Хоанофлагелляты могут образовывать колонии, как показано на этой фотографии
Хотя Кинг училась на молекулярного биолога, она рассуждает как палеонтолог. Охотники за окаменелостями смотрят на живых существ и задаются вопросом, какими могли быть их предки, – Кинг делает то же самое в отношении процесса формирования тел, пытаясь ответить на вопрос, какие молекулярные механизмы необходимы для формирования тела и как они возникли.
Как мы видели, клетки производят специфические белки для построения тел, поэтому, возможно, ключ к возникновению тел найдется при изучении происхождения этих молекул. Ответы содержатся в геномах – в последовательностях ДНК хоанофлагеллятов, бактерий и самых разных микробов, ожидающих своих исследователей. Используя компьютерные базы данных, ученые способны проанализировать геном организма и понять, какие именно белки он может производить.
Когда был прочитан геном хоанофлагеллятов, выяснилось одно невероятное обстоятельство. В этом одноклеточном существе уже присутствуют многие белки, которые служат для построения тел. Хоанофлагелляты используют белки для образования розеток или поиска и переваривания пищи. Эти наблюдения заставили Кинг и других ученых расширить периметр охоты и проанализировать геномы разных микробов. В результате сложилась картина эволюции, которую мы обсуждали выше.
Кинг и ее коллеги обнаружили, что белки, которые используются для построения тел животных, имеются у многих одноклеточных существ от бактерий до более сложных организмов с органеллами. Зачем им нужны эти белки, если они не служат для формирования тела? Одноклеточные организмы используют их, чтобы прикрепиться к добыче или каким-то объектам из окружающей среды, а также чтобы избегать хищников. Кроме того, одноклеточные организмы могут общаться друг с другом посредством химических сигналов. Адаптируясь к окружению, микробы создали предшественников химических молекул, впоследствии использованных животными для построения тел. Многоклеточные формы жизни могут существовать только по той причине, что новые сочетания молекул стали применяться иначе, чем применялись раньше в одноклеточных организмах. Великие изобретения, благодаря которым существуют тела, были сделаны до того, как возникли сами тела.
Недавно Кинг идентифицировала сигнал, заставляющий хоанофлагелляты собираться в розетки. В присутствии бактерий определенного вида хоанофлагелляты начинают выделять белок, который “сгоняет” их в группы. Мы точно не знаем, почему бактерии служат триггером такого поведения. Возможно, они подают какой-то химический сигнал, вызывающий образование розеток. Но это интересное наблюдение: одноклеточные организмы не только служили исходным материалом для формирования тел, но и могли индуцировать их формирование.
Для возникновения тел нужна была как готовность, так и благоприятная возможность. Механизм формирования существовал бесконечное количество лет до того, как появились первые тела, дошедшие до нас в виде окаменелостей. Примерно миллиард лет назад кислород создал новый мир для существ, которые уже готовы были в нем процветать. С повышением концентрации кислорода в атмосфере существа, использующие кислород, могли затрачивать на жизнь больше энергии. Эту энергию взяли в оборот новые клетки, о которых говорила Маргулис. Производство белков в необходимом для построения тел масштабе стало возможным только потому, что клетки имели внутри себя электростанции, работавшие на кислородном топливе. А это топливо миллиард лет назад присутствовало в изобилии.
Сумма частей
Строение тел можно сравнить с русскими матрешками: тела содержат органы, органы состоят из тканей, которые сделаны из клеток, в клетках есть органеллы, а внутри некоторых органелл есть гены. За миллиарды лет эволюции разные части тела отказались от собственной индивидуальности, чтобы стать элементами единого большого существа. Свободножи-вущие микробы объединились с образованием клеток нового типа. Эти новые клетки обладали особыми свойствами, позволившими создать новую комбинацию в виде многоклеточных тел. Последовательно возникали более сложные типы существ с еще более сложными составными частями.
Тела и клетки существуют благодаря строго регулируемому поведению составных частей. Но за этим порядком скрывается какофония. Координация активности частей тела требует усмирения противоположных интересов разных клеток и разных частей генома. Гены, органеллы и клетки тела постоянно воспроизводятся. Если этот процесс не контролировать, какой-то элемент может возобладать над другими. Конфликт между эгоистичными элементами, пытающимися бесконтрольно воспроизводиться, и нуждами организма в целом определяет здоровье, болезнь и историю эволюции. Конфликт может стать источником усовершенствований или путем к катастрофе.
Вообразите клетку, которая ведет себя, как ей заблагорассудится, и делится и воспроизводится по собственному усмотрению или, наоборот, не умирает в положенное время в положенном месте. Такие клетки могут возобладать в теле и привести к его гибели. Именно это происходит при раке: раковые клетки нарушают правила и действуют эгоистично, не координируя свое воспроизведение и смерть с нуждами существа, в котором они находятся.
На примере рака проявляется существующее напряжение между частями и целым – в нашем случае между составными частями тела и всем телом. Если отдельные элементы тела начинают действовать в своих краткосрочных и эгоистичных интересах и бесконтрольно делиться, это может привести к гибели организма. Рак – это проявление генетических мутаций, которые накапливаются и заставляют клетки размножаться слишком быстро или не отмирать правильным образом. В ответ на подобные проявления тело выработало защиту, например иммунную реакцию, уничтожающую непослушные клетки. Если системы проверки и защиты рушатся и поведение клеток выходит из-под контроля, рак становится смертельным.
Похожий конфликт существует и на уровне генома. Прыгающие гены Барбары Макклинток живут, чтобы создавать копии самих себя, примерно как раковые клетки. Внутри тела идет война между подличающими эгоистичными элементами, которые хотят размножаться неконтролируемым образом, и организмом в целом. Многоклеточные тела с генами, пытающимися сдержать эгоистичные элементы, постоянно нападающими вирусами и триллионами совместно функционирующих клеток являются конфедерацией частей, возникших в разное время и иногда в разных местах. Эти части – иногда конфликтующие, иногда сотрудничающие, но постоянно изменяющиеся во времени – служат топливом эволюции. Тела могут эволюционировать и изменяться в новых направлениях благодаря разнообразию составляющих их частей и способов их взаимодействия.
Миксология
Колесо существует на Земле около шести тысяч лет. Чемодан – несколько столетий. Чемоданы на колесах были изобретены несколько десятков лет назад и изменили жизнь многих путешественников. Каждый раз, когда я оказываюсь в аэропорту, я радуюсь тому, как в результате нового сочетания вещей может получиться революционное изобретение.
Органеллы Маргулис продемонстрировали мощь новых сочетаний как источника изобретений в мире природы. Что, если линия организмов не будет изобретать что-либо самостоятельно, а позаимствует признак, возникший у другого вида? Митохондрии, снабжающие энергией наши клетки, не были изобретены в результате изменений нашего генома, когда наш предок был еще одноклеточным существом. Они были изобретены кем-то другим, а затем переняты и перепрофилированы в тот момент, когда эти древние бактерии слились с нашей линией. Аналогичным образом, инфицируя геномы на протяжении миллионов лет, вирусы обеспечили им возможность синтезировать новые белки. Когда эти вирусы стали применяться по иному назначению, возникли новые молекулы, поддерживающие механизмы беременности и памяти.
Случается, что признаки появляются у одних видов, а затем заимствуются, воруются или модифицируются для нового использования другими видами. Новые хозяева могут приобретать готовые изобретения, вместо того чтобы выдумывать их самостоятельно. Комбинация частей и новые типы существ, которые могут из них формироваться, открывают возможности для эволюции.
На протяжении миллиардов лет жизнь существовала в виде одноклеточных организмов, и изобретения касались способов переработки энергии и химических соединений из окружающей среды. Жизнь была крохотной. Появление более крупных существ создало новые возможности для производства белков, для движения и питания. Телесные существа – животные, растения, грибы – появились на планете сравнительно недавно, и все они состоят из клеток, возникших в результате слияния разных существ. Изобретение тела открыло новый путь эволюции. Существа, состоящие из многих клеток, получающих энергию от собственных органелл, могут увеличиваться в размере и обзаводиться новыми тканями и органами. Результат этого процесса – разнообразие тканей и органов, помогающих животным взлетать на большую высоту, погружаться в глубины океана и конструировать спутники для изучения отдаленных уголков Солнечной системы.
Освоение будущего
Комбинирование, заимствование и переназначение технологий и изобретений, сделанных другими видами, служило нам в прошлом на протяжении миллиардов лет. Но это также часть нашего будущего.
В 1993 году испанский микробиолог Франсиско Мохика исследовал соляные болота на побережье Коста-Бланка на юге Испании. Он хотел понять, как бактерии смогли приспособиться к жизни в средах с очень высоким содержанием соли. Что-то в их геноме обеспечивало им устойчивость к факторам окружающей среды, которые для большинства видов смертельны. В результате почти десятилетней работы Мохика расшифровал геном бактерий и нашел объяснение этого странного признака. Большая часть ДНК этих бактерий представляла собой стандартную бактериальную последовательность букв. Но в некоторых местах встречался короткий фрагмент, образующий палиндром, который одинаково читается в обоих направлениях, как имя Анна, только в этом случае последовательность состоит из букв А, Т, G и С. Кроме того, все короткие блоки палиндромов равномерно отделены друг от друга другими последовательностями, в результате чего возникает повторяющийся ри