порождать ветвящееся дерево. У одного гена в одном организме не может быть двух историй – он не может быть химерным[68]. В идеальном (с точки зрения филогенетиков) мире все деревья, построенные по отдельному гену, совпадают, отражая общую историю всех генов. Но, как мы убедились, чем дальше мы углубляемся в эволюционное прошлое, тем реже совпадают деревья. Стандартный подход состоит в том, чтобы сосредоточиться на нескольких генах, которые действительно имеют общую историю (их в лучшем случае несколько десятков), и утверждать, что построенное по ним филогенетическое дерево – “единственное достоверное”. Если бы это было так, эукариоты являлись бы близкими родственниками архей. Вот дерево жизни из учебников (рис. 15). Степень родства архей и бактерий – спорный вопрос (разные методы и гены дают разные ответы), однако долго считалось, что эукариоты и археи являются сестринскими группами. Я люблю показывать на лекциях это дерево жизни. Длина ветвей здесь отражает генетическую дистанцию. Ясно, что у бактерий и архей степень генетической вариативности не меньше, чем у эукариот, – так что же случилось на длинной ветви, отделяющей архей от эукариот? Это дерево не дает ни единой подсказки.

Но рассмотрение полных геномов дает совершенно иную картину. Многие эукариотические гены не имеют аналогов у бактерий или архей, хотя доля таких генов по мере увеличения точности методов сокращается. Такие уникальные гены получили название эукариотических “сигнатурных генов”. Но даже стандартные методы показывают, что приблизительно треть эукариотических генов на самом деле имеет эквиваленты у прокариот. Эти гены, по-видимому, унаследованы прокариотами и эукариотами от общего предка (гомологичные гены). И здесь интересно вот что. Далеко не все гены в составе одного эукариотического генома унаследованы от одного предка. Около 3/4 эукариотических генов, у которых есть прокариотические гомологи, имеют, судя по всему, бактериальное происхождение, а 1/4, похоже, досталась от архей. Это относится ко всем эукариотам, в том числе к людям. И дрожжи, и плодовые мушки, и морские ежи, и цикады – все они почти такие же, как мы. Похоже, на уровне геномов все эукариоты химеричны.

Это факт. А вот по поводу его значения ведутся ожесточенные споры. Так, последовательности эукариотических “сигнатурных” генов не похожи на последовательности известных генов прокариот. Почему? Возможно, потому, что эти гены очень древние и их появление может относиться ко времени возникновения жизни, – я бы предложил это назвать гипотезой почтенных эукариот. Эти гены были получены от общего предка настолько давно, что сходство с изначальным состоянием (и с генами бактерий) осталось во мраке времен. Но в этом случае эукариоты должны были обзавестись разнообразными прокариотическими генами гораздо позднее – например, когда они приобрели митохондрии.

Идея эукариотической древности находит отклик в душе тех, кто считает эукариот лучше других. Как ни странно, эмоции и личные предпочтения играют в науке поразительно большую роль. Некоторые исследователи носились с идеей резких катастрофических изменений, другие отдавали предпочтение непрерывным плавным метаморфозам – эволюция “прыжками” против эволюции “ползком”. И то, и другое имеет место. Случай с эукариотами, похоже, апеллирует к бессознательному антропоцентризму. Мы эукариоты, и мысль, будто мы выскочки, возникшие буквально вчера генетические помеси, оскорбляет нас. Некоторым ученым нравится думать, что эукариоты отделились от дерева жизни у самого его основания, и я вижу этому главным образом эмоциональные причины. Ошибочность этого взгляда трудно доказать, но если он справедлив, почему эукариотам потребовалось ждать 2,5 млрд лет, прежде чем стать крупными и сложными? Почему палеонтологическая летопись не хранит никаких следов древних эукариот (в то время как прокариот множество)? И, если эукариоты процветали так долго, почему не осталось эукариот, существовавших до приобретения митохондрий? Мы уже поняли, что нет причин предполагать их низкую конкурентоспособность и последующее вымирание – существование архезоев (гл. 1) наглядно демонстрирует возможность выживания морфологически простых эукариот в течение сотен миллионов лет наряду с более сложными эукариотами и бактериями.

Есть и альтернативное объяснение того факта, что эукариотические сигнатурные гены сильно отличаются от прокариотических: возможно, они эволюционировали быстрее, чем другие гены, и утратили былое сходство последовательностей. Почему же они эволюционировали быстрее? Это могло произойти в том случае, если прокариотическим предкам этих генов пришлось сменить свою функцию под давлением отбора. Мне кажется это очень убедительным. У эукариот хватает генных семейств, в которых многие дуплицированные гены адаптированы для выполнения совершенно разных задач. Эукариоты осваивали мир морфологической сложности, куда вход прокариотам по каким-либо причинам был заказан, поэтому неудивительно, что прокариотические гены приходилось приспосабливать к выполнению абсолютно новых задач, из-за чего они быстро теряли сходство с предшественниками. Скорее всего, эти гены действительно произошли от архейных или бактериальных генов, но адаптация к новым задачам изменила их до неузнаваемости. Ниже я постараюсь доказать, почему это действительно так. А пока отметим, что существование эукариотических “сигнатурных” генов не исключает той возможности, что эукариотические клетки, по сути, химеричны, то есть представляют собой результат слияния прокариот.

А что насчет эукариотических генов, у которых есть идентифицированные прокариотические гомологи? Почему одни из них получены от бактерий, а другие – от архей? Это соответствует идее химерического происхождения. Но сколько было источников? Рассмотрим “бактериальные” гены эукариот. В ходе полногеномного сравнения эукариот и бактерий филогенетик Джеймс Макинерни показал, что бактериальные гены эукариот родственны генам из множества прокариотических групп. На филогенетическом дереве это выглядит как ветви, тянущиеся от разных групп прокариот. Совершенно не похоже, что все бактериальные гены эукариот происходят от одной-единственной группы современных бактерий, например от альфа-протеобактерий, – как можно было бы предположить, считая, что все такие гены должны быть унаследованы от бактерий-предков митохондрий. Совсем наоборот: оказывается, минимум 25 групп современных бактерий подарили свои гены эукариотам. То же самое относится к археям. Хотя, похоже, сделавших вклад групп архей гораздо меньше. Еще любопытнее, что (это показал Билл Мартин) эти бактериальные и архейные гены внутри дерева эукариот ветвятся вместе (рис. 21). Очевидно, эти гены были приобретены эукариотами на довольно раннем этапе эволюции и с тех пор ведут общую историю. Это исключает возможность постоянного горизонтального переноса во время существования эукариот. По-видимому, при их возникновении произошло нечто странное. Похоже, будто первые эукариоты приобрели у прокариот тысячи генов – и больше никогда не вступали с ними в обмен. Проще всего объяснить это не горизонтальным переносом, как у бактерий, а характерным для эукариот эндосимбиозом.

На первый взгляд, случаев эндосимбиоза было много, и теория серийных эндосимбиозов как раз об этом и говорила. Но все же довольно трудно поверить в то, что 25 разных бактерий и 7–8 архей слились в эндосимбиотической оргии – так сказать, приняли участие в происходившем в клетке фестивале свободной любви, и после таких близких отношений – ничего, ни звоночка за всю историю эукариот. Но если ничего такого не было, как можно объяснить это явление? Очень просто: горизонтальным переносом генов. И – нет, я не противоречу себе. При возникновении эукариот один-единственный раз мог произойти эндосимбиоз, а затем между бактериями и эукариотами могло не быть почти никакого обмена генами. Но все это время между группами бактерий активно шел горизонтальный перенос генов. Почему эукариоты имеют гены, общие с 25 группами бактерий? Это может объясняться тем, что эукариоты приобрели большое число генов от единственной популяции бактерий, которая впоследствии изменилась. Возьмем случайный набор генов от 25 групп бактерий и поместим их в геном одной популяции. Предположим, что эти бактерии стали предками митохондрий и жили 1,5 млрд лет назад. Сейчас уже не осталось клеток, которые были бы в большой степени на них похожи, но, учитывая активный горизонтальный перенос у бактерий, это не должно удивлять. Некоторые бактерии из этой популяции вступили в эндосимбиоз. Другие сохранили свой свободный образ жизни и провели следующие полтора миллиарда лет, занимаясь горизонтальным переносом и обмениваясь генами, как и по сей день поступают бактерии. Так горстка генов, принадлежащих изначальной популяции, оказалась рассеянной по множеству современных групп.

Рис. 21. Поразительный химеризм эукариот.

Многие эукариотические гены имеют эквиваленты у бактерий и архей, но число их явных источников поразительно: вы можете убедиться сами, посмотрев на древо, построенное Биллом Мартином и его коллегами. Здесь представлены наиболее точные соответствия эукариотических генов, прокариотическое происхождение которых не вызывает сомнений, различным группам прокариот и архей. Более толстые линии указывают на то, что из этого источника произошло большее число генов. Например, оказывается, что значительная доля генов унаследована от эвриархеот. Большое количество источников можно рассматривать как результат множественных эндосимбиозов или горизонтального переноса генов, но морфологических свидетельств этому нет. К тому же трудно объяснить, почему эти прокариотические гены у эукариот собрались вместе. Это наводит на мысль, что в ранней эволюции эукариот существовало эволюционное окно, когда приобретение генов шло очень активно – а после этого ничего не происходило 1,5 млрд лет. Наиболее простое объяснение заключается в том, что у археи и бактерии был единственный эндосимбиоз. Ни в одной современной группе нет организма, который имеет геном, совпадающий с геномом одного из них. В результате последующего горизонтального переноса генов между потомками этих клеток и другими прокариотами появились современные группы, обладающие нынешним набором генов.

То же относится и к клетке-хозяину. Возьмите гены 7–8 групп архей и поместите их в предковую популяцию, существовавшую 1,5 млрд лет назад. Некоторые из этих клеток приобрели эндосимбионтов, которые эволюционировали в митохондрии. А оставшиеся продолжили вести себя так, как обычно ведут себя археи, разбрасывая гены направо и налево в ходе горизонтального переноса. Обратите внимание, что этот сценарий являет собой пример “обратной разработки” и опирается только на то, что мы точно знаем: что горизонтальный перенос широко используется бактериями и археями и гораздо менее распространен среди эукариот. Еще этот сценарий предполагает, что некая прокариотическая клетка (архея, которая по определению не способна заглатывать другие клетки путем фагоцитоза) могла приобрести эндосимбионтов при помощи какого-либо иного механизма. (Мы вернемся к этому вопросу позднее.)

Это наиболее простой сценарий происхождения эукариот – единичное событие, результатом которого стало рождение химеры из архейной клетки-хозяина и бактериального эндосимбионта. Я не жду, что вы мне поверите, и лишь хочу сказать, что этот сценарий, наряду с некоторыми другими, согласуется со всеми нашими знаниями о филогении эукариот. Я отдаю предпочтение этому взгляду, поскольку он соответствует принципу бритвы Оккама: предлагает наиболее простое объяснение известных данных. К тому же существуют очень убедительные (и они кажутся все убедительнее) филогенетические свидетельства, предоставленные Мартином Эмбли и его коллегами из Ньюкасла, говорящие в пользу того, что так все и было (рис. 22).

Рис. 22. Два, а не три, первичных домена жизни.

Мартин Эмбли и его коллеги подтвердили, что эукариоты произошли от архей. На рисунке A традиционное трехдоменное дерево, в котором каждый домен монофилетичен (то есть имеет единое происхождение): эукариоты сверху, бактерии снизу, археи разделены на несколько групп (каждая наиболее близко родственна другим археям, а не бактериям или эукариотам).

Новое, гораздо более убедительное альтернативное дерево (Б) построено на основе гораздо более широкой выборки и большого числа участвующих в транскрипции и трансляции информационных генов. Здесь эукариоты на основании сопоставления этих генов предстают группой внутри архей, родственной эоцитам – специфической группе архей. Возможно, клетка-хозяин, которая приобрела бактериального эндосимбионта, была полноценной, похожей на эоцит археей, а значит, не была “примитивным фагоцитом”. Аббревиатурой TACK обозначен суперфилум, в который входят Thaumarchaeota, Aigarcheota, Crenarchaeota и Korarchaeota.

Смысл в том, что прокариоты – и бактерии, и археи – хемиосмотичны. Выше мы обсудили, как в стенах гидротермальных источников могли возникнуть первые клетки, как естественный протонный градиент мог запустить углеродный и энергетический метаболизм и почему из-за использования протонных градиентов могли возникнуть такие глубокие различия между бактериями и археями. Эти соображения могут объяснить, как возникло хемиосмотическое сопряжение, но они не дают ответа на вопрос, почему оно закрепилось у всех бактерий, архей и эукариот. Можно ли потерять хемиосмотическое сопряжение или заменить его чем-нибудь получше?

Некоторым организмам это удалось. Дрожжи и некоторые бактерии большую часть времени заняты брожением. В процессе вырабатывается энергия в форме АТФ. Это быстрый, однако неэффективный процесс. Облигатные бродильщики за короткое время успевают загрязнить собственную среду обитания, что не позволяет им самим расти дальше. Но отходы их жизнедеятельности, например этанол или лактат, служат прекрасным субстратом для роста других организмов. Хемиосмотические клетки могут сжигать свои отходы при помощи кислорода или других веществ, например нитрата. Это позволяет получить гораздо больше энергии и, следовательно, быстрее расти. Брожение хорошо работает в сообществе клеток, когда другие клетки окисляют конечные продукты, но его возможности сами по себе очень ограничены[69]. Есть очень весомые свидетельства в пользу того, что брожение возникло позднее, чем дыхание. Учитывая упомянутые термодинамические ограничения, это весьма логично.

Возможно, это прозвучит неожиданно, но брожение – это единственная известная альтернатива хемиосмотическому сопряжению. Все формы дыхания, все формы фотосинтеза, вообще все формы автотрофии, когда клетки растут лишь на неорганических веществах, – строго хемиосмотичны. Мы указали некоторые причины этого в гл. 2. Так, хемиосмотическое сопряжение удивительно многогранно. Дыхательную цепь можно сравнить с операционной системой компьютера. В “операционную систему” можно устанавливать “новые программы” – механизмы, позволяющие использовать огромное множество доноров и акцепторов электронов. Гены, кодирующие такие механизмы, могут передаваться горизонтальным переносом и без проблем встраиваться в дыхательные цепи других организмов. Таким образом, хемиосмотическое сопряжение делает возможным адаптацию метаболизма почти к любым условиям за небольшое время. Неудивительно, что оно есть у подавляющего большинства организмов!

Но это не все. Хемиосмотическое сопряжение позволяет выжимать энергию из любой среды. Метаногены используют реакцию H₂ и CO₂ для обеспечения энергетического и углеродного метаболизма. Мы уже упоминали, что заставить H₂ и CO₂ вступить в реакцию друг с другом непросто – на преодоление энергетического барьера нужно затратить энергию. Метаногены, чтобы вынудить H₂ и CO₂ реагировать, прибегают к бифуркации электронов. Рассмотрим с позиции общей энергетики историю немецкого дирижабля “Гинденбург”. Наполненный водородом аппарат, преодолев Атлантический океан, взорвался, как зажигательная бомба. С тех пор водород имеет дурную репутацию. H₂ и O₂ остаются стабильными и не реагируют друг с другом, если их не подтолкнуть – даже искры достаточно, чтобы запустить реакцию, в результате которой выделяется огромное количество энергии. В случае H₂ и CO₂ проблема обратная: “искра” должна быть относительно большой, тогда как количество выделяемой энергии довольно незначительное.

Клетки сталкиваются с довольно интересным ограничением в том случае, если количество полезной энергии, которое должно выделяться в ходе реакции, превышает количество затраченной энергии менее чем в два раза. Вспомните, как на уроках химии нужно было уравнивать реакции. Одна целая молекула должна реагировать с другой целой молекулой – не может быть, чтобы половина молекулы вступала в реакцию с тремя четвертями другой. Представьте, что в клетке при затрате 1 АТФ на выходе получается меньше, чем 2 АТФ. Не бывает 1,5 АТФ – только один или два. Выходит, нужно затратить 1 АТФ, чтобы после получить 1 АТФ. Чистая прибыль нулевая. Расти лишь на H₂ и CO₂, используя стандартные химические реакции, не получится. Это относится не только к H₂ и CO₂, но и к многим другим парам “окислитель – восстановитель” (донор электрона и акцептор), например метану и сульфату. Однако, несмотря на это базовое химическое ограничение, клетки прекрасно растут на таких окислительно-восстановительных парах, потому что энергия протонного градиента при транспорте протонов через мембрану возрастает постепенно, маленькими шагами. Красота хемиосмотического сопряжения в том, что оно выходит за пределы обычной химии. Оно позволяет клеткам накапливать “разменную монету”. Если для образования 1 АТФ требуется 10 протонов, а в результате какой-нибудь химической реакции выделяется энергия, которой хватает на транспорт 4 протонов, нужно просто повторить эту реакцию трижды. В итоге будет выкачано 12 протонов, и 10 из них пойдет на образование 1 АТФ. Хемиосмотическое сопряжение абсолютно необходимо для некоторых форм дыхания и просто полезно: благодаря нему клетки могут сохранять небольшие порции энергии, которые иначе были бы рассеяны в виде тепла: копейка рубль бережет. Эта возможность и возвышает протонные градиенты над обычной химией.

Энергетические выгоды хемиосмотического сопряжения вполне объясняют тот факт, что оно сохраняется уже 4 млрд лет. Но использование протонных градиентов имеет и другие аспекты, успешно учтенные в работе клетки. Чем глубже корни механизма, тем больше вероятность, что он послужит основой для разных, мало связанных друг с другом приспособлений. Например, энергия протонных градиентов широко используется для того, чтобы захватывать из среды питательные вещества и выбрасывать отходы, чтобы вертеть бактериальный жгутик – пропеллер, благодаря которому клетка может передвигаться, чтобы выделять тепло в результате преднамеренного рассеивания протонного градиента (как происходит в клетках бурого жира). Еще любопытнее то, что коллапс протонных градиентов служит сигналом для быстрой запрограммированной гибели клеток в бактериальных популяциях. Клетка, зараженная вирусом, скорее всего обречена. Если она сумеет убить себя быстро – до того, как вирус размножится, – то ее родня (соседние клетки, с которыми она имеет общие гены) получит шанс уцелеть. Поэтому гены, которые отвечают за клеточную смерть, распространятся в популяции. Но гены, несущие смерть, должны срабатывать без промедления. Трудно найти способ более быстрый, чем нарушение целостности клеточной мембраны. Многие клетки поступают именно так: будучи зараженными, они формируют поры в мембране, сводя на нет протон-движущую силу. А это, в свою очередь, пробуждает спящую смертоносную машинерию. Протонные градиенты стали главными сенсорами клеточного благосостояния, арбитрами жизни и смерти. (Эту их функцию мы рассмотрим ниже.)

Итак, мы убедились в том, что универсальность хемиосмотического сопряжения не похожа на результат счастливой случайности. Скорее всего, его появление связано с происхождением жизни и возникновением клеток в щелочных гидротермальных источниках (наиболее вероятных инкубаторах жизни). И то, что им пользуются почти все организмы, о многом говорит. Теперь ясно, что механизм, на первый взгляд странный, на самом деле таковым не является: наш анализ позволяет предположить, что хемиосмотическое сопряжение должно быть свойственно буквально всем формам жизни в космосе. А значит, везде жизни придется преодолевать те же затруднения, с которыми сталкиваются бактерии и археи на Земле: связанные с тем, что прокариоты перекачивают протоны через свои мембраны. Это не ограничивает возможностей развития существующих прокариот (скорее наоборот), однако устанавливает пределы возможного. Невозможное (ниже я расскажу об этом) – это то, чего не бывает, а крупных морфологически сложных прокариот с большими геномами не существует.

Суть в количестве доступной энергии, которая приходится на один ген. Я несколько лет блуждал во тьме, медленно приближаясь к этой идее, но лишь ожесточенные споры с Биллом Мартином помогли довести ее до ума. На нас вдруг снизошло озарение: ключ к эволюции эукариот лежит в простой идее “энергии на ген”! Меня трясло от возбуждения. Неделю я лихорадочно делал подсчеты на клочках бумаги. В итоге, исписав гору бумажек, я пришел к ответу, который поразил нас обоих. Ответ был основан на данных из литературы и представлял собой численную оценку энергетической пропасти, разделяющей прокариот и эукариот. По нашим расчетам, у эукариот на один ген приходится минимум в 200 тыс. раз больше энергии, чем у прокариот. В двести тысяч раз! В конце концов мы выяснили природу пропасти, из-за которой бактерии и археи не достигли уровня сложных эукариот и из-за которой мы вряд ли когда-нибудь встретим инопланетянина, состоящего из бактериальных клеток. Представьте, что вы застряли посреди энергетического ландшафта, где пики соответствуют высокой энергии, а впадины – низкой. Так вот, бактерии помещаются на дне самой глубокой впадины, в энергетической пропасти. Она настолько глубока, что, подняв голову, вы увидите лишь уходящие далеко ввысь стены. Неудивительно, что прокариоты остались там на веки вечные.

Ученые сравнивают подобное с подобным. Если речь об энергии, наиболее уместно соотнести ее с массой: подсчитать, сколько энергии приходится на один грамм. Мы можем сопоставить скорость метаболизма 1 г бактерий (приняв за нее скорость потребления кислорода) с той же величиной для 1 г эукариотических клеток. Не думаю, что вы удивитесь, узнав, что бактерии “дышат” быстрее, чем одноклеточные эукариоты – в среднем втрое быстрее. Здесь большинство ученых предпочитает остановиться, чтобы не рисковать, сравнивая теплое с мягким. Мы рискнули. Сравнивать скорости метаболизма на клетку? Никуда не годится. Оценив выборку примерно из 50 видов бактерий и 20 видов одноклеточных эукариот, мы обнаружили, что клетки эукариот в среднем в 15 тыс. раз больше по объему, чем бактериальные клетки[70]. Если учесть, что скорость дыхания эукариот втрое ниже, усредненная эукариотическая клетка потребляет за секунду примерно в 5 тыс. раз больше кислорода, чем средняя бактерия. Это просто отражает тот факт, что эукариоты гораздо крупнее и с гораздо большим количеством ДНК. Тем не менее на одну эукариотическую клетку приходится в 5 тыс. раз больше энергии, чем на бактериальную. На что она тратит энергию?

Небольшая доля этой дополнительной энергии расходуется на обслуживание самой ДНК – лишь 2 % энергетического бюджета одноклеточного организма идет на репликацию. По данным Фрэнка Гарольда, старейшего деятеля микробиологической биоэнергетики (и моего героя – хотя наши взгляды не всегда совпадают), на синтез белков клетки тратят целых 80 % энергии[71]. Это потому, что клетки состоят в основном из белков; примерно половина сухого веса бактерии приходится на белки. К тому же производить белки дорого: они представляют собой цепочки аминокислот, соединенных пептидной связью. На каждую пептидную связь нужно затратить по меньшей мере 5 АТФ (это впятеро больше, чем требуется для полимеризации нуклеотидов в ДНК). К тому же каждый белок производится в тысячах копий. Они изнашиваются, их все время нужно чинить и обновлять. В первом приближении энергетическая стоимость жизни клетки близка к стоимости производства белков. Каждый белок кодируется одним геном. Если предположить, что все гены кодируют белки (так и есть – за вычетом различий в экспрессии генов), то чем больше генов в геноме, тем дороже обходится белковый синтез. Это подтверждается простым подсчетом рибосом (“фабрики” в клетках по производству белка), так как между числом рибосом и масштабами синтеза белка есть прямое соответствие. У среднестатистической бактерии E. coli примерно 13 тыс. рибосом. Минимум 13 млн рибосом (то есть в 1–10 тыс. раз больше) содержит единственная клетка печени.

В среднем в клетке бактерий около 5 тыс. генов, в клетке эукариот – от 20 до 40 тыс. (у всем известных инфузорий вдвое больше генов, чем у нас). У эукариот на один ген в среднем приходится в 1200 раз больше энергии, чем в среднем у прокариот. Если мы не ошибаемся, оценивая бактериальный геном в 5 тыс. генов, а эукариотический – в 20 тыс. генов, то количество энергии на ген у бактерий примерно в 5 тыс. раз меньше. Иными словами, эукариоты могут поддерживать в 5 тыс. раз более крупный геном, чем бактерии; могут тратить в 5 тыс. раз больше АТФ на экспрессию каждого гена (например, производя больше копий каждого белка) – или же они могут совмещать две стратегии, что и происходит. “Подумаешь! – скажете вы. – Эукариоты в 15 тыс. раз крупнее. Им нужно чем-то заполнять избыток объема, и это главным образом белок”. Эти сравнения имеют смысл лишь в том случае, если в отношении объемов клеток мы также правы. Мысленно увеличим бактерию до средних эукариотических размеров и рассчитаем, сколько энергии в этом случае она будет тратить на каждый ген. Вы можете подумать, что более крупная бактерия будет располагать большим количеством АТФ. Это так, но ей нужно синтезировать много белков, что требует более масштабных затрат АТФ. Общий баланс зависит от того, как именно эти факторы соотносятся. Мы вычислили, что для бактерий плата за то, чтобы быть крупнее, очень высока: размер имеет значение – и, в случае бактерий, “больше” не значит “лучше”. Напротив, у гигантской бактерии на один ген будет приходиться в 200 тыс. раз меньше энергии, чем у эукариотической клетки того же размера. В этом-то все дело.

При увеличении на порядки размера бактерии неизбежно возникает проблема соотношения площади поверхности и объема. Наша эукариотическая клетка обладает усредненным объемом, который в 15 тыс. раз превышает объем средней бактерии. Предположим для простоты, что клетки имеют форму шара. Чтобы бактерия раздулась до эукариотического размера, нужно увеличить ее радиус в 25 раз. При этом площадь ее поверхности возрастет в 625 раз[72]. Это важно, так как синтез АТФ сосредоточен на поверхности клеточной мембраны. В первом приближении масштабы синтеза АТФ возрастут в 625 раз, линейным образом, в соответствии с увеличением площади.

Однако синтез АТФ, конечно, требует участия белков: дыхательных комплексов, которые перекачивают протоны через мембрану, и АТФ-синтаз – молекулярных “турбин”, которые осуществляют синтез АТФ за счет потока протонов. При увеличении площади мембраны в 625 раз масштабы синтеза АТФ могут вырасти лишь в 625 раз, и то при условии, что количество дыхательных цепей и АТФ-синтаз росло пропорционально, а их концентрация на единицу площади осталась такой же[73]. Это, несомненно, так, но ход рассуждений не совсем верен. Все эти дополнительные белки должны быть сначала произведены, а затем встроены в мембрану. Для этого требуются рибосомы и факторы сборки всех нужных видов. Их также нужно синтезировать. Также к рибосомам должны быть доставлены аминокислоты и РНК, но и их нужно прежде произвести, как и необходимые гены и белки. Чтобы поддерживать эту возросшую синтетическую активность, через мембрану увеличенной площади должно переправляться больше питательных веществ, а для этого нужны специальные транспортные белки. И, конечно, нужно синтезировать новую мембрану, для чего необходимы ферменты липидного синтеза. И так далее. Этот грандиозный всплеск активности не может быть обеспечен одним лишь геномом. Только представьте: геном остался крошечным, а на него навалилась необходимость производить в 625 раз больше рибосом, белков, РНК и липидов, как-то перемещать их по значительно возросшей клеточной поверхности – и для чего? Лишь для того, чтобы поддерживать синтез АТФ на исходном уровне: сохранить то же соотношение количества АТФ на единицу площади. Понятно, что это невозможно. Вообразите, что какой-нибудь город вырос в 625 раз, в нем появились новые школы, больницы, магазины, детские площадки, станции для переработки отходов и т. д. Местное правительство, ответственное за все эти приятные нововведения, вряд ли сможет содержать их с помощью прежнего бюджета.

Учитывая скорость роста бактерий и высокую оптимизацию их генома, весьма вероятно, что белковый синтез на каждом геноме и так близок к максимально возможному[74]. Чтобы увеличить масштабы белкового синтеза в 625 раз, логичнее сделать 625 полных копий бактериального генома, каждая из которых будет работать примерно одинаково.

На первый взгляд эта идея кажется бредовой, но это не так. Совсем скоро мы вернемся к этому вопросу, а сейчас рассмотрим энергетическую стоимость такого приобретения. У нас в 625 раз больше АТФ, чем раньше, но и в 625 раз больше геномов, причем за использование каждого нужно платить одинаково. Так как речь не идет о сложной внутренней транспортной системе, которая могла бы сформироваться лишь за многие поколения и при условии крупных энергетических вложений, все эти геномы отвечают за один и тот же “бактериальный” объем цитоплазмы, одну и ту же площадь мембраны и т. д. Наверное, эту раздутую бактерию лучше рассматривать не как единичную клетку, а как совокупность 625 одинаковых клеток. Очевидно, количество “энергии на ген” у каждой из слившихся единиц остается прежним. Поэтому увеличение площади поверхности не приносит бактерии никакой энергетической выгоды. Раздувшаяся бактерия сильно проигрывает эукариотической клетке. У эукариот в 5 тыс. раз больше энергии на ген, чем в среднем у бактерий. Если увеличение площади никак не влияет на количество доступной энергии на ген, оно по-прежнему остается в 5 тыс. раз ниже, чем у эукариот.

Даже хуже! Мы увеличили площадь поверхности в 625 раз, во столько же раз увеличив и затраты энергии, и масштаб ее прибыли. А что с внутренним объемом? Он вырос в 15 тыс. раз! В результате наших экспериментов получился огромный клеточный пузырь, метаболические процессы внутри которого мы оставили без внимания, будто решив, что его содержимое вообще не требует энергии. Это было бы так, если бы весь его объем занимала гигантская, метаболически инертная вакуоль. Но если в бактериальной клетке и вправду будет такая вакуоль, эта бактерия не будет идти ни в какое сравнение с эукариотами, которые не только в 15 тыс. раз крупнее, но и содержат изощренную биохимическую машинерию. Эта машинерия состоит главным образом из белков, и на ее поддержание нужно тратить соответствующее количество энергии. Если принять в расчет все белки, ход рассуждений остается примерно таким же. Немыслимо, чтобы клеточный объем мог возрасти в 15 тыс. раз, если количество геномов не увеличится примерно во столько же. Однако масштабы синтеза АТФ не могут возрастать в той же мере: они зависят от площади мембраны клетки, а ее мы учли. Получается, что увеличение бактерии до размеров среднестатистической эукариотической клетки влечет за собой возрастание масштабов синтеза АТФ в 625 раз, но увеличивает энергетические затраты до 15 тыс. раз. Количество энергии, приходящееся на одну копию каждого гена, должно упасть в 25 раз. Умножьте это на 5 тыс. в соответствии с разницей в энергии на ген (после поправки на размер генома), и мы увидим, что при равном размере геномов и одинаковых объемах клеток гигантская бактерия будет иметь в 125 тыс. раз меньше энергии на ген, чем у средней эукариотической клетки. У средней! А у крупных эукариот, например амеб, по меньшей мере в 200 тыс. раз больше энергии на ген, чем у гигантской раздутой бактерии. Вот откуда взялась наша цифра.

Может показаться, что это игры с числами, которые не несут никакого смысла. Должен признаться, и меня это беспокоило: цифры в буквальном смысле слова невероятны, но, во всяком случае, эти теоретические расчеты позволяют делать предсказания. Например, такое: гигантские бактерии должны иметь тысячи копий собственного полного генома. Что ж, это предсказание просто проверить. Гигантских бактерий мало, но они существуют. Два вида таких бактерий хорошо изучены. Epulopiscium встречается лишь в анаэробной среде задней кишки рыбы-хирурга. Это настоящий линкор среди клеток: обтекаемой формы, около полумиллиметра в длину, видимый даже невооруженным глазом. Он гораздо крупнее большинства эукариот, в том числе инфузории (рис. 23). Почему Epulopiscium стал таким огромным, неизвестно. Thiomargarita еще крупнее: ее круглые клетки составляют около миллиметра в диаметре, и основную часть их объема занимает огромная вакуоль. Единственная клетка может вырастать размером с голову плодовой мушки! Thiomargarita живет в океанских водах, которые время от времени насыщаются нитратами за счет восходящих течений. Клетки улавливают нитраты и хранят их в вакуолях, чтобы потом использовать в качестве акцептора электронов. Это позволяет им дышать много недель, когда поток нитрата иссякает. Но дело не в этом. И у Epulopiscium, и у Thiomargarita экстремально высокая полиплоидность. Их геном представлен тысячами полных копий – до 200 тыс. копий у Epulopiscium и 18 тыс. копий в случае Thiomargarita (несмотря на то, что основную часть ее клетки занимает огромная вакуоль).

Оказывается, рассуждения о 15 тыс. геномах – не пустая болтовня. Не только количество, но и пространственная организация геномов соответствуют теории. У обоих организмов геномы располагаются на периферии клетки, в непосредственной близости от клеточной мембраны (рис. 23). Центр клетки метаболически инертен: у Thiomargarita он занят вакуолью, а у Epulopiscium там развиваются дочерние клетки. Практически полная метаболическая инертность внутренней части говорит о том, что клетки экономят на синтезе белков и не хранят геномы глубоко внутри цитоплазмы. Теоретически это означает, что по количеству энергии на ген они сравнимы с обычными бактериями: все копии генома ассоциированы с мембраной, на которой сосредоточены биоэнергетические процессы и которая может поставлять (в виде АТФ) энергию, нужную для поддержания всех копий генов.

Рис. 23. Гигантские бактерии со “сверхполиплоидией”.

А. Гигантская бактерия Epulopiscium. Стрелка указывает на обычную E. coli, показанную для сравнения. Внизу видна эукариотическая клетка инфузории Paramecium, она кажется маленькой по сравнению с Epulopiscium – этим линкором среди бактерий.

Б. Микропрепарат бактерии Epulopiscium (ДНК окрашена DAPI). Белые точки рядом с мембраной – это полные копии генома. В крупных клетках их число может достигать 200 тыс. Это состояние называется сверхполиплоидией.

В. Еще более крупная бактерия, Thiomargarita, диаметр которой около 0,6 мм.

Г. Thiomargarita (ДНК окрашена DAPI). Большая часть объема клетки занята гигантской вакуолью (черное пространство в верхней части микрофотографии). Вакуоль окружена тонким слоем цитоплазмы, в котором около 20 тыс. полных копий генома (на них указывают белые стрелки).

Рис. 24. Сколько энергии у бактерий и эукариот приходится на один ген.

График А показывает усредненные скорости обмена веществ на ген для бактерий (а) и для одноклеточных эукариот (б), выровненные по размеру генома. На графике Б скорости выровнены по клеточному объему. Ось y на всех графиках логарифмична: каждая единица отражает десятикратное изменение величины. Таким образом, одна эукариотическая клетка располагает в 100 тыс. раз большей энергией на ген, чем бактерия, хотя дыхание эукариот (если сравнивать один грамм эукариот с одним граммом прокариот) в три раза медленнее (график В). Эти показатели основаны на измеренных скоростях обмена веществ, но поправки на размер генома и объем клетки теоретические. График Г демонстрирует, что теоретические данные вполне соотносятся с реальностью. Приведены скорости обмена веществ для отдельного генома с учетом его размера, числа копий и объема клетки: а) E. coli, б) Thiomargarita, в) Epulopiscium, г) Euglena, д) Amoeba proteus.

Похоже, так и есть. Скорости метаболизма этих бактерий удалось измерить, и теперь, зная общее число копий генома, мы можем точно рассчитать количество энергии на ген. И – внимание! – эта величина близка (она того же порядка) к таковой у обыкновенной E. coli. Какими бы ни были затраты и прибыли, обусловленные более крупным размером гигантских бактерий, энергетических преимуществ он не предоставляет. Точно в соответствии с предсказанием у этих бактерий на одну копию каждого гена приходится в 5 тыс. раз меньше энергии, чем у эукариот (рис. 24). Заметьте: не в 200 тыс. раз меньше – за счет того, что множественные геномы расположены лишь на периферии клеток, но не внутри. Их внутренний объем почти инертен, из-за чего у гигантских бактерий возникают проблемы с клеточным делением, и это объясняет, почему они не распространены повсеместно.

Бактерии и археи благополучно живут. Маленькие бактерии с небольшими геномами не испытывают недостатка в энергии. Проблемы возникают лишь при попытке увеличить бактерию до эукариотических размеров. При этом у них, в отличие от эукариот, количество энергии на ген падает. Эта энергетическая пропасть громадна. Бактерии не могут увеличить размер генома, а значит, не могут приобрести то огромное число новых генов, которые кодируют признаки, присущие эукариотам. Вместо того чтобы приобрести один гигантский ядерный геном, они останавливаются на накоплении тысяч копий маленьких простых бактериальных геномов.

Почему аналогичные проблемы с увеличением размеров не возникли у эукариот и не помешали им достигнуть сложности? Все дело в том, что они приобрели митохондрии. Эукариотическая клетка представляет собой генетическую химеру, возникшую, судя по всему, в результате поглощения бактериального эндосимбионта архейной клеткой-хозяином. Как я говорил, этот сценарий согласуется с данными филогенетики, но этих данных недостаточно, чтобы строго его подтвердить. Тем не менее действующие на бактерий жесткие энергетические ограничения близки к тому, чтобы быть доказательствами химерного происхождения сложной жизни. Я покажу, что лишь эндосимбиоз прокариот мог вытащить бактерий и архей из энергетической ямы и что такой эндосимбиоз – одно из редчайших событий в эволюции.

Бактерии – это автономные самовоспроизводящиеся системы, чего нельзя сказать об их геномах. Проблема, с которой сталкиваются гигантские бактерии, состоит в том, что они для поддержания своих размеров вынуждены содержать в клетке несколько тысяч полных копий своего генома. Геном копируется с почти абсолютной точностью, но после копирования не играет почти никакой самостоятельной роли. С геномом работает множество белков, обеспечивающих транскрипцию и трансляцию закодированных в нем генов, клетка делится за счет работы тех же белков, а сам по себе геном инертен, не способен к самостоятельной репликации, как не способен к ней жесткий диск вашего компьютера.

В чем разница между клеткой и ее геномом? Все геномы внутри клетки представляют собой почти идентичные копии, и поскольку они не способны к самовоспроизведению, естественный отбор не влияет на различия между ними. Все различия между геномами внутри одной клетки по мере смены поколений будут сглаживаться до уровня шума. Теперь рассмотрим не геномы, а отдельные бактериальные клетки, конкурирующие друг с другом. Если одна линия клеток приобретет способность делиться вдвое быстрее, чем все остальные клетки, то из-за экспоненциального характера роста такие клетки через несколько поколений будут преобладать в популяции. Конечно, приобретение такого гигантского преимущества в скорости роста маловероятно. Но из-за того, что скорость роста бактерий очень велика, через много поколений даже незначительные ее изменения оказывают заметный эффект на состав популяции. Для бактерий, у которых за день сменяется 70 поколений, начало дня – такое же далекое прошлое, как для людей – начало нашей эры. Скорость роста можно немного увеличить, уменьшая размер генома: например, можно избавиться от гена, необходимость в котором отпала. Не имеет значения, может ли понадобиться этот ген в будущем. Клетки, потерявшие бесполезный ген, делятся быстрее – и через несколько дней начинают вытеснять из популяции клетки, которые его сохранили.

Теперь представим, что условия изменились и прежде бесполезный ген стал жизненно необходим. Потерявшие его клетки уже не смогут расти, если только в ходе горизонтального переноса не приобретут его заново. Бесконечный процесс потери и приобретения генов чрезвычайно широко распространен в бактериальных популяциях. В итоге размер генома стабилизируется до минимально возможного, поскольку у отдельных клеток есть доступ к огромному “метагеному” (общей совокупности генов во всех доступных популяциях). У клетки E. coli около 4 тыс. генов, а ее метагеном содержит около 18 тыс. генов. Конечно, использование метагенома рискованно. Вместо нужного гена можно приобрести мутантный ген или даже генетического паразита, но в итоге стратегия окупается, поскольку плохо приспособленные клетки выходят из игры под давлением естественного отбора, а клетки-победители пожинают лавры.

Теперь представим популяцию бактериальных эндосимбионтов. Она подчиняется тем же базовым закономерностям – ведь это просто популяция бактерий, только небольшая и населяющая ограниченное пространство. Бактерии, потерявшие ненужные гены, размножаются быстрее и будут преобладать в популяции, как и раньше. Главное отличие в стабильности среды, ведь клеточная цитоплазма – среда с очень стабильными условиями, в отличие от постоянно меняющейся внешней среды. Туда трудно попасть, там нелегко выжить, но если это удалось, постоянный поток питательных веществ гарантирован. Вместо характерного для свободноживущих бактерий бесконечного круговорота генетических утрат и приобретений в такой популяции гены утрачиваются окончательно, что ведет к непрерывной оптимизации генома. От генов, потребность в которых исчезла, можно избавиться навсегда, тем самым сократив размеры генома.

Эндосимбиоз редок среди прокариот, которые не способны заглатывать другие клетки путем фагоцитоза. Но некоторые примеры эндосимбиоза у бактерий все же известны (рис. 25), а значит, фагоцитоз для этого не является необходимостью. Некоторые грибы также имеют эндосимбионтов, хотя и не способны к фагоцитозу. Впрочем, у фагоцитирующих эукариот эндосимбиоз встречается гораздо чаще: известны сотни случаев[75]. У всех таких эндосимбионтов наблюдается уменьшение размеров генома. Самые маленькие бактериальные геномы, как правило, принадлежат эндосимбионтам. Так, в геноме возбудителя сыпного тифа Rickettsia, поразившего армию Наполеона, чуть более 1 млн пар нуклеотидов – в 4 раза меньше, чем у E. coli. У Carsonella, эндосимбионта листоблошки, – самый маленький из известных бактериальных геномов: он на 200 тыс. пар нуклеотидов короче, чем геномы хлоропластов некоторых растений. Нам почти ничего не известно о потере генов у эндосимбионтов прокариот, но нет оснований считать, что она происходила иначе. Мы можем быть уверены, что они точно так же теряют гены: митохондрии когда-то были эндосимбионтами, живущими внутри археи.

Рис. 25. Бактерии, обитающие внутри других бактерий.

А. Популяция внутриклеточных бактерий, обитающих в организме цианобактерий. Волнистые внутренние мембраны в правой части клетки – это мембраны тилакоидов, место, где у цианобактерий происходит фотосинтез. Клеточная стенка выглядит как окружающий клетку темный контур. Сверху клетка покрыта прозрачной желеобразной оболочкой. Внутриклеточные бактерии видны внутри светлых областей, которые можно принять за фагоцитарные вакуоли, но, по всей вероятности, это результат усыхания препарата. Клетки с клеточной стенкой не способны заглатывать другие клетки (фагоцитоз). Как бактерии попали внутрь – загадка, но они определенно там. Нет сомнений, что бактерии внутри свободноживущих бактерий – явление редкое, но вероятное.

Б. Популяции гамма-протеобактерий внутри клеток-хозяев – бета-протеобактерий, которые сами живут в клетках мучнистого червеца. На микрофотографии слева внизу видна клетка (ядро которой вот-вот разделится в ходе митоза). Внутри у нее шесть эндосимбионтов, каждый содержащий множество палочковидных бактерий. Справа внизу эти бактерии в увеличенном виде. Этот случай не столь удивителен, как пример цианобактерий, потому что симбиоз с эукариотическими клетками – не то же, что свободноживущее состояние.

Потеря генов имеет большое значение. Эндосимбионтам она выгодна, поскольку ускоряет их рост. Кроме этого, она позволяет тратить меньше АТФ. Поставим мысленный эксперимент. Вообразим клетку, в которой живет 100 эндосимбионтов. Каждый эндосимбионт начинает свою жизнь как обычная бактерия, которая со временем теряет гены. Предположим, что изначально такая бактерия имеет бактериальный геном, содержащий 4 тыс. генов, и в течение жизни она теряет 200 генов (5 % генома). Скорее всего, в первую очередь будут утрачены гены синтеза клеточной стенки, которые не нужны для жизни внутри другой клетки. Каждый из 200 генов кодирует белок, на синтез которого нужно затратить энергию. Сколько энергии будет сэкономлено, если эти белки не будут синтезироваться? В среднем каждый бактериальный белок состоит из 250 аминокислотных остатков и присутствует в клетке в 2 тыс. копий. Для создания каждой пептидной связи (химическая связь, соединяющая аминокислотные остатки в белке) нужно потратить около 5 молекул АТФ. Так что 100 эндосимбионтов на синтез 2 тыс. копий 200 белков потратят 50 млрд молекул АТФ. Если мы распределим эту энергию по жизненному циклу клетки, считая, что клетка делится каждые 24 часа, получится, что на синтез этих белков тратится 580 тыс. молекул АТФ в секунду. И это количество АТФ можно сэкономить, если эти белки не синтезируются.

Конечно, у клетки нет необходимости тратить сэкономленный АТФ на что-либо конкретное (хотя некоторые цели есть), но рассмотрим, на что в принципе можно потратить АТФ. Относительно простой признак, отличающий эукариот от остальных организмов – динамический внутренний цитоскелет, способный перестраиваться и изменять свою форму, что обеспечивает движение клеток и внутриклеточный транспорт. Главный компонент эукариотического цитоскелета – белок актин. Сколько актина можно синтезировать при потоке АТФ 580 тыс. молекул в секунду? Актин – это филамент, состоящий из мономеров, соединенных в цепь. Две такие цепи, скрученные в спираль, образуют филамент. Каждый мономер состоит из 374 аминокислот. В одном микрометре актинового филамента содержится 2 × 29 мономеров. Чтобы построить 1 микрометр актинового филамента, нужно 131 тыс. молекул АТФ (что теоретически позволяет построить за секунду около 4,5 микрометра актина). Если вам показалось, что этого маловато, я напомню, что обычная длина бактериальных клеток – пара микрометров[76]. Поэтому энергии, сэкономленной эндосимбионтами при потере генов (5 % генов), достаточно для развития динамического цитоскелета, что, несомненно, и произошло. Имейте в виду, что 100 эндосимбионтов на клетку – это довольно скромная оценка. У некоторых крупных амеб в клетке минимум 300 тыс. митохондрий.

Но эндосимбионты пошли дальше и утратили не 5 % генов, а гораздо больше. Митохондрии потеряли почти все свои гены: у нас и прочих животных в митохондриях сохранилось лишь 13 белок-кодирующих генов. Если считать, что предки митохондрий не слишком отличались от современных α-протеобактерий, то их геном должен был кодировать около 4 тыс. генов. Вступив в эндосимбиоз и превратившись в митохондрии, они потеряли более 99 % своего генома. Если мы снова рассчитаем энергетический выигрыш, то получим: если 100 эндосимбионтов потеряют 99 % генов, это позволит сэкономить около 1 триллиона молекул АТФ за 24-часовой жизненный цикл – или 12 млн молекул АТФ в секунду! Но митохондрии не экономят энергию – они производят АТФ. По способности к производству АТФ митохондрии не уступают своим предкам, но в то же время они снизили собственную энергетическую стоимость настолько, насколько было возможно. В результате эукариоты приобрели такую энергию, как у множества бактерий сразу – и при этом сэкономили на синтезе белка. Вернее, они стали получать энергию за чужой счет.

Хотя митохондрии потеряли большую часть своих генов, некоторые из них были перенесены в ядро (подробнее об этом – в следующей главе). Кое-какие из них продолжают кодировать те же белки, что и раньше, и выполняют свои старые функции. Такие гены не способствуют экономии энергии. Но некоторые из перенесенных в ядро генов не были нужны ни эндосимбионту, ни клетке-хозяину. Эти проникшие в ядро “генетические флибустьеры” способны свободно менять свои функции, поскольку действие отбора их не сдерживает. Такие избыточные фрагменты ДНК послужили исходным генетическим материалом в эволюции эукариот. Некоторые из них дали начало целым семействам генов, которые могут выполнять самые разные функции. Известно, что у первых эукариот было около 3 тыс. генных семейств, которых не было у бактерий. Утрата генов митохондриями сделала возможным накопление новых генов в ядре, а их хранение там не потребовало энергетических затрат. Теоретически, если в клетке живет 100 эндосимбионтов и из каждого в ядро будет перенесено 200 генов (около 5 % всех генов эндосимбионта), то клетка-хозяин может приобрести 20 тыс. новых генов (фактически целый человеческий геном!), которые могут применяться во всевозможных целях, и без какой-либо затраты энергии. От новых горизонтов, которые открывает приобретение митохондрий, просто дух захватывает.

Остаются лишь два вопроса, которые тесно связаны друг с другом. Во-первых, все приведенные рассуждения вращаются вокруг проблемы соотношения площади поверхности и объема у прокариот, но некоторые бактерии, например цианобактерии, вполне способны значительно увеличивать площадь поверхности своих биоэнергетических мембран путем их впячивания внутрь клетки и сворачивания в сложные структуры. Почему остальным бактериям не удалось обойти ограничения хемиосмотического сопряжения при помощи впячивания мембран? Во-вторых, если потеря генов имеет такое значение, то почему митохондрии не довели дело до победного конца и не утратили весь геном, что принесло бы им несомненную энергетическую выгоду? Ответив на эти вопросы, мы поймем, почему развитие бактерий за 4 млрд лет не сдвинулось с мертвой точки.

Почему некоторое количество генов у митохондрий все-таки остается? Ответ не так уж очевиден. Сотни генов, кодирующих митохондриальные белки, переместились в ядро еще на ранних стадиях эукариотической эволюции. Теперь продукты этих генов перед тем, как попасть в митохондрии, образуются снаружи, в цитозоле. Но небольшая группа генов, которые кодируют дыхательные белки, несмотря ни на что остается в геноме митохондрий. Почему? Вот что говорит нам классический учебник “Молекулярная биология клетки”: “Мы не можем сказать точно, по какой причине белки, которые образуются в митохондриях и хлоропластах, должны производиться именно там, а не в цитозоле”. Это утверждение в неизменном виде пережило несколько изданий (1983, 1992, 2002, 2008 годов). Но задумывались ли авторы над этой фразой?

То, что известно о происхождении эукариот, позволяет предложить разные ответы на этот вопрос. Их можно отнести к двум категориям: “тривиальные” и “необходимые”. Я использую слово “тривиальный” в нетривиальном смысле: “тривиальный” ответ не подразумевает каких-либо биофизических причин, которые могли заставить митохондриальные гены оставаться в митохондриях. Они остались там не потому, что не могли переместиться, а просто потому, что так сложилось. “Тривиальные” ответы объясняют, почему гены остались в митохондриях, следующим образом: хоть они и могли переместиться в ядро, но в силу сочетания вероятности и сил отбора некоторые из них остались на своем месте. В числе возможных причин можно назвать размер и гидрофобность митохондриальных белков, а также небольшие отклонения в генетическом коде. По сути, “тривиальная” гипотеза гласит, что все оставшиеся митохондриальные гены могут быть перемещены в ядро: произведя соответствующие модификации при помощи методов генной инженерии, мы обнаружим, что клетка продолжает прекрасно работать. Некоторые исследователи активно работают над перемещением митохондриальных генов в ядро, предполагая, что это может предотвратить старение (гл. 7). Эта задача сопряжена с множеством трудностей и совсем не тривиальна в обычном значении этого слова, но она “тривиальна” в том смысле, что основана на вере исследователей в отсутствие необходимости сохранения генов в митохондриях. Они считают, что перемещение этих генов в ядро может принести реальную пользу. Что ж, удачи.

Я не разделяю эту точку зрения. Другая гипотеза – гипотеза необходимости – предполагает, что митохондрии сохранили свои гены потому, что нуждались в них: без них митохондрии просто не смогли бы существовать. Иными словами, причина, по которой гены остались в митохондриях, была абсолютно непреодолимой: переместить гены в ядро было принципиально невозможно. Почему невозможно? Я считаю, что наиболее убедительный ответ предложил биохимик Джон Аллен, с которым я долго сотрудничаю. Я доверяю его мнению не потому, что он мой друг – скорее наоборот: мы стали друзьями отчасти из-за того, что я поверил в его идею. Аллен, обладая деятельным умом, выдвинул множество оригинальных гипотез и десятки лет проверял их. О некоторых мы спорили годами. В пользу этой его гипотезы говорит множество аргументов, а заключается она в том, что митохондрии (как и хлоропласты) сохранили свои гены из-за необходимости контролировать хемиосмотическое сопряжение. Перенесите оставшиеся митохондриальные гены в ядро, – рассуждает Аллен, – и спустя некоторое время клетка умрет, как бы аккуратно ни были гены переставлены на новое место. Митохондриальные гены должны быть именно там, где они есть – рядом с биоэнергетическими мембранами, которые обслуживаются этими генами. Существует термин “бронзовый контроль”[77]. Во время войны “золотой контроль” возлагается на центральные органы власти, которые вырабатывают долгосрочную стратегию, “серебряный контроль” лежит на командовании вооруженными силами, которое занимается распределением солдат и вооружений, а на поле боя все зависит от “бронзового контроля” – мужчин и женщин, которые собственными руками побеждают врага, принимают решения, воодушевляют подчиненных и остаются в истории как великие воины. Так вот, митохондриальные гены – это “бронзовый контроль”, которому то и дело приходится принимать важные решения.

Почему такие решения необходимы? В гл. 2 мы обсуждали протон-движущую силу. Электрический потенциал внутренней мембраны митохондрии составляет примерно 150–200 милливольт. Поскольку толщина мембраны – всего 5 нанометров, это порождает напряженность электрического поля в 30 миллионов вольт на метр – как у вспышки молнии. Горе тому, кто потеряет контроль над таким электрическим зарядом! Расплатой будет не только остановка синтеза АТФ (хотя это само по себе очень серьезно). Если нарушится перемещение электрона по дыхательной цепи к кислороду (или к другим акцепторам электронов), это может привести к “короткому замыканию”, когда электроны реагируют с кислородом или азотом непосредственно с образованием высокоактивных свободных радикалов. Сочетание падения уровня АТФ, деполяризации биоэнергетических мембран и высвобождения свободных радикалов – классический триггер “запрограммированной клеточной смерти”. Выше я упоминал, что это явление широко распространено даже среди одноклеточных бактерий. По сути, митохондриальные гены реагируют на локальные изменения условий, в небольших пределах смещая мембранный потенциал, не позволяя его изменениям стать катастрофическими. Если переставить такие гены в ядро, то, скорее всего, в течение нескольких минут митохондрии просто потеряют контроль над мембранным потенциалом из-за изменений в количествах субстрата или кислорода либо из-за утечки свободных радикалов, и это приведет к гибели клетки.

Чтобы жить, мы должны непрерывно дышать. Нужно обеспечивать точную регулировку мышц диафрагмы, грудной клетки, горла. Она осуществляется и на более низком уровне: похожим образом регулируют дыхание и митохондриальные гены, заботясь, чтобы результат всегда соответствовал потребностям. Только эта причина достаточно важна, чтобы ею можно было объяснить сохранение генов в митохондриях.

Это более чем “необходимая” причина, в силу которой гены остались в митохондриях: нужно, чтобы эти гены были рядом с биоэнергетическими мембранами, где бы те ни находились. Поразительно, но у митохондрий неизменно сохраняются гены, принадлежащие к одному и тому же маленькому подсемейству, характерному для всех способных к дыханию эукариот. В тех редких случаях, когда клетки теряют сразу все митохондриальные гены, они теряют способность дышать. Гидрогеносомы и митосомы (специализированные органеллы, которые произошли от митохондрий и встречаются у архезоев) утратили абсолютно все гены – и в результате потеряли возможность пользоваться энергией хемиосмотического сопряжения. А у гигантских бактерий собственные гены (точнее, полные геномы) расположены совсем рядом с биоэнергетическими мембранами. На мой взгляд, наиболее показательный пример – это цианобактерии с их складчатыми внутренними мембранами. Если гены необходимы для контроля над дыханием, то цианобактерии должны иметь множество полных копий своего генома, как и гигантские бактерии – пусть цианобактерии и мельче. Так и есть: у наиболее сложных цианобактерий до нескольких сотен копий генома. Как и в случае гигантских бактерий, количество доступной энергии на ген у них ограничено: они не могут иметь геном, который хоть сколько-нибудь приближается по длине к ядерному эукариотическому, и вынуждены накапливать маленькие бактериальные геномы.

Вот причина, по которой бактерии не могут достичь размеров эукариот. Если просто переместить биоэнергетические мембраны внутрь и увеличить площадь их поверхности, это не сработает: нужные гены должны оказаться рядом с мембранами. В реальности же, не прибегая к эндосимбиозу, гены можно поместить туда лишь в составе полного генома. С позиции “энергии на ген” нет никакой пользы в том, чтобы увеличиваться в размерах: имеет смысл расти лишь для того, чтобы стал возможен эндосимбиоз. Лишь тогда можно будет терять гены, а сокращение генома митохондрий в несколько раз сделает возможным разрастание ядерного генома на порядки, вплоть до эукариотических размеров.

Можно рассмотреть и другую возможность: использовать бактериальные плазмиды – полуавтономные кольцевые ДНК, в некоторых случаях несущие огромное количество генов. Почему бы не разместить дыхательные гены на одной крупной плазмиде, а после расположить множественные копии этой плазмиды рядом с мембранами? С этим сопряжены трудноразрешимые логические проблемы, но может ли это в принципе работать? Я думаю, что нет. Сам по себе крупный размер не дает прокариотам преимуществ, и иметь избыточное количество АТФ бессмысленно. Маленькие бактерии не страдают от недостатка АТФ. Чуть больший размер и чуть больше АТФ не даст преимущества в конкурентной борьбе – лучше быть немного мельче, иметь достаточное количество АТФ и быстрее делиться. Второй недостаток самого по себе увеличения в размерах – это необходимость организовать пути доставки к удаленным регионам клетки. Большой клетке необходимо транспортировать грузы во все ее части, и эукариотам приходится делать именно это. Но такие транспортные системы появились не за один день: для этого потребовалось множество поколений, а в течение такого долгого времени крупный размер должен был давать какие-нибудь дополнительные преимущества. Поэтому плазмиды не подходят: идея выворачивается наизнанку. Гораздо более простое решение проблемы снабжения – создать множество копий полного генома, чтобы каждая контролировала небольшую часть объема цитоплазмы, равную объему одной бактериальной клетки – так, как у гигантских бактерий.

Как эукариотам удалось преодолеть ограничения в размерах и построить сложные транспортные системы? Что отличает клетку с многочисленными митохондриями, каждая из которых имеет геном размером с бактериальную плазмиду, от гигантской бактерии с множеством плазмид, разбросанных по клетке для контроля над дыханием? Ответ заключается в том, что происхождение эукариот не имело отношения к АТФ: эту идею высказали Билл Мартин и Миклош Мюллер в рамках гипотезы о первой эукариотической клетке. Мартин и Мюллер предположили, что у клетки-хозяина и ее эндосимбионтов существовала экологическая синтрофия: они обменивались субстратами для роста, а не только энергией. Водородная гипотеза гласит, что первые эндосимбионты снабжали своих клеток-хозяев необходимым для роста водородом. Не будем останавливаться на деталях: важно, что без субстрата клетки вообще не могут расти. Эндосимбионты обеспечивают клетку всем нужным субстратом. Чем больше эндосимбионтов, тем больше субстрата и тем быстрее растет клетка-хозяин, – а значит, и ее эндосимбионты. Таким образом, в случае эндосимбиоза более крупные клетки получают преимущество, так как могут вместить больше эндосимбионтов и добыть больше топлива для роста. Еще большую выгоду они получат в том случае, если организуют транспортные пути к собственным эндосимбионтам. Но это почти буквально то же, что ставить телегу (внутриклеточный транспорт) впереди лошади (источник энергии).

По мере того, как эндосимбионты теряют свои гены, уменьшаются их собственные потребности в АТФ. Это приводит к забавному казусу. Клетка в процессе дыхания синтезирует АТФ из АДФ. В свою очередь, АТФ расщепляется обратно до АДФ, а выделяющаяся энергия расходуется на нужды клетки. Если уровень потребления АТФ сильно падает, весь АДФ в клетке превращается в АТФ, что ведет к остановке клеточного дыхания[78]. В таких условиях дыхательная цепь накапливает избыточное количество электронов, становится “перевосстановленной” (гл. 7), и электроны начинают стекать с нее на кислород, что приводит к образованию свободных радикалов, которые повреждают белки, ДНК, даже запускают апоптоз. Возникновение одного из ключевых митохондриальных белков – АДФ/АТФ-транслокатора – позволило клетке-хозяину отвести часть АТФ из клеток эндосимбионтов на свои нужды. Но самое замечательное, что это еще и решило проблему перевосстановления дыхательных цепей эндосимбионтов. За счет отведения избытка АТФ и снабжения эндосимбионтов АДФ клетка-хозяин сократила образование свободных радикалов внутри эндосимбионтов и так снизила риск того, что она сама окажется поврежденной или даже погибнет. Это объясняет, почему и клетка-хозяин, и эндосимбионты заинтересованы в том, чтобы спускать большие количества АТФ на такие расточительные приобретения, как динамический цитоскелет[79]. Но суть в том, что каждая стадия эндосимбиотических взаимодействий оказывается выгодной, в отличие от плазмид, которые не делают выгодным ни увеличение размеров клетки, ни производство большего количества АТФ.

Возникновение эукариот – уникальное событие. За 4 млрд лет это случилось лишь однажды. Если рассматривать причудливую траекторию эволюции в отношении информации и геномов, понять ее закономерности почти невозможно. Но картина приобретает смысл, если взглянуть на нее с позиции энергии и физической структуры клеток. Мы разбирались, как хемиосмотическое сопряжение могло возникнуть в щелочных гидротермальных источниках и почему оно навсегда осталось универсальным и у бактерий, и у архей. Мы убедились, что хемиосмотическое сопряжение обусловило удивительные адаптивные возможности прокариот и их огромное разнообразие. Вероятно, те же факторы играют роль и в возникновении жизни на других планетах: для этого нужно немногим больше, чем горная порода, вода и CO₂. А сейчас вы увидите, почему естественный отбор, действующий на бесконечную популяцию бактерий в течение бесконечно долгого времени, не приведет к возникновению крупных и сложных клеток эукариотического типа иначе, чем путем эндосимбиоза.

Нет универсальных или предопределенных путей развития, ведущих к возникновению сложно устроенной жизни. Вселенная не “беременна” идеей нашего существования. Сложная жизнь может возникнуть где угодно, но это очень редкое событие – по этой причине мы не наблюдаем ее повторного возникновения на Земле. Первая часть объяснения проста: эндосимбиоз прокариот довольно редок. Вторая часть менее очевидна и заставляет вспомнить Сартра: “Ад – это другие”. Тесное эндосимбиотическое взаимодействие могло вывести бактерий из затянувшегося эволюционного тупика, но, как мы увидим, из мучительного процесса рождения эукариотической клетки можно понять, почему подобные события чрезвычайно редки и почему сложным формам жизни свойственно много специфических черт, например половое размножение и смерть.

Природа не терпит пустоты, писал Аристотель. О том же две тысячи лет спустя рассуждал Исаак Ньютон. Оба ученых очень интересовались, чем же заполнено пространство. Ньютон полагал, что пространство заполнено загадочной субстанцией – эфиром. Физики в XX веке отказались от эфира, но в экологии идея horror vacui, “боязни пустоты”, жива и здравствует. Мысль, что все экологические ниши должны быть заняты, выражена в стихотворении Джонатана Свифта:

Любая экологическая ниша, которую только можно вообразить, оказывается занята видом, который наилучшим образом приспособлен к ней. Каждый организм (растение, животное, бактерия и т. д.) является пристанищем для паразитов, вирусов и мобильных генетических элементов всех мастей, не говоря уже о хищниках крупнее себя. И так всегда.

Но, оказывается, это видимость. Покрывало жизни кажется сплошным, но на самом деле в нем зияет прореха. Пришло время обратиться к главной загадке биологии: почему все организмы делятся на морфологически простых прокариот и эукариот с набором замысловатых черт, не встречающихся у прокариот. Их разделяет пропасть, пустота, которой природа действительно не терпит. С точки зрения морфологии у эукариот есть все, а у прокариот – ничего. Прекрасная иллюстрация самой несправедливой догмы: “Ибо кто имеет, тому дано будет, а кто не имеет, у того отнимется и то, что имеет”.

Мы видели, как эндосимбиотические отношения двух прокариот помогли им выбраться из тупика морфологической примитивности. Хотя одной бактерии непросто проникнуть в другую, некоторые примеры нам известны, и мы точно знаем, что эндосимбиоз прокариот возможен, пусть и очень редок. Но одна клетка, живущая внутри другой – это лишь начало, момент зачатия, не более того. Лишь клетка в клетке. От этого состояния каким-то образом нужно прийти к настоящей сложности: к клетке со всеми присущими эукариотам признаками. Начав с бактерий, у которых почти нет сложных морфологических черт, мы должны закончить эукариотами: клетками с ядром, множеством внутренних мембран и компартментов, динамическим цитоскелетом и сложным поведением – например сексом. Эукариоты на четыре-пять порядков увеличили размеры генома и физические размеры своих клеток. Последний общий предок эукариот уже обладал всеми этими признаками, в то время как у прокариотической клетки с прокариотическим эндосимбионтом (организма, с которого все началось) не было ни одного[80]. Не осталось выживших промежуточных звеньев – ничего, что могло бы указать, как и почему эукариоты приобрели сложные черты.

Время от времени можно услышать, что эндосимбиоз, который предшествовал развитию эукариот, противоречит дарвиновскому сценарию эволюции: ведь это не градуализм, а неожиданный скачок, породивший “многообещающего урода”. Кое в чем замечание справедливо. Естественный отбор, действующий на бесконечную популяцию клеток в течение бесконечного времени, не сможет породить сложные клетки эукариотического типа иначе, чем путем эндосимбиоза. Такие процессы невозможно изобразить при помощи привычного нам бифуркационного дерева жизни. Эндосимбиоз противоположен бифуркации – в результате эндосимбиоза две ветви не расходятся, а напротив, сливаются. Но это единичное событие, один эволюционный эпизод, а ядро, как и другие черты из стандартного эукариотического набора, не могло возникнуть в один момент. Эндосимбиоз запустил цепочку эволюционных событий, которые привели к появлению эукариот, и этот процесс был уже в полном смысле дарвиновским[81].

Поэтому я не утверждаю, что зарождение эукариот происходило не по Дарвину. Единичный эндосимбиоз прокариот изменил адаптивный ландшафт, а уже после этого на нем смогла развернуться дарвиновская эволюция. Но как приобретение эндосимбионта изменило направленность естественного отбора? И было ли это изменение закономерным (что позволяет предположить похожее развитие событий и на других планетах)? Или исчезновение энергетических ограничений открыло просторы для бурного, непредсказуемого эволюционного процесса? Я беру на себя смелость утверждать, что хотя бы некоторые общие для эукариот признаки появились в результате тесного союза клетки-хозяина и ее эндосимбинта, и возникновение этих признаков можно предсказать из общих соображений. К таким признакам относится наличие ядра, половое размножение, наличие двух полов и разделение клеток тела на “бренные” соматические клетки и “бессмертные” клетки зародышевой линии[82].

С самого начала эндосимбиоз накладывает некоторые ограничения на порядок дальнейших событий. Так, ядро и система внутренних мембран должны были появиться лишь после эндосимбиоза. Кроме того, он ограничивает скорость эволюции. Эволюция по Дарвину подразумевает градуализм: когда отсутствуют резкие скачки, а закрепившиеся изменения дискретны и приносят небольшую выгоду. Однако это оказывается неверным в отношении самого генома, изменения которого могут представлять собой обширные делеции, дупликации, транспозиции или внезапную перестройку сигнальных путей из-за случайного включения или выключения регуляторных генов. Но сами по себе такие изменения неадаптивны. Подобно эндосимбиозу, они лишь прокладывают дорогу для естественного отбора. Если предположить, что ядро возникло мгновенно, значит, оно появилось в результате резкого эволюционного скачка, а не постепенного приспособления. Но ядро – не просто кладовка для ДНК, а чрезвычайно сложная, тщательно отлаженная структура. Оно содержит различные компоненты (рис. 26), например ядрышко (“фабрику”, где в огромных количествах производятся рибосомальные РНК), двойную мембрану (она усеяна ядерными порами – ошеломительной красоты молекулярными комплексами, сложенными из множества консервативных белков), эластичную ламину (упругую белковую сеточку, выстилающую ядерную мембрану и предохраняющую ДНК от механических повреждений).

Рис. 26. Ядерные поры.

Изображения, полученные одним из основоположников электронной микроскопии Доном Фоссетом. Вверху (А) хорошо заметна окружающая эукариотическое ядро двойная мембрана и регулярно расположенные поры (отмечены стрелками). Более темные области внутри ядра соответствуют относительно неактивным регионам, где хроматин находится в “конденсированном” состоянии, в то время как в светлых областях активно идет транскрипция. Светлые промежутки между ядерными порами отражают активный транспорт внутрь и наружу ядра. На нижнем снимке (Б) мы видим скопление состоящих из множества белков ядерных поровых комплексов, которые вместе формируют механизм двустороннего транспорта. Ключевые белки поровых комплексов есть у всех эукариот. Следовательно, ядерные поры должны были иметься и у Последнего общего предка эукариот (LECA).

Такие структуры могут возникнуть лишь в результате отбора, действующего на протяжении долгого времени, и для их появления необходимо было усовершенствовать несколько сотен белков и обеспечить их слаженную работу. Этот процесс полностью соответствует дарвиновской теории эволюции и происходит медленно, но не обязательно медленно по геологическим меркам. В геологической летописи мы обычно наблюдаем долгие периоды стазиса, изредка прерываемые периодами быстрых изменений. В геологических масштабах такие изменения происходят быстро, но в масштабах поколений это далеко не всегда так: просто ограничения, которые прежде препятствовали изменениям, вдруг исчезают. Естественный отбор очень редко способствует изменениям. Чаще всего он, напротив, не позволяет популяции спуститься с пика адаптивного ландшафта, отсеивая отклоняющиеся формы. И лишь после значительных изменений адаптивного ландшафта (так сказать, адаптивных землетрясений) отбор может не только способствовать стазису, но и вызывать изменения. И тогда он может действовать с невероятной скоростью. Замечательный пример такого процесса – появление зрения. Глаза возникли во время “кембрийского взрыва”, и на их развитие потребовалось около 2 млн лет: по сравнению с сотнями миллионов лет докембрия это до неприличия быстро. Почему долгий застой вдруг сменился периодом исключительно быстрых изменений? Возможно, из-за повышения уровня кислорода отбор впервые стал способствовать развитию крупных подвижных животных: хищников и их жертв, обладавших глазами и крепким панцирем[83]. Существует математическая модель, которая позволяет рассчитать, сколько времени может занять эволюция глаза из простого светочувствительного пятна какого-нибудь червя. Если предположить, что жизненный цикл червя составляет один год, а в каждом поколении морфологическое строение может измениться не более чем на 1 %, то для возникновения глаза потребуется лишь полмиллиона лет.

Сколько же нужно времени для развития ядра, полового размножения или фагоцитоза? Почему на это может потребоваться больше времени, чем на развитие глаза? Одна из задач, которые нам предстоит решить – расчет минимального времени, которое требуется для развития эукариот из прокариот. Перед тем как приступить, нужно больше узнать о последовательности событий, связанных с появлением эукариот. На первый взгляд, нет оснований думать, что для этого нужны сотни миллионов лет. Может быть, хватит и 2 млн? Если считать, что в день клетка делится один раз, за это время сменится около 1 млрд поколений. Сколько же их нужно? После того, как исчез энергетический барьер, не позволявший эукариотам достичь сложности, я не вижу причин, по которым эукариотические клетки не могли возникнуть за сравнительно короткий промежуток времени. По сравнению с 3 млрд лет прокариотического застоя это действительно выглядит как прорыв, хотя это, по сути, процесс эволюции по Дарвину.

То, что эволюция может идти быстро, еще не означает, что так было на самом деле. Но есть серьезные основания полагать, что эволюция эукариот действительно происходила быстро. Одно из таких оснований – нетерпимость природы к пустоте. Проблема именно в том, что у эукариот есть почти все, а у прокариот – почти ничего. Такое состояние должно быть нестабильным. В гл. 1 мы рассматривали архезоев: относительно просто устроенных одноклеточных эукариот, которых некогда ошибочно считали промежуточным звеном между прокариотами и эукариотами. Это сборная группа организмов, которые произошли от более сложных предков, обладавших полным набором эукариотических признаков. Архезои не являются эволюционной переходной формой. Это экологическая переходная форма: они занимают морфологическую нишу между прокариотами и эукариотами, заполняют эту зияющую пустоту. На первый взгляд, никакого вакуума нет, а есть непрерывный спектр морфологической сложности: от мобильных генетических элементов до гигантских вирусов, от бактерий до простых эукариот, от одноклеточных эукариот до многоклеточных организмов. И лишь недавно, когда выяснилось, что архезои вовсе не то, чем они кажутся, перед глазами предстал провал, отделяющий прокариот от эукариот.

Архезои не были вытеснены другими организмами, значит, в тех же экологических нишах могли выжить и простые переходные формы. Ничто не препятствует тому, чтобы их занимали настоящие переходные формы: клетки без митохондрий, или без ядра, или без пероксисом, или без системы мембран – без комплекса Гольджи и без эндоплазматического ретикулума. Если бы развитие эукариот шло медленно – десятки, сотни миллионов лет, – то должно было остаться множество стабильных промежуточных форм: клеток, у которых отсутствуют те или иные эукариотические признаки. Они должны занимать те же экологические ниши, которые сейчас занимают архезои, и некоторые из этих подлинных эволюционных переходных форм обязательно должны были выжить и стать мостом через пропасть. Но таких организмов нет! Несмотря на долгие поиски, не удалось найти ни одно дожившее до наших дней настоящее промежуточное звено. Если их не вытеснили другие организмы, то почему никто не выжил? Я полагаю, все из-за того, что они были генетически нестабильными. Есть не так уж много путей через пустоту, и большинство промежуточных форм погибло.

Это наводит на мысль о малом размере популяции. Большой размер популяции – признак эволюционного успеха. Если бы первые эукариоты процветали, они должны были активно распространяться, занимать новые экологические ниши и давать новые ветви. В таком случае они должны были быть генетически стабильными и хоть кто-нибудь выжил бы. Но этого не произошло. Вероятнее всего, первые эукариоты были генетически нестабильными, существовали в малых популяциях и очень быстро эволюционировали.

Еще одно доказательство – тот факт, что для всех эукариот характерны одни и те же свойства. До чего это странно! Всех людей объединяет набор одинаковых признаков: прямохождение, отсутствие шерсти, отставленные большие пальцы, крупный мозг, использование языка. Все это следствие нашего общего происхождения и непрерывного скрещивания (иначе говоря, секса). Это самое простое определение вида: популяция особей, скрещивающихся друг с другом. Группы особей, которые не скрещиваются друг с другом, обособляются и приобретают различающиеся признаки: становятся новыми видами. Но с первыми эукариотами такого не произошло – эукариот объединяет один набор основных признаков. Судя по всему, первые эукариоты представляли собой популяцию, в которой все особи скрещивались, то есть занимались сексом.

Можно ли добиться того же результата, пользуясь другими способами размножения? Не думаю. Бесполое размножение – клонирование – быстро приводит к расхождению, так как в разных популяциях накапливаются мутации, которые в разных условиях подвергаются действию отбора. Клонирование ведет к появлению идентичных организмов, но, как ни странно, по мере накопления мутаций это приводит к обособлению популяций. Секс, напротив, создает общий пул признаков в популяции, непрерывно перемешивает их и перебирает сочетания, противодействуя расхождению. То, что эукариотам присущ один набор признаков, наводит на мысль, что они возникли в популяции, где особи скрещивались. Из этого, в свою очередь, следует, что популяция была достаточно мала для того, чтобы все особи в ней скрещивались свободно. В такой популяции любая клетка, не способная к половому размножению, не выживет. Воистину: “Тесны врата и узок путь, ведущие в жизнь, и немногие находят их”.

Но существует и горизонтальный перенос генов (ГПГ), широко распространенный среди бактерий и архей. Как и половой, этот процесс задействует механизмы рекомбинации, создавая “пластичные” хромосомы с новыми комбинациями генов. Но ГПГ, в отличие от секса, – не взаимный процесс, в его рамках не происходит слияния клеток или полногеномной рекомбинации. Горизонтальный перенос – процесс хаотичный и однонаправленный: он не объединяет признаки внутри популяции, а напротив, приводит к усилению различий между особями. Рассмотрим кишечную палочку (E. coli). Ее клетка может содержать около 4 тыс. генов, а “метагеном” (совокупность генов, обнаруженных в разных штаммах E. coli; вид определен по последовательностям рибосомальной РНК) содержит более 18 тыс. генов. Из-за активного горизонтального переноса в разных штаммах может отличаться до половины генов – это куда больший разброс, чем среди всех позвоночных! Если кратко, то ни бесполое размножение, ни ГПГ – главные механизмы наследования у бактерий и архей – не могут объяснить единообразие эукариот.

Еще десять лет назад почти не было доказательств того, что секс – одно из ранних приобретений в эволюции эукариот. Многие виды тогда считались бесполыми, в том числе амебы и архезои, к которым относится лямблия и которых принимали за древнейших эукариот. По сей день никому не удалось застать лямблию в момент совокупления. Но то, чего мы не видели своими глазами, можно воссоздать при помощи технологий: ведь последовательность генома лямблии известна. Ее геном содержит полный набор работоспособных генов, нужных для мейоза (редукционного деления, необходимого для производства половых клеток), а его структура хранит следы регулярной половой рекомбинации. Более или менее то же можно сказать обо всех рассмотренных нами видах. Все известные эукариоты способны к половому размножению, за исключением тех, которые его потеряли. Как правило, такие организмы довольно быстро вымирают. Таким образом, общий предок эукариот был способен к половому размножению. Главные выводы таковы: половое размножение в эволюции эукариот возникло очень рано, и лишь его возникновением в малой генетически нестабильной популяции можно объяснить множество общих признаков эукариот.

Гены эукариот имеют фрагментарное строение. После ранних исследований бактериальных геномов считалось, что и в наших хромосомах гены расположены в четком и однозначном порядке, как бусины на нитке. Но в конце XX века выявили неожиданную картину. Генетик Дэвид Пенни высказывался об этом так: “Если бы я участвовал в проектировании генома E. coli, я бы очень гордился этим проектом. Но если бы мне довелось приложить руку к человеческому геному, то было бы очень стыдно признаться, что я имею к этому отношение. Даже университетский комитет не сделал бы хуже”.

В эукариотическом геноме беспорядок. В составе генов короткие последовательности, кодирующие части белков (экзоны), чередуются с длинными некодирующими последовательностями – интронами. Как правило, один ген содержит несколько интронов. Размеры интронов могут довольно сильно различаться, но чаще всего они существенно длиннее кодирующих участков. Их последовательности всегда считываются сначала в РНК – матрицу, определяющую последовательность аминокислот в белке, а затем вырезаются из нее (“сплайсируются”) до того, как РНК достигает рибосом – расположенных в цитоплазме грандиозных фабрик по производству белка. Это непростая задача. Ею занимается другая замечательная белковая наномашина: сплайсосома. Вскоре мы вернемся к тому, насколько она важна, а пока отметим, что процедура вырезания интронов довольно причудлива. Если вырезать интрон не получится, рибосома пройдет по некодирующему участку, и после его считывания получится бесполезный белок. Рибосомы следуют инструкциям столь же неукоснительно и слепо, как бюрократы у Кафки.

Почему гены эукариот фрагментарны? Известно, что такое строение предоставляет некоторые преимущества. Например, на основе одного и того же гена можно получить разные белки, осуществляя сплайсинг (вырезание интронов). Именно так реализуется рекомбинационное многообразие иммунной системы. Кусочки белка комбинируются, формируя миллиарды антител, среди которых должно найтись подходящее почти для любого бактериального или вирусного белка. Связывание антитела с таким белком приводит в движение смертоносную машину иммунной системы. Однако иммунная система – это позднее изобретение, прерогатива крупных животных со сложным строением. А была ли какая-нибудь польза от фрагментарного строения генов на более ранних этапах? В 70-х годах XX века один из первопроходцев эволюционной биологии Форд Дулиттл предположил, что интроны должны были появиться еще на заре возникновения жизни. Суть “гипотезы ранних интронов” в том, что на ранних этапах эволюции отсутствовала подобная современной система исправления ошибок в ДНК, а значит, накопление ошибок в генах должно было происходить очень быстро и опасность генетического вырождения была велика. Учитывая высокую скорость появления мутаций, их общее число зависело от суммарной длины ДНК. Только малые геномы могли избежать вырождения. Приобретение интронов решает эту проблему. Как закодировать много белков при помощи короткой нити ДНК? Комбинируя кусочки! Это красивая идея, у которой до сих пор есть приверженцы, и Дулиттл не единственный. Эта гипотеза, как и другие хорошие гипотезы, позволяет довольно многое предсказать. К сожалению, ее предсказания ошибочны.

Главное предположение, вытекающее из этой гипотезы, таково: первыми возникли эукариоты. Интроны есть лишь у эукариот, а если интроны характерны для изначального, предкового состояния, то эукариоты должны быть самыми первыми клетками (прародителями бактерий и архей), которые впоследствии потеряли свои интроны в результате отбора на оптимизацию генома. С точки зрения филогенетики это абсурд. Современные данные полногеномного секвенирования показывают, что эукариоты, вне всяких сомнений, произошли от архейной клетки-хозяина и бактериального эндосимбионта. Самое первое разветвление дерева жизни – расхождение бактерий и архей. Эукариоты возникли гораздо позднее. Это подтверждают и палеонтологическая летопись, и энергетические расчеты.

Но если наличие интронов не было исходным состоянием, почему и как они появились? Похоже, дело в эндосимбионте. Да, у бактерий нет “настоящих интронов”, однако то, что интроны имеют бактериальное происхождение, почти не вызывает сомнений. Если точнее, они произошли от бактериальных генетических паразитов – мобильных элементов, которые получили название самосплайсирующиеся интроны II типа. Мобильные интроны – это фрагменты эгоистичной ДНК, прыгающие с места на место гены, которые копируют сами себя, встраиваясь в геном и снова покидая его. Это очень хорошо приспособленные для выполнения своей задачи машины. Они считываются в РНК как обычные гены, но затем эта РНК оживает, складываясь в сложную структуру, которая функционирует как молекулярные “ножницы”. При помощи этих “ножниц” паразиты вырезаются из длинных РНК-транскриптов, минимизируя урон для клетки-хозяина, и формируют активные комплексы, кодирующие обратную транскриптазу – фермент, способный синтезировать ДНК на матрице РНК. За счет этих комплексов копии интронов снова оказываются в геноме. Интроны, которые самостоятельно встраиваются и вырезаются из бактериального генома, считаются паразитическими генами.

“…На блохе живет блоху кусающая блошка”. Кто бы мог подумать, что геном – это настоящее змеиное логово, что он кишит паразитами. Но так и есть. Вероятно, мобильные интроны довольно древние. Они встречаются во всех трех доменах жизни, и у них, в отличие от вирусов, никогда не возникает необходимости покидать безопасное укрытие – клетку-хозяина: интроны копируются при ее делении. Живые организмы уже научились с ними жить.

У бактерий довольно хорошо получается с ними справляться: правда, неизвестно, как именно. Возможно, просто за счет силы отбора, который действует в крупных популяциях. Бактерии с неудачным расположением интронов, нарушающим правильную работу генов, проигрывают клеткам, у которых интронов нет. Или, может быть, сами интроны, приспосабливаясь, начинают вторгаться лишь в периферические области ДНК, что не должно сильно мешать клетке-хозяину. В отличие от вирусов, которые могут самостоятельно существовать вне клетки-хозяина и поэтому не слишком заботятся о том, чтобы ее не убить, мобильные интроны прекращают свое существование вместе с хозяином и не получают никакой выгоды, причиняя ему вред. Эту область биологии лучше всего рассматривать в терминах экономики (затраты и прибыли, “дилемма заключенного”, теория игр и т. д.). У бактерий и архей мобильные интроны встречаются нечасто, и их никогда не находят внутри самих генов – поэтому технически они вообще не являются интронами. Они накапливаются с низкой плотностью в промежутках между генами. Бактериальный геном обычно содержит не более 30 интронов на 4 тыс. генов. В эукариотических же геномах их число может достигать десятков тысяч. Малое количество интронов у бактерий – отражение установившегося за долгое время баланса, результат отбора, который в течение многих поколений действовал на обе стороны.

Вот такая бактерия вступила в эндосимбиоз с архейной клеткой-хозяином 1,5–2 млрд лет назад. Из современных форм к предку митохондрий наиболее близок один из видов альфа-протеобактерий, а нам известно, что у нынешних альфа-протеобактерий интронов довольно мало. Но как связаны древние генетические паразиты и структура эукариотических генов? Разве только механизмом РНК-ножниц, который обеспечивает сплайсинг мобильных бактериальных интронов, и отчасти логикой. Выше я упоминал сплайсосомы: белковые наномашины, вырезающие интроны из РНК-транскриптов. Они есть и у нас. Сплайсосома состоит не только из белков: ее центральная часть представляет собой все те же РНК-ножницы. Они осуществляют сплайсинг эукариотических интронов при помощи характерного механизма, который выдает происхождение этих “ножниц” от бактериальных самосплайсирующихся интронов (рис. 27).

Рис. 27. Мобильные самосплайсирующиеся интроны и сплайсосома.

Эукариотические гены состоят из экзонов (последовательностей, кодирующих белки) и интронов (встроенных в гены длинных некодирующих последовательностей, которые вырезаются из информационной РНК перед синтезом белка). Интроны, вероятнее всего, произошли от паразитических ДНК-элементов из бактериальных геномов (слева), в результате накопления мутаций выродившихся в инертные последовательности внутри эукариотического генома. Они должны удаляться сплайсосомой (справа). В основе этого предположения лежит механизм сплайсинга. Бактериальный паразит (слева) вырезает себя сам, формируя отдельную интронную последовательность, в которой закодирована обратная транскриптаза: фермент, способный синтезировать ДНК на базе паразитических генов и вставлять их многочисленные копии в бактериальный геном. Эукариотическая сплайсосома (справа) – крупный белковый комплекс. Его работа зависит от каталитической РНК (рибозима), которая осуществляет сплайсинг при помощи того же самого механизма. Это позволяет предположить, что сплайсосома (и эукариотические интроны) произошла от мобильных самосплайсирующихся интронов II типа, занесенных бактериальным эндосимбионтом на ранних этапах эукариотической эволюции.

Так и происходит. Сама по себе нуклеотидная последовательность интронов не содержит ничего, что позволяло бы предположить их бактериальное происхождение. Они не кодируют никаких белков вроде обратной транскриптазы. Они самостоятельно не встраивают и не вырезают себя из ДНК. Они не являются мобильными генетическими паразитами. Они лишь “деклассированные элементы” генома, которые не делают абсолютно ничего. Однако мертвые интроны, опустившиеся на дно под грузом многочисленных мутаций, исказились до неузнаваемости и стали гораздо опаснее живых паразитов. Они уже не могут вырезать себя сами. Их должна удалять клетка-хозяин. И она делает это, орудуя “ножницами”, позаимствованными у ныне живущих родственников мертвых интронов. Сплайсосома – это эукариотическая машина, построенная на основе бактериального паразита.

Эту гипотезу выдвинули в статье 2006 года Билл Мартин и Евгений Кунин. Ученые предположили, что на заре возникновения эукариот произошло следующее: эндосимбионт, оказавшись внутри клетки-хозяина, обрушил на архею настоящий дождь генетических паразитов. Те стали заселять геном. Вторжение интронов сыграло большую роль в формировании эукариотического генома и послужило толчком для развития таких важнейших признаков, как наличие ядра. (Я бы прибавил – и полового размножения.) Да, идея может показаться похожей на байку, шатким основанием для которой послужили РНК-ножницы. Но в пользу этой гипотезы говорит и структура самих генов. Огромное число интронов (а оно измеряется десятками тысяч) в сочетании с их расположением внутри эукариотических генов указывает на их древнее происхождение. Более того, это позволяет судить не только о древности самих интронов, но и в целом об отношениях эндосимбионта и хозяина, очень тесных и полных жестокости. Даже если эти идеи и не совсем соответствуют действительности, мне кажется, они относятся к той разновидности ответов, которая нам нужна.

Еще одна любопытная деталь: консервативность позиций многих интронов у эукариот. Рассмотрим ген цитратсинтазы, который кодирует белок, вовлеченный в базовые метаболические процессы клетки, и который присутствует у всех эукариот. Этот ген есть у людей, водорослей, деревьев, грибов и амеб. Поскольку с момента отделения этих групп от общего предка сменилось множество поколений, этот ген у них несколько отличается, но естественный отбор сохранил его функцию, и последовательность этого гена узнаваема у всех организмов. Это прекрасная иллюстрация общего происхождения эукариот и молекулярных основ естественного отбора. Но неожиданностью стало вот что: такие гены обычно содержат два или три интрона, позиции которых точно совпадают у далеко отстоящих друг от друга организмов, например людей и деревьев. Как это вышло? Есть лишь два правдоподобных объяснения: либо интроны независимо заняли одни и те же позиции потому, что те по каким-либо причинам оказались наиболее подходящими – либо интроны попали туда еще у общего предка эукариот и были унаследованы всеми его потомками. Впрочем, кто-нибудь из потомков мог их потерять.

Если бы нам было известно лишь несколько таких примеров, то подошло бы и первое объяснение. Но известно несколько тысяч интронов, встроенных в одни и те же позиции в сотнях генов, общих у всех эукариот, и поэтому такое объяснение кажется маловероятным. Гораздо более правдоподобнее версия о наличии этих интронов у общего предка эукариот. Отсюда следует, что вскоре после появления эукариотической клетки пришла волна инвазии интронов. В дальнейшем эти интроны должны были претерпеть ряд мутаций, которые нарушили их подвижность и зафиксировали их так же, как меловой контур указывает на положение тела на месте преступления.

Есть куда более убедительное доказательство того, что имела место ранняя инвазия интронов. Гомологичные гены (то есть произошедшие от одного предкового гена) делятся на два типа: ортологи и паралоги. Ортологи – это гомологичные гены, выполняющие у разных организмов одни и те же функции. Пример ортологичного гена – ген цитратсинтазы. Его ортологи есть у всех эукариот. Паралоги – это гомологичные гены, произошедшие от копий предкового гена внутри генома одной клетки. Паралогичные гены объединяются в генные семейства. Такие семейства могут содержать 20–30 генов, и каждый из них в конце концов оказывается приспособленным для выполнения конкретной задачи. Например, семейство генов гемоглобина содержит около 10 генов. Все они кодируют очень схожие белки, но функции этих белков немного различаются. Итак, ортологи – это гомологичные гены у разных видов, а паралоги – гомологичные гены в геноме одного организма. Конечно, целые семейства паралогичных генов могут быть и у разных видов, унаследовавших их от общего предка. Так, у всех млекопитающих в геноме закодированы семейства паралогичных генов гемоглобинов.

Мы можем поделить семейства паралогичных генов на древние и поздние паралоги, как это сделал Евгений Кунин. По Кунину, древние паралоги – это семейства паралогичных генов, которые есть у всех эукариот. У прокариот эти гены не дуплицированы. Поэтому мы предполагаем, что дупликация генов, в результате которой возникло семейство древних паралогов, произошла в эволюции эукариот еще до появления Последнего общего предка эукариот. Поздние паралоги – генные семейства, которые есть лишь у определенных групп эукариот, например, только у животных или у растений. В этом случае делаем вывод, что дупликация этих генов произошла позднее, уже в ходе эволюции группы.

Кунин предположил, что если на ранних этапах эволюции эукариот действительно происходила активная инвазия интронов, мобильные интроны должны были встраиваться в случайные позиции генов. Древние паралоги в тот период как раз активно дуплицировались, и, если волна ранней инвазии интронов тогда еще не утихла, мобильные интроны должны были встраиваться в новые гены – члены разрастающегося семейства паралогичных генов. Дупликации генов семейств поздних паралогов произошли уже после окончания ранней инвазии интронов, поэтому в новых копиях этих генов интроны должны были остаться в тех же позициях. Иными словами, позиции интронов в древних паралогах должны быть существенно менее консервативными. И это действительно так. Позиции почти всех интронов в поздних паралогах консервативны, в отличие от позиций интронов в древних паралогах – именно так, как было предсказано.

Все это наводит на мысль, что предки эукариот действительно пострадали от инвазии мобильных интронов, причем их заразили интронами собственные эндосимбионты. Но почему интроны так размножились у предков эукариот, если и бактерии, и археи, как правило, держат их в ежовых рукавицах? Этому есть два объяснения, и, вполне возможно, верны они оба. Согласно первому, предки эукариот – по сути еще прокариоты, точнее археи, – подверглись бомбардировке бактериальными интронами, оказавшимися прямо в их цитоплазме. Здесь работает принцип храповика. Эндосимбиоз – это эксперимент природы, который, как и всякий эксперимент, может провалиться. Если клетка-хозяин погибает, эксперимент проваливается. Но если погибает один из эндосимбионтов, еще не все потеряно – в клетке их много, и эксперимент продолжается. Но ДНК погибшего эндосимбионта попадает в цитоплазму клетки-хозяина и там может рекомбинировать с хозяйской ДНК, как и при обычном горизонтальном переносе.

Этот процесс нелегко остановить, он продолжается и по сей день: наши собственные ядерные геномы содержат тысячи обрывков митохондриальной ДНК – ядерно-митохондриальные псевдогены (Nuclear Mitochondrial Sequences, NUMTS), которые произошли именно таким путем. Псевдогены возникают время от времени и дают о себе знать лишь тогда, когда они повреждают гены, вызывая генетические заболевания. На ранних этапах эволюции эукариот, еще до того, как они приобрели ядро и стали эукариотами, подобный перенос ДНК должен был происходить куда чаще. Случайный перенос митохондриальной ДНК в геном – это плохо. Но еще хуже, если есть специальные механизмы, встраивающие мобильные интроны в определенные участки генома, избегая других. Как правило, интроны бактерий приспособлены к существованию внутри бактерий, а интроны архей – к существованию внутри архей. Но на заре возникновения эукариот все пошло наперекосяк: бактериальные интроны стали встраиваться в архейный геном, который сильно отличается от бактериального. Никаких механизмов борьбы с чужими интронами тогда не существовало, а иначе что могло удержать интроны от неконтролируемого размножения? Правильно: ничто! Появилась перспектива вымирания. Лучшее, на что можно было надеяться – влачить жалкое существование в виде маленькой популяции генетически нестабильных, слабых клеток.

Вторая причина активного размножения интронов на ранних этапах эволюции эукариот – слабое давление отбора. Отчасти это следствие того, что в малой популяции ослабленных клеток конкуренция между особями слабее, чем в огромных популяциях здоровых клеток. Но первые эукариоты обладали поистине небывалой устойчивостью к инвазии интронов. В конце концов, источником этих интронов были эндосимбионты – будущие митохондрии: энергетический рог изобилия и вместе с тем генетическая ноша. Такая генетическая и энергетическая обуза, как интроны, обходится бактериям недешево: маленькие клетки, у которых ДНК немного, воспроизводятся быстрее, чем крупные клетки с избыточным количеством ДНК. Бактерии стремятся оптимизировать свои геномы до минимально возможного размера. У эукариот же сильная асимметрия размеров геномов: их ядерные геномы свободно разрастаются за счет уменьшения геномов эндосимбионтов. Разрастание генома клетки-хозяина не преследует никакой цели – просто отбор не препятствует увеличению размеров генома, как происходит у бактерий. Снижение действия отбора на размер генома – палка о двух концах. Это позволяет эукариотам приобретать тысячи новых генов путем дупликации и рекомбинации – и дает возможность выжить с огромным количеством генетических паразитов. Эти два процесса неразрывно связаны. Эукариотические геномы оказались нашпигованы интронами просто потому, что это стало возможно с энергетической точки зрения.

Судя по всему, первые эукариоты были атакованы генетическими паразитами собственных эндосимбионтов. Как ни странно, сами по себе эти паразиты не представляют большой опасности. Настоящие проблемы начинаются, когда они погибают, оставляя “трупы” – засоряющие геном интроны. Клетке-хозяину приходится их вырезать, иначе происходит синтез бессмысленных белков. Это делают сплайсосомы, произошедшие от молекулярных РНК-ножниц мобильных интронов. Но сплайсосома, несмотря на всю свою внушительность, лишь отчасти решает проблему интронов. Ее недостаток в том, что она очень медленно работает. Даже современным сплайсосомам, за 2 млрд лет достигшим совершенства, требуется несколько минут, чтобы вырезать один интрон. Рибосомы же работают с бешеной скоростью – до 10 аминокислотных остатков в секунду. Им требуется менее 30 секунд, чтобы синтезировать типичный для бактериальных клеток белок длиной около 250 аминокислотных остатков. Если даже сплайсосоме удастся добраться до РНК (что нелегко, поскольку РНК нередко облепляет множество рибосом), это не сможет предотвратить синтез большого количества бесполезных белков, содержащих транслированные последовательности интронов.

Как избежать “катастрофы ошибок”? По мнению Мартина и Кунина – возвести барьер между незрелыми РНК и рибосомами. Именно таким барьером является ядерная мембрана, разграничивающая транскрипцию и трансляцию: внутри ядра с генов считываются кодирующие РНК, а снаружи ядра эти РНК транслируются в белки на рибосомах. Важнее всего вот что: медленный процесс сплайсинга происходит внутри ядра – до взаимодействия с рибосомами. В этом назначение ядра: служить преградой для рибосом. Это объясняет, почему эукариотам необходимо ядро, а прокариоты обходятся без ядра: у них нет проблем с интронами.

Но полностью сформировавшаяся ядерная мембрана не может появиться ниоткуда! Ее развитие должно было занять множество поколений. Тогда почему предки эукариот не вымерли в тот период, когда ядерная мембрана еще не появилась? Да, многие из них действительно вымерли, но загадка может оказаться не такой уж трудной. Ключ – в другом странном явлении, связанном с мембранами. Хотя генетический анализ указывает, что клетка-хозяин была настоящей археей и должна была иметь специфические для архей мембранные липиды, мембраны эукариот состоят из бактериальных липидов. Это известный факт. На ранних этапах эволюции эукариот архейные мембраны по каким-то причинам сменились бактериальными[84]. Почему это произошло?

У этого вопроса есть два аспекта. Первый – практический: может ли это в принципе произойти? Ответ: да, может. Как ни странно, мозаичные мембраны, состоящие из смеси архейных и бактериальных липидов, действительно устойчивы – это известно из экспериментов. Следовательно, возможен постепенный переход от архейных мембран к бактериальным. Теоретически таким заменам ничто не препятствует, но на практике они происходят чрезвычайно редко. И мы подходим ко второй части вопроса: что могло вызвать эту замену? Ответ: эндосимбионт.

В ходе беспорядочного переноса ДНК от эндосимбионтов в геном клетки-хозяина должны были попасть бактериальные гены синтеза липидов. Можно предположить, что эти гены стали экспрессироваться и производить активные ферменты. Впоследствии именно эти ферменты синтезировали липиды бактериального типа для клеточных мембран, но на первых порах этот синтез, вероятно, был неконтролируемым. К чему ведет бесконтрольный синтез липидов? Если он происходит в водной среде, то они собираются в липидные пузырьки. Джефф Эррингтон из Ньюкасла продемонстрировал, что в живых клетках происходит то же самое: у бактерий мутации, увеличивающие синтез липидов, приводят к накоплению внутри клетки мембранных пузырьков, которые окружают геном. Подобно тому, как в холодную погоду бродяги иногда обматываются полиэтиленовыми пакетами, чтобы согреться, так и геномная ДНК обкладывается липидными мешочками, которые создают несовершенный барьер для рибосом, отчасти решающий проблему интронов. Этот барьер и должен быть несовершенным – ведь сквозь сплошную мембрану невозможен транспорт РНК к рибосомам. Дырявый барьер лишь замедлял этот процесс, задерживал РНК, давая сплайсосомам чуть больше времени на вырезание интронов, прежде чем рибосомы примутся за дело. Иными словами, случайное (но предсказуемое) событие предоставило естественному отбору основу для решения проблемы. Этой основой послужила кучка липидных мешочков, собравшихся вокруг генома. В результате же появилась ядерная мембрана, усеянная удивительно сложно устроенными ядерными порами.

Морфология ядерной мембраны хорошо согласуется с этой гипотезой. Липидные мешочки, подобно полиэтиленовым пакетам, можно расплющить. В поперечном сечении сплющенный мешочек состоит из двух близко отстоящих друг от друга параллельных слоев, то есть представляет собой двойную мембрану. Ядерная мембрана устроена так же: множество слитых вместе сплющенных пузырьков с ядерными поровыми комплексами в промежутке. В ходе клеточного деления ядерная мембрана распадается обратно на мелкие пузырьки. Затем они увеличиваются, снова сливаются друг с другом и образуют мембраны ядер, принадлежащих уже двум дочерним клеткам.

Набор генов, кодирующих ядерные структуры, вписывается в эту картину. Если бы ядро появилось до митохондрий, то компоненты его частей – ядерных пор, ламины и ядрышка – должны были бы кодироваться генами клетки-хозяина. Но это не так. Ядерные структуры состоят из химерической смеси белков. Некоторые кодируются генами бактериального происхождения, небольшая часть – архейного, остальные – генами, которые обнаружены лишь у эукариот. Такая мозаичность может объясняться лишь тем, что ядро появилось после приобретения митохондрий, в результате беспорядочного горизонтального переноса генов. Часто говорят, что в ходе эволюции эукариотической клетки эндосимбионты, превратившись в митохондрии, преобразились до неузнаваемости (впрочем, это преувеличение). Но мало кто понимает, что клетка-хозяин претерпела куда более серьезные изменения. Когда-то она была простой археей, которая приютила внутри себя эндосимбионтов. Они забросали наивную хозяйку своей ДНК и интронами, из-за чего ей пришлось приобрести ядро. И не только его: появилась перспектива полового размножения.

Выше упоминалось, что половое размножение у эукариот появилось очень рано. Еще, если помните, я намекал, что появление секса связано с инвазией интронов. Как именно? Для начала попробуем разобраться с самим понятием.

Настоящий секс, который практикуют эукариоты, предполагает слияние двух гамет (в нашем случае сперматозоида и яйцеклетки) с половиной набора хромосом у каждой. Мы, как и многие другие многоклеточные эукариоты, диплоидны: в наших клетках каждый ген присутствует в двух экземплярах – от отца и от матери. Если точнее, у нас по два экземпляра каждой хромосомы. На картинках в учебниках хромосомы выглядят так, будто это стабильные физические структуры, но это далеко не так. В ходе образования гамет хромосомы рекомбинируют – обмениваются друг с другом участками. Благодаря этому появляются новые комбинации генов, которых, скорее всего, прежде не бывало (рис. 28). Если вы пройдетесь по только что рекомбинировавшей хромосоме, перебирая ген за геном, то обнаружите, что она включает в себя гены обоих родителей. В ходе мейоза (редукционного деления) две хромосомы разделяются и попадают в гаплоидные гаметы, в которых каждая хромосома должна быть представлена одной копией. В итоге две гаметы (каждая содержит рекомбинантные хромосомы) сливаются – и получается оплодотворенная яйцеклетка, индивид с уникальной комбинацией генов, будущий ребенок.

Проблема с возникновением полового процесса состоит не в том, что для этого требовалось выработать множество новых механизмов. В ходе рекомбинации две гомологичные хромосомы конъюгируют, плотно прикрепляясь друг к другу. Затем хромосомы крест-накрест обмениваются некоторыми участками. Конъюгация хромосом и генетическая рекомбинация также осуществляются бактериями и археями в ходе горизонтального переноса генов, но она не всегда взаимна и применяется для того, чтобы починить поврежденные хромосомы или вновь обрести утерянные гены. Применяемые здесь молекулярные механизмы в основном те же. Рекомбинация при половом процессе отличается более широкими масштабами, а также тем, что обмен всегда взаимен. Половое размножение – это взаимная рекомбинация, происходящая по всей длине генома. Если такое и встречается у прокариот, то очень редко.

Рис. 28. Половой процесс и рекомбинация у эукариот.

Приведена упрощенная схема полового цикла: слияние двух гамет, за которым следует двухстадийный мейоз. В ходе мейоза осуществляется рекомбинация, что позволяет получить новые, генетически различные гаметы. Две гаметы, содержащие по одной хромосоме из гомологичной пары (хромосомы различаются генетически), сливаются (А). Гаметы образуют зиготу с двойным набором хромосом (Б). (Черные полоски могут обозначать и вредную мутацию, и полезный вариант какого-либо гена.) Перед мейозом хромосомы удваиваются (В). После этого в клетке образуется по две эквивалентных копии каждой хромосомы (каждая хромосома теперь состоит из двух сестринских хроматид). Затем две или более хромосомы попарно рекомбинируют (Г). Хромосомы совершают взаимообмен участками ДНК, и на выходе мы получаем обновленные хромосомы, каждая из которых включает фрагменты обеих исходных: и материнской, и отцовской (Д). При первом делении мейоза хромосомы разделяются, попадая в две разные клетки (Е), а в ходе второго деления образуются гаметы (Ж). Две из получившихся гамет эквивалентны исходным, две другие – нет. Если черные полоски обозначают вредные мутации, то в результате полового процесса образовалась одна гамета без мутаций и одна с двумя мутациями. Последняя будет элиминирована в ходе естественного отбора. Если черные полосы обозначают полезные мутации, то половой процесс объединил их в одной гамете, давая возможность естественному отбору воздействовать на них одновременно. Короче, половое размножение приводит к повышению многообразия гамет, делая их “заметнее” для отбора, и способствует элиминации вредных мутаций и распространению полезных.

В XX веке проблема смысла полового размножения была настоящей “царицей” биологических проблем, но сейчас мы уже понимаем, чем оно полезно: хотя бы тем, что пользоваться половым процессом лучше, чем размножаться исключительно бесполым путем (клонированием). Половой процесс разбивает устойчивые сочетания генов, позволяя естественному отбору “увидеть” гены по отдельности, перебрать по одному все наши признаки. Так можно избавиться от паразитов, приспособиться к изменяющимся условиям и поддерживать необходимый уровень разнообразия в популяции. Подобно тому, как средневековые каменотесы тщательно, со всех сторон, обрабатывали скульптуры для ниш в стенах соборов (ничто не укроется от ока Господа!), так и половой процесс тщательно обрабатывает геномы, позволяя естественному отбору детально, ген за геном, оценить собственные творения. Половое размножение делает наши хромосомы “пластичными”, позволяя разным вариантам генов – аллелям – комбинироваться[85], и благодаря этому естественный отбор выявляет даже незначительные различия между организмами.

Представьте себе сто генов, собранных в хромосоме, которая никогда не рекомбинирует. Отбор будет действовать лишь на целую хромосому, на весь набор генов сразу. Предположим, среди этих генов есть несколько критически важных: любая мутация в одном из них почти неизбежно приведет к гибели организма. Однако мутации в менее важных генах становятся почти невидимыми для отбора. Слабовредные мутации могут накапливаться в таких генах, а негативные эффекты будут компенсироваться наличием хороших аллелей нескольких важных генов. В результате качество хромосомы и приспособленность организма будут постепенно снижаться. Примерно это и происходит с Y-хромосомой у мужчин: если рекомбинации нет, значит, большая часть генов постепенно деградирует. Естественный отбор может обеспечить сохранение качества лишь критически важных генов. Целая половая хромосома может быть утеряна – так и случилось с Ellobius lutescens – одним из видов слепушонок.

Когда действует положительный отбор, ситуация становится еще хуже. Представим, что редкая полезная мутация предоставляет настолько значительные преимущества, что очень широко распространяется в популяции. Организмы, унаследовавшие новую мутацию, начинают доминировать, и в итоге она фиксируется во всей популяции: все организмы остаются с одним и тем же вариантом гена. Но естественный отбор может “видеть” только целую хромосому, а это значит, что остальные 99 генов, входящие в нее, также зафиксируются в популяции. Это явление называют “генетическим автостопом”: вместе с полезным аллелем одного гена в популяции закрепляются и другие – он как бы везет на себе аллели других генов. Это-то и плохо. Вообразите, что в популяции присутствует два или три варианта (аллеля) каждого гена и из них можно составить от 10 тыс. до 1 млн комбинаций. После фиксации все это многообразие пропадает, и популяция остается с одной-единственной комбинацией 100 генов – тех, которым выпало делить одну хромосому с полезным геном. Это катастрофическая потеря разнообразия. И, конечно, жалкие 100 генов – это грубое упрощение: у бесполых организмов тысячи генов остались лишь в одном варианте, а остальные были отброшены в ходе отбора. Такую форму отбора называют “селективным выметанием”. “Эффективный” размер популяции заметно сокращается, и это ставит бесполых животных под угрозу вымирания[86]. И действительно: почти все бесполые растения и животные исчезли за несколько миллионов лет[87].

Эти два процесса – накопление слабовредных мутаций и потеря многообразия в ходе “селективного выметания” – в совокупности составляют селективную интерференцию. Если рекомбинации нет, то отбор, действующий на определенные гены, препятствует отбору других сцепленных с ними генов. Путем создания хромосом с комбинациями аллелей – “пластичных хромосом” – половой процесс позволяет отбору воздействовать на все гены по отдельности. Благодаря этому отбор видит все наши “пороки” и “добродетели” вплоть до нуклеотидов. В этом и заключается огромное преимущество полового размножения.

Но у секса есть свои серьезные недостатки: недаром он долго считался самой значительной из эволюционных проблем. Половое размножение разрушает заведомо удачные комбинации аллелей, которые хорошо подходят для определенных условий, и случайным образом перемешивает гены, которые позволяли преуспеть нашим предкам. В каждом поколении набор генов вновь перетасовывается, не оставляя никаких шансов на рождение полных двойников гениальных личностей: например, второго Моцарта. Что хуже, есть еще так называемая “двойная цена секса”. Когда делится бесполая клетка, она порождает две дочерние клетки. Каждая из них, в свою очередь, делится на две дочерние, и так далее. Численность популяции растет экспоненциально. Когда делится половая клетка, ее дочерние клетки должны слиться с аналогичными, чтобы сформировать новую клетку, которая породит еще две дочерних. Выходит, размер бесполой популяции в каждом поколении удваивается, а численность популяции организмов с половым размножением остается прежней. Вместо того чтобы просто получить собственную копию, приятную во всех отношениях, в рамках полового размножения вы сталкиваетесь с проблемой поиска партнера, что сопряжено с эмоциональными (и финансовыми) затратами. Самцы не достаются просто так. Клонируйте себя – и не будет нужды в поединках на рогах, павлиньих хвостах и заполненных мужчинами залах заседаний. Можно будет навсегда забыть об ужасных заболеваниях, передающихся половым путем, например СПИДе и сифилисе, и о вирусах и “прыгающих генах”, которые угрожают засорить наш геном.

Почему половое размножение у эукариот распространено так широко – загадка. Можно предположить, что его преимущества компенсируют затраты лишь при определенных обстоятельствах. Это подтверждается тем, что микробы могут делиться бесполым путем в течение жизни примерно 30 поколений перед тем, как побаловать себя спонтанным сексом – обычно это происходит в условиях стресса. Но я бы сказал, что секс распространен шире, чем это оправданно. Возможно, это связано с тем, что у Последнего общего предка эукариот уже имелось половое размножение, и все его потомки унаследовали от него это свойство. Хотя многие микроорганизмы перестали регулярно пользоваться половым процессом, мало кому удалось отказаться от полового размножения и не вымереть. Как видите, цена абсолютного отказа от секса также очень высока. Это относится и к первым эукариотам: те из них, у которых никогда не было секса – так сказать, не сумевшие до него “додуматься”, – были обречены на вымирание.

Но здесь мы возвращаемся к вопросу о горизонтальном переносе генов. Он аналогичен половому процессу в том отношении, что происходит генетическая рекомбинация и хромосомы становятся “пластичными”. До недавних пор считалось, что бактерии – непревзойденные мастера клонирования. Их численность растет экспоненциально. Одна-единственная бактерия E. coli, делясь каждые полчаса, за три дня способна образовать колонию, суммарная масса особей которой будет равна массе Земли (если, конечно, рост популяции не будет ничем ограничен). Кроме того, эти создания еще могут обмениваться генами при помощи горизонтального переноса, встраивая в свои хромосомы новые гены и утрачивая ставшие ненужными. Бактерии, устроившие вам кишечный грипп, могут отличаться от бактерий того же вида, живущих у вас в носу, на 30 % своего генома. Получается, бактерии наслаждаются преимуществами полового размножения (пластичностью хромосом) наряду со скоростью и простотой бесполого. Но их клетки не сливаются целиком и двух полов у них нет, поэтому многие недостатки полового размножения бактерий не затрагивают. Похоже, они взяли все лучшее от обоих миров. Так почему же ранние эукариоты перешли от горизонтального переноса генов к половому процессу?

Популяционные генетики-математики Салли Отто и Ник Бэртон выделили три условия, при которых наиболее выражены преимущества полового размножения: высокая скорость мутаций, сильное давление отбора и значительное разнообразие внутри популяции. Видимо, именно с этим пришлось столкнуться древним эукариотам.

Сначала рассмотрим частоту мутаций. При бесполом размножении высокая скорость мутагенеза увеличивает темпы накопления слабовредных мутаций. Кроме того, происходит снижение многообразия за счет “селективного выметания”, и селективная интерференция становится более жесткой. Скорость мутагенеза у древних эукариот, вероятно, была высокой, учитывая, что тогда происходила инвазия интронов. Насколько высокой, можно попытаться определить с помощью моделирования. Я занимаюсь этим вопросом с Эндрю Помянковски и Джезом Оуэном, который разбирается в физике и в то же время интересуется большими вопросами биологии. В данный момент Джез разрабатывает численную модель, которая позволила бы определить, в каких условиях половое размножение становится выгодным. Еще один фактор, который стоит принять во внимание – размер генома. Даже если скорость мутагенеза не изменяется (скажем, одна летальная мутация на 10 млрд “букв” ДНК), нельзя бесконечно увеличивать геном: по той или иной причине обязательно случится мутационная катастрофа. При такой скорости мутагенеза с клетками, геном которых включает менее 10 млрд нуклеотидов, все будет в порядке, а вот клетки с более длинным геномом погибнут, заполучив летальную мутацию. Приобретение митохондрий на ранних этапах эволюции эукариот должно было усугубить обе проблемы: они почти наверняка вызвали возрастание скорости мутагенеза и сделали возможным значительное (на несколько порядков) увеличение генома.

Вероятный ответ: половое размножение – единственный способ решения проблемы. Горизонтальный перенос генов теоретически может помочь избежать селективной интерференции при помощи рекомбинации, но работа Джеза показывает, что горизонтального переноса недостаточно. Чем больше геном, тем сложнее заполучить “правильный” ген путем горизонтального переноса. Это становится похоже на игру в рулетку. Единственный способ обеспечить полный набор работоспособных генов в геноме – регулярно производить рекомбинацию всего генома. Этого нельзя достичь путем горизонтального переноса. Здесь нужен “тотальный половой процесс”: лишь так можно осуществить полногеномную рекомбинацию.

Что насчет силы отбора? Интроны могут оказаться важны и здесь. Классический отбор, который действует на современные организмы, благоприятствует половому размножению: оно позволяет спасаться от паразитических инфекций и приспосабливаться к изменяющимся условиям. Но и с учетом этого отбор должен быть сильным, чтобы половое размножение стало выгоднее бесполого. Например, чтобы половое размножение получило селективное преимущество, паразиты должны быть очень широко распространены и сильно вредить. Несомненно, это верно и в отношении ранних эукариот, но им к тому же приходилось противостоять вторжению интронов – паразитических генов. Каким образом мобильные интроны могли способствовать появлению полового размножения? Дело в том, что рекомбинация по всему геному повышает многообразие: появляются клетки с неудачно расположенными интронами и другие, у которых интроны стоят на менее опасных местах. Затем естественный отбор оставляет лучшие варианты. Рекомбинация же при горизонтальном переносе лишь частична и не может обеспечить все многообразие вариантов, когда одна часть клеток очищает свои гены, а другая собирает большую долю мутаций. В великолепной книге “Демон Менделя” Марк Ридли проводит параллель между половым размножением и путем избавления от грехов, описанным в Новом завете: Христос умер, приняв на себя грехи человечества. Половое размножение также позволяет повесить все мутации, накопившиеся в популяции, на козла отпущения, а затем распнуть его.

Степень вариации между клетками также может быть связана с интронами. Археи и бактерии, как правило, имеют единственную кольцевую хромосому, а эукариоты – многочисленные линейные хромосомы. Почему? Из-за интронов. Когда они встраиваются и вырезаются из генома, могут возникать ошибки. Если у них не получается соединить обратно два конца хромосомы после автосплайсинга, в хромосоме остается разрыв. Одиночный разрыв в кольцевой хромосоме дает линейную хромосому, а несколько разрывов дают несколько линейных хромосом. Таким образом, из-за ошибок рекомбинации, вызванных мобильными интронами, у ранних эукариот могли появиться линейные хромосомы.

Из-за этого у эукариот должны были возникнуть серьезные проблемы с клеточным циклом. У разных клеток могло быть разное количество хромосом, и каждая имела собственный набор мутаций и делеций. К тому же ранние эукариоты могли приобретать новые гены и ДНК от своих митохондрий. Ошибки репликации, несомненно, могли приводить к дупликации хромосом. Трудно себе представить, чем в таких условиях мог помочь горизонтальный перенос генов. Но характерный для бактерий стандартный механизм рекомбинации – выстраивание хромосом друг относительно друга и включение в геном недостающих генов – должен был обеспечить накопление клетками новых генов и признаков. И лишь половое размножение позволяло обзаводиться работающими генами, при этом избегая прочих. Приобретая новые гены и ДНК в ходе полового процесса и рекомбинации, геномы ранних эукариот со временем расширялись. Накопление генов должно было отчасти решить проблемы генетической нестабильности, а наличие митохондрий со всеми его энергетическими выгодами спасало ранних эукариот от “энергетического штрафа” – в то время как бактериям приходилось его платить. Конечно, все это предположения, но математическое моделирование позволяет выбрать наиболее правдоподобные.

Как клетки физически разделяли свои хромосомы? Ответ можно найти в механизмах, которые бактерии применяют для разделения крупных плазмид – мобильных “кассет” с генами, отвечающими за определенный признак – например устойчивость к антибиотикам. При делении бактерий большие плазмиды обычно отделяются друг от друга при помощи структуры из микротрубочек, которая напоминает веретено деления эукариот. Очень вероятно, что ранние эукариоты позаимствовали механизмы разделения плазмид, чтобы отделять друг от друга свои многочисленные и разнообразные хромосомы. Таким способом делятся не только плазмиды: некоторые виды бактерий, похоже, разделяют свои хромосомы при помощи относительно динамичных веретен, а не используют, как обычно, клеточную мембрану. Может быть, детальное изучение мира прокариот позволит найти корни физического механизма разделения хромосом в митозе и мейозе.

Слияние клеток почти не встречается у бактерий с клеточной стенкой, хотя известно несколько способных сливаться друг с другом архей. Утрата клеточной стенки, несомненно, сильно облегчила слияние клеток: например, L-формы бактерий, потерявшие клеточную стенку, легко сливаются друг с другом. Многочисленные механизмы контроля слияния клеток у современных эукариот наводят на мысль, что их предков было трудно от этого удержать. В то время митохондрии даже могли способствовать слиянию клеток (эту идею выдвинул эволюционный биолог Нил Блэкстоун). Поразмыслим о проблемах, с которыми должны были столкнуться митохондрии. Будучи эндосимбионтами, они не могли просто покинуть клетку-хозяина и поселиться в другой, и поэтому их собственный эволюционный успех зависел от роста и развития хозяев. Если клетка-хозяин была повреждена мутациями и не способна расти, митохондрии были ограничены в возможностях и не могли размножаться. Но что, если они могли каким-либо образом индуцировать слияние хозяина с другой клеткой? От этого выигрывают оба. Клетка-хозяин приобретает комплементарный геном – и возможность осуществить рекомбинацию или же просто компенсировать мутации в своих генах за счет обладания чужими “чистыми” копиями тех же самых генов (словом, воспользоваться преимуществами аутбридинга). Благодаря тому, что после слияния получившаяся клетка снова могла расти, митохондрии также получали возможность размножаться. То есть ранние митохондрии должны были склонять эукариот к сексу друг с другом![88] Таким путем митохондрии смогли решить свою проблему, но, по иронии судьбы, это решение привело к другой, даже более широкой, проблеме: к конкуренции митохондрий. Разрешить ее можно было лишь при помощи двух полов – еще одной загадки полового размножения.

“Ни один биолог, изучающий половое размножение, не станет исследовать, что может происходить с организмами, у которых существует три пола или больше. Но как иначе можно узнать, почему полов всегда два?” – говорил Рональд Фишер, один из отцов-основателей эволюционной генетики. Этот вопрос все еще ждет ответа.

Если поразмыслить, то два пола – это свойство худшего из миров. Только представьте: если бы все люди принадлежали к одному полу, мы смогли бы спариваться друг с другом и выбор партнера стал бы вдвое проще. А если по каким-либо причинам оказалось бы невозможно иметь лишь один пол, три или четыре пола все равно лучше, чем два. Даже если нельзя спариваться с партнерами своего пола, в нашем распоряжении были бы 2/3 или 3/4 популяции, а не ее половина. Конечно, в спаривании участвуют двое, но нет очевидных причин, почему партнеры не могут быть одного пола, или принадлежать к разным полам, или вообще быть гермафродитами. Трудности, с которыми сталкиваются гермафродиты, приоткрывают суть проблемы: ни один из партнеров не желает становиться “женщиной”, поскольку это очень накладно. Гермафродитные плоские черви вырастают до чудовищных размеров, чтобы их сложнее было оплодотворить, устраивают яростные поединки, фехтуя на пенисах, а сперма прожигает дыры в телах поверженных противников (то есть половых партнеров). Эта история, конечно, оживляет повествование, но в качестве аргумента она не годится: здесь ситуация развивается уже исходя из того, что женская особь тратит больше ресурсов (вообще-то это не очевидно). Почему так должно быть? В чем различие между мужским и женским полами? Это разделение произошло чрезвычайно давно и не имеет ничего общего ни с половыми хромосомами, ни даже с яйцеклетками и сперматозоидами. Два пола, или, по крайней мере, два типа спаривания, обнаружены даже у одноклеточных эукариот – некоторых водорослей и грибов. Их гаметы имеют микроскопические размеры и внешне неразличимы, но, несмотря на это, при выборе партнера для оплодотворения они столь же разборчивы, как и мы.

Одно из главных различий между двумя полами относится к наследованию митохондрий: при спаривании одна половая клетка передает свои митохондрии потомству, а другая – нет. Это относится и к людям (все наши митохондрии унаследованы от матери – в яйцеклетке их около 100 тыс.), и к водорослям, например Chlamydomonas. Хотя эти водоросли производят одинаковые гаметы (это явление называется изогамия), лишь одна из гамет передает свои митохондрии потомкам. Митохондрии второй гаметы уничтожаются, перевариваясь изнутри. Точнее, происходит избирательное переваривание митохондриальной ДНК. Видимо, проблема заключается в митохондриальных генах, а не в морфологической структуре. Странная ситуация: митохондрии склоняют клетки к половому процессу, но в результате не передаются от клетки к клетке, поскольку половина их переваривается. В чем тут дело?

Наиболее убедительное объяснение – эгоистический конфликт. Между генетически идентичными клетками не может быть настоящей конкуренции. По этой причине наши клетки ведут себя мирно и, взаимодействуя, формируют наши тела. Все наши клетки генетически идентичны – мы представляем собой гигантские клоны. Но генетически разнородные клетки конкурируют друг с другом – так происходит при мутациях, вызывающих рак. Сходная ситуация возникает, если внутри одной клетки оказываются генетически разнородные митохондрии. Те клетки или митохондрии, которые размножаются быстрее, будут вытеснять остальных, даже если это разрушительно для организма – может возникнуть нечто вроде митохондриального рака. Ведь клетки представляют собой автономные самовоспроизводящиеся системы, всегда готовые расти и делиться, если есть возможность. Французский нобелевский лауреат Франсуа Жакоб однажды сказал, что мечта каждой клетки – стать двумя клетками. Удивляет не то, что клетки часто делятся, а то, что они могут долго воздерживаться от деления, и благодаря этому наше тело может нормально функционировать. По этим причинам смешивать внутри одной клетки две популяции митохондрий – это искать проблем на свою голову.

Эту идею, предложенную несколько десятилетий назад, отстаивал такой крупный эволюционный биолог, как Билл Гамильтон. Но она себя не оправдала. Во-первых, известны исключения, когда митохондрии свободно смешиваются и это не приводит к неприятностям. Во-вторых, представим себе митохондриальную мутацию, дающую преимущество в скорости размножения. Митохондрии с такой мутацией будут вытеснять все остальные. Если эта мутация летальна, то мутанты вымрут вместе с клетками-хозяевами. Если же нет, то мутанты будут распространяться в популяции. Любые генетические механизмы, ограничивающие их распространение (изменения в ядерных генах, предотвращающие смешение митохондрий и т. д.), должны возникать быстро, чтобы успеть остановить распространение мутантных митохондрий. Малейшее промедление – и приобретение такого гена уже не поможет: это бесполезно, если мутантные митохондрии закрепились в популяции. Эволюция слепа. Она не способна предугадать возникновение следующего митохондриального мутанта. И третье: у митохондрий осталось мало генов, что наводит на мысль, что быстрое размножение митохондрий вовсе не так опасно. Причин тому может быть множество, но одна из них, несомненно, – действующий на митохондрии отбор в сторону увеличения скорости размножения. Это, в свою очередь, означает, что существовали многочисленные мутации, увеличивающие скорость размножения митохондрий, и что возникновение двух полов не устранило эти мутации.

Я предположил: проблема в том, что гены митохондрий должны быть адаптированы к генам ядра. (Подробнее расскажу в следующей главе.) Для эффективных дыхательных процессов гены в митохондриях и в ядре должны работать сообща, и мутации в обоих геномах могут вредить приспособленности. Я предположил, что однородительское наследование, при котором лишь одна гамета передает потомкам митохондрии, может способствовать коадаптации двух геномов. Эта идея мне очень нравится, но результаты работы Зены Хадживасилиу, весьма способного математика с интересом к биологии, которая работает над диссертацией вместе со мной и Эндрю Помянковски, заставили меня взглянуть на нее под другим углом.

Хадживасилиу продемонстрировала, что однородительское наследование действительно улучшает коадаптацию митохондриального и ядерного геномов. Причина довольно проста и сводится к эффектам выборки. Представьте себе клетку с сотней генетически разнородных митохондрий. Вы берете одну из них, помещаете в другую клетку и заставляете размножаться, пока не получите сто митохондрий. За исключением небольшого числа мутаций, все эти митохондрии будут клонами. Теперь вы делаете то же самое со следующей митохондрией и продолжаете, пока не клонируете все сто. В каждой из сотни клеток будет своя популяция митохондрий – одни популяции будут хорошими, другие – плохими. Таким образом, вы увеличили разнообразие. Если бы вы сто раз скопировали клетку целиком, то каждая дочерняя клетка получила бы примерно такую же смесь митохондрий, как у родительской. Эти клетки для естественного отбора неразличимы, поскольку слишком похожи одна на другую. Но клонирование в сочетании с эффектом выборки позволяет получить набор клеток с разной степенью приспособленности, среди которых найдутся клетки, приспособленные лучше исходной.

Этот пример иллюстрирует суть однородительского наследования. За счет выбора небольшого числа митохондрий лишь от одного из двух родителей однородительское наследование увеличивает разнообразие митохондриального состава среди оплодотворенных яйцеклеток. Это разнообразие становится заметным для естественного отбора, отсеивающего плохо приспособленные клетки. Таким образом, приспособленность целой популяции со временем возрастает. Любопытно, что это дает почти те же преимущества, что и половое размножение, однако последнее увеличивает разнообразие ядерных генов, а наличие двух полов увеличивает разнообразие митохондрий между разными клетками. Все очень просто. Ну, нам так казалось.

Мы оценивали приспособленность в условиях наличия и отсутствия однородительского наследования митохондрий, но не рассматривали, что может произойти, если ген однородительского наследования возникнет в популяции клеток, в которой обе гаметы передают потомкам свои митохондрии. Будет ли этот ген распространяться и закрепляться в популяции? Если да, то мы будем наблюдать возникновение двух полов, один из которых передает митохондрии, а второй – нет. Чтобы проверить, возможно ли это, мы разработали модель, в рамках которой сравнили гипотезы коадаптации, эгоистического конфликта и простого накопления мутаций[89]. Результаты получились неожиданными и, на первый взгляд, разочаровывающими. Модель показала: ген однородительского наследования не стал бы распространяться в популяции и, уж конечно, не закрепился бы в ней.

Проблема в том, что выгода однородительского наследования зависит от числа мутантных митохондрий в популяции: чем меньше мутантов, тем меньше пользы оно приносит. Иными словами, затраты и преимущества такого наследования не фиксированы, а зависят от числа мутантных митохондрий в популяции, которое может быть снижено за несколько поколений с однородительским наследованием (рис. 29). Мы показали, что наследование этого типа действительно улучшает приспособленность популяции во всех трех моделях, но по мере того, как в популяции распространяется ген однородительского наследования, преимущества обладания этим геном падают. В конце концов он даже становится вредным: основной его недостаток в том, что клетки с этим геном могут скрещиваться с меньшей частью популяции. Популяция приходит к равновесию, когда в ней содержится всего 20 % клеток с однородительским наследованием митохондрий. При высоком уровне мутаций их доля может достигать 50 %, но особи второй половины популяции могут продолжать спариваться между собой, что дает три пола. Суть в том, что наследование митохондрий не приводит к возникновению двух полов. Однородительское наследование увеличивает разнообразие гамет, тем самым увеличивая приспособленность популяции, но этого явно недостаточно для возникновения типов спаривания.

Мне не очень-то понравилось прямое опровержение собственной идеи. В конце концов я был вынужден признать, что нет реальных условий, при которых однородительское наследование митохондрий могло бы привести к возникновению двух типов спаривания. Их появление должно быть обусловлено иными причинами[90]. Но если и так, однородительское наследование все равно существует, и если бы модель не позволяла объяснить его существование, это означало бы, что она просто неверна. Фактически удалось показать, что если по каким-либо причинам два типа спаривания уже появились, то при определенных условиях (если митохондрий много и они часто мутируют) однородительское наследование может зафиксироваться. Наше заключение казалось неопровержимым, и выводы вполне уживались с известными в природе исключениями из однородительского наследования митохондрий. К тому же оно объясняло, почему однородительское наследование митохондрий присуще почти всем многоклеточным организмам, например людям, у которых, как правило, много митохондрий и они часто мутируют.

Рис. 29. Повышающие приспособленность мутации “просачиваются” в популяцию при однородительском наследовании митохондрий.

А и а – гаметы, несущие в ядре аллели определенного гена. Гаметы а передают митохондрии потомкам, если сливаются с другой гаметой а. Гаметы А – мутанты с однородительским наследованием: если гамета А сливается с гаметой а, передаются лишь митохондрии гаметы А. На первом скрещивании изображено слияние с А и а с образованием зиготы, которая несет в ядре оба аллеля (Аа), но унаследованы лишь митохондрии гаметы А. Если а содержит дефектные митохондрии (показаны серым цветом), они будут вычищены однородительским наследованием. Затем зигота дает гаметы двух типов: А и а. Они сливаются с гаметами, содержащими дефектные митохондрии. Вверху гаметы А и а дают зиготу Аа с унаследованными от гаметы А митохондриями, не содержащую дефектных митохондрий. Внизу изображено слияние двух гамет а, и дефектные митохондрии передаются зиготе аа. Каждая зигота, Аа и аа, образует гаметы. Митохондрии гамет а теперь “очищены” двумя раундами скрещивания с однородительским наследованием. Это улучшает приспособленность гамет с двуродительским наследованием митохондрий, поэтому улучшение приспособленности, которую дает аллель А, как бы “просачивается” в популяцию и в конечном счете прекращает распространение других вариантов этого гена.

Это прекрасный пример, иллюстрирующий важность математических моделей в популяционной генетике: гипотезы должны проверяться любыми доступными методами. В нашем случае формальная модель показала, что однородительское наследование митохондрий не может фиксироваться в популяции, если прежде в ней уже не было двух типов спаривания. Мы доказали это, насколько смогли, строго. Но еще не все потеряно. Разница между типами спаривания и “истинными” полами (когда мужские и женские особи явно различаются) довольно туманна. У многих растений и водорослей есть и пол, и типы спаривания. Быть может, стоило рассматривать понятие “пол” в другом ключе и сосредоточиться на возникновении “истинных” полов, а не типов спаривания, которые внешне могут выглядеть одинаково? Возможно, наши определения того, что такое пол, были неверны и нам следовало рассматривать эволюцию истинных полов, а не двух якобы идентичных типов спаривания. Может ли однородительское наследование быть причиной различий между истинными полами у животных и растений? Если да, то типы спаривания могли возникнуть по каким-либо иным причинам, а развитие настоящих полов могло быть вызвано как раз наследованием митохондрий. Честно признаться, эта идея выглядела малообещающей, но к ней стоило присмотреться. Мы совсем не ожидали, что придем к поразительному ответу, причем именно благодаря тому, что отправились мы не от стандартной гипотезы об универсальности однородительского наследования, а от неутешительных выводов нашей предыдущей работы.

В клетках животных содержится огромное число митохондрий, и мы заставляем их безостановочно работать, чтобы хватило энергии для активной жизни. Это должно приводить к высокому уровню мутагенеза в митохондриях, верно? Более или менее да. В каждой нашей клетке от нескольких сотен до нескольких тысяч митохондрий. Мы не знаем точную частоту их мутаций (ее очень трудно измерить непосредственно), но известно, что наши митохондриальные гены эволюционируют в 10–50 раз быстрее, чем ядерные. Отсюда следует, что однородительское наследование митохондрий у животных должно зафиксироваться особенно быстро. Наша модель показала, что оно действительно будет гораздо легче закрепляться у многоклеточных организмов, чем у одноклеточных. И в этом нет ничего удивительного.

Но легко впасть в заблуждение, если рассматривать эти процессы на собственном примере. Первые животные были совсем не похожи на нас и представляли собой кого-то вроде губок или кораллов – сидячих фильтраторов, которые не перемещались в пространстве (по крайней мере во взрослых стадиях). Неудивительно, что у них было не очень много митохондрий и их митохондриальные гены мутировали реже (во всяком случае реже ядерных). Из этого исходил Арунас Радзвилавичюс, когда работал над диссертацией. Радзвилавичюс – талантливый физик, которого привлекли большие биологические задачи. Вообще забавно, что самые интересные физические проблемы возникают сейчас именно в биологии.

Арунас понял, что обычные деления клеток в многоклеточных организмах и однородительское наследование митохондрий приводят к похожему результату: они увеличивают вариабельность клеток. Почему? Во время каждого клеточного деления популяция митохондрий случайным образом распределяется между дочерними клетками. Если в клетке небольшое число мутантных митохондрий, вероятность того, что эти мутанты будут распределены точно поровну, низка – куда вероятнее, что одна из дочерних клеток получит больше мутантных митохондрий, чем другая. Если повторить деление много раз, мы получим большое разнообразие. Некоторые прапрапраправнуки исходной клетки унаследуют больше мутантных митохондрий, чем другие. Хорошо это или плохо, зависит от того, какие именно клетки и в каком количестве унаследовали мутантные митохондрии.

Представьте себе организм вроде губки, все клетки которого очень похожи друг на друга. У такого организма нет дифференциации клеток на множество специализированных тканей и органов, например мозг и кишечник. Если вы разрежете живую губку на кусочки (не пытайтесь повторить это дома!), эти кусочки регенерируют. Губка может себе это позволить, потому что стволовые клетки у нее почти повсюду и из них могут образовываться и соматические (образующие тело) клетки, и клетки зародышевой линии. В этом отношении губки похожи на растения: ни у тех, ни у других нет специализированных зародышевых клеток, которые отделялись бы на ранних этапах развития. Их гаметы способны развиваться из стволовых клеток во многих тканях. Это различие имеет решающее значение. У нас есть особая линия зародышевых клеток, которые отделяются на ранних стадиях эмбрионального развития. У млекопитающих в норме не образуется гамет, например, из стволовых клеток печени. А вот для губок, кораллов и растений это нормально: половые органы у них могут вырастать в самых разных местах. Эти различия обычно объясняют конкуренцией клеток, но это не очень убедительно[91]. Арунас же обнаружил, что у всех организмов без зародышевой линии есть общая черта: в их клетках мало митохондрий, и эти митохондрии редко мутируют. А редкие мутации могут уничтожаться путем сегрегации.

Вот как это работает. Многочисленные деления увеличивают разнообразие митохондриального состава между клетками. То же самое касается клеток зародышевой линии. Если зародышевые клетки отделяются на ранних стадиях развития, между ними не может быть большого разнообразия, поскольку они претерпели малое число делений. Но если зародышевые клетки развиваются из случайно взятых клеток зрелых тканей, то различий между ними будет гораздо больше (рис. 30). Большое число актов деления клеток означает, что в некоторых зародышевых клетках накопилось больше мутаций, чем в других. Какие-то будут почти идеальны, а в некоторых бардак: словом, будет наблюдаться большое разнообразие. Как раз то, что нужно для естественного отбора: он вычищает плохие клетки, оставляя в живых хорошие. По мере смены поколений качество зародышевых клеток растет, и формировать зародышевые клетки из случайных клеток зрелых тканей оказывается уместнее, чем отделять их на ранних стадиях развития и погружать в спячку.

Хотя повышенное разнообразие – благо для зародышевых клеток, оно может обернуться катастрофой для зрелого организма. Плохие зародышевые клетки вычищаются отбором – остаются лучшие, которые и дадут начало новому поколению. Но как быть с дефектными стволовыми клетками, образующими новые ткани взрослого организма? Скорее всего, из них сформируются ткани с нарушенными функциями, которые могут оказаться не в состоянии поддерживать работу организма. Здоровье организма в целом зависит от состояния самого больного из его органов. Если вдруг я получу инфаркт, прекрасное состояние моих почек уже не будет иметь значения: я умру, и все мои здоровые органы умрут со мной. Таким образом, высокое разнообразие митохондриального состава в организме имеет и преимущества, и недостатки, и ущерб для целого организма может вполне перекрыть те преимущества, которые получают зародышевые клетки. Уровень митохондриального разнообразия, при котором оно становится скорее вредным, чем полезным, зависит от числа тканей в организме и от скорости мутаций.

Рис. 30. Случайное распределение митохондрий увеличивает разнообразие клеток.

При делении клетки, содержащей разнотипные митохондрии, они удваиваются, а затем примерно поровну делятся между двумя дочерними клетками. Соотношение разных типов митохондрий в дочерних клетках после каждого деления будет немного иным. Со временем различия усиливаются, так как с каждым делением популяции митохондрий все дальше расходятся. Предположим, что получившиеся дочерние клетки (справа) – это гаметы. В результате предшествующей серии делений образовались гаметы, сильно отличающиеся друг от друга: некоторые хорошо приспособлены, другие – нет. Это готовит почву для естественного отбора, и однородительское наследование оказывает такой же эффект. Это хорошо. Теперь представим, что клетки на схеме справа – это прогениторные клетки, из которых будут формироваться новые ткани и органы. В этом случае избыточное разнообразие приведет к катастрофе. Некоторые ткани будут функционировать нормально, а жизнедеятельность остальных будет нарушена, что снизит общую приспособленность организма. Уменьшить разнообразие прогениторных клеток можно путем увеличения количества митохондрий в зиготе. Это повышает вероятность того, что полученные дочерними клетками наборы митохондрий окажутся примерно равнозначны (эффект выборки). Это может быть достигнуто увеличением размера яйцеклетки, что приводит к возникновению анизогамии (появляются крупные яйцеклетки и маленькие сперматозоиды).

Чем больше различных тканей во взрослом организме, тем выше вероятность, что одна из жизненно важных тканей соберет в себе наихудшие митохондрии. Но если организм состоит из ткани лишь одного типа, это уже не проблема: нет никаких отдельных органов, нарушение работы которых подорвало бы здоровье всего организма. Для простого организма с тканями одного типа увеличение разнообразия митохондриального состава клеток – несомненное благо: при этом растет качество гамет и нет особенного вреда для организма. Поэтому мы предположили, что у первых животных, у которых (вероятно) был низкий уровень митохондриальных мутаций и небольшое число типов тканей, митохондрии наследовались от обоих родителей, а обособления зародышевых клеток не было. Но когда устройство этих древних животных чуть усложнилось и тканей у них стало больше, повышенное разнообразие митохондрий в клетках тела стало снижать приспособленность зрелого организма (из-за него неизбежно возникают дефектные ткани – как в сценарии с инфарктом). Теперь для увеличения приспособленности взрослых особей потребовалось снижать митохондриальное разнообразие, чтобы ткани при образовании получали схожий набор митохондрий, большинство которых хорошо функционирует.

Простейший способ уменьшить митохондриальное разнообразие в тканях зрелого организма – это увеличить число митохондрий в яйцеклетке. По законам статистики, если большая популяция разделится на много частей, разнообразие окажется меньше, чем если малая популяция будет попеременно удваиваться и делиться до образования такого же количества частей. В итоге увеличение размеров яйцеклетки и все большее увеличение числа митохондрий в ней становится выгодным. Согласно нашим расчетам, ген, обусловливающий увеличение размеров яйцеклетки, будет распространяться в популяции простых многоклеточных организмов как раз потому, что он уменьшает митохондриальное разнообразие клеток тканей зрелого организма, устраняя возможные вредоносные различия. С другой стороны, низкое митохондриальное разнообразие наносит ущерб гаметам, которые становятся похожими друг на друга и неразличимыми для естественного отбора. Как совместить две противоположные тенденции? Очень просто! Если одна гамета – яйцеклетка – увеличивается, а вторая гамета уменьшается, превращаясь в сперматозоид, то решаются обе эти проблемы. За счет больших размеров яйцеклетки снижается митохондриальное разнообразие тканей, в результате чего увеличивается приспособленность взрослых особей. В то же время вклад со стороны сперматозоидов в наследование митохондрий снижается, и все заканчивается однородительским наследованием, при котором потомкам передаются митохондрии лишь одной гаметы. А однородительское наследование митохондрий, как мы убедились, увеличивает разнообразие между гаметами и повышает их приспособленность. Иными словами, такие простейшие свойства, как анизогамия (когда гаметы – сперматозоид и яйцеклетка – отличаются друг от друга) и однородительское наследование служат отправными точками для развития организмов с большим числом тканей.

Все это подразумевает низкую частоту митохондриальных мутаций. Это справедливо для губок, кораллов и растений, но не “высших” животных. Что происходит, когда частота митохондриальных мутаций возрастает? Исчезает выгода от отсроченного образования зародышевых клеток. Наша модель показывает, что в таком случае мутации накапливаются очень быстро и митохондрии поздно образовавшихся зародышевых клеток просто кишат мутациями. Как выразился генетик Джеймс Кроу, самый опасный источник мутаций в популяции – это плодовитые старички. К счастью, благодаря однородительскому наследованию, старички никак не могут передать потомству свои митохондрии. Мы учли повышенную частоту мутаций и обнаружили, что ген, вызывающий раннее обособление клеток зародышевой линии, в этом случае будет распространяться в популяции: раннее отделение зародышевой линии и погружение женских гамет в спячку спасают от накопления митохондриальных мутаций. Еще должны поддерживаться адаптации, снижающие уровень мутаций в клетках зародышевой линии. На самом деле, как показал мой коллега Джон Аллен, митохондрии в зародышевой линии самок, судя по всему, неактивны: они “выключаются” уже в момент отделения первичных половых клеток во время эмбрионального развития яичников. Джон Аллен давно утверждает, что митохондрии в яйцеклетках служат генетическими “шаблонами”, которые редко мутируют по той причине, что они неактивны. Наша модель это подтверждает, если рассматривать современных животных с коротким жизненным циклом и большим количеством митохондрий, которые часто мутируют, но не их предков – животных с длительным жизненным циклом, или более обширные группы, например растения, водоросли и протисты.

А это означает, что самого по себе разнообразия митохондриального состава достаточно, чтобы объяснить появление многоклеточных организмов с анизогамией (со сперматозоидами и яйцеклетками), однородительским наследованием и наличием зародышевой линии с обособлением женских гоноцитов на ранних стадиях развития – что в совокупности является основой всех различий между женским и мужским полом. Иными словами, наследование митохондрий позволяет объяснить большинство реальных физических различий между полами. Может быть, эгоистический конфликт между клетками также сыграл свою роль, хотя этого могло и не быть: возникновение разделения клеток на соматические клетки и клетки зародышевой линии можно объяснить и без эгоистического конфликта. Очень важно, что наша модель выявила порядок событий, который отличается от того, что я предположил в самом начале. Я думал, что однородительское наследование митохондрий было предковым состоянием, затем появились клетки зародышевой линии, а возникновение сперматозоидов и яйцеклеток связано с расхождением настоящих полов. Вместо этого наша модель показала, что предковым состоянием было двуродительское наследование, затем возникла анизогамия (наличие сперматозоидов и яйцеклеток), затем появилось однородительское наследование, и, наконец, возникли клетки зародышевой линии. Но верна ли эта пересмотренная хронология? В любом случае, мы слишком мало знаем, чтобы сказать наверняка. Однако это в явном виде сформулированное предсказание, которое можно проверить, и мы надеемся это сделать. В первую очередь мы займемся губками и кораллами. У обеих групп есть сперматозоиды и яйцеклетки, но отсутствует обособление клеток зародышевой линии. Разовьется ли оно у них, если мы будем производить отбор на повышение частоты митохондриальных мутаций?

Перед тем как подойти к завершению, рассмотрим еще несколько следствий. Что может заставить возрасти частоту митохондриальных мутаций? Ускоренный оборот клеток и белков вследствие увеличения физической активности. Накопление кислорода в океанах незадолго до “кембрийского взрыва” сделало возможным появление активно перемещающихся билатерально-симметричных животных. Их возросшая физическая активность могла увеличить частоту митохондриальных мутаций (сравнительная геномика позволяет это измерить), что, в свою очередь, должно было привести у таких животных к обособлению клеток зародышевой линии. Так появилась бессмертная зародышевая линия и бренное тело, то есть появилась смерть – запланированный и предопределенный финал. Клетки зародышевой линии бессмертны в том смысле, что они продолжают делиться вечно. Они не стареют и не умирают. В каждом поколении на ранних стадиях развития происходит обособление зародышевых клеток, которые дадут начало следующему поколению. Хотя отдельные гаметы могут быть повреждены, тот факт, что дети рождаются молодыми, означает, что зародышевые клетки сохранили свой потенциал бессмертия, как клетки губок, которые могут регенерировать из мелких кусочков. Когда специализированные зародышевые клетки обособились, все остальное тело можно использовать для других целей: оно уже не ограничено необходимостью нести бессмертные половые клетки. Мы можем наблюдать это на примере тканей, которые уже не могут регенерировать – например тканей мозга. Это одноразовая, смертная плоть. Продолжительность жизни таких тканей ограничена и зависит от того, сколько времени нужно организму для размножения. Это, в свою очередь, зависит от того, насколько быстро животное достигает половой зрелости, от скорости его развития и предполагаемой продолжительности его жизни. Здесь мы сталкиваемся с источником смерти: компромиссом между половым размножением и старением. Мы обсудим это в следующей главе.

Выше мы рассмотрели, как митохондрии повлияли на эукариотические клетки. Вернемся к главному вопросу: почему у эукариот появился целый набор общих признаков, которых нет ни у бактерий, ни у архей? Как мы убедились, прокариоты ограничены структурой собственных клеток, особенно потребностью в генах, регулирующих клеточное дыхание. Приобретение митохондрий преобразило адаптивный ландшафт эукариот, сделало возможным увеличение объема клеток и размера генома на 4–5 порядков. Первым импульсом к этому явился маловероятный, почти случайный эндосимбиоз двух прокариот, который, однако, повлек тяжелые и закономерные последствия. Тяжелые – потому, что клетка без ядра очень уязвима для атак чужеродных молекул ДНК и генетических паразитов (интронов) ее собственных эндосимбионтов. Закономерные – потому, что все ответные изменения клетки-хозяина (возникновение ядра, полового размножения, двух полов и зародышевой линии) можно объяснить в рамках классической эволюционной генетики, хотя и с нестандартной позиции. Некоторые из этих идей могут быть ошибочными, как моя гипотеза о происхождении двух полов. Но дальнейший разбор выявил то, что я и не предполагал – причину разделения соматических клеток и клеток зародышевой линии, истоки секса и смерти. Внутренняя логика этих процессов, выявленная путем точного моделирования, красива и предсказуема. Если где-то еще может возникнуть жизнь, она, вероятно, придет к сложности сходным путем.

Этот взгляд на всю четырехмиллиардную историю жизни на Земле отводит митохондриям центральную роль в эволюции эукариотических клеток. В последние годы в медицинских исследованиях общепринятой стала сходная точка зрения: сейчас известно, что митохондрии играют очень важную роль в программируемой клеточной смерти (апоптозе), развитии опухолей, дегенеративных заболеваний, бесплодия и много чего еще. Но некоторых ученых-медиков раздражает, когда я доказываю, что митохондрии – это краеугольный камень физиологии клетки. Меня упрекают в однобокости мышления. Ведь если рассмотреть человеческую клетку под микроскопом, вы увидите, что ее работу поддерживает множество подогнанных друг к другу частей, среди которых митохондрия лишь один из винтиков, хотя и важный. Но с эволюционной точки зрения это не так: митохондрия – один из двух равноправных участников, породивших сложно устроенную жизнь. Эукариотические черты – вся физиология клетки – возникли в результате “перетягивания каната” двумя этими участниками. Оно продолжается по сей день. В заключительной главе вы увидите, что это взаимодействие лежит в основе нашего здоровья, плодовитости и долголетия.

Христос Пантократор, Спас Вседержитель. Быть может, даже за рамками православной иконографии не найдется более серьезного вызова для художника, чем изобразить Христа в “двух лицах” – и Бога, и человека, сурового, но справедливого судию. Книга в его левой руке – это, по всей видимости, Евангелие от Иоанна: “Я свет миру; кто последует за Мною, тот не будет ходить во тьме, но будет иметь свет жизни”. Учитывая серьезность этого заявления и ответственность, которую оно влечет, неудивительно, что Вседержитель так строг. Художник решил, что отразить в человеческом лице присутствие божественного духа недостаточно: лик Христа должен быть выложен мозаикой под куполом красивейшего собора, высоко над алтарем. Сколь же огромным было мастерство художника, верно передавшего перспективу, игру света и тени на лице, сложившего из кусочков камня осмысленную картину, в которой каждый фрагмент мозаики абсолютно необходим. Некоторые изображения Создателя нас совершенно не впечатляют, порой даже смешат, но в своих лучших воплощениях – например в соборе Чефалу на Сицилии – даже тот, чья вера слаба, узнает руку Господа в бессмертном памятнике гению неизвестного мастера[92].

Нет, я не собирался уходить от основной темы. Просто меня поражает, насколько мозаики привлекательны для ума, и – вот совпадение! – то, насколько важное место идея мозаики занимает в биологии. Может ли существовать подсознательная связь между модульным строением белков и клеток и нашим эстетическим чувством? Наши глаза состоят из миллионов фоторецепторных клеток – палочек и колбочек. Каждый рецептор включается или выключается под действием луча света, и вместе они составляют картину. В мозге эта картина воссоздается в виде нейронной мозаики, передающей все свойства исходной картины: яркость, цвет, контраст, границы, движение. Мозаики волнуют нас отчасти потому, что они дробят реальность так же, как это делает мозг. Клетки могут осуществлять это за счет того, что они – модульные единицы, каждая на своем месте в мозаике, живые фрагменты с собственной задачей. А 40 млрд кусочков составляют удивительную трехмерную мозаику: человека.

Мозаики распространены и на более глубоком уровне: биохимии. Митохондрии (огромные дыхательные комплексы, которые переносят электроны от пищи на кислород, одновременно перекачивая протоны через митохондриальную мембрану) – это также мозаики, сложенные из многочисленных субъединиц. Самый крупный – комплекс I – образован 45 белками, и каждый белок составлен из сотен аминокислотных остатков, соединенных в длинную цепь. Эти комплексы нередко группируются в более крупные ансамбли, “суперкомплексы”, которые формируют своего рода конвейер, переносящий электроны к кислороду. Тысячи суперкомплексов, каждый – неповторимая мозаика, украшают величественный собор – митохондрию. Качество таких мозаик жизненно важно. При виде комичного Вседержителя можно и не засмеяться, а вот малейшая ошибка в расположении кусочков, составляющих дыхательные белки, может обернуться для клетки катастрофой библейского масштаба. Если хотя бы одна аминокислота – единственный камешек во всей мозаике – окажется не на месте, последствия могут быть ужасными: может возникнуть митохондриальное заболевание, которое влечет за собой фатальную дегенерацию мышц и мозга и раннюю смерть. Степень тяжести последствий и возможный возраст проявления таких генетических изменений непредсказуемы. Это зависит лишь от того, какой фрагмент подвергается воздействию и как часто. Однако все они отражают важность митохондрий для нашего существования.

Итак, митохондрии – это мозаики, а их качество – вопрос жизни и смерти. Но это не все! Подобно Вседержителю, дыхательные белки имеют двойственную природу: митохондриальную и ядерную (рис. 31). Большая доля белков во внутренней мембране митохондрии (показаны более темным цветом) кодируется собственными генами митохондрий. Остальные белки (они окрашены светлее) закодированы в ядерных генах. В начале 70-х годов стало ясно, что митохондриальный геном слишком мал для того, чтобы закодировать большую часть митохондриальных белков. Поэтому давняя идея, будто митохондрии и поныне остаются независимыми от клеток-хозяев, не имеет никакого смысла. Их способность делиться, когда им заблагорассудится, эта мнимая их автономность, вызывающая суеверный трепет, – мираж. Работа митохондрий точно зависит от двух геномов. Митохондрии могут функционировать и расти лишь в том случае, если они снабжены полным набором белков и митохондриального, и ядерного происхождения.

Рис. 31. “Мозаичная” дыхательная цепь.

Изображены белковые структуры комплекса I (у левого края), комплекса III (слева), комплекса IV (справа) и АТФ-синтазы (у правого края). Все они встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану. Более темные субъединицы, которые почти полностью погружены в мембрану, кодируются митохондриальными генами. Светлые субъединицы, расположенные главным образом на периферии мембраны или вне ее, кодируются ядерными генами. Митохондриальный и ядерный геномы эволюционировали в различных направлениях: митохондриальные гены передавались “бесполым” путем от матери к дочери, а ядерные гены в каждом поколении рекомбинировали при половом процессе. К тому же митохондриальные гены (у животных) накапливают мутации в 50 раз быстрее, чем ядерные. Несмотря на эту тенденцию к расхождению, естественный отбор в целом способен элиминировать дисфункциональные экземпляры, миллиарды лет обеспечивая прекрасную работу митохондрий.

Я хочу, чтобы вы по-настоящему прониклись тем, насколько все это странно. Клеточное дыхание, без которого мы умрем в считанные минуты, осуществляют мозаичные дыхательные цепи из белков, которые кодируются двумя разными геномами. Чтобы достичь кислорода, электроны должны пройти по дыхательной цепи, перескакивая от одного окислительно-восстановительного центра к другому. Как правило, окислительно-восстановительные центры, приняв электрон, сразу же отдают его: электрон прыгает по ним, будто с кочки на кочку на болоте (гл. 2). Окислительно-восстановительные центры спрятаны глубоко внутри дыхательных белков, их точное расположение определяется нуклеотидными последовательностями ядерных и митохондриальных генов. Как уже было сказано, электроны перемещаются путем квантового туннелирования. Они возникают и исчезают в каждом окислительно-восстановительном центре с вероятностью, которая зависит от нескольких факторов: от силы притяжения кислорода (точнее, от восстановительного потенциала следующего по ходу окислительно-восстановительного центра), от расстояния между соседними центрами и от того, занят ли электроном следующий центр. Точное расстояние между окислительно-восстановительными центрами очень-очень важно. Квантовое туннелирование происходит лишь на очень коротких дистанциях – менее 14 Å (напоминаю, ангстрем – это мера длины, примерно равная диаметру атома). Если расстояние между окислительно-восстановительными центрами окажется несколько большим (с тем же успехом оно может быть и бесконечно большим), результат один: вероятность скачка электрона с одного на другой будет стремиться к нулю. В пределах допустимых значений скорость перемещения электрона будет зависеть от дистанции между центрами. А она зависит от того, как между собой взаимодействуют два генома.

При увеличении дистанции между центрами на 1 Å скорость переноса электрона падает примерно в 10 раз. Повторю: скорость переноса электрона снижается в 10 раз с каждым дополнительным ангстремом между окислительно-восстановительными центрами! Это примерно те масштабы, на каких осуществляются электростатические взаимодействия между соседними атомами – например “водородные связи” между отрицательно и положительно заряженными аминокислотами в белках. Если из-за мутации произойдет замена какой-нибудь аминокислоты в белке, водородные связи могут разрушиться или же возникнуть в другом месте. Целые сети водородных связей могут немного сместиться – в том числе те, которые обеспечивают правильное положение окислительно-восстановительных центров. Смещение может составить около ангстрема. Последствия таких сдвигов могут сильно повлиять на квантовое туннелирование: один ангстрем может либо на порядок замедлить перенос электрона, либо ускорить его во столько же раз. Это одна из причин, почему митохондриальные мутации могут быть фатальными.

Опасное положение усугубляется еще и тем, что митохондриальные и ядерные геномы со временем все больше расходятся. Из предыдущей главы мы знаем, что возникновение полового размножения и двух полов могло быть связано с приобретением митохондрий. Половое размножение нужно, чтобы поддерживать в рабочем состоянии отдельные гены в составе больших геномов, тогда как два пола помогают сохранять качество митохондрий. Непредвиденным последствием явилось то, что эволюция этих двух геномов пошла совершенно разными путями. Ядерные гены рекомбинируют в каждом поколении при половом процессе, а митохондриальные гены передаются от матери к дочери через яйцеклетку, рекомбинируя очень редко (если такое вообще бывает). Хуже того: митохондриальные гены эволюционируют в 10–50 раз быстрее ядерных (если сравнивать скорость изменения последовательностей по мере смены поколений) – по крайней мере, у животных. Значит, белки, кодируемые митохондриальными генами, изменяются быстрее и в другом направлении, нежели белки ядерного происхождения. При этом они должны сохранять способность взаимодействовать друг с другом с точностью до ангстрема, чтобы транспорт электронов по цепи был эффективным. Трудно представить более абсурдный способ организации процесса, ключевого для жизни всех существ – дыхания!

Данный пример как нельзя лучше демонстрирует недальновидность эволюции. Это безрассудное решение скорее всего было неизбежным. Вспомните, с чего все начиналось: бактерия, живущая внутри другой бактерии. Без эндосимбиоза, как мы выяснили, сложная жизнь невозможна, потому что только самовоспроизводящиеся клетки способны утрачивать лишние гены, оставляя лишь нужные для локального контроля дыхания. Звучит достаточно убедительно, однако потерю генов ограничивает только естественный отбор – а отбор действует и на клетку-хозяина, и на митохондрии. Что приводит к утрате генов? Отчасти это связано со скоростью репликации: бактерии с самыми маленькими геномами осуществляют репликацию быстрее всех, благодаря чему со временем начинают преобладать. Однако скорость репликации не может объяснить перемещение генов в ядро – лишь утрату генов митохондрией. Мы выяснили, почему митохондриальные гены перешли в ядро: некоторые митохондрии погибали, извергая свою ДНК в клетку-хозяина, а затем эта ДНК проникала в ядро. Этому было сложно помешать. Некоторые из фрагментов ДНК, обосновавшихся в ядре, приобрели сигнальную последовательность, адресный код, который направляет белки обратно в митохондрии.

Может показаться, что такое должно происходить очень редко, однако известно почти 1,5 тыс. белков, адресующихся в митохондрии. По всей видимости, это не так уж трудно обеспечить. Некоторое время копии одного и того же гена должны были присутствовать одновременно в ядре и в выживших митохондриях. В итоге одна из двух копий утрачивалась. За исключением 13 белок-кодирующих генов, оставшихся в митохондриальном геноме (< 1 % исходного генома), всегда сохранялась ядерная копия, а митохондриальная терялась. Не слишком похоже на случайность. Почему же ядерная копия была предпочтительнее? На то есть множество веских причин, но теоретические изыскания пока ничего не подтверждают точно. Одна из причин – увеличение приспособленности самцов. Поскольку митохондрии передаются по женской линии, невозможно отобрать варианты митохондриальных генов, которые повышали бы мужскую приспособленность. Митохондриальные гены, которые случайно оказались полезны для самцов, никогда не передаются следующему поколению. Перемещение таких митохондриальных генов в ядро, откуда они могут передаваться потомкам обоих полов, могло обеспечить повышение приспособленности самцов наравне с самками. К тому же ядерные гены рекомбинируют при половом процессе в каждом поколении – благодаря этому приспособленность может повышаться. Важно и то, что митохондриальные гены физически занимают пространство, в котором лучше разместить машинерию для дыхания или других важных процессов. Наконец, при дыхании образуются активные свободные радикалы, способные вызвать мутации в близлежащей митохондриальной ДНК (позднее мы вернемся к вопросу влияния свободных радикалов на физиологию клетки). Как видите, есть множество причин переместить гены из митохондрий в ядро. Удивительно, что вообще хоть какие-нибудь гены остались митохондриальными.

Почему так случилось? Сила, которая удерживает гены в митохондриях (гл. 5), – это необходимость локальной регуляции процессов дыхания. Вспомните: электрический потенциал на тонкой внутренней митохондриальной мембране равен 150–200 милливольтам и порождает напряженность электрического поля в 30 миллионов вольт на метр – как у удара молнии. Гены нужны, чтобы контролировать этот колоссальный потенциал в соответствии с изменениями потока электронов, доступности кислорода, количества АДФ и АТФ, числом дыхательных белков и т. д. Если ген, необходимый для контроля дыхания, переместится в ядро, а его белковый продукт не успеет вовремя добраться до митохондрии, чтобы предотвратить катастрофу, на этом “эксперимент природы” закончится. Животные (и растения), не переместившие этот ген в ядро, выживут. Те, которые переместили ген, который перемещать не следовало, – умрут, унеся в могилу неправильно расположенные гены.

Отбор слеп и безжалостен. Гены постоянно переносятся из митохондрий в ядро. Если новое расположение генов окажется удачным, гены останутся на новом месте. Если же нет, то, скорее всего, придется расстаться с жизнью. В итоге почти все митохондриальные гены были либо утрачены, либо переместились в ядро, а в митохондриях осталась лишь горстка наиболее важных генов. Слепой отбор – вот благодаря чему были построены наши мозаичные дыхательные цепи. И это действительно работает. Сомневаюсь, что инженер спроектировал бы все так, но, боюсь, это единственный вариант устройства сложной клетки, который мог получиться в результате естественного отбора, учитывая необходимость эндосимбиоза прокариот. Это нелепое решение было неизбежным. В этой главе мы рассмотрим последствия мозаичности митохондрий: насколько сильно эта необходимость сказалась на свойствах сложных клеток? Я докажу, что отбором на двойственность митохондрий могут объясняться самые загадочные общие признаки эукариот. Этот отбор повлиял на наше здоровье, приспособленность, плодовитость, продолжительность жизни и на историю нашего вида.

Как и на что действует естественный отбор? (То, что он вообще действует, мы знаем точно.) Анализ последовательностей множества генов служит неопровержимым доказательством того, что долгое время шел отбор на коадаптацию митохондриальных и ядерных генов: изменения генов этих двух групп связаны. Мы можем сравнить скорость изменений митохондриальных и ядерных генов, скажем, на промежутке в несколько миллионов лет, который отделяет шимпанзе от общего предка людей или горилл. Мы сразу увидим, что гены, непосредственно взаимодействующие друг с другом (например кодирующие белки дыхательной цепи), изменяются примерно с равной скоростью, а остальные ядерные гены изменяются (то есть эволюционируют), как правило, значительно медленнее. Понятно, что изменение митохондриального гена, как правило, приводит к компенсирующему изменению во взаимодействующем с ним ядерном гене, и наоборот. Итак, налицо некая форма отбора. Вопрос в том, какие процессы участвуют в достижении коадаптации.

Ответ кроется в биофизике самой дыхательной цепи. Представим, что произойдет, если ядерные и митохондриальные геномы не будут соответствовать друг другу. Электроны поступают в дыхательную цепь, но плохо коадаптированные геномы кодируют плохо подогнанные друг к другу белки. Некоторые электростатические взаимодействия между аминокислотами (водородные связи) разрушаются, и в результате один или два окислительно-восстановительных центра могут оказаться друг от друга дальше на ангстрем, чем в норме. В итоге скорость потока электронов по дыхательной цепи к кислороду падает, они начинают скапливаться на нескольких первых окислительно-восстановительных центрах, поскольку двигаться дальше нельзя: все следующие окислительно-восстановительные центры уже заняты. Дыхательная цепь оказывается перевосстановленной. В сущности, это означает, что ее окислительно-восстановительные центры переполняются электронами (рис. 32). Первые окислительно-восстановительные центры представляют собой железосерные кластеры. Ион железа в них переходит из окисленной формы Fe³⁺ в восстановленную Fe²⁺, которая может непосредственно реагировать с кислородом с образованием отрицательно заряженного супероксидного анион-радикала O₂^•–. Точка в записи его формулы обозначает неспаренный электрон – отличительный признак свободного радикала. Ведет он себя в клетке не менее разрушительно, чем лис в курятнике.

Рис. 32. Роль митохондрий в механизме клеточной смерти.

На схеме А изображен нормальный транспорт электронов по дыхательной цепи к кислороду (волнистая стрелка), при котором энергия потока электронов перекачивает протоны через мембрану, а за счет потока протонов через АТФ-синтазу (справа) синтезируется АТФ. Светло-серый цвет, которым изображены три дыхательных комплекса в мембране, указывает на то, что эти комплексы не перевосстановлены, так как электроны быстро передаются на кислород и не накапливаются. На схеме Б показаны эффекты замедления транспорта электронов из-за несовместимости митохондриального и ядерного геномов. Замедление потока электронов ведет к снижению потребления кислорода, ограничению транспорта протонов, падению мембранного потенциала (поскольку число перекачиваемых протонов уменьшается) и прекращению синтеза АТФ. Темный цвет дыхательных комплексов символизирует накопление электронов в дыхательной цепи. Перевосстановленность комплекса I повышает его реакционную способность: он начинает реагировать с кислородом с образованием свободных радикалов, например супероксидного анион-радикала (O₂^•-). Если ситуацию, представленную на схеме В, не исправить в течение нескольких минут, свободные радикалы начнут реагировать с мембранными липидами, в том числе кардиолипином, и это приведет к высвобождению цитохрома c (небольшой молекулы, которая на схемах А и Б непрочно связана с мембраной, а на схеме В от нее открепляется). Потеря цитохрома c полностью останавливает транспорт электронов на кислород, что еще в большей степени перевосстанавливает дыхательные комплексы (показано черным цветом), усиливает выработку свободных радикалов, приводит к исчезновению протонного градиента и прекращению синтеза АТФ. Вместе эти факторы запускают сигнальный каскад, приводящий к апоптозу.

Существует множество механизмов, которые эффективно предотвращают накопление супероксидных радикалов. Из задействованных в этом ферментов особенно важна супероксиддисмутаза. Количество таких ферментов в клетке должно быть очень точно сбалансировано. Если их будет слишком много, это может подавлять жизненно важные локальные сигналы, служащие подобием пожарной сигнализации. Свободные радикалы – нечто вроде дыма: если устранить дым, это не потушит пожар и не решит проблему. В этом случае проблема заключается в плохой согласованности работы двух геномов. Поток электронов в цепи прерывается, что приводит к образованию супероксидных радикалов – “пожарного извещателя”[93]. При достижении некоторой пороговой концентрации свободные радикалы начинают окислять близлежащие мембранные липиды. Особую роль играет окисление кардиолипина, приводящее к высвобождению цитохрома c – белка дыхательной цепи, который в норме непрочно связан с кардиолипином. Это совершенно останавливает поток электронов: чтобы добраться до кислорода, им нужно сначала перескочить на цитохром c. Если убрать цитохром c, электроны не смогут добраться до конца дыхательной цепи. А поскольку без потока электронов не может быть транспорта протонов, вскоре наступает коллапс мембранного потенциала. Итак, при рассогласовании ядерного и митохондриального геномов мы наблюдаем три процесса. Во-первых, происходит замедление потока электронов и, как следствие, падает скорость синтеза АТФ. Во-вторых, перевосстановленные железосерные кластеры реагируют с кислородом, что приводит к выбросу свободных радикалов и высвобождению цитохрома c за счет открепления его от мембраны. И, в-третьих, если нет ничего, что может предотвратить эти изменения, то исчезает мембранный потенциал (рис. 32).

Выше я описал комплекс необычных процессов, открытых в середине 90-х годов. Тогда они привели ученых в глубокое недоумение. Совокупность этих процессов представляет собой сигнал, запускающий процесс программируемой клеточной смерти (апоптоза). Апоптоз – не беспорядочный распад клетки, а тщательно спланированное самоубийство, танец смерти, балет “Умирающий лебедь” на внутриклеточном уровне. Когда клетка вступает в апоптоз, внутри нее высвобождается целая армия белковых палачей – каспаз, ферментов, которые разносят на куски ее ДНК, РНК и белки. Фрагменты клеточного содержимого упаковываются в маленькие мембранные пузырьки – блебы, которые пожираются окружающими клетками. За пару часов клетка исчезает без следа, как иногда случалось с людьми в Советском Союзе.

В многоклеточных организмах апоптоз играет очень важную роль. Он необходим в эмбриональном развитии для придания тканям необходимой формы, а также для уничтожения поврежденных клеток. Но то, что центральную роль в этом процессе играют митохондрии (а именно – один из белков дыхательной цепи – цитохром c), оказалось неожиданностью. Как так вышло, что потеря цитохрома c стала служить сигналом, запускающим клеточную смерть? С момента открытия этого механизма загадок стало только больше. Оказалось, один и тот же набор признаков (падение уровня АТФ, накопление свободных радикалов, высвобождение цитохрома c и исчезновение мембранного потенциала) служит сигналом для апоптоза у всех эукариот, даже у таких дальних родственников, как растения и дрожжи. Этого не ожидал никто. Но тем не менее возникновение апоптоза – неизбежное следствие естественного отбора, который действует на два генома. А это уже закономерное свойство, универсальное для сложной жизни.

Вернемся к электронам, которые движутся по нарушенной дыхательной цепи. Если работа митохондриальных и ядерных генов плохо согласована, это приведет к апоптозу. Вот великолепный пример того, как процесс естественного отбора, однажды начавшись, не может остановиться: тенденция, однажды поддержанная отбором, в конечном счете превращается в изощренный генетический механизм, в основе которого, однако, сохраняется его источник. Большой, сложной клетке в любом случае необходимы для жизни два генома. Работа геномов должна быть согласована, иначе невозможны дыхательные процессы. В случае несогласованной работы геномов клетка вступает в апоптоз и погибает. В настоящее время апоптоз можно рассматривать как форму естественного отбора против клеток, у которых рассогласованы геномы митохондрий и ядра. Ведь, как говорил генетик Феодосий Добржанский, ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции.

Так появился механизм, уничтожающий клетки с рассогласованными геномами. Выживают клетки, геномы которых работают слаженно. В ходе эволюции это привело к тому, что мы наблюдаем сейчас: к коадаптации митохондриальных и ядерных геномов, когда изменения в одном геноме компенсируются изменениями в другом. Как я упоминал, наличие двух полов увеличивает разнообразие женских гамет: большинство яйцеклеткок содержит клональные популяции митохондрий разного происхождения. Некоторые из этих митохондрий в присутствии генома оплодотворенной яйцеклетки будут работать лучше, другие – хуже. Те, что будут работать плохо, запустят апоптоз и погибнут вместе с клеткой. Хорошо функционирующие митохондрии, напротив, выживут.

У многоклеточных организмов выживание во многом определяется развитием. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота) в ходе многих клеточных делений превращается в новую особь. Этот процесс требует очень точного контроля. Если в результате апоптоза какие-нибудь клетки непредвиденно гибнут, это может нарушить всю программу развития и привести к выкидышу, к остановке эмбрионального развития. Это не обязательно плохо. С точки зрения естественного отбора, лучше прервать развитие на ранней стадии и не тратить ресурсы, чем позволить плохо приспособленному организму развиться до конца. Ведь в последнем случае ядерные и митохондриальные гены будут плохо совместимы друг с другом, что может вызывать митохондриальные заболевания, нарушения жизнедеятельности и раннюю смерть. С другой стороны, раннее прекращение развития в том случае, если у эмбриона обнаруживаются рассогласования в работе митохондриального и ядерного геномов, закономерно приводит к снижению рождаемости. Если преобладающая часть эмбрионов оказывается не способна развиться до взрослого состояния, это может привести к бесплодию. На одной чаше весов оказывается приспособленность потомства, на второй – плодовитость. Эти затраты и прибыли определяют ход естественного отбора. Ясно, что нужен точный механизм, определяющий, какие рассогласования геномов должны запускать апоптоз, а с какими вполне можно жить.

Действительно ли это реализуется в природе? Да – известно несколько случаев. Впрочем, это может оказаться лишь вершиной айсберга. Пожалуй, самый показательный пример обнаружил Рон Бертон. Он дольше десяти лет исследовал митохондриально-ядерные несовместимости у морских веслоногих рачков Tigriopus californicus. Это животные длиной 1–2 мм, обитающие почти во всех влажных местах, в частности, на литорали острова Санта-Крус у побережья Калифорнии. Бертон скрещивал рачков из двух популяций, которые несколько тысячелетий были репродуктивно изолированы друг от друга, хотя их разделяет лишь несколько километров. Бертон и его коллеги отметили случаи так называемого гибридного разрушения, которое проявляется при скрещивании особей из разных популяций. Это очень любопытное явление. Гибриды первого поколения, то есть результат первого скрещивания между двумя популяциями, вполне жизнеспособны. Но если взять полученных гибридных самок и попытаться скрестить их с самцами исходной отцовской популяции, их потомки окажутся сильно ослаблены, в “плачевном” состоянии, по выражению Бертона. У потомков этого скрещивания наблюдался целый спектр изменений, и их средняя приспособленность была значительно ниже. Уровень синтеза АТФ у них сократился примерно на 40 %, и это привело к снижению выживаемости, плодовитости и сроков развития (в данном случае речь идет о сроках метаморфоза, которые зависят от размеров тела, а те, в свою очередь, от скорости роста).

Эта проблема объясняется несовместимостью митохондриальных и ядерных генов, что можно подтвердить, взяв полученных в эксперименте ослабленных самцов и скрестив их с самками из исходной материнской популяции. Потомки такого скрещивания обретают нормальную приспособленность. Но если поставить обратный эксперимент – скрестить ослабленных самок с самцами из исходной отцовской популяции, – потомство так и останется ослабленным, точнее, окажется еще слабее. Результаты этих экспериментов довольно легко понять. Митохондрии всегда наследуются от матери, и для их нормального функционирования необходимо, чтобы гены в ядре также были похожи на материнские. При скрещивании с самцами из генетически удаленной популяции материнские митохондрии начинают работать с ядерными генами, которые плохо с ними сочетаются. У гибридов первого поколения эта проблема не стоит столь остро, поскольку 50 % генов их ядра унаследованы от матери и нормально функционируют с материнскими митохондриями. У потомков от скрещивания гибридов первого поколения с самцами из исходной отцовской популяции, таким образом, 75 % ядерных генов оказывается несовместимыми с генами митохондрий, что проявляется в сильном снижении приспособленности. Скрещивание ослабленных самцов с самками из исходной материнской популяции дает потомков, у которых 62,5 % ядерных генов происходит из материнской популяции и совместимо с митохондриальными. Приспособленность потомков, таким образом, восстанавливается. Но обратное скрещивание дает противоположный эффект: 87,5 % ядерных генов у потомков оказываются неприспособленными к согласованной работе с митохондриями. Неудивительно, что такие особи на ладан дышат.

Что такое гибридное разрушение? Многие знакомы с явлением гетерозиса – увеличением приспособленности гибридов. Скрещивание неродственных линий выгодно: тогда организмы с меньшей вероятностью несут одинаковые мутации в одних и тех же генах. Наборы генов, полученные от отца и от матери, компенсируют друг друга, что повышает приспособленность. Но эффект гетерозиса встречается сравнительно редко. Гораздо чаще скрещивание между неродственными видами дает нежизнеспособное или бесплодное потомство. Это и есть гибридное разрушение. Репродуктивные барьеры между близкородственными видами далеко не такие жестки, как это преподносится в учебниках, и виды, которые в дикой природе обычно не проявляют интереса друг к другу, нередко успешно спариваются в неволе. Традиционное понимание видов как популяций, не способных при скрещивании давать способное к размножению потомство, в случае многих близкородственных организмов просто не работает. Тем не менее в процессе расхождения популяций возникают репродуктивные барьеры. Такие барьеры должны начать проявляться в скрещиваниях между популяциями особей одного вида, которые долгое время были репродуктивно изолированы друг от друга. В случае рачков, которых изучает Рон Бертон, гибридное разрушение целиком обусловлено несовместимостью митохондриальных и ядерных генов. Но, может быть, механизм гибридного разрушения распространен шире и сыграл роль в происхождении гораздо большего числа видов?

Я подозреваю, что дело обстоит именно так. Конечно, это лишь один из множества механизмов видообразования, но случаи “митонуклеарного” гибридного разрушения обнаружены у многих организмов: у мух, ос, у пшеницы, у дрожжей и даже у мышей. Этот механизм возникает из-за необходимости согласованной работы двух генов, что у эукариот неизбежно приводит к видообразованию. Впрочем, эти эффекты в разной степени выражены у разных организмов – по всей видимости, из-за разной скорости изменения митохондриальных генов. У веслоногих рачков скорость эволюции митохондриальных генов может быть в 50 раз выше, чем у генов ядра. А митохондриальные гены плодовой мушки (Drosophila) изменяются гораздо медленнее – примерно в два раза быстрее ядерных генов. Соответственно, эффект митонуклеарного разрушения гибридов у веслоногих рачков выражен гораздо сильнее, чем у плодовых мушек. Чем выше скорость изменения, тем больше появляется различий в нуклеотидной последовательности за заданный промежуток времени, и, следовательно, тем выше вероятность возникновения несовместимости митохондриальных и ядерных геномов при скрещивании особей из разных популяций.

Точные причины того, почему митохондриальные гены животных эволюционируют гораздо быстрее ядерных, неизвестны. Дуглас Уоллес, основоположник митохондриальной генетики, считает, что митохондрии – это авангард процесса адаптации. За счет быстрых изменений митохондриальных генов животные могут задолго до появления более медленных морфологических адаптаций приспосабливаться к изменению кормовой базы и климата. Эта идея мне нравится, хотя у нее пока слишком мало убедительных доказательств или опровержений. Но если Уоллес прав, то повышение приспособленности обусловлено непрерывным появлением новых вариантов митохондриального генома, на которые может воздействовать естественный отбор. Эти изменения не только служат начальным механизмом, облегчающим адаптацию к новым условиям, но и являются одними из предвестников видообразования. Это согласуется со старым, очень занятным биологическим правилом, которое сформулировал Дж. Б. С. Холдейн, один из отцов-основателей эволюционной биологии. Новая интерпретация этого правила предполагает, что митонуклеарная коадаптация может быть важна в процессах возникновения видов, а также играть большую роль для нашего здоровья.

Холдейн всегда питал слабость к ярким высказываниям. В 1922 году он выступил со следующим примечательным заявлением:

Проще сказать “…этот пол – мужской”, но тогда область применимости этого правила сузилась бы. У млекопитающих мужской пол гетерозиготен (гетерогаметен). Это означает, что у самцов две половые хромосомы: Х и Y. Самки млекопитающих имеют две X-хромосомы, а значит, гомозиготны (гомогаметны). У птиц и некоторых насекомых все наоборот: женские особи гетерогаметны и обладают двумя разными половыми хромосомами, W и Z, а у гомогаметных самцов две половые хромосомы Z. Представьте себе скрещивание самца и самки, принадлежащих к двум близкородственным видам: в результате рождается жизнеспособное потомство. Но если мы посмотрим на это потомство внимательней, выяснится, что оно включает либо только девочек, либо только мальчиков. Или, если присутствуют оба пола, один из них стерилен или неполноценен в чем-либо еще. Согласно правилу Холдейна, у млекопитающих таким ущербным полом будет мужской, а у птиц – женский. Список примеров, который пополняется с 1922 года, весьма впечатляет: правило подтверждается сотнями случаев для животных из множества таксонов. Исключений из этого правила для такой области, как биология, удивительно мало.

В разное время предлагалось много довольно правдоподобных объяснений правила Холдейна, однако ни одно из них не применимо ко всем случаям, а значит, не является полностью удовлетворительным. Например, такое: половой отбор сильнее среди самцов, которые должны бороться друг с другом за внимание самок (самцы гораздо сильнее различаются по степени репродуктивного успеха, чем самки, и мужские половые признаки лучше “видны” отбору). Это, в свою очередь, делает самцов уязвимее для “гибридного разрушения” при скрещивании между популяциями. Но эта гипотеза не объясняет, почему самцы птиц менее самок подвержены “гибридному разрушению”.

Другая трудность: сомнительно, что правило Холдейна затрагивает лишь половые хромосомы – ведь хромосомное определение пола есть далеко не у всех организмов. У многих рептилий и амфибий вообще нет половых хромосом, а пол определяется температурой: из яиц, инкубируемых в более теплых условиях, развиваются самцы, или (реже) наоборот. На самом деле механизмы определения пола поразительно разнообразны, и, учитывая их огромную важность для живых организмов, это приводит в недоумение. Пол может определяться паразитами, числом хромосом, гормонами, факторами внешней среды, стрессом, плотностью популяции и даже митохондриями. Известно, что межпопуляционное скрещивание хуже сказывается на одном из полов, даже если определение пола вовсе не хромосомное. Это наводит на мысль, что здесь действует некий более глубокий механизм. Более того, сам факт многообразия способов определения пола – при том, что количество полов (два) столь консервативно, – указывает, что, возможно, существует базовая, глубинная основа определения пола (процесса, запускающего развитие либо по женскому, либо по мужскому пути), а над ней за счет разных генов лишь появляются надстройки.

Одна из возможных основ – скорость метаболизма. Даже древние греки понимали, что мужчины в буквальном смысле горячее женщин. У млекопитающих, например человека и мыши, наиболее рано проявляющееся различие между полами – это скорость роста: эмбрионы мужского пола растут чуть быстрее. Разница может быть зафиксирована в течение нескольких часов после зачатия при помощи линейки (не пытайтесь повторить это в домашних условиях). Ген SRY, расположенный на Y-хромосоме и определяющий у людей развитие по мужскому пути, ускоряет рост за счет активации множества ростовых факторов. У ростовых факторов нет половой специфичности: в норме они активны и у самцов, и у самок, однако у самцов устанавливается более высокий уровень их активности. Мутации, повышающие активность этих факторов и тем самым увеличивающие скорость роста, могут индуцировать смену пола, направляя развитие женских эмбрионов без Y-хромосомы (или гена SRY) по мужскому пути. И наоборот: мутации, снижающие активность этих факторов, могут иметь противоположный эффект, превращая самцов с прекрасно функционирующей Y-хромосомой в самок. Все это свидетельствует о том, что скорость роста – реальная сила, стоящая за половым развитием, по крайней мере у млекопитающих. Гены лишь “держат поводья” и в процессе эволюции могут легко замещать друг друга: один ген, определяющий скорость роста, сменяется другим геном, который делает то же самое.

У амфибий и рептилий выбор пола определяется температурой, и это удивительно сочетается с тем обстоятельством, что скорость роста выше у самцов. В пределах допустимых значений повышение температуры тела рептилии на 10 °C (скажем, после того, как она согрелась на солнце) примерно вдвое увеличивает скорость метаболизма, что, в свою очередь, позволяет поддерживать более высокую скорость роста. При повышенной температуре не всегда (по многочисленным причинам) развиваются самцы, но связь между половой принадлежностью и скоростью роста (через гены ли, через температуру она реализуется) гораздо глубже, чем любой механизм. Очень похоже, что время от времени новые гены приспосабливались к этой задаче и “перехватывали поводья”, определяя, при какой скорости развитие пойдет по женскому пути, а при какой – по мужскому. Между прочим, это одна из причин, почему мужчинам не стоит бояться того, что Y-хромосоме придет конец: ее функцию, вероятнее всего, возьмут на себя какие-нибудь другие факторы – может, ген, а может, другая хромосома. Они и будут устанавливать более высокую скорость метаболизма, необходимую для развития по мужскому пути. Этим также может объясняться странное наружное положение яичек у млекопитающих: потребность в нужной температуре гораздо глубже укоренена в нашей биологии, чем обладание мошонкой.

Эти идеи, должен признаться, явились для меня откровением. Гипотезу о том, что пол определяется главным образом скоростью метаболизма, несколько десятилетий разрабатывала Урсула Миттвоч, моя коллега из Университетского колледжа (Лондон). В свои девяносто лет она замечательно активна и публикует очень важные статьи. Они не так широко известны, как следовало бы – возможно, из-за того, что в век молекулярной биологии и секвенирования геномов измерение таких “незамысловатых” параметров, как скорость роста, размер эмбриона, содержание ДНК и белка в гонадах выглядит старомодно. Теперь, на пороге новой эры – эры эпигенетики (какие факторы контролируют экспрессию генов), ее работы стали больше соответствовать современным веяниям в науке, и я надеюсь, что они займут заслуженное место в истории биологии[94].

Какое отношение все это имеет к правилу Холдейна? Стерильность и нежизнеспособность сопутствуют нарушению нормальных функций. За пределами нормы орган или организм погибает. Лимит работоспособности определяется двумя факторами: энергетической “стоимостью” выполнения задачи (например производства спермы) и доступными энергетическими ресурсами. Если их меньше, чем требуется, орган (организм) умирает. Эти критерии могут показаться слишком грубыми для мира генетических сетей, но они так или иначе играют очень важную роль. Надев на голову пластиковый пакет, вы резко снизите количество доступной энергии в сравнении с вашими потребностями. Спустя чуть более минуты организм прекратит функционировать (по меньшей мере перестанет работать мозг). Энергетические нужды вашего мозга и сердца высоки, поэтому эти органы умрут первыми. Клетки кожи и кишечника могут прожить дольше, так как их метаболические потребности гораздо ниже. Остатков кислорода хватит, чтобы они прожили еще несколько часов, а то и дней. Для совокупности клеток, из которых мы состоим, смерть – это не мгновенное превращение в ничто, а растянутый во времени процесс. Мы представляем собой констелляцию клеток, а они не умирают одновременно. Клетки с наиболее высокими потребностями раньше остальных сталкиваются с невозможностью их удовлетворить.

Именно эта проблема возникает при митохондриальных заболеваниях. Большая их часть вызывает нейромышечную дегенерацию и нарушает работу мозга и скелетной мускулатуры, ткани которых имеют наиболее высокую скорость метаболизма. Особенно уязвимо зрение: скорость метаболизма клеток сетчатки и зрительного нерва – самая высокая в организме. Митохондриальные болезни (например наследственная оптическая нейропатия Лебера) поражают зрительный нерв, вызывая слепоту. Довольно трудно выводить общие закономерности для митохондриальных заболеваний, потому что их тяжесть зависит от множества факторов: типа мутации, числа мутантов, тканевой локализации. Но если оставить это в стороне, факт остается фактом: митохондриальные заболевания в первую очередь поражают ткани с самыми высокими энергетическими потребностями.

Представьте себе две клетки с одинаковым количеством однотипных митохондрий. За счет этого их возможности по производству АТФ примерно совпадают. Если их метаболические потребности различаются, то прогноз на будущее для этих клеток будет разным (рис. 33). Предположим, что у первой клетки низкие метаболические потребности: она спокойно может их удовлетворять, поскольку производит АТФ более чем в достаточном объеме и может тратить его на все, что нужно. А теперь представьте, что у второй клетки потребности гораздо выше: они превосходят даже ее максимально возможную продукцию АТФ. Клетка пытается свести концы с концами, собрав все свои физиологические силы. Электроны рекой льются в дыхательные цепи, но это мало помогает: они поступают на цепь быстрее, чем успевают ее покинуть. Окислительно-восстановительные центры перевосстановливаются и начинают реагировать с кислородом с образованием свободных радикалов. Те, в свою очередь, окисляют близлежащие мембранные липиды, в результате чего высвобождается цитохром c. Потенциал на мембране падает, и клетка умирает в результате апоптоза. Так работает отбор на тканевом уровне: клетки, которые не могут удовлетворить свои метаболические потребности, элиминируются, а те, которые способны себя обеспечить, остаются жить.

Устранение клеток, работающих недостаточно хорошо, улучшает общее состояние ткани лишь в том случае, если им на смену приходят новые клетки, которые развиваются из стволовых. Главная проблема нейронов и мышечных клеток заключается в том, что они не могут быть замещены. Как можно заменить нейрон? В нейронных сетях хранится наш опыт, а каждый нейрон – узел сети – образует около 10 тыс. синапсов. Если нейрон погибает путем апоптоза, его синаптические связи навсегда теряются вместе со всеми воспоминаниями, знаниями и свойствами личности, которые могли быть в них зашифрованы. Этот нейрон невозможно заменить – он “невозобновим”. На самом деле клетки любых тканей, прошедшие окончательную дифференцировку, невозобновимы: само их существование невозможно без глубокого разделения между зародышевой линией и остальными соматическими клетками (об этом разделении шла речь в предыдущей главе). Основа отбора, его субстрат, – это потомство. Если организмы с крупным невозобновляемым мозгом будут оставлять больше жизнеспособного потомства, чем организмы с маленьким возобновляемым мозгом, то в определенный момент первые восторжествуют над вторыми. Таким образом, отбор может действовать лишь в том случае, если присутствует разделение клеток на зародышевые и соматические. Но при этом тело становится “одноразовым”, срок жизни – небесконечным, а собственные клетки, у которых не получается удовлетворить метаболические потребности, в конце концов нас убивают.

Рис. 33. Судьба клетки зависит от ее умения удовлетворять свои потребности.

Изображены две клетки, митохондрии которых способны вырабатывать одинаковое суммарное количество энергии. При этом у клеток разные потребности. У клетки А потребности умеренные (на это указывает толщина стрелок). Митохондрии могут их удовлетворять, не перевосстанавливаясь (митохондрии в нормальном состоянии обозначены серыми овалами). У клетки Б уровень потребностей изначально нормален, но впоследствии значительно повышается. Соразмерно увеличивается количество электронов, поступающих в митохондрии, но их энергии недостаточно, и дыхательные комплексы перевосстанавливаются, то есть приобретают избыточный заряд. Если возможности клетки в ближайшее время не расширятся, итогом станет клеточная смерть (рис. 32).

Вот почему важна скорость метаболизма. Клеткам с более высокой скоростью метаболизма угрожает опасность не справиться со своими потребностями, если их митохондрии будут производить столько же энергии, как и митохондрии других клеток. Не только митохондриальные заболевания, но и обыкновенное старение и связанные с ним болезни будут поражать в первую очередь ткани с самыми высокими метаболическими потребностями. И, чтобы завершить круг, вспомним, как различается скорость метаболизма у двух полов. У самцов (по крайней мере, у млекопитающих) скорость метаболизма выше, чем у самок. Генетические дефекты митохондрий будут проявляться сильнее у пола, для которого характерна более высокая скорость метаболизма: у мужского. Некоторые митохондриальные заболевания и в самом деле шире распространены среди мужчин. Так, наследственная оптическая нейропатия Лебера встречается у них в пять раз чаще, чем у женщин, а болезнь Паркинсона, также имеющая заметную митохондриальную составляющую, – в два раза чаще. Вдобавок самцы более чувствительны к митохондриально-ядерным рассогласованиям. Если такие рассогласования появляются при скрещивании между репродуктивно изолированными популяциями, это ведет к гибридному разрушению. Получается, гибридному разрушению сильнее подвержен пол с наиболее высокой скоростью метаболизма, а у особей этого пола, в свою очередь, наибольшей опасности подвергаются ткани с повышенной скоростью метаболизма. И все это закономерные последствия того, что для сложной жизни необходимо два генома.

Эти соображения позволяют дать красивое и простое объяснение правилу Холдейна: особи того пола, для которого характерна более высокая скорость метаболизма, чаще оказываются стерильными или нежизнеспособными. Но так ли это? И важно ли? Что ж, объяснение может быть верным и при этом простым (даже банальным), к тому же ничто из сказанного не противоречит другим возможным причинам, в силу которых может выполняться правило Холдейна. Никто не говорит, что скорость метаболизма должна выступать единственной причиной, но действительно ли она важна? Я думаю, да. Например, известно, что температура приближает гибридное разрушение. Потомство от скрещивания двух близкородственных видов жуков-чернотелок Tribolium castaneum и Tribolium freeman остается здоровым при обычной для них температуре 29 °C, но при повышении температуры до 34 °C самки (в данном случае именно они) развиваются с уродствами конечностей и антенн. Такая разновидность температурной чувствительности широко распространена и, как правило, вызывает бесплодие у представителей лишь одного из полов. Этот механизм проще понять, приняв во внимание скорость метаболизма: перейдя границы допустимых потребностей, определенные ткани начинают разрушаться.

В числе таких тканей часто оказываются ткани половых органов, в особенности мужских, где на протяжении всей жизни идет производство спермы. Весьма впечатляющий пример из растительного мира – цитоплазматическая мужская стерильность. Большинство цветущих растений – гермафродиты, но при этом среди них высока доля особей, у которых развивается мужская стерильность. Получаются как бы два “пола”: гермафродиты и женские растения (на самом деле гермафродиты с мужской стерильностью). Данное явление вызывается митохондриями, и этот случай традиционно рассматривался как проявление эгоистического конфликта[95]. Однако молекулярные исследования показали, что мужская стерильность может просто отражать скорость метаболизма. Оксфордский ботаник Крис Ливер показал, что цитоплазматическую мужскую стерильность у подсолнечника вызывает ген, кодирующий одну из субъединиц митохондриальной АТФ-синтазы. Проблема в ошибке рекомбинации, которая затрагивает относительно небольшую долю АТФ-синтаз. Из-за этого снижается максимально возможная скорость синтеза АТФ. В большей доле тканей эта мутация никак себя не проявляет, деградируют лишь мужские половые органы – пыльники (не поддающиеся замене клетки умирают в результате апоптоза, который запускается высвобождением цитохрома c из митохондрий, как и у нас). Похоже, пыльники у подсолнечника – единственный орган, ткани которого имеют настолько высокие метаболические потребности, что начинается разрушение: лишь там мутантные митохондрии оказываются неспособны удовлетворить метаболические запросы клеток ткани. Результат – мужская стерильность.

То же самое обнаружено у плодовой мушки. Пересаживая ядро из одной клетки в другую, можно сконструировать цитоплазматические гибриды (цибриды) с идентичными геномами, но разными наборами митохондриальных генов[96]. Из яйцеклеток, подвергнутых такой операции, развиваются зародыши мух с одинаковыми ядерными геномами, но с митохондриальными генами разных родственных видов. В итоге из-за различий в митохондриальных геномах насекомые оказываются поразительно не похожими друг на друга. В самых удачных случаях новорожденные мухи абсолютно нормальны. При наихудших сочетаниях двух геномов самцы рождаются стерильными: мужской пол у дрозофилы гетерогаметен[97]. Наиболее интересны промежуточные ситуации, когда мухи, на первый взгляд, нормальны. Но если изучить активность генов в различных органах, выясняется, что она нарушена, например в тканях тестикул. Экспрессия более 1 тыс. генов в тестикулах и сопутствующих половых органах оказывается повышенной. Пока неясно, что именно при этом происходит, но самое простое объяснение, на мой взгляд, таково: эти органы не могут справиться с обеспечением энергией собственных функций. Митохондрии в клетках этих органов не в полной мере совместимы с ядерными генами. Клетки тестикул, с их высокими метаболическими потребностями, испытывают физиологический стресс, а он провоцирует ответ, в который вовлекается значительная часть генома. Как и в случае цитоплазматической мужской стерильности у растений, несовместимость геномов сказывается лишь на органах с наиболее высокой метаболической активностью – на половых, причем исключительно мужских[98].

Если так, то почему у птиц самки сильнее подвержены подобным нарушениям? Примерно по тем же причинам, но здесь есть некие интересные отличия. У некоторых птиц, в особенности хищных, самки крупнее самцов и, возможно, поэтому растут быстрее. Но это не является общим правилом. Урсула Миттвоч показала, что яичники у цыплят спустя несколько недель замедленного роста начинают опережать в развитии семенники. Можно предположить, что в подобных случаях женские особи будут страдать скорее от бесплодия, чем от нежизнеспособности – ведь у них быстрее растут лишь половые органы. Но это не так. В большинстве случаев, когда выполняется правило Холдейна, гибриды оказываются как раз нежизнеспособными, а не стерильными. Это сбивало меня с толку, пока в прошлом году Джефф Хилл, специалист по половому отбору у птиц, не прислал мне статью о том, как работает правило Холдейна на птицах. Хилл показал, что у птиц некоторые ядерные гены, кодирующие дыхательные белки, расположены на Z-хромосоме (вспомните, что самцы имеют две Z-хромосомы, тогда как у самок присутствует и Z-хромосома, и W-хромосома одновременно; а это означает, что женский пол гетерогаметен). Почему это имеет значение? Если самки птиц наследуют одну копию Z-хромосомы, они получают лишь по одной копии нескольких критически важных ядерных генов, кодирующих дыхательные белки, – от отца. Если мать была не слишком придирчива при выборе супруга, ее митохондриальные гены могут оказаться несовместимы с его ядерными генами (которые у птенца будут в единственном экземпляре). Вырождение последует незамедлительно.

Хилл утверждает, что такое положение вещей обязывает самок птиц подходить к выбору партнера как можно тщательней, иначе их дочери погибнут. Этим, в свою очередь, могут объясняться огромные хвосты и яркая окраска самцов. Если Хилл прав, то сложный узор на хвосте сообщает о качестве митохондрий: грубые нарушения узора сигнализируют о грубых отклонениях в митохондриальной ДНК. Самки рассматривают узор как тест на совместимость. Но самец, который хорошо выглядит, на самом деле может быть очень плохим экземпляром. Хилл считает, что игра цвета отражает работу митохондрий, так как в митохондриях синтезируется большая часть пигментов. Ярко окрашенные самцы должны обладать митохондриальными генами превосходного качества. Пока эту гипотезу мало что подтверждает, но зато она показывает, сколь широко может распространяться влияние митонуклеарной коадаптации. Очень поучительно, что наличием двух геномов у сложных организмов могут объясняться такие разные загадки эволюции, как происхождение видов, возникновение полов и яркая окраска у самцов птиц.

Влияние может распространяться и глубже. За митонуклеарную несовместимость приходится платить, но и правильное сочетание имеет свою цену, делая совместимость необходимой. Баланс затрат и прибыли у разных видов может различаться в зависимости от потребности в кислороде. Как мы увидим, приходится выбирать между приспособленностью и плодовитостью.

Представьте, что вы умеете летать. На грамм массы вашего тела приходится в два раза больше энергии, чем у бегущего гепарда. Вы являете собой великолепное сочетание силы, легкости и высокой аэробной производительности. Однако вам стоит оставить мечты о полете, если только ваши митохондрии не близки к совершенству. Поговорим о конкуренции за пространство, которая разворачивается в предназначенной для полета мускулатуре. Разумеется, вам требуются миофибриллы – “скользящие нити”, которые осуществляют мышечное сокращение. Чем больше таких структур вы сможете вместить, тем сильнее будете: сила мышцы, как и прочность веревки, зависит от площади поперечного сечения. Но, в отличие от веревки, для сокращения мышцы требуется АТФ. Чтобы долгое время сохранять мышечное напряжение, необходимо на месте синтезировать АТФ. Значит, митохондрии должны помещаться непосредственно в мышцах. Они занимают место, которое также можно заполнить миофибриллами. Еще митохондриям нужен кислород. Следовательно, необходимы капилляры, чтобы доставлять кислород и удалять отходы. Оптимальная организация пространства в аэробной мышце такова: треть приходится на миофибриллы, треть – на митохондрии, еще треть – на капилляры. Такое соотношение наблюдается у нас, а также у гепардов и колибри (у них самая высокая скорость обмена веществ среди позвоночных). Итак, теперь понятно, что нельзя увеличить силу, просто набрав побольше митохондрий.

Следовательно, единственный способ, при помощи которого птицы смогут получать достаточно энергии, чтобы долго оставаться в полете, – это обзавестись “супермитохондриями”, которые вырабатывали бы больше АТФ за секунду, чем обычные митохондрии. Поток электронов от питательных веществ на кислород должен быть быстрым. Отбор должен действовать на каждом шаге, увеличивая максимальную скорость работы каждого дыхательного белка. Эти скорости можно измерить, и мы знаем, что ферменты в митохондриях птиц действительно работают быстрее, чем у млекопитающих. Но, как мы видели, дыхательный белок – это мозаика, составленная из субъединиц, закодированных в разных геномах. Быстрый поток электронов означает жесткий отбор на качественную совместную работу двух геномов – митонуклеарную коадаптацию. Чем выше уровень потребления кислорода, тем сильнее должен быть отбор на коадаптацию. Клетки, два генома которых работают недостаточно слаженно и эффективно, элиминируются, вступая в апоптоз. Самое подходящее время для такого отбора – эмбриональное развитие. Если геномы у эмбриона работают недостаточно слаженно для поддержания полета, лучше оборвать развитие как можно раньше.

Но насколько должно быть несовместимым несовместимое? Вероятно, должен быть некий порог, точка, в которой запускается апоптоз. За этим порогом скорость потока электронов по мозаичной дыхательной цепи недостаточно высока: она не подходит для работы. Отдельные клетки, а затем и весь эмбрион, погибают из-за апоптоза. Напротив, ниже порога скорость электронов достаточно высока, и, следовательно, два генома слаженно работают. В этом случае клетки не убивают себя, и эмбрион остается жить. Развитие продолжается, и вскоре на свет появляется, например, здоровый птенец. Его митохондрии прошли предварительную проверку и “сертифицированы” для своей работы[99]. Важно то, что эта работа может быть разной. Если это обеспечение полета, то геномы должны работать с великолепной слаженностью. Цена высокой аэробной производительности – низкая плодовитость. Чтобы большее число эмбрионов получило возможность выжить, приходится жертвовать другими, менее важными целями: приносить их на алтарь совершенства. Мы можем найти последствия этого даже в митохондриальных генах. У птиц они изменяются медленнее, чем у большинства млекопитающих (кроме летучих мышей, которые сталкиваются с теми же проблемами, что и птицы). У нелетающих птиц, на которых эти ограничения не действуют, замены происходят с более высокой скоростью. У большинства птиц низкие темпы мутационной изменчивости из-за того, что их митохондриальные последовательности уже наилучшим образом приспособлены для полета. Отклонения от этого идеала плохо сказываются на птицах и поэтому обычно отсеиваются отбором. Если большинство изменений элиминируется, оставшаяся часть относительно постоянна.

Но предположим, что я крыса и полеты меня не интересуют. Глупо жертвовать большей частью моего многочисленного будущего потомства ради совершенства. Мы уже знаем, что сигналом, запускающим апоптоз (форму функционального отбора), служит образование свободных радикалов. Медленный, ленивый поток электронов по дыхательной цепи выдает плохую совместимость митохондриального и ядерного геномов. Перевосстановление компонентов дыхательных цепей приводит к образованию свободных радикалов. Цитохром c выходит из митохондрий, и потенциал на мембране падает. Будь я птицей, сочетание этих факторов послужило бы сигналом для запуска апоптоза. Мои дети умирали бы еще на эмбриональной стадии. Но я крыса, и мне это не нужно. Что, если при помощи какого-либо биохимического фокуса я смогу “проигнорировать” свободнорадикальный сигнал, который должен вызвать смерть моего потомства? Я подниму порог смерти. Это будет означать, что образование свободных радикалов сможет достигать больших масштабов прежде, чем вызвать апоптоз. Так я получу преимущество: большая часть моего потомства переживет эмбриональный период, и я стану гораздо плодовитее. Но какую цену мне придется заплатить за феерическую продуктивность?

Летать я определенно не смогу. Более того, моя аэробная производительность окажется ограниченной. У моего потомства будет очень мало шансов заполучить оптимальную комбинацию митохондриальных и ядерных генов. Вот мы и подошли к следующей точке баланса затрат и прибылей: приспособленности против болезней. Вспомните гипотезу Дугласа Уоллеса о том, что быстрая эволюция митохондриальных генов у животных способствует их адаптации к разному климату и питанию. Мы не знаем, как именно это работает (если работает), но удивительно, если бы в этой гипотезе не оказалось зерна истины. Самые значимые факторы, к которым стоит приспособиться (иначе мы недолго протянем), – это рацион и температура тела. Митохондрии очень важны и в том, и в другом случае. Работа митохондрий в высокой степени зависит от митохондриальной ДНК. Различные последовательности ДНК обеспечивают разное качество работы в разных условиях. Одни будут лучше работать при более низкой температуре, другие – при более высокой. Одни лучше подойдут для повышенной влажности, другие – для сжигания калорий при диете с повышенным содержанием жиров. И так далее.

Есть намеки на то, что отбор в определенных условиях действительно идет: например, в человеческих популяциях довольно четко наблюдается распределение по типам митохондриальной ДНК в соответствии с географическими областями. Это не более чем намеки. И все же нет сомнений в том, что у птиц разнообразие митохондриальной ДНК гораздо ниже. Уже тот факт, что большинство отклонений от оптимальной для полета нуклеотидной последовательности элиминируется в ходе отбора, означает, что чем ниже изменчивость оставшейся ДНК, тем менее широк простор для отбора. Становится сложнее подобрать вариант митохондриальной ДНК, который хорошо подходил бы, например, для холода или же для богатой жирами диеты. В этом отношении особенно интересен тот факт, что птицы часто мигрируют вместо того, чтобы страдать от сезонных изменений в условиях среды обитания. Возможно ли, что их митохондрии лучше приспособлены для того, чтобы обеспечивать длительную нагрузку в процессе миграции, чем к работе в более жестких условиях, с которыми они могут столкнуться, если птицы останутся в одной местности? У крыс, напротив, нет проблем с вариативностью, и, казалось бы, за счет этого они должны иметь обширный материал для адаптаций. Действительно ли это так? Откровенно говоря, я не знаю, но эти звери отлично умеют приспосабливаться. Черт бы взял всех этих крыс, от которых не спастись.

Но, конечно, широкое разнообразие митохондриальных генов имеет свою цену. Это болезни. В сущности, этого можно избежать, осуществляя отбор клеток зародышевой линии и избавляясь от тех, которые несут митохондриальные мутации, еще до их созревания. Есть некоторые свидетельства того, что такой отбор имеет место: у мышей и крыс тяжелые митохондриальные мутации обычно ликвидируются за несколько поколений, хотя менее вредные мутации и переходят к потомству почти беспрепятственно. Только задумайтесь: несколько поколений! Отбор здесь очень слабый. Если вам выпало родиться с серьезным митохондриальным заболеванием, вы не сможете утешиться надеждой, что ваши внуки (если повезет их иметь) будут здоровыми. Даже если отбор вправду действует на клетки зародышевой линии, отсеивая митохондриальных мутантов, это не дает никаких гарантий отсутствия митохондриальных заболеваний. Ядра незрелых яйцеклеток могут быть ничуть не похожи на то, что получится. Они много лет находятся в подвешенном состоянии, застыв на полпути к завершению мейоза – а в какой-то момент им приходится объединять свои потрепанные, видавшие виды гены с генами партнера. Отбор на митонуклеарную коадаптацию может происходить лишь после того, как зрелая яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом и образовалось новое, генетически уникальное ядро. Сами по себе митохондриальные мутации не влекут гибридное разрушение: его вызывают несоответствия между ядерными и митохондриальным генами (причем и те, и другие в других обстоятельствах могут прекрасно работать). Мы видели, что сильный отбор, отсеивающий клетки с митонуклеарной несовместимостью, неизбежно увеличивает вероятность бесплодия. Если мы не хотим оказаться бесплодными, то должны заплатить другую цену – у нас будет повышенный риск возникновения болезней. Столкновение с этим выбором – плодовитость и заболевания или бесплодие и здоровье в остальном – также является закономерным следствием необходимости обладать двумя геномами.

Это гипотетический порог смерти (рис. 34). Оказавшись за ним, клетка (а вместе с ней, возможно, и весь организм) погибает в результате апоптоза. Ниже порога клетка и организм выживают. Высота этого порога у разных видов различна. Для летучих мышей, птиц и других созданий с высоким уровнем потребления кислорода порог должен быть низким: даже небольшой уровень свободных радикалов в ущербных митохондриях (вместе с небольшими несоответствиями митохондриального и ядерного геномов) будет запускать апоптоз и гибель эмбриона. Для крыс, ленивцев и всех существ с низкой потребностью в кислороде порог выше. Для них образование свободных радикалов в небольших количествах допустимо, митохондрии с некоторыми нарушениями функций считаются сносными, эмбрион продолжает развиваться. Оба варианта несут и выгоды, и неудобства. Низкий порог дает высокую аэробную эффективность и низкую вероятность развития заболеваний, но за это приходится платить повышенной вероятностью бесплодия и худшей приспосабливаемостью. С высоким порогом связаны низкая аэробная производительность и повышенная подверженность заболеваниям, но при этом доступны высокая плодовитость и хорошая приспосабливаемость. Вот волшебные слова, их можно повторять, как мантру. Плодовитость. Приспособляемость. Аэробная эффективность. Болезни. Мы подошли к сути естественного отбора – ближе некуда. Повторюсь: необходимость идти на компромиссы неизбежно вытекает из потребности иметь два генома.

Рис. 34. Порог смерти.

Порог, при достижении которого утечка свободных радикалов влечет клеточную смерть (апоптоз), должен различаться у разных видов в зависимости от аэробной эффективности. Организмы с высокой потребностью в кислороде должны иметь очень хорошо сочетающиеся митохондриальный и ядерный геномы. Низкое соответствие выражается в высокой скорости утечки свободных радикалов из дисфункциональной дыхательной цепи (рис. 32). Если требуется очень хорошая совместимость, то клетки должны быть чувствительнее к утечке свободных радикалов. Даже слабые сигналы утечки, указывающие на недостаточную сочетаемость, включают механизм клеточной смерти (низкий порог). Напротив, если потребность в кислороде невысока, то нет смысла убивать клетки. Такие организмы будут выдерживать более высокие уровни утечки свободных радикалов без запуска апоптоза (высокий порог). Прогнозы для низкого и высокого порогов смерти – по сторонам картинки. У голубей предположительно низкий порог, а у крыс – наоборот. Эти два вида имеют одинаковые размеры тела и базальную скорость метаболизма, но у голубей скорость утечки свободных радикалов гораздо ниже. Неизвестно, насколько эти предположения отражают реальность, но тот факт, что крысы живут три-четыре года, а голуби – до 30 лет, впечатляет.

Я выбрал название – “гипотетический порог смерти”. Но действительно ли он существует? Если да, вправду ли он настолько важен? Подумайте о нас, людях. В 40 % случаев беременность прерывается на ранних стадиях в результате скрытого выкидыша. “Ранние” в данном случае означает по-настоящему ранние – в первые несколько недель, до появления признаков беременности. Женщина не может быть уверена, что не была беременной. Скрытый – значит прошедший незамеченным, не подтвержденный клинически. Мы не знаем, почему это происходит. Ни один из обычно предполагаемых факторов не служит причиной таких выкидышей – например нарушение расхождения хромосом, в результате которого получается “трисомия” или нечто подобное. А может, у проблемы биоэнергетическая природа? Трудно сказать, как все обстоит на самом деле, но в дивном новом мире, где можно в короткий срок секвенировать целые геномы, есть надежда это выяснить. Случалось, что эмоциональные расстройства, сопутствующие бесплодию, толкали людей на довольно нездоровые эксперименты с факторами, способствующими эмбриональному росту. При помощи грубого приема – инъекции АТФ в ткани – можно продлить существование ослабленного зародыша. Получается, биоэнергетические факторы явно играют какую-то роль. С другой стороны, быть может, такие неудачи – к лучшему. Возможно, у этих эмбрионов были митонуклеарные несоответствия, которые послужили сигналом для запуска апоптоза. Лучше не рассматривать эволюцию в контексте морали и воздержаться от любых обвинений в ее адрес. Могу лишь сказать, что я не забуду годы собственных страданий от одной на двоих беды (к счастью, они закончились). И я, как и многие другие люди, хотел бы знать – почему. Я думаю, столь часто случающийся скрытый выкидыш на ранних стадиях действительно связан с митонуклеарной несовместимостью.

Но есть еще одна причина считать, что порог смерти существует и имеет большое значение: косвенная плата за высокий порог смерти – ускоренное старение и предрасположенность к сопутствующим болезням. Это утверждение может вызвать недоумение. Высокий порог смерти означает высокую толерантность к образованию свободных радикалов при запуске апоптоза. Это означает, что у видов с пониженной аэробной производительностью, например у крыс, должно образовываться больше свободных радикалов. И, напротив, у видов с высокой аэробной производительностью – например у голубей – должно появляться меньше свободных радикалов. Я тщательно выбирал эти виды. Масса тела у них почти одинакова, как и базальная (то есть в спокойном состоянии) скорость метаболизма. На одном этом основании большинство биологов скажет, что срок жизни у них должен быть одинаковым. Но, по данным Густаво Барха из Мадридского университета, у голубей в митохондриях образуется гораздо меньше свободных радикалов, чем у крыс[100]. Свободнорадикальная теория старения гласит, что старение вызывает образование свободных радикалов: чем выше скорость их образования, тем быстрее мы стареем. Теория подвергалась серьезной критике в последние десять лет, однако в данном случае она позволяет дать четкое предсказание: голуби должны жить дольше крыс. И это действительно так. Голубь – не просто летающая крыса. Так что же, свободнорадикальная теория старения верна? В первоначальной формулировке – нет. Но, я думаю, она верна в другой форме.

Свободнорадикальная теория старения выросла в 50-х годах из радиационной биологии. Ионизирующее излучение расщепляет молекулы воды с образованием реакционноспособных “осколков” с одним неспаренным электроном: свободных радикалов кислорода. Некоторые из них, например, печально известный гидроксильный радикал (OH^•), чрезвычайно опасны, а другие, как супероксидный анион-радикал (O₂^•–), ведут себя сравнительно спокойно. Ребекка Гершман, Дэнхам Харман и другие основоположники свободнорадикальной теории старения поняли, что те же самые свободные радикалы могут образовываться внутри митохондрий непосредственно из кислорода, без всякой радиации. Они считали, что разрушительные по своей природе свободные радикалы способны повреждать белки и вызывать мутации ДНК. Все это правда: свободные радикалы и не такое могут. Они способны запускать длинные цепные реакции, в которых молекулы (как правило, мембранные липиды), перехватывая друг у друга электрон, сеют хаос в хрупких клеточных структурах. Для клетки это заканчивается, гласит теория, разгромом.

В митохондрии образуются свободные радикалы, которые реагируют со всеми оказавшимися рядом молекулами, в том числе с близко расположенной митохондриальной ДНК. Из-за этого в митохондриальной ДНК накапливаются мутации, и некоторые приводят к синтезу поврежденных дыхательных белков, которые образуют еще больше свободных радикалов. Эти радикалы еще сильнее повреждают белки и ДНК, и вскоре разрушительный процесс доходит до ядра, вызывая “катастрофу ошибок”. Если вы посмотрите на демографические графики заболеваемости и смертности, то увидите, что эти показатели экспоненциально растут на промежутке 60–100 лет. Идея катастрофы ошибок (самоподдерживающегося процесса разрушения) как будто соответствует этим графикам. И та идея, что причина процесса старения – именно кислород, без которого наша жизнь невозможна, наполняет каждый вдох смыслом.

Но если свободные радикалы вредны, антиоксиданты должны быть полезны. Антиоксиданты нейтрализуют токсический эффект свободных радикалов, обрывая цепные реакции и так предотвращая распространение повреждений. Если свободные радикалы вызывают старение, то антиоксиданты должны его замедлять, оттягивать наступление болезней и, может быть, даже продлевать жизнь. Некоторые знаменитые ученые поверили в этот миф. Например, Лайнус Полинг, который ежедневно принимал несколько ложек витамина C, умер в возрасте 92 лет, но все же не вышел за пределы продолжительности жизни обычных людей, в том числе тех, которые пили и курили. Очевидно, процесс старения далеко не так прост.

Такое упрощенное представление о свободных радикалах и антиоксидантах до сих пор тиражируется в глянцевых журналах и рекламе здорового питания, хотя большинство исследователей давно от него отказалось. Барри Холлиуэлл и Джон Гаттеридж, авторы классического учебника “Свободные радикалы в биологии и медицине”, отметили, что “к 90-м годам XX века всем стало ясно, что антиоксиданты – не панацея от старения и болезней, и лишь нетрадиционная медицина еще пытается навязать это представление”.

Свободнорадикальная теория старения – одна из тех красивых идей, которые разбиваются, столкнувшись с уродливыми фактами. Да-да, уродливыми фактами. Ни одно из положений этой теории в исходной формулировке не получило экспериментального подтверждения. Не обнаружено достоверного увеличения образования свободных радикалов в митохондриях по мере старения. Обнаружено незначительное увеличение числа митохондриальных мутаций, но их, за исключением клеток на ограниченных участках ткани, на удивление мало – гораздо меньше, чем требуется для развития митохондриальных заболеваний. В некоторых тканях действительно накапливаются повреждения, но ничего похожего на “катастрофу ошибок” не наблюдается, и наличие причинно-следственных связей здесь сомнительно. Антиоксиданты не продлевают жизнь и не защищают от болезней. Все наоборот. Идея, будто антиоксиданты способны предотвратить старение, оказалась столь соблазнительной, что за последние десятилетия сотни тысяч людей приняли участие в клинических испытаниях. Оказалось, что антиоксиданты в больших дозах представляют небольшую, но верную угрозу для здоровья. Иными словами, принимая антиоксиданты, вы рискуете умереть чуть раньше. В тканях у многих животных-долгожителей низкое содержание антиоксидантных ферментов, а у животных с малой продолжительностью жизни их, напротив, гораздо больше. Что еще страннее, прооксиданты могут увеличивать продолжительность жизни животных. Учитывая сказанное, нет ничего удивительного в том, что большинство геронтологов переключилось на другие темы. Все это я подробно обсуждал в предыдущих книгах. Мне приятно думать, что провал идеи с антиоксидантами я предугадал еще в 2002 году, в книге “Кислород”, но это не так. Безнадежность этой затеи уже тогда была всем очевидна. Миф, будто антиоксиданты способны замедлять старение, выкристаллизовался из жадности, отсутствия альтернатив и попыток выдать желаемое за действительное.

Вы спросите: а почему я продолжаю придерживаться усовершенствованной свободнорадикальной теории старения? Есть несколько аргументов. В исходной теории упущено два очень важных фактора: передача сигналов и апоптоз. Сигнальная функция свободных радикалов играет очень важную роль в физиологии клетки, в том числе в апоптозе. Угнетение свободнорадикальных сигналов при помощи антиоксидантов опасно, и (как показал Антонио Энрикес и его коллеги) антиоксиданты могут подавлять синтез АТФ в клеточных культурах. Вероятно, сигнальные функции свободных радикалов позволяют оптимизировать процесс дыхания на уровне отдельных митохондрий за счет увеличения числа дыхательных комплексов и, как следствие, повышения дыхательной производительности. Поскольку митохондрии проводят большую часть времени, то сливаясь друг с другом, то разделяясь, увеличение числа дыхательных комплексов (и числа молекул митохондриальной ДНК) приводит к увеличению числа митохондрий: митохондриальному биогенезу[101]. Таким образом, образование свободных радикалов может увеличивать количество митохондрий и усиливать производство АТФ. Соответственно, подавление свободных радикалов антиоксидантами препятствует митохондриальному биогенезу и приводит к снижению синтеза АТФ, как показал Энрикес (рис. 35). Антиоксиданты могут нарушать выработку энергии в клетке.

С другой стороны, повышение уровня свободных радикалов после достижения предела запускает апоптоз. Так что делают свободные радикалы: оптимизируют процессы дыхания или уничтожают клетки? На самом деле противоречия нет. Повышенное образование свободных радикалов сигнализирует о снижении дыхательной производительности относительно затрат. Если проблему удается решить путем увеличения количества дыхательных комплексов, все заканчивается благополучно. Но если это не помогает, клетка просто кончает с собой, избавляя клеточную популяцию от неисправных генов. Когда на место поврежденной клетки придет исправная (которую произвела стволовая клетка), проблема окажется решена, точнее, устранена.

Эта чрезвычайно важная роль свободнорадикальных сигналов в оптимизации дыхания позволяет объяснить, почему антиоксиданты не продлевают жизнь. Они могут подавлять дыхательные процессы в культуре клеток, поскольку в ней нет защитных систем, которые в норме присутствуют в целом организме. Большие дозы антиоксидантов, например витамина C, плохо усваиваются (часто это вызывает понос). Избыток, который все же попал в кровь, быстро выводится с мочой. Словом, концентрация антиоксидантов в крови держится на постоянном уровне. Это не означает, что вы должны избегать употребления пищи, содержащей антиоксиданты, особенно овощей и фруктов: они необходимы. Для вас может даже оказаться полезным дополнительный прием антиоксидантов, если вы плохо питаетесь или если у вас авитаминоз. Но бессмысленно пичкать себя антиоксидантами, если вы и так нормально питаетесь (принимаете пищу, которая содержит и антиоксиданты, и прооксиданты). Если бы внутренний баланс организма позволил повышение концентрации антиоксидантов в клетке, это вызвало бы нарушения и даже могло бы привести к смерти из-за недостатка энергии. Поэтому организм старается не допустить этого и регулирует уровень антиоксидантов внутри и снаружи клеток.

Рис. 35. Антиоксиданты могут быть опасны.

Показаны результаты эксперимента с цитоплазматическими гибридами клеток (цибридами). В каждом случае набор ядерных генов в клетках почти идентичен (главные различия – в митохондриальных геномах). В эксперименте фигурируют митохондриальные ДНК двух типов: первые принадлежат той же линии мышей, что и ядерные гены (верхняя схема), вторые – родственной линии мышей, у которых митохондриальный геном сильно отличается (средняя схема). Аббревиатура “АФК” обозначает активные формы кислорода. На уровень синтеза АТФ указывает толщина стрелки. Этот показатель одинаков у цибридов и с низким, и с высоким уровнем АФК. При этом цибриды с низким уровнем АФК в процессе синтеза АТФ не испытывают проблем со свободными радикалами (“вспышки” внутри митохондрий) – их формируется мало. А у цибридов с высоким уровнем АФК свободных радикалов образуется более чем в два с лишним раза больше, и у них вдвое больше молекул митохондриальной ДНК. Видимо, образование свободных радикалов активизирует процессы дыхания. Эта интерпретация подтверждается нижней схемой. Антиоксиданты уменьшают количество свободных радикалов, при этом вызывая снижение числа молекул митохондриальных ДНК, и, главное, подавляют синтез АТФ. Таким образом, антиоксиданты нарушают сигнальную функцию свободных радикалов, которая в норме оптимизирует процессы дыхания.

Апоптоз, уничтожая дефектные клетки, стирает все следы того, что вообще имелись какие-либо неполадки. Сигнальные функции свободных радикалов вместе с апоптозом опровергают большинство предсказаний свободнорадикальной теории старения в ее исходном виде, сформулированной задолго до открытия этих процессов. Именно по этим причинам не обнаружено ни достоверного повышения скорости образования свободных радикалов, ни увеличения числа митохондриальных мутаций, ни накопления окислительных повреждений, ни положительных эффектов антиоксидантов, ни ошибки катастроф. Все это порождает цельную картину, объясняющую, почему неверны почти все предсказания оригинальной свободнорадикальной теории старения. Но это не дает никаких подсказок, почему свободнорадикальная теория все же может оказаться верна. Ведь если свободные радикалы в клетке находятся под строгим контролем и даже выполняют полезную функцию, то какое отношение они имеют к старению?

Свободные радикалы позволяют объяснить различия в продолжительности жизни у разных видов. Уже в 20-х годах XX века было известно, что она зависит от скорости метаболизма. Одна из первых статей, посвященных этой теме, за авторством Реймонда Перла, так и называлась: “Почему лентяи живут дольше”. (На самом деле все наоборот.) С этой статьи Перл начал развивать свою знаменитую “теорию темпа жизни”, некоторые предпосылки которой действительно справедливы. Животные с низкой скоростью метаболизма (чаще всего крупные, например слоны), как правило, живут дольше животных с высокой скоростью метаболизма, например крыс и мышей[102]. Это правило применимо внутри таких больших групп, как рептилии, млекопитающие и птицы, но плохо работает между этими группами. Поэтому к идее Перла относились с сомнением или игнорировали ее. На самом деле эти несоответствия легко объяснить через образование свободных радикалов.

Свободнорадикальная теория старения предполагает, что свободные радикалы – это неизбежный побочный продукт дыхания. Считалось, что в них превращается 1–5 % потребляемого кислорода. Это неверно по двум причинам. Во-первых, эти цифры получены в результате измерений, сделанных на клетках или тканях, которые подвергались воздействию атмосферного кислорода, концентрация которого значительно превышает концентрацию кислорода в организме. Реальное количество свободных радикалов может быть ниже на несколько порядков, но мы не знаем, как именно это проявляется. Во-вторых, свободные радикалы являются не неизбежным побочным продуктом дыхания, а целенаправленно производимыми сигнальными молекулами, и скорость их образования сильно различается у разных видов и в разных тканях. Эта скорость зависит от времени суток, гормонального состояния, потребления калорий и физической активности. Выполняя физические упражнения, вы потребляете больше кислорода, и поэтому в клетках образуется больше свободных радикалов, правильно? А вот и нет. Их количество не меняется – или даже уменьшается. Это обусловлено тем, что при повышенном потреблении кислорода ускоряется поток электронов по дыхательной цепи, и дыхательные комплексы становятся менее восстановленными и с меньшей вероятностью реагируют с кислородом (рис. 36). Детали для нас не важны, а вывод такой: прямой взаимосвязи между скоростью метаболизма и выработкой свободных радикалов нет. Мы упоминали, что птицы, если судить по скорости метаболизма, живут гораздо дольше, чем “должны” бы. У них очень быстрый метаболизм, но при этом относительно малая скорость образования свободных радикалов и большая продолжительность жизни. Существует корреляция между уровнем образования свободных радикалов и продолжительностью жизни. Хорошо известно, что не все корреляции свидетельствуют о существовании причинно-следственной связи, но эта выглядит многообещающе. Есть ли здесь причинно-следственная связь?

Рис. 36. Почему лениться вредно для здоровья.

Согласно свободнорадикальной теории старения, в процессе дыхания небольшая часть электронов “утекает” из дыхательной цепи, непосредственно взаимодействуя с кислородом, что приводит к образованию свободных радикалов, например супероксидного анион-радикала (O₂^•–). При физической активности мы потребляем больше кислорода, и поток электронов по цепи ускоряется. Предполагалось, что даже если доля “утекающих” электронов остается прежней, свободных радикалов должно становиться больше. Но это не так. На верхней схеме отражена ситуация при физической нагрузке: электроны быстро движутся по цепи, поскольку АТФ потребляется с высокой скоростью. Это позволяет протонам течь через АТФ-синтазу. В результате потенциал на мембране снижается, белки дыхательной цепи могут перекачивать больше протонов, а это заставляет электроны быстрее бежать по цепи к кислороду. Накопления электронов на дыхательных комплексах не происходит, и степень их восстановления снижается (показано светло-серым цветом). Это означает, что во время физической нагрузки образуется мало свободных радикалов. Наоборот дело обстоит во время отдыха (нижняясхема): в отсутствие активности масштабы образования свободных радикалов могут быть весьма велики. Низкое потребление АТФ означает, что мембранный потенциал высокий. Клеткам становится трудно перекачивать протоны, дыхательные комплексы постепенно переполняются электронами (показано темно-серым цветом), а свободных радикалов образуется больше. В общем, лучше не лежать, а побегать.

Рассмотрим последствия, к которым приводят свободнорадикальные сигналы в митохондриях: оптимизацию дыхательных процессов и уничтожение нефункциональных митохондрий. Те митохондрии, в которых образуется больше свободных радикалов, дадут больше своих копий: свободные радикалы сигнализируют о недостаточной активности процессов дыхания и, чтобы это компенсировать, вызывают увеличение числа митохондрий. Но что если недостаточная активность дыхательных процессов вызвана не низким количеством дыхательных комплексов и митохондрий, а несовместимостью митохондриального генома с ядерным? С возрастом могут происходить митохондриальные мутации, приводящие к образованию смеси митохондрий разных типов, и некоторые из них лучше других сочетаются с ядерными генами. И возникает проблема. Митохондрии, которые хуже всего подходят к ядерному геному, будут производить больше всего свободных радикалов и поэтому будут активнее всего размножаться. Возможны два варианта развития событий: либо клетка уходит в апоптоз и погибает вместе с мутантными митохондриями, либо этого не происходит. Сначала рассмотрим, что будет, если клетка погибнет. В этом случае она либо заменяется другой клеткой, либо нет. Если заменяется, то все заканчивается хорошо. Но если она не заменяется, как происходит в мозге или в мышцах сердца, то такие ткани будут медленно терять в весе. Так как число клеток становится меньше, а объем работы остается прежним, увеличивается нагрузка на клетки. Это вызывает у них физиологический стресс, который сопровождается изменением активности тысяч генов (как это происходит в семенниках дрозофил, страдающих митонуклеарной несовместимостью). Заметьте, что для этого не нужно, чтобы свободные радикалы повреждали белки или вызывали “катастрофу ошибок”. Все это возникает из-за коварных свободнорадикальных сигналов внутри митохондрий, которые приводят к разрушению тканей, физиологическому стрессу и изменениям в регуляции генов – ко всем признакам, ассоциированным со старением.

А если такая клетка не вступает в апоптоз и не погибает? Если ее собственные энергетические потребности невысоки, их можно удовлетворить за счет работы дефектных митохондрий или молочнокислого брожения (которое ошибочно называют анаэробным дыханием). Клетка, накопившая митохондриальные мутации, становится “стареющей”. Она перестает расти, но ее присутствие в тканях может представлять опасность, поскольку такие клетки нередко вызывают хронические воспаления и нарушение баланса факторов роста. Это стимулирует деление клеток, которые склонны к активному росту, например стволовых клеток и клеток кровеносных сосудов, и они могут начать делиться тогда, когда не следует. Если вам не повезет, они превратятся в злокачественную опухоль. Как известно, возникновение раковых опухолей в большинстве случаев связано со старением.

Еще раз подчеркну: этот процесс развивается из-за недостатка энергии, который связан со свободнорадикальными сигналами внутри митохондрий. С возрастом мутации накапливаются, и это вызывает рассогласование митохондрий с ядром и нарушает их производительность. Здесь принципиальное отличие моей теории от исходной свободнорадикальной теории старения: в моей теории не фигурируют окислительные повреждения митохондрий или каких-либо других структур (это не исключено, но можно обойтись и без этого). Свободные радикалы служат сигналами, повышающими выработку АТФ. Это объясняет, почему антиоксиданты не помогают: не продлевают жизнь и не предотвращают заболевания. Ведь если антиоксиданты все-таки проникнут внутрь митохондрии, они будут нарушать выработку энергии[103]. Эта теория также способна объяснить экспоненциальный рост заболеваемости и смертности по мере старения. У тканей есть запас прочности, его хватит на десятки лет, но постепенно ткань достигает состояния, когда она уже не способна нормально функционировать. Эти процессы идут в организме каждого человека, поэтому смертность в последние десятилетия жизни экспоненциально возрастает.

Реймонд Перл заблуждался: лентяи не живут дольше. Напротив, физические упражнения увеличивают продолжительность жизни. Кроме них, полезны определенные ограничения в потреблении калорий, а также низкоуглеводная диета. Все это активизирует физиологические реакции ответа на стресс (в том числе прооксиданты), которые могут избавлять организм от поврежденных клеток и дефектных митохондрий и ненадолго продлевать жизнь, но, как правило, ценой снижения плодовитости[104]. Мы снова наблюдаем взаимосвязь между аэробной производительностью, плодовитостью и продолжительностью жизни. Но у изменений, которых можно добиться, подкручивая настройки нашего организма, есть предел. Максимально возможная продолжительность жизни, определенная ходом эволюции, в конечном счете зависит от сложности синаптических контактов в мозге и от размеров популяций стволовых клеток в других тканях. Говорят, однажды Генри Форд дал указание обследовать автомобильные свалки, чтобы определить, какие детали ломаются реже всего. Когда он это выяснил, то распорядился, чтобы эти части заменяли теми, что дешевле. Эволюция руководствуется сходной логикой. Например, нет смысла держать в выстилке желудка большую популяцию стволовых клеток: они не пригодятся, потому что мозг выйдет из строя раньше. Так организм оказался оптимизирован под ожидаемую продолжительность жизни. Не думаю, что мы сумеем жить дольше 120 лет лишь благодаря точной регулировке организма.

Но добиться этого в ходе эволюционных процессов – совсем иное дело. Вернемся к различиям высоты “порога смерти” у разных организмов. У видов с высокой активностью дыхательных процессов, например птиц и летучих мышей, этот порог низкий. Это означает, что даже небольшие количества свободных радикалов в ходе эмбрионального развития вызывают апоптоз, поэтому развиваются лишь те особи, у которых свободных радикалов образуется очень мало. Низкий уровень формирования свободных радикалов обусловливает большую продолжительность жизни (по причинам, которые мы только что рассмотрели). И наоборот, у животных с низкой активностью дыхательных процессов (мышей, крыс и т. д.) “порог смерти” высок: они устойчивы к большим количествам свободных радикалов, и их жизни из-за этого короче[105]. Отсюда прямо следует, что отбор в пользу увеличения аэробной производительности на протяжении многих поколений должен приводить к увеличению продолжительности жизни. И это действительно так. Например, крыс можно отбирать по их способности бегать на беговой дорожке. Если скрещивать между собой лучших бегунов, через несколько поколений продолжительность жизни крыс в этой группе возрастает. Если то же самое проделать с худшими бегунами, продолжительность жизни этих крыс, напротив, снижается. Через десять поколений аэробная производительность хороших бегунов по сравнению с плохими выросла на 350 %, а продолжительность жизни крыс-атлетов увеличилась почти на год (довольно много, учитывая, что обычно крысы живут около трех лет). Я считаю, что подобный отбор действовал в ходе эволюции летучих мышей, птиц и вообще всех теплокровных животных, что привело к увеличению срока их жизни на порядок[106].

Разумеется, никому не хочется подвергать себя отбору по такому признаку: это уже превращается в евгенику. Даже если такой отбор действительно привел бы к увеличению продолжительности жизни людей, от него было бы больше вреда, чем пользы. Но на самом деле с нами это уже произошло. Наша аэробная производительность выше, чем у других гоминид, и живем мы значительно дольше их: почти вдвое дольше шимпанзе и горилл, обладающие схожим уровнем метаболизма. Вероятно, мы обязаны этим далеким предкам, которые гонялись за газелями по африканской саванне. Стайерский бег, может быть, и не доставляет особенного удовольствия, однако именно он сформировал человека как вид. Страдания закаляют нас. На основании особенностей взаимодействия двух геномов мы можем предположить, что наши предки увеличили аэробную производительность и уменьшили масштабы образования свободных радикалов. При этом продолжительность их жизни выросла, а плодовитость снизилась. Насколько эта гипотеза справедлива? Можно проверить эмпирически. Но, так или иначе, она неизбежно вытекает из мозаичности митохондрий. Мозаичность возникла 2 млрд лет назад вместе с появлением эукариотической клетки: уникальным событием, которое освободило бактерий от энергетических ограничений и позволило им выйти на новый уровень. И неудивительно, что вид заката над африканскими равнинами заставляет сердце биться быстрее: это позволяет нам прикоснуться к странной, запутанной и чудесной цепи событий, которая уходит вглубь времен, к нашим обезьяноподобным предкам, а от них и к моменту зарождения жизни.