Мы знаем, что в камнях можно находить химические подтверждения жизни. Даже если окаменелость давно разрушилась, химические характеристики живого существа могут сохраняться. Если живые организмы использовали для метаболизма углерод, в горной породе останутся следы в виде измененного соотношения форм углерода. Анализируя на содержание углерода камни из Восточной Гренландии, группа ученых из Йельского университета обнаружила доказательства присутствия живых существ даже в более древних камнях, чем в Австралии. Этим камням четыре миллиарда лет: они сформировались через пятьсот миллионов лет после возникновения нашей планеты и Солнечной системы.
Все эти данные показывают, что с самых ранних этапов существования Земли до периода около двух миллиардов лет назад наша планета была населена исключительно одноклеточными организмами, жившими по отдельности или в виде колоний. Гены каждого отдельного микроба давали начало следующим поколениям: одна клетка расщеплялась с образованием дочерних клеток, дочерние клетки тоже расщеплялись, и так сменялись поколения. Изобретения касались главным образом новых типов метаболизма и химических адаптаций для более эффективной переработки энергии, топливных молекул и отходов. Одни виды получали энергию из серы или азота, другие – из солнечного света и диоксида углерода. А третьи для переработки энергии использовали кислород. Эти одноклеточные существа подготовили почву для грядущих революций.
Микробный метаболизм изменял мир. На протяжении почти двух миллиардов лет сине-зеленые водоросли были самой многочисленной формой жизни на Земле. Благодаря механизму фотосинтеза они использовали солнечный свет и диоксид углерода для производства необходимой для жизни энергии. Побочным продуктом их жизнедеятельности был кислород. Сине-зеленые водоросли живут колониями —либо в виде таких полос, которые обнаружил Шопф, либо в виде похожих на грибы образований, по размеру сопоставимых с микроволновой печкой. Примерно три с половиной миллиарда лет назад эти колонии активно расселились по всему земному шару. Выделяя кислород на протяжении миллиардов лет, они значительно изменили атмосферу. Четыре миллиарда лет назад в атмосфере было очень мало кислорода, но постепенно его уровень повысился настолько, что мог поддерживать существование разных форм жизни.
Увеличение концентрации кислорода по-разному сказалось на жизни микробов. Для одних он был ядом, тогда как другим предоставлял новые возможности. Не удивительно, что среди процветавших микроорганизмов были те, которые получали энергию с помощью кислорода.
На протяжении миллиардов лет одноклеточные существа были как бы телами без органов: у них внутри не было органелл со специализированными функциями. Признаки изменения впервые были обнаружены в окаменелостях, найденных в 1992 году на железных рудниках в Ишпеминге в штате Мичиган. Выглядят эти окаменелости как закрученные полосы клеток длиной около трех с половиной дюймов. Они содержатся в горных породах возрастом порядка двух миллиардов лет и имеют классическую структуру сложных клеток с органеллами. По их виду не скажешь, но эти закрученные полосы предвещали революцию.
Когда перерабатывающая кислород бактерия слилась с другим микроорганизмом, на планете возник новый тип существ. Как показала Маргулис, в данном случае один плюс один равнялось не двум, а скорее четыремстам. Хозяйская клетка уже имела ядро и механизм для производства разного рода белков. Включив в себя потребляющую кислород бактерию и превратив ее в собственную электростанцию, новая комбинированная клетка приобрела способность создавать еще более сложные белки и смогла изменить свой образ жизни.
А одноклеточная бактерия потеряла возможность жить независимым образом и стала частью нового, более сложного организма, состоящего из нескольких частей. Бывшая сво-бодноживущая бактерия не могла больше воспроизводиться по своему желанию, ее функции были подчинены нуждам хозяйской клетки. А новая комбинированная клетка, получившая энергию для более активного образа жизни и механизм для создания новых типов белков, стала отправной точкой для еще более значительных изменений в истории жизни.
Новые клетки – богатые энергией машины по производству белка – подготовили мир к появлению еще одного типа существ.
Еще одно объединение
Все живущие на Земле растения и животные состоят из множества клеток: вспомните, что тело червя С. elegans содержит примерно тысячу клеток, а тело человека – примерно четыре триллиона. Несмотря на значительные расхождения в количестве клеток, все тела имеют между собой очень глубокое и очень древнее сходство.
Но самые ранние тела, сохранившиеся в виде окаменелостей, не похожи на современные. Эти образцы, обнаруженные в камнях из Австралии, Намибии и Гренландии, возраст которых превышает 600 миллионов лет, не производят сильного впечатления. То, что когда-то было заключено в камнях, давно подверглось эрозии. Это тела в форме лент, веток или дисков размером от пятицентовой монеты до обеденной тарелки. Но если форма тел не вызывает воодушевления, совсем другое дело – история происхождения этих организмов. Это окаменелости самых ранних многоклеточных форм жизни – организмов, обладающих телами. Телесные организмы на тот момент были совершенно новым типом существ в истории планеты Земля.
У философов есть несколько определений существ, или индивидов, но в самом классическом понимании индивид имеет начало и конец, родится и умирает и способен воспроизводиться. Важно, что отдельные части внутри индивида совместно делают какую-то работу и функционируют как единое целое. Каждый из нас – индивидуальное существо, поскольку наше тело, как и тела всех растений и животных, имеет все эти признаки. Более того, наши тела здоровы только потому, что составляющие их части работают сообща для создания более крупных сущностей. Например, миллиарды нервных клеток создают головной мозг, однако перечисление всех этих клеток не позволяет понять, как формируются мысли, чувства и воспоминания. Головной мозг может производить мысли, а отдельные нейроны не могут: мышление – свойство более высокого порядка, появляющееся в результате организации миллиардов нервных клеток.
Различные клетки в составе тела тоже являются индивидами, только в другом понимании. Каждая клетка родится и умирает. Каждая клетка воспроизводится. И каждая клетка имеет внутри себя взаимодействующие части. Но посмотрите: тело человека состоит примерно из четырех триллионов клеток. Эти клетки формируют органы, различающиеся по форме, размеру и положению в теле. Чтобы создать сердце, печень или кишечник правильного размера и в правильном месте, клетки постоянно воспроизводятся и умирают. Существование тела возможно только благодаря координированной работе клеток. Клетки тела не ведут себя как обособленные существа: их рост, жизнь и смерть регулируются таким образом, чтобы функционировало тело. Ограничивая собственное воспроизведение и умирая в положенное время, клетки приносят себя в жертву высшей цели – функционированию тела целиком.
Существует специфический молекулярный механизм, позволяющий клеткам работать сообща и создавать тела. Клетки должны иметь возможность слипаться друг с другом. Было бы проблематично создать тело, клетки которого не удерживаются рядом друг с другом строго определенным образом. Например, клетки кожи способны механически скрепляться между собой, формируя слои ткани. Они производят коллагены, кератины и другие белки, придающие коже ее специфические свойства. Наконец, клетки тела нуждаются в средствах коммуникации для согласованного деления, смерти и активации генов. Это опять-таки делается при помощи белков: различные белки переносят сообщения, информирующие клетки о том, где и когда они должны делиться, умирать или секретировать дополнительное количество белка.
Генетический механизм, обеспечивающий эти функции, заключен в семействах генов, которые мы обсуждали в главе 5. Каждый ген семейства производит белок, слегка отличающийся от родственных белков. Например, представители класса белков, называемых кадгеринами, имеются в сотне типов клеток, и каждый специфичен для своей ткани – кожи, нервов, костей и других. Эти белки удерживают клетки вместе, как в коже, и одновременно обеспечивают путь химической коммуникации между клетками и возможность давать друг другу указания делиться, умирать или производить другие белки.
Важно отметить, что производство таких белков дорого обходится клеткам, поскольку их синтез и сборка требуют значительных затрат метаболической энергии. Вот почему тела не могли возникнуть без нового типа клеток, о которых говорила Маргулис. Описанный ею тип слияния свел воедино источник энергии и производство белка. Теперь эта химерная клетка имела энергию и ДНК для создания разнообразных белков, обеспечивших эволюцию тел. Клетки могли прикрепляться друг к другу, обмениваться информацией и вести себя по-новому.
За миллиарды лет последовательно возникали еще более сложные организмы: появление клеток нового типа, клеток с органеллами, сделало возможным следующий шаг – появление многоклеточных тел.
Осознание этой череды событий подводит нас к вопросу: как именно появились тела?
Моя коллега Николь Кинг из Калифорнийского университета в Беркли изучает один специфический тип одноклеточных существ. Эти микроскопические существа в форме зерен фасоли имеют один необычный признак – кольцо торчащих в стороны ворсинок на одном конце клетки, напоминающее тонзуру испуганного монаха. Хоанофлагелляты, или “хоаны”, как любовно называет их Кинг, наделены и другими примечательными особенностями. Около десяти лет назад их геном прочли и сравнили с геномами животных и геномами других одноклеточных существ. Выяснилось, что хоанофлагелляты являются ближайшими родственниками многоклеточных животных. Это означает, что их изучение может пролить свет на механизмы происхождения тел.
Кроме того, хоанофлагелляты умеют делать важный фокус. Большую часть жизни они свободно плавают, перемещаясь с помощью своих волосков. Но в один прекрасный момент по сигналу они объединяются в группы. Эти группы, называемые розетками, поскольку по форме напоминают цветы, могут содержать десяток и более сцепленных друг с другом хоанофлагеллятов, которые ранее существовали раздельно. Переход от одноклеточных существ к многоклеточным труппам, который осуществлялся на протяжении миллиардов лет эволюции, у “хоанов” происходит за один миг.