органеллами, выполняющими различные функции. Наиболее заметны органеллы, которые снабжают клетку энергией. В клетках растений имеются хлоропласты, содержащие хлорофилл, который осуществляет реакции фотосинтеза, необходимые для превращения солнечного света в доступную для использования энергию. Аналогичным образом, в клетках животных имеются митохондрии, производящие энергию из кислорода и сахаров.
Маргулис заметила, что органеллы напоминают своеобразные миниклетки внутри клетки. У каждой есть собственная мембрана, отделяющая ее от остального содержимого клетки. Внутриклеточные органеллы воспроизводятся путем деления надвое, или почкования: сначала они удлиняются и пережимаются в центре, становясь похожими на гантели, а затем две стороны расходятся, превращаясь в независимые структуры. У органелл даже есть собственный геном, отдельный от генома клеточного ядра и совсем на него не похожий. Последовательность ДНК в ядре скручена, а в митохондриях и хлоропластах концы последовательности ДНК замыкаются друг на друга, образуя простое кольцо.
Структура, наличие мембраны, способ воспроизведения этих органелл и организация их ДНК напоминали Маргулис что-то знакомое. Она видела подобные структуры раньше, когда исследовала одноклеточные сине-зеленые водоросли и бактерии. Бактерии и сине-зеленые водоросли воспроизводятся почкованием, окружены аналогичной мембраной и имеют геном, который во многом похож на геном митохондрий и хлоропластов. Органеллы, снабжающие животных и растения энергией, гораздо больше напоминают бактерии и сине-зеленые водоросли, чем ядро тех клеток, в которых находятся.
На основании этих наблюдений Маргулис выдвинула радикально новую теорию эволюции жизни. Хлоропласты ранее были свободноживущими сине-зелеными водорослями, которые были поглощены другими клетками и стали подсобными рабочими метаболизма, обеспечивающими клетку энергией. Аналогичным образом, митохондрии когда-то были свободноживущими бактериями, которые слились с другими клетками и принуждены были снабжать их энергией. Радикальность идеи Маргулис заключалась в том, что в каждом из этих случаев разные существа объединились для создания нового, более сложного существа.
Как предсказывала судьба статьи, отвергнутой пятнадцать раз, идеи Маргулис были встречены с пренебрежением или полным безразличием. Маргулис не знала, но за шестьдесят лет до нее аналогичные идеи выдвигали один русский и один французский биолог, и тогда их работы тоже были осмеяны и остались похороненными в каких-то малоизвестных журналах[19]. Но бесстрашие Маргулис, ее уверенность и творческий подход поддерживали существование идеи на протяжении нескольких десятилетий, пока Маргулис собирала дополнительные доказательства и настойчиво убеждала публику. Долгое время ее усилия не приносили результата. Она оставалась с краю добропорядочного научного сообщества, поскольку подмеченные ею сходства никого не убедили.
К счастью для Маргулис и для науки в целом, развитие технологии помогло подтвердить ее идеи. В 1980-х годах были разработаны более быстрые методы секвенирования ДНК, и стало возможным сравнивать историю генов в органеллах с историей генов в ядре. Появилось семейное дерево – столь же прекрасное, сколь удивительное. ДНК митохондрий и хлоропластов не состояла в генетическом родстве с ДНК из ядер тех же клеток. Хлоропласты имеют гораздо более близкое родство с разными видами сине-зеленых водорослей, чем с какими-либо другими элементами растительных клеток. Митохондрии же являются потомками потребляющих кислород бактерий и не имеют родства с ядром клеток, в которых находятся. В каждой сложной клетке сливаются две линии жизни: одна отражает историю ее ядра, вторая – историю предков, бывших когда-то свободноживущими сине-зелеными водорослями или бактериями.
Эволюция за счет объединения: происхождение сложных клеток в результате поглощения двух типов микробов (стрелки), в одном случае давшего начало митохондриям (вверху), в другом – хлоропластам (внизу)
Недавние сравнительные исследования ДНК показывают, что слияния такого типа – нередкое явление в истории жизни. Таким способом возникли некоторые неродственные растениям и животным клетки с различными органеллами. Например, микробный возбудитель малярии Plasmodium falciparum имеет на одной стороне клетки странную органеллу, похожую на клоунский колпак. Она участвует в нескольких метаболических процессах. Секвенирование ее ДНК показывает, что когда-то это была свободноживущая водоросль. Эта органелла с собственной клеточной историей окружена мембранами с расположенными на ней специфическими молекулами. В медицине эти молекулы используются в хорошем деле: они служат мишенью для противомалярийных препаратов, призванных находить и разрушать малярийные клетки.
Маргулис выдержала натиск бури, но, к несчастью, ее научная карьера завершилась в 2011 году, когда в возрасте 73 лет у нее случился инсульт. Перед смертью она успела увидеть подтверждение своей теории. Оглядываясь на прожитую жизнь, Маргулис суммировала свое отношение к конфликтам простой фразой, которая была ее мантрой все долгие годы научных баталий: “Я не думаю, что мои идеи спорны, я думаю, они справедливы”.
Творчество, сила личности и технология изменили наш взгляд на историю жизни. Великие революции происходили тогда, когда существа объединялись для создания еще более сложных существ и прежде свободноживущие организмы становились частями более сложного целого. Любое растение и животное на современной Земле представляет собой организм, состоящий из многих частей со сложной иерархией – от органов до клеток, органелл и генов. Путь формирования такой структуры – это история длиной в несколько миллиардов лет, начавшаяся практически в момент зарождения самой планеты.
Требуется сборка
Чем глубже мы заглядываем в прошлое, тем более размытой становится картина жизни. Возможно, никто не знает этого лучше, чем Джеймс Уильям Шопф, посвятивший жизнь поиску следов самых первых живых существ на нашей планете. Поиск привел его к бесплодным склонам гор Западной Австралии. Особенность этого места – камни, возраст которых составляет более трех миллиардов лет, это одни из старейших гор в мире. И потому ученые приезжают сюда изучать, как функционировала первозданная Земля. Эти камни видели многое: они нагревались, сжимались и поднимались на протяжении бесчисленных лет с момента своего образования. То, что когда-то было внутри, включая окаменелости, скорее всего, спеклось или рассыпалось.
Изучая в 1980-х годах горную формацию Апекс-Черт[20], Шопф обнаружил камни, которые казались мало изменившимися для своего возраста. В камнях, подвергавшихся сильному нагреванию или сжатию, содержатся специфические минералы, образующиеся в результате деформации. В камнях из Апекс-Черта таких минералов было сравнительно мало. Зная, что подобные камни достаточно редки, Шопф взял их для лабораторного анализа, чтобы посмотреть, что там внутри. Сланец, образующийся из ила на океанском дне, часто содержит останки существ, осевших после смерти на дно.
Работать со сланцем бывает непросто. Каждый камень расщепляют с помощью алмазного резца и помещают полученные срезы на подложку для микроскопического анализа. Шопф привлек к делу двух аспирантов, но за два года сидения за микроскопом они не нашли ничего интересного. Подключившийся к работе третий аспирант через несколько месяцев обнаружил в камнях микроскопические волокна. Решив, что в них нет ничего занимательного, он отложил их в ящик с образцами для последующего анализа. Потом этот аспирант нашел работу в промышленности, и образцы пролежали в ящике еще пару лет.
Однажды Шопф извлек содержимое ящика для анализа, не зная, что там находится. Некоторые микроскопические волокна выглядели как тонкие полосы и ленты. Большинство походили на жемчужные ожерелья, состоящие из соединенных друг с другом крохотных округлых структур. Шопф раньше видел такой рисунок в небольших колониях живых сине-зеленых водорослей. Но эти похожие на клетки структуры находились в камнях, возраст которых составлял почти три с половиной миллиарда лет. Шопф во всеуслышание объявил, что нашел самые древние окаменелости на Земле в горных породах, сформировавшихся через миллиард лет после возникновения нашей планеты и Солнечной системы.
Ему поверили не все, к звуку фанфар примешивались голоса критиков. Одно критическое замечание сводилось к тому, что обнаруженные Шопфом волокна не могли возникнуть естественным путем за миллиарды лет формирования породы. Противники идеи Шопфа утверждали, что волокна были не окаменелостями, а формой графита, образовавшейся в камнях под действием высокого давления. В журналах появилась масса статей, подтверждавших и опровергавших заявление Шопфа. У Шопфа был даже публичный спор с одним видным оппонентом. Может показаться, что предмет их спора – микроскопические волокна внутри горной породы – важен лишь для посвященных, однако этого никак нельзя сказать об основополагающем вопросе происхождения самых первых форм жизни.
Шопф испробовал другую тактику. Вместо того чтобы сравнивать форму волокон в камне с формой сине-зеленых водорослей, он нашел другой подход к анализу ранних форм жизни. Через несколько десятков лет после его открытия появились новые технологии, позволявшие ученым анализировать химический состав камней и предполагаемых окаменелостей. Химический элемент углерод существует на планете в разных формах, и одни виды атомов углерода тяжелее других. Живые существа используют углерод, причем предпочитают один из видов атомов. Учитывая эту химическую специфику, следы жизни в камнях можно найти по соотношению разных типов атомов углерода.
С помощью масс-спектрометра – аппарата размером с домашнюю посудомоечную машину – Шопф с коллегами проанализировали углеродный состав горной породы и содержавшихся в ней волокон. Углеродный состав волокон соответствовал характеристикам живых существ. Более того, в них проявлялись признаки как минимум пяти типов организмов. Какие-то имели признаки организмов, осуществлявших примитивный фотосинтез. Другие походили на микробов, которые способны в качестве источника энергии использовать метан. И если австралийский сланец открывал крохотное окошко в прошлое Земли, через него было видно, что три с половиной миллиарда лет назад жизнь на планете уже была разнообразной.