Что общего между телом профессора и каплей? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим самых примитивных животных, обитающих сегодня на нашей планете.

Одно из них не только очень просто устроено, но и по-прежнему во многом загадочно: его очень редко наблюдали в природе, и даже все стадии его жизненного цикла так до сих пор и не удалось проследить. В конце восьмидесятых годов XIX века на стеклянной стенке аквариума один ученый обнаружил удивительно простой организм. Он не был похож ни на одно известное животное и напоминал бесформенный комок или кляксу. Единственное, с чем его можно сравнить, — это бесформенный инопланетный монстр из фильма "Капля" ("The Blob" со Стивом Маккуином). Этот монстр представляет собой загадочную бесформенную массу, занесенную на Землю из космоса. Он обволакивает и переваривает своих жертв — собак, людей, а затем даже целые ресторанчики в небольших пенсильванских городках. Пищеварительные органы у этого монстра где-то на брюшной стороне (правда, в фильме их не показывают, но попадающие туда люди издают душераздирающие крики). Если уменьшить этого монстра до двух миллиметров в диаметре — так, чтобы его тело состояло лишь из нескольких сотен клеток, — мы получим нечто очень похожее на этот вполне реальный земной организм, получивший название трихоплакс. У трихоплакса есть только четыре типа клеток, а тело по форме напоминает не то комок, не то кляксу. И все же это настоящее тело. Некоторые из клеток брюшной стороны специализируются на пищеварении, другие наделены жгутиками, биение которых помогает трихоплаксу двигаться. Питаются трихоплаксы в основном водорослями и бактериями. Точно не известно, насколько широко он распространен, но его находили в нескольких морях в разных концах Земли. Хотя мы по-прежнему многого не знаем об этих животных, известно, что у них есть одно исключительно важное свойство. Как бы просто ни был устроен организм, между его частями уже существует отчетливое разделение труда.

Многие интересные особенности наших тел можно наблюдать и у трихоплакса. Тело трихоплакса — настоящий многоклеточный организм, хоть и примитивно устроенный. Изучая ДНК трихоплакса и молекулы, находящиеся на поверхности его клеток, мы убеждаемся, что у него уже имеется значительная часть нашего набора для бодибилдинга. У трихоплакса есть определенные молекулярные заклепки, соединяющие клетки, а также средства для общения клеток, похожие на те, что присутствуют и в наших собственных телах.

Наш набор для построения тела можно найти в бесформенных комках, устроенных еще проще, чем некоторые из древних ископаемых, открытых Реджинальдом Сприггсом. Можем ли мы пойти еще дальше, перейти к организмам с еще более примитивными телами? По-видимому, да. Обратимся к существам, тела которых с давних пор использовали для мытья, — к губкам. На первый взгляд, в губке мало примечательного. Значительную часть тела губки составляют опорные структуры, состоящие из силикатов (веществ, близких к стеклу) или карбоната кальция (твердого материала, из которого состоят раковины моллюсков), переплетенных с некоторым количеством коллагена. Вот это-то и делает губок интересными. Вспомним, что коллаген — важнейший материал наших межклеточных пространств, скрепляющий многие клетки и ткани нашего организма. По виду губок этого не скажешь, но у них уже есть один из отличительных признаков настоящих многоклеточных организмов.

В начале XX века Генри ван Питере Уилсон, исследовавший губок, показал, насколько они на самом деле удивительны. В 1894 году Уилсон поступил на работу в Университет Северной Каролины, став первым профессором биологии этого университета. Он вырастил здесь целую плеяду выдающихся американских биологов, работы которых во многом определили ход развития генетики и клеточной биологии в Северной Америке на протяжении XX века. Еще в молодости Уилсон решил посвятить свою научную деятельность именно изучению губок. Один из его экспериментов показывает по-настоящему удивительное свойство этих на первый взгляд простых организмов. Уилсон пропускал тело губки через сито, превращая его в набор отделенных друг от друга клеток. Затем он помещал эти похожие на амеб, совершенно отдельные клетки в стеклянную чашку и наблюдал за ними. Поначалу они просто ползали по дну чашки. Затем произошло нечто удивительное: они стали группироваться. Сперва из них образовались бесформенные красноватые шарики. Затем эти шарики стали более упорядоченными: упакованные в них клетки стали образовывать регулярные структуры. Уилсон увидел, как почти с нуля собирается живой организм. Если бы мы могли делать то, на что способны губки, то с попавшим в дробилку и размолотым на кусочки героем Стива Бушеми из фильма братьев Коэнов "Фарго" все было бы в порядке. Этот опыт даже мог бы пойти ему на пользу, ведь клетки, собравшись вместе, могли бы образовать несколько его копий.

Именно клетки губок делают этих животных полезным орудием для изучения происхождения наших тел. Внутри тела губки обычно находится полость, которая может быть по-разному разделена на отсеки, в зависимости от вида губки. Через эти отсеки протекает вода, приводимая в движение клетками совершенно особого типа. Выглядят эти клетки как бокалы на толстых ножках, направленных внутрь тела губки. Из бокала торчит длинный жгутик, биение которого и приводит в движение воду. На стенках бокала, образованных микроворсинками, оседают различные частицы, которые клетка может поглощать и переваривать. С помощью этих клеток губка пропускает сквозь свое тело воду, которая вначале поступает в центральную полость, а затем растекается по отсекам и выходит через поры наружу. По ходу движения воды сквозь организм губки из воды отфильтровываются пищевые частицы. Другие клетки, расположенные в теле губки глубже, участвуют в переваривании поглощенной пищи. Клетки еще одного типа образуют наружные покровы губки и могут сокращаться, меняя форму ее тела. Эта способность помогает губкам успешно фильтровать воду, когда направление ее потоков меняется.

Губка мало похожа на большинство знакомых нам животных, но она уже обладает многими важнейшими признаками многоклеточного организма: между ее клетками есть разделение труда, эти клетки способны общаться друг с другом и совокупность большого числа клеток ведет себя как единый организм. Строение губки упорядочено: разные клетки находятся на разных местах и выполняют разную работу. Конечно, телу губки далеко до тела человека, в состав которого входят триллионы определенным образом расположенных клеток, но тела губки и человека обладают некоторыми общими свойствами. Особенно важно, что у губок уже имеется значительная часть нашего инструментария, обеспечивающего сцепление клеток, их общение и построение из них тканей многоклеточного организма. Губки — настоящие многоклеточные, хотя и очень примитивные и обладающие довольно слабо упорядоченным строением.

Мы тоже, подобно трихоплаксам и губкам, состоим из многих клеток. У нас, как и у них, между разными клетками и структурами тела есть разделение труда. И у нас и у них есть все элементы молекулярного аппарата, который скрепляет клетки в единый организм: соединяющие заклепки, различные инструменты для передачи сигналов от клетки к клетке и ряд веществ, молекулы которых заполняют пространство между клетками. У трихоплаксов и губок даже есть коллаген, как и у нас — и у всех остальных животных. Но, в отличие от нас, трихоплаксы и губки обладают довольно примитивными вариантами всех этих признаков. Например, вместо наших двадцати двух типов коллагена у губок есть только два, а молекулярных заклепок у них не сотни типов, как у нас, а во много раз меньше. Губки устроены проще, чем мы, и имеют намного меньше типов клеток, но основные инструменты из набора для построения тела у них уже есть.

Трихоплаксы и губки относятся к самым простым из многоклеточных организмов, живущих в наши дни. Чтобы пойти еще дальше, теперь нам нужно искать то, что позволяет строить наши тела, у существ, вообще не обладающих многоклеточным телом, — у одноклеточных микробов.

Как сравнить одноклеточный организм микроба с многоклеточным организмом животного? Имеются ли у одноклеточных инструменты, позволяющие строить многоклеточные тела? Если имеются, но не служат для построения тел, то для чего они нужны?

Самый прямолинейный способ искать ответ на эти вопросы состоит в том, чтобы изучить гены микробов и попытаться найти в них общие черты с генами животных. Самые первые сравнения геномов (то есть совокупностей всех генов организма) животных и микробов показали, что у многих одноклеточных отсутствует значительная часть генов, которые у многоклеточных обеспечивают соединение, взаимодействие клеток и прочее. Результаты некоторых исследований, казалось, свидетельствовали о том, что более восьмисот веществ, синтезируемых за счет работы таких генов, имеются только у настоящих животных, то есть многоклеточных, и отсутствуют у одноклеточных. Эти результаты как будто подтверждали предположение, что гены, позволяющие объединять клетки в многоклеточный организм, возникли одновременно с многоклеточностью. На первый взгляд казалось довольно логичным, что инструменты для построения многоклеточных тел появились именно тогда, когда появились и сами такие тела.

Но все эти представления полностью перевернулись, когда Николь Кинг из Калифорнийского университета в Беркли занялась организмами, которые называют хоанофлагеллятами (или воротничковыми жгутиконосцами). Она выбрала именно этот объект для своих исследований не случайно. Ей было известно, что, судя по результатам некоторых работ с ДНК, хоанофлагелляты вполне могут быть ближайшими одноклеточными родственниками настоящих (многоклеточных) животных, в том числе трихоплаксов и губок. Поэтому она подозревала, что в ДНК хоанофлагеллят можно найти варианты генов, обеспечивающих формирование наших тел.

Поискам, которые вела Николь, помог проект "Геном человека" — увенчавшееся успехом предприятие, целью которого было прочтение последовательности всей ДНК человека и картирование всех имеющихся у нас генов. Наряду с этим проектом были организованы аналогичные проекты, посвященные другим организмам — мухе-дрозофиле, серой крысе, медоносной пчеле, а также трихоплаксу, некоторым губкам и многим видам микробов. Полученные генетические карты — настоящий кладезь информации для наших исследований. Они позволяют сравнивать "гены бодибилдинга" многих разных видов. Такие карты очень помогли Николь Кинг в изучении хоанофлагеллят.

Хоанофлагелляты на удивление похожи на те клетки губок, которые напоминают бокалы на толстых ножках. Их сходство так велико, что долгое время многие считали, что хоанофлагелляты произошли от выродившихся губок, которые утратили все другие типы клеток и потеряли способность соединять их вместе. Если бы это было так, то ДНК хоанофлагеллят напоминало бы ДНК очень необычной губки. Но это не так. Когда участки ДНК хоанофлагеллят сравнили с ДНК других микробов и губок, оказалось, что у хоанофлагеллят ДНК сильно отличается от ДНК губок. Хоанофлагелляты — настоящие одноклеточные микроорганизмы.

Работы Николь с хоанофлагеллятами показали, что никакой генетической пропасти между одноклеточными микроорганизмами (микробами) и настоящими животными (многоклеточными) на самом деле нет. Большинство генов, работающих у хоанофлагеллят, работают и в клетках животных. Более того, эти гены включают часть аппарата, обеспечивающего построение наших тел. Приведем несколько примеров, показывающих, насколько велико это сходство. У хоанофлагеллят имеются вещества, обеспечивающие в многоклеточных организмах сцепление и общение клеток — даже элементы молекулярных каскадов, которые доставляют сигнал от наружной мембраны клетки внутрь ее ядра. Имеется у хоанофлагеллят и коллаген. Есть у них и несколько типов молекул-заклепок, которые у многоклеточных служат для соединения клеток, правда, у хоанофлагеллят они выполняют несколько другие функции.

Изучение хоанофлагеллят позволило Николь открыть пути для сравнения нашего аппарата построения тела с теми его деталями, которые можно найти и у других микробов. Гены, которые позволяют синтезировать коллаген и протеогликан, теперь известны и у ряда других микроорганизмов. Например, стрептококки — бактерии, которые живут у нас во рту (а иногда и не только), — несут на поверхности своих клеток вещество, очень близкое к коллагену. Молекулярное строение этого вещества необычайно похоже на строение нашего коллагена, но его молекулы не сплетаются в канаты или пласты, как делает коллаген животных. У многих разных бактерий в клеточных стенках имеются некоторые из сахаров, входящих в состав протеогликанового комплекса, который составляет основу наших хрящей. Эти сахара играют у ряда болезнетворных бактерий и вирусов довольно неприглядную роль. Они помогают болезнетворным агентам проникать в клетки других организмов и во многих случаях делают возбудителей заболеваний более опасными для нас. Многие из молекул, с помощью которых микробы причиняют нам страдания, представляют собой более простые варианты молекул, которые делают возможным существование наших собственных тел.

Из этого вытекает один закономерный вопрос. В древних породах возрастом от трех с лишним миллиардов до шестисот с лишним миллионов лет мы находим одни лишь остатки микроорганизмов. А затем внезапно, на промежутке где-то в 40 миллионов лет, появляются всевозможные многоклеточные тела растений, грибов, животных — повсюду мы находим ископаемые остатки этих тел. Многоклеточные тела в это время почему-то становятся писком моды. Но ведь сухой остаток полученных Николь результатов говорит нам о том, что потенциал для построения многоклеточных тел имелся в распоряжении микроорганизмов, возникших задолго до того, как появились первые такие тела. Почему же после такой долгой одноклеточной жизни вдруг началась вся эта многоклеточная суета?