3. ЗАЧЕМ ВСЕ УСЛОЖНЯТЬ

А эту сложную машину

Я сделал сам из ячменя.

Даниил Хармс

Вплоть до середины XIX в. люди в основном думали, что болезни вызываются либо просто магическими способами, либо "дурным воздухом", либо "дурной кровью". Из-за "дурного воздуха", например, в Нью-Йорке улицы с 1811 г. стали прокладывать по сетке, чтобы воздух лучше проходил и народ был здоровее. Из-за "дурной крови" в Средние века всё лечили пиявками, которые эту дурную кровь якобы высасывали.

Когда в XIX в. из работ Луи Пастера и Роберта Коха выросла микробная теория инфекционных заболеваний, человечество вдруг осознало, что их мир наводнен полчищами мелких, невидимых, но очевидно гадких существ. И вот они-то и вызывают, оказывается, все болезни.

Поднялась паника. Газеты конца XIX — начала XX вв. пестрят сообщениями о всяких "убийцах микробов", чудо-препаратах, несущих смерть паразитам. Бактерии изображались отвратительными бесформенными злодеями, которых сознательные граждане заливали литрами хлорки. И. И. Мечников видел в гнилостных бактериях причину человеческого старения.

Человечество навалилось на микробную гадину и вскоре одержало крупную победу. Пенициллин, открытый в 1920-е гг. Александром Флемингом (якобы по случайности, а на самом деле, скорее, по наблюдательности1), был в этой войне как бы атомной бомбой. По крайней мере, так казалось изначально. Массовое производство пенициллина началось в 1943 г., во время Второй мировой войны, и тогда этот препарат считался панацеей от всех болезней2. Но уже к концу 1940-х гг. появились первые пациенты, чьи инфекции на пенициллин не реагировали3, 4. Им приходилось давать новые антибиотики, более сильные или как-нибудь иначе действующие.

В тот момент ученые открывали один антибиотик за другим, поэтому экзистенциальной проблемы не было. Но с 1950-х гг. темпы открытий замедлились, и с 1983 г. не было открыто ни одного принципиально нового класса антибиотиков широкого спектра действия (впрочем, отчасти это может быть связано и с интересами фармацевтических компаний, которым гораздо выгоднее вкладываться в хронические заболевания типа рака или болезни Альцгеймера). Старые антибиотики тем временем неуклонно теряли эффективность, так что весь накопленный "ядерный арсенал" постепенно приходил в негодность.

Раньше пациенту, устойчивому к одному антибиотику, всегда можно было предложить другой, более сильный. Сегодня речь идет уже об устойчивости к антибиотикам, сильнее которых нет ничего. Миллионы людей (особенно в Африке и Азии) погибают не потому, что от их инфекций нет лекарств, а потому, что эти лекарства больше не работают. Всемирная организация здравоохранения сегодня обсуждает неминуемое наступление "постантибиотиковой эры"5, 6 и в промышленно развитых странах. Человечеству в ближайшем будущем придется либо изобретать принципиально новые способы борьбы с бактериями, либо жить с реальностью смертельно опасных царапин и осложнений от хирургических операций.

Как же так получилось? Казалось бы, в войне человека, самого сложного существа на планете, с микробами, самыми простыми существами, у нас не должно быть затруднений в век космических кораблей и искусственного интеллекта. Тем не менее, проведя почти столетие в отступлении, сегодня микробы наносят нам ответный удар. Что пошло не так? Почему мы их снова боимся?

По-моему, мы недооценили микробов, потому что с самого начала неправильно поняли, что они из себя представляют.

Республика с фашистскими наклонностями

Словом "микроб" вообще-то давно уже пользуются только продавцы биодобавок — те самые, у которых в ходу слово "протеин". Раньше так обозначали все маленькое и примитивное, но современные биологи обычно называют конкретный тип микроорганизма: например, бактерии, археи, инфузории, дрожжи (но не вирусы, такие как возбудители гриппа или ОРВИ: те вообще стоят особняком от всего живого). Сегодня мы знаем, что микробы настолько разные существа, что объединять их в одну категорию — это как объединять человека и кустик клубники в категорию "макроб".

Микробов от "макробов", впрочем, отличает один принципиальный признак: их организм состоит из одной независимой клетки, тогда как человеческий и клубничный — из множества клеток, работающих заодно. Так что корректнее называть эти две категории одноклеточными и многоклеточными.

На уроке биологии клетка обычно описывается как кирпич (или его младший брат — "кирпичик"). Мы привыкли думать о клетках как о деталях, потому что сами из них состоим. С многоклеточной точки зрения микроорганизмы кажутся, соответственно, кирпичами на колесах. Это детали, плавающие сами по себе, неодушевленные пузыри на границе живого и неживого.

Но если смотреть на нашу планету из космоса, то становится понятно, что клетки — это прежде всего не детали, а организмы.

Во-первых, микробов очень много. По биомассе бактерий, например, в 30 раз больше, чем животных. Большинство организмов на планете состоит из одной клетки.

Во-вторых, многоклеточные в масштабах вечности — относительно недавнее изобретение, тогда как бóльшая часть истории жизни — это история одиночных клеток.

В-третьих, весь фундамент нашей многоклеточной жизни был заложен нашими одноклеточными предками и другими микроорганизмами, без которых сегодняшнего человека не представить. Одноклеточные придумали дыхание, хищничество, половое размножение и многое другое, что мы считаем базовыми свойствами собственного организма. Они придумали, как добывать пищу, заложили основу для отношений между мужчинами и женщинами, первыми вдохнули в атмосферу кислород и первыми вышли из моря на сушу.

В общем, как ни крути, а типичный организм — это клетка.

Что вообще такое организм? Можно сказать, что это машина для выживания генов. Но под такое описание подходит, например, любой белок — тоже машина, которая помогает генам выживать. Отличие организма в том, что это не просто машина, а машина, внутри которой гены живут. Если с ней что-то происходит, то это одинаково затрагивает все гены, ее населяющие.

Организм — это транспортное средство, на котором гены едут из точки А в точку Б. Точка А — это родители организма, а точка Б — его дети. В этих точках гены перепрыгивают в новые транспортные средства и продолжают ехать вперед. Это движение и есть выживание гена. Как читатель помнит, ген не материальный объект, а фрагмент информации, поэтому он выживает путем переезда из одного материального носителя в другой, из одного поколения в следующее.

Особенность взаимоотношения генов со своим транспортным средством состоит в том, что они его никогда не покидают. Гены всегда удваиваются внутри организмов, а новые организмы всегда, так или иначе, отпочковываются от старых. С самого начала времен и до наших дней гены, то есть собственно живая субстанция планеты, взаимодействуют с миром исключительно изнутри этих машин, на которых они плывут сквозь время.

Почему это так принципиально? Потому что это формализует общественные отношения между независимыми генами. Если организм на плаву, то все гены у него внутри выживают. Если он по какой-либо причине тонет, то все его гены прекращают существовать, независимо от того, насколько они были полезными поодиночке.

В этом и состоит суть организма как явления. Главное его свойство не столько в том, что он помогает генам выжить, а в том, что он замкнут и генам из него просто так не выйти. Организм вынуждает свои гены к сотрудничеству на благо общего дела — у них просто нет иного выбора. Теперь они не просто гены, они — часть генома.

Эта идея организма с геномом напоминает одну печально известную политическую систему. Посмотрите на итальянский герб времен Муссолини: прутья, связанные ремнями в пучок ("fascis" по-латыни, отсюда и слово "фашизм"), а из пучка торчит топор. Этот древний символ, на мой взгляд, великолепен в своей экспрессивности. Один прут сломать легко, а связку прутьев сломать трудно. И вообще, сейчас топором получишь!

Клеточная мембрана — главный элемент строения клетки, герметично изолирующий ее ДНК от окружающего пространства, — это как раз и есть такой фашистский ремень, связывающий гены в плотный топор, воюющий с миром за выживание. Идея организма состоит в том, что есть "свои гены", а есть "чужие гены". Организм работает на все свои гены в равной степени, и ни на чьи другие. Смысл клетки в том, что она замкнута в капсулу, которая умеет делиться, удваивая содержащиеся в ней гены, и никакие другие. При этом если гибнет клетка, гены гибнут коллективно. Ровно то же самое можно сказать и про наш многоклеточный организм.

КСТАТИ

Клеточная мембрана — непрерывный тонкий слой, отделяющий содержимое клетки, или цитоплазму, от окружающего мира, — это блестящее в своей простоте и элегантности инженерное решение.

Основу мембраны составляют липиды. Липид — форма органического вещества, к которой также относятся жиры. Мембранные липиды сложнее, чем жиры, откладываемые в жировой ткани и преобладающие в пище, но обладают отчасти похожими свойствами. Жиры, как известно, не любят воду в силу своей химической природы: если смешать масло с водой, они разбегутся в разные стороны и образуют два слоя. Но липиды в клеточной мембране отличаются раздвоением личности. Одна часть молекулы мембранного липида (ее иногда называют "хвост"), как и типичный жир, воду не любит. Но этот "хвост" прикреплен к "голове", которая, наоборот, стремится окружить себя водой (в химии это называется гидрофобностью и гидрофильностью, то есть водобоязнью и водолюбием).

Что произойдет, если такие молекулы смешать с водой? Головам будет хорошо, а хвостам некомфортно. Хвосты будут лихорадочно искать место без воды. Пытаться сгрудиться в каплю, в которой этой воды не будет. Но головы не хотят быть в середине жировой капли, они хотят быть в воде.

Как решить такую проблему? Нужно сгрудиться не в каплю, а в плоский слой, в котором головы плотно прижаты друг к другу и не пропускают воду. Такой слой можно замкнуть в шарик — мицеллу, а можно прижать к другому такому же слою так, чтобы головы смотрели наружу с двух сторон, а хвосты мирно отдыхали в своем маслянистом пространстве посередине. Двойной слой липидов, или липидный бислой, и составляет основу клеточной мембраны. Красота тут в том, что в основе такой настолько космически сложной и навороченной машины, как клетка, лежит механизм уровня учебника химии за седьмой класс: гидрофобность липидов. Целостность и неделимость организма как явления объясняется процессами, которые происходят при взбалтывании масла с водой.

Так что клетка — это не просто деталь организма, а его архетип. Во многом корректнее думать о людях как об одноклеточных, состоящих из множества клеток, чем о бактериях — как об отдельно взятых деталях многоклеточных. И все-таки наши с бактериями организмы различаются очень сильно. В этом и кроется наше недопонимание микробов.

Текучие когти

Потеря антибиотиками способности лечить инфекции происходит не из-за порчи самих антибиотиков. "Ядерный арсенал", который в данном случае приходит в негодность, не испаряется и не теряет химическую активность. Все дело в устойчивости, которую рано или поздно вырабатывают к любому антибиотику бактерии. "Устойчивость" здесь означает не устойчивость человека к инфекции, а устойчивость инфекции к веществу, которым ее пытаются убить.

Устойчивость к антибиотикам — это типичный дарвинизм. Сложно придумать более прямую демонстрацию эволюции в действии, работающую настолько безотказно и легко наблюдаемую в таких подробностях. Допустим, человек заразился стафилококком. У него в теле миллионы клеток этой бактерии. Ему дают антибиотик, который блокирует производство, допустим, бактериальной клеточной стенки. 99,99% клеток стафилококка от этого погибают. Но бактерий такое количество, что часть из них по чистой случайности худо-бедно выживает.

Может оказаться, например, что у 0,01% бактерий чуть отличается структура какого-нибудь клеточного фермента, да так удачно, что такой фермент может расщеплять антибиотик7. Это меньшинство бактерий продолжит кое-как размножаться, причем среди их потомства преимущество получат те, у которых фермент еще лучше расщепляет антибиотик. Человек чувствует себя выздоровевшим, потому что почти весь стафилококк погиб, и перестает принимать антибиотик. Но в это время выжившие стафилококки размножаются с новой силой и снова заполняют организм. Человек начинает снова принимать антибиотик, но теперь тот работает гораздо хуже, потому что весь его стафилококк состоит из потомства самых устойчивых клеток. Он эволюционировал.

Печальная в мировом смысле проблема состоит в том, что этот эволюционировавший стафилококк не просто сидит внутри своего носителя-человека, а заражает окружающих, проникает в больницы, в канализацию, в почву и постепенно замещает собой стафилококков, не обладающих устойчивостью к антибиотику. Cам факт принятия антибиотика автоматически создает отбор на устойчивость. А отбор, в свою очередь, создает эволюцию — не только в пределах организма пациента, а вообще во всем мире. Что бы мы ни кидали в бактерий, рано или поздно они наэволюционируют себе решение проблемы, и кидание потеряет смысл.

Мы, люди, ассоциируем себя с собственным организмом. Когда мы говорим "я", мы имеем в виду материальный объект, обладающий голосом, цветом волос, а также генами. Бактериям же в целом наплевать на собственные организмы. Они у них всегда максимально простые, дешевые и одноразовые. Бактерии мыслят группами, штаммами, ветвями генетического древа. Если бы они могли сказать "я", то они бы имели в виду не организмы, обладающие генами, а гены, плывущие сквозь время на сменных организмах.

На заре эпохи антибиотиков мы думали, что война с бактериями — это война с чем-то маленьким и примитивным. На самом деле это война с чем-то вечным и почти бессмертным.

Если воспринимать бактерию таким образом, то она кажется гораздо страшнее, чем толпа очень-очень простых человечков. Это аморфная, текучая масса генов, расфасованных по клеткам, которая способна решить любую проблему, что бы вы с ней ни делали. Это жидкий робот Т-1000 из "Терминатора-2", просачивающийся в любую щель. Это сказочный змей, у которого из отрубленной головы вырастают две.

Такой альтернативный способ смотреть на бактерии любопытен даже лингвистически. Русское название "бактерия" — это калька с латинского слова bacteria. Но bacteria — это множественное число, единственное число от которого — bacterium. То есть само слово "бактерия" по идее означает "много бактериумов".

Мы неправильно поняли микробов, потому что мы приняли бактерию за бактериумов. Бактерия — существо множественного числа. Мы же — существа-единицы. Этим различием мы обязаны многим своим предкам, но прежде всего первым эукариотам, жившим среди бактерий порядка 2 млрд лет назад8, примерно на полпути от происхождения жизни до нашего времени.

Два кита или три черепахи?

Раньше считалось, что существует два типа клеток: один примитивный, другой продвинутый. Первые из них — скучные пузыри без интересной формы, многоклеточности, сложного поведения и вообще каких-либо признаков того, что мы, люди, считаем показателем крутизны в живом организме. Это прокариоты. Второй тип — эукариоты — организмы с гораздо более сложными клетками, зачастую состоящие из большого их количества, как, например, в нашем случае. У эукариотических клеток, в отличие от прокариотических, есть ядро, или "карион" (κάρυον) по-древнегречески (не спрашивайте, почему ученым прошлого было мало латыни). Слово "эу" (εὖ) означает "настоящий", а приставка "про-" (πρό-) — что-то вроде "недо-". Ну, все понятно: вот настоящие, правильные клетки с ядрами, а вот всякий ширпотреб.

Когда в 1970-е гг. появились методы секвенирования, то есть "чтения" генов, эта иерархия пошатнулась.

Принципиальную роль в этом сыграл Карл Вёзе, американский микробиолог, который первым придумал использовать сравнения генов для реконструкции эволюционной истории. Секвенирование позволило сравнивать организмы не просто по принципу "похоже / непохоже" или "сложно / просто", а математически. Проанализировав различия в ДНК, можно сопоставлять время эволюционного расхождения нескольких групп. В общих чертах принцип состоит в том, что мутации в генах происходят более-менее регулярно, если усреднять промежутки времени масштабами в миллионы лет (из этого правила, правда, есть масса исключений, что сильно затрудняет жизнь эволюционным биологам). В целом чем больше у двух видов различается один и тот же генный участок, тем дольше они существуют независимо друг от друга, то есть тем древнее время их эволюционного расхождения. Если у меня где-то в геноме записано АААГА, у мыши АААГГ, а у таракана ЦЦЦГЦ, то с тараканом мы разошлись раньше, чем с мышью, потому что наши последовательности сильнее отличаются.

Если брать не три вида, а тысячи, и не пять "букв", а длинные отрезки генома, то теоретически можно подобным образом узнать, какими именно родственными связями кто с кем связан, то есть восстановить всю последовательность эволюционных событий, породивших разнообразие сегодняшних видов. Используя этот метод, Карл Вёзе первым рассчитал масштабное древо жизни, не полагаясь на видимые признаки и интуицию.

К сегодняшнему дню это древо рассчитано эволюционными биологами в мельчайших деталях, хотя хватает на нем и спорных участков. Без таких знаний о родственных связях между живыми организмами представить современную науку просто невозможно. Но даже то самое первое древо Вёзе, описывающее жизнь на Земле в самых общих чертах, коренным образом изменило наше представление о системе природы. Последовательности ДНК, которые Вёзе отсеквенировал, разделились при анализе не на две ветви — эукариот и прокариот, как можно было предположить, — а на три. Эти ветви получили название доменов, то есть групп, стоящих выше царств (вроде царства животных или царства растений) и даже надцарств (есть и такие).

КСТАТИ

Система природы Карла Линнея включала знаменитые шесть рангов: царство, класс, отряд, семейство, род, вид. Но с развитием биологии природа в эти ранги перестала влезать. К шести рангам вскоре добавился седьмой — тип, сидящий между царством и классом. Затем стали возникать промежуточные ранги, такие как "надтип", "подцарство" или "инфракласс", — это, например, сумчатые, которые больше, чем отряд опоссумов, но меньше, чем класс млекопитающих. Сегодня все эти ранги чаще называют просто "группами", поясняя, какая из групп в пределах какой находится. На самом деле какого-то определенного количества рангов в природе нет и быть не может. Каждое эволюционное изменение — это новое разветвление древа жизни. Каждый раз, когда два вида расходятся в разные стороны от общего предка, все их дальнейшее потомство можно считать двумя независимыми группами. Соответственно, на каждой развилке древа жизни можно в принципе придумывать новые группы, хотя на практике мы пользуемся только определенными, традиционными развилками. Человек — одновременно эукариот, животное, позвоночное, млекопитающее и примат, — но это всего лишь 5 рангов, тогда как при желании между каждыми двумя можно вставить еще 20. Как на карте при разном увеличении прорисовываются разные детали, так и эволюционное древо может иметь разную детализацию, а вместе с тем и разное количество рангов.

Оказалось, что такого домена, как "прокариоты", просто нет. Прокариоты — это не единая группа, а два разных варианта живых организмов, столь же далеких в эволюционных координатах друг от друга, как человек от йогурта. Внешне они выглядят очень похоже, но сравнение их генов показывает, что они развивались независимо друг от друга миллиарды лет. Одна из этих групп — бактерии. Другая группа раньше считалась подгруппой бактерий под названием "архебактерии". Вёзе поднял ее статус до отдельного домена, и "бактерии" от названия отвалились. Новоиспеченный домен археи встал в один ряд с бактериями и эукариотами9.

Сегодня многие эволюционные биологи хотят пересмотреть и "тройное" деление жизни. Они считают, что эукариоты — мы с вами — появились не одновременно с двумя другими доменами жизни, а существенно позже. Бактерии и, вероятно, археи к моменту их возникновения уже давно существовали, причем в планетарных масштабах и количествах. Эукариоты же произошли в пределах архей. Следуя такой версии, формально все растения, грибы и животные принадлежат к одному их странному семейству8, 10.

Так что возможно, в мире всего два типа клеток, как и считалось раньше, до Карла Вёзе. Только эти два типа — не прокариоты и эукариоты, а бактерии и археи. Мы же, эукариоты, по-видимому, произошли от архей. Однако, как мы вскоре увидим, бактерии тоже сыграли ключевую роль в появлении нашего домена. История эукариот гораздо сложнее и интереснее, чем просто "третий тип клетки".

Задача этой книги — объяснить чудо человеческого существования. Я не первый, кто интересуется происхождением человека и ищет ответы на вопросы о себе в своем эволюционном прошлом. Но фраза "эволюция человека" обычно означает его происхождение от обезьяны, то есть события последних сотен тысяч, в лучшем случае нескольких миллионов лет. На мой взгляд, истоки человеческой сущности нужно искать гораздо раньше, в событиях далекого, океанического прошлого, и из всех таких моментов, определивших траекторию человеческой родословной, важнейшим я считаю происхождение домена эукариот.

Чтобы понять человека, нужно понять эукариогенез. А чтобы понять эукариогенез, нужно понять нечто на первый взгляд совершенно нечеловеческое: фотосинтез.

Фотосинтез

Синтез значит "сборка", "соединение". Если спросить у большинства людей, что синтезируется в фотосинтезе, они уверенно ответят "кислород". Фотосинтез — это такое слово, от которого просто пахнет свежим воздухом.

Кислород в процессе фотосинтеза действительно возникает. Но суть фотосинтеза в другом.

Возьмем, к примеру, бутерброд с икрой (главный деликатес постсоветского пространства). Он состоит из булки, масла и рыбьих яиц. Из чего сделана булка? Из пшеницы. То есть булку сделал фотосинтез. Из чего сделано масло? Из молока, а оно — из травы, которую ест корова. То есть масло тоже сделал фотосинтез. Из чего сделана икра? Из лосося-мамы, а та — из других, мелких рыб, а те — из водорослей, которыми они питаются. То есть и икру в конечном итоге тоже сделал фотосинтез.

Фотосинтез — это не синтез кислорода. Фотосинтез — это синтез еды. Это главный источник пищи на планете, который кормит практически все живое.

Чтобы сделать еду, нужно откуда-то достать атомы углерода, из которых эта еда, углеводы, жиры и так далее, будет состоять. Углерод в природе чаще всего встречается в форме углекислого газа, и за редкими исключениями именно углекислый газ — первичный источник всего углерода в пище, которую потребляют живые организмы.

Но самое сложное в фотосинтезе — где взять энергию. В энергии смысл любого питательного вещества. Чтобы она там была, ее надо туда вложить. Это происходит, когда из углекислого газа выковываются кольца углеводов и цепи жиров. В ходе этого процесса энергия запасается в структуре их молекул и в дальнейшем используется как самим фотосинтезирующим организмом, так и тем, кто его съест. Но где взять изначальную энергию для синтеза еды из углекислого газа, если не из других питательных веществ?

Читатель уже знает ответ: на Солнце.

Солнце — это застывший во времени и пространстве термоядерный взрыв. Из него постоянно извергается свет и жар, которые долетают по прямой линии до нашей планеты в форме фотонов. Фотоны — как бы куски энергии света. Бóльшая часть из них отражается атмосферой или отскакивает от поверхности земли и улетает обратно в космос, рассеиваясь по бесконечному пространству. Но некоторые попадают точно на поверхность растения. Они пролетают сквозь прозрачное восковое покрытие, сквозь клеточную стенку и мембрану растительной клетки, сквозь мембрану ее хлоропласта — внутриклеточной станции фотосинтеза — и наконец ударяются о специально предназначенную для этого молекулярную антенну, которая и придает зеленому листу его цвет. Это хлорофилл, ловец фотонов.

Хлорофилл всасывает энергию прилетевшего к нему фотона и от этого очень возбуждается. Примерно как Супер Марио, глотающий бонусную звезду и временно обретающий сверхспособности. Помните, как атомы и молекулы постоянно занимаются тем, что отбирают друг у друга электроны? Так вот возбужденный фотоном хлорофилл пребывает в таком радостном настроении, что с готовностью отдает электрон окружающим, вкладывая в него ту энергию, которую сообщил ему произведенный на солнце фотон.

Молекулы — существа ветреные, сами не знают, чего хотят. Им все время не сидится со своими электронами, то их мало, то их много. Но стоит всучить молекуле целый лишний электрон или вырвать у нее электрон, от которого она пытается избавиться, как ей тут же становится еще хуже — теперь она хочет этот электрон либо сбагрить, либо добыть соответственно. В случае с возбужденным хлорофиллом потеря электрона мгновенно выводит его из благотворительной эйфории, и возбуждение сменяется жестоким похмельем, при котором хлорофилл готов разорвать клетку на части, лишь бы получить обратно свой потерянный электрон.

Мы вернемся к хлорофиллу и его химической ломке через минуту, но пока давайте посмотрим, что происходит с тем электроном, который он в своем любвеобильном порыве отдал окружающим.

Дело происходит внутри растительной клетки. Как и любая клетка, она имеет клеточную мембрану, отделяющую ее от окружающего мира. Но с внутренней стороны этой главной наружной мембраны в клетке полно более мелких мембранных пузырей, трубочек и цистерн, образующих массу разнообразных полостей и пространств со специализированными функциями. Эти пузыри и полости называются органеллами, то есть мини-органами. К их числу относится хлоропласт — специальная органелла для фотосинтеза. Там и живет хлорофилл.

У хлоропласта две мембраны: наружная и внутренняя. Внутри он заполнен стопками плоских замкнутых цистерн под названием тилакоиды. Именно в их мембрану воткнут хлорофилл. То есть если считать от границы клетки, то это мембрана номер четыре: сначала клеточная мембрана, потом две мембраны хлоропласта и только потом мембрана плоского пузыря-тилакоида.

Что за компания окружает хлорофилл в мембране тилакоида? В основном это мембранные белки, которые с радостью принимают от возбужденного хлорофилла электрон и от этого сами возбуждаются. Но белки гораздо более талантливые молекулы, чем хлорофилл, и их возбуждение можно превратить в полезную работу. От энергии принятого электрона белок корежит и перекручивает, и в конечном итоге он передает эту свою электронную радость другому белку, как эстафетную палочку. Но, пока их крутит, белки проделывают любопытный пируэт: хватают с одной стороны мембраны протон (протон — это просто водород, у которого отняли электрон, такие несчастные обделенные водороды всегда есть в любом водном растворе) и сбрасывают его с другой стороны мембраны. В итоге белки возвращаются к своему исходному состоянию, но пробежавший по ним электрон переносит протон внутрь тилакоида11.

Этот процесс повторяется несколько раз с участием вспомогательных молекул, пасующих друг другу электрон, как мяч. В сумме получается следующее: выбитый светом из хлорофилла электрон прыгает по мембране с белка на белок, возбуждая их по эстафете, и в результате те постепенно накачивают тилакоид протонами. В конечном итоге электрон, запущенный возбужденным хлорофиллом по цепи, теряет энергию и соскакивает с мембраны на специальную молекулу с легендарным названием "никотинамидадениндинуклеотидфосфат" — я был очень горд собой, когда впервые выучил его в десятом классе. Там мы этот отработанный электрон и оставим, присмотревшись вместо него к тому, что происходит с накачиваемым протонами тилакоидом.

Турбина на шарике

Чтобы накачать воздушный шарик, нужно приложить энергию. Что происходит с этой энергией в шарике? Она сохраняется в форме напряжения резины под давлением газа. Если шарик проткнуть, то газ устремится из зоны высокого давления внутри шарика в зону низкого давления снаружи, и энергия напряжения превратится в энергию звука, реактивного движения и всеобщего веселья.

То же самое происходит с тилакоидом, который накачивают протоны. Сами они туда не полезут по той же причине, по которой шарик не накачивает сам себя. Но если приложить энергию — в данном случае она берется из скачущего по мембране электрона, выбитого из хлорофилла солнцем, — то протоны можно запихнуть в тилакоид против их воли и таким образом создать напряжение. Фактически это способ сконцентрировать энергию света. Тот факт, что в тилакоид накачиваются именно протоны, принципиальной роли не играет: важно, что перепад их концентрации создает напряжение, в котором, как в накачанном шарике, содержится энергия.

То есть в итоге энергия солнца была превращена растением в энергию накачанного протонами тилакоида. Но накачанный тилакоид на бутерброд не намажешь. Чтобы из его сконцентрированной энергии сделать что-то полезное, ее нужно перевести в более удобоваримую форму. Поэтому тут в дело вступает белок поистине волшебных талантов: АТФ-синтаза. Он умеет превращать энергию накачанного тилакоида в энергию химической связи.

С инженерной точки зрения этот процесс — одно из самых впечатляющих и элегантных творений эволюции. Сложно вообразить себе белковую машину с настолько явными функциональными параллелями в человеческой промышленности: АТФ-синтаза — это буквально турбина на тилакоиде. Гидроэлектростанция, в которой поток воды (только в данном случае не воды, а протонов) крутит лопасти генератора, который запасает энергию потока в полезном виде. АТФ-синтаза состоит из модуля, зафиксированного на мембране, — статора — и встроенного в него шестигранного ротора, который, как настоящая турбина, крутится под воздействием струи протонов, выпускаемых из накачанного тилакоида. А кручение ротора, в свою очередь, приводит к тому, что АТФ-синтаза синтезирует АТФ.

АТФ, или аденозинтрифосфат, — специальная молекула, играющая роль энергетической разменной монеты. Растения разменивают на АТФ энергию солнца. Мы точно так же размениваем на АТФ энергию пищи. Превратив энергию в АТФ, клетка в принципе может использовать ее в любых целях, подробнее об этом мы еще поговорим. В фотосинтезе энергия АТФ, полученного усвоением солнечного света, направляется в одно конкретное, крайне энергоемкое русло: превращение углекислого газа в питательные вещества.

Что делают растения в темноте

Эта фаза фотосинтеза называется темновой — свет в ней уже не нужен. Первую скрипку в темновой фазе фотосинтеза играет белок с красивым названием Рубиско (можно, конечно, и "рибулозобисфосфаткарбоксилаза", но это звучит так, как будто трактор не заводится). Учитывая, что колоссальная мировая биомасса фотосинтезирующих организмов набита Рубиско до отказа, этот фермент, по некоторым оценкам, самый распространенный белок в природе или, по крайней мере, на суше12.

Операция, которую выполняет Рубиско в фотосинтезе, сопоставима по значимости разве что с присоединением аминокислоты к аминокислоте при синтезе белка на рибосоме. Рубиско превращает углекислый газ и воду в углевод, то есть в сахар, — органическую молекулу, состоящую из углеродной цепи с вкраплениями кислорода и водорода. Углекислый газ и вода совершенно не хотят ни во что превращаться, это крайне стабильные молекулы, которым в их текущем виде вполне комфортно. Чтобы заставить углекислый газ превратиться в сложную углеродную цепь, нужно приложить энергию, для этого Рубиско использует АТФ, наработанный хлорофиллом с товарищами. Приложенная энергия при этом запасается в структуре получившегося сахара (это, собственно, и делает его питательным веществом) и в дальнейшем используется для строительства любых других органических веществ.

Строго говоря, Рубиско не просто склеивает кучу CO2 с кучей H2O, превращая их в сахар. Он как бы нанизывает эти молекулы на уже имеющийся углевод, так что цепочка из пяти углеродных атомов превращается в цепочку из шести. Главное в том, что углекислый газ, "воздушный углерод", как бы впитывается в живую материю, "органический углерод". Инертная, безжизненная, неорганическая молекула вступает в волшебный мир сложных углеродных цепей, которые легко превращаются друг в друга во всевозможных комбинациях.

Мы, животные, все делаем наоборот: ломаем своими ферментами материю на куски, извлекаем из ее молекул энергию для своих мышц, печеней и мозгов, а сами молекулы для этого рубим на мелкие составные части. Поскольку все живое в основном состоит из воды и длинных углеродных цепочек, главный продукт нашей жизнедеятельности — это, помимо опять-таки воды, вырванный из всех своих цепочек атом углерода: углекислый газ, CO2, одиночный углерод с двумя присосавшимися кислородами (о том, при чем тут кислород, пойдет речь чуть дальше). Растения, как и первые фотосинтетические организмы древнего мира, обладают обратной способностью. Они поглощают углекислый газ, впрыскивают в него энергию и вклеивают обратно в органическую молекулу. Это ставит фермент Рубиско в центр жизни на Земле: он превращает неживое в живое.

КСТАТИ

Все это, впрочем, не значит, что растения исключительно строят, а животные исключительно рушат. Растения, как и животные, запасают энергию в форме питательных веществ и расщепляют их, когда энергию требуется потратить. Правильнее было бы сказать, что растения (а также древние фотосинтетические одноклеточные, о которых идет речь в этой главе) производят собственную еду, а животные эту еду добывают извне. Для обозначения этих разных стратегий существования есть соответствующие термины: автотроф ("самоед") и гетеротроф ("инакоед").

Сломать воду

Но вернемся на несколько ступеней назад, к возбужденному солнцем хлорофиллу, который на радостях оторвал от сердца электрон и теперь сильно об этом жалеет. Энергия того электрона превратилась в полезную энерговалюту — АТФ, но хлорофиллу от этого не легче. Он страдает, и, если его не удовлетворить, начнет рушить все вокруг. Хлорофиллу нужно выдать новый электрон. Тут зарыта эволюционная собака, ради которой я, вообще говоря, и затеял все наше путешествие по растительной клетке. Если читатель недоумевает, зачем в книге про происхождение человека нужно копаться в молекулярной биологии фотосинтеза, то обещаю, что скоро в этой густой чаще забрезжит свет.

Источник электрона, которым компенсируются потери несчастного хлорофилла, может быть разным. Изначально, на ранних этапах эволюции, для этих целей использовался, по-видимому, сероводород13. Такой вариант фотосинтеза существует среди некоторых бактерий и по сей день, но сегодня это экзотика, а 3 млрд лет назад фотосинтез на сероводороде, как предполагается, был единственным существующим.

Сероводород знаком всем по запаху тухлых яиц, минеральных вод и прочих вонючих природных ветров. Это простая молекула из одного атома серы и двух атомов водорода. При ее разламывании образуется в целом довольная жизнью сера, несчастные, но бессильные протоны (обделенные электронами положительно заряженные водороды) и два электрона, которыми можно возместить убытки двум стенающим хлорофиллам. В итоге всё успокаивается: хлорофилл спит, сера никого не трогает, на протоны всем плевать, АТФ произведен.

Сероводород, таким образом, решает проблему злобного хлорофилла. Но сероводород еще надо где-то найти. Где же его искать? Возможно, в геотермальных источниках, разломах земной коры на берегу водоема, а может, даже в уже хорошо нам знакомых гидротермальных источниках глубоко под водой. И ничего, что там царит кромешная тьма, — есть версия, что изначально в качестве источника энергии в фотосинтезе использовался не свет, а инфракрасное излучение из-под земли14, 15. Так или иначе, сероводород — пусть не самое редкое вещество на земле, но и далеко не самое распространенное. Это накладывает огромные ограничения на фотосинтез как явление.

Но не нужно быть химиком, чтобы увидеть в сероводороде (H2S) сходство с другой, гораздо более знаменитой и несопоставимо более распространенной молекулой: водой (H2O). Это точно такая же молекула, только вместо серы в ее состав входит кислород. В ней тоже есть электроны, которые теоретически можно извлечь и выдать хлорофиллу. Преимущество воды перед сероводородом очевидно: ее не надо искать. Вода есть повсюду, как и углекислый газ с солнечным светом. Фотосинтез "на воде" превращается из химии в магию: еду можно производить где угодно, когда угодно и фактически из ничего.

Казалось бы, при таком раскладе в сероводороде смысла нет вообще. Но у воды есть один большой минус: это одна из самых стабильных молекул во Вселенной. Сероводород разваливается от взгляда, сломать же молекулу воды невероятно трудно.

Первые фотосинтезирующие организмы были бактериями и жили около 3 млрд лет назад13, 16. Сегодняшние их потомки называются цианобактериями (синезелеными водорослями). На первых порах этим ранним фотосинтезаторам для фотосинтеза был нужен сероводород или, возможно, какая-то другая расходная молекула, которой неизменно было мало. То, что происходит дальше, на мой взгляд, — это одна из самых великолепных иллюстраций всесилия эволюции. Если существует непреодолимая проблема, у которой есть теоретическое решение, несущее колоссальную выгоду, то рано или поздно проблема будет преодолена.

В данном случае непреодолимая проблема была преодолена при помощи впечатляющей клеточной машины под совсем не впечатляющим названием "фотосистема II" (ее номер никак не связан с биологической ролью). Это до смешного сложный агрегат, состоящий из десятков белков и 99 (и это не шутка!) мелких, но причудливых деталей — кофакторов, включая, например, экзотические кластеры из кальция и марганца17. Это Большой адронный коллайдер молекулярного мира. Одного взгляда на фотосистему II достаточно, чтобы почувствовать те миллионы лет эволюции, которые должны были уйти на создание чего-то настолько сложного. А это, в свою очередь, показывает, насколько принципиальной и фундаментальной должна быть проблема, которую решает такая машина, чтобы оправдать столь феноменальную настойчивость ее изобретателей.

Фотосистема II — это машина для ломки воды18.

В результате ее работы из воды изымается все тот же электрон, которым возмещаются потери хлорофиллу. Теперь клетке не нужно постоянно сидеть возле источника сероводорода. Разламывая молекулу воды, клетка избавляется от последнего ограничения, удерживающего ее в гео- или гидротермальном источнике, да и вообще в любом источнике любого ресурса. Фотосистема II означает, что жить можно где угодно, где есть вода, воздух и свет.

Этот новый, "водный" тип фотосинтеза 2.0 — свобода от всех зависимостей. И поначалу он, конечно, завоевал мир. Он дал клеткам возможность жить где угодно, даже вдали от источников подземной энергии или экзотических химикатов. До этого живая материя уходила проводами в земную кору — теперь у нее появилась солнечная батарея, и провода стали не нужны.

Однако любопытно, что свое название новый революционный способ добычи энергии получил не по свободе, которую он дал своим обладателям, и не по воде — источнику этой свободы, а по побочному продукту, который образуется в результате распада водной молекулы. "Фотосинтез 2.0" называется оксигенным, то есть кислородным. Потому что этот побочный продукт, следствие заветного перехода с сероводорода на воду, как и сам фотосинтез, повернул ход истории жизни на Земле.

Дело в том, что кислород — это яд. Если его никак не контролировать, он стремится уничтожить любую биологическую молекулу.

После изобретения оксигенного фотосинтеза сначала в океане, а потом и в атмосфере начинает медленно, но верно расти содержание кислорода. Пока кислорода мало, он нейтрализуется другими атомами, прежде всего железом, растворенным в океане и отложенным на дне19. Жизнь продолжает множиться и развиваться на фотосинтетических дрожжах миллионы лет. Когда кислорода становится столько, что океан больше не может его поглощать, он начинает отравлять воду и даже просачиваться в атмосферу. В конечном итоге его становится столько, что большинство живых клеток, во всем своем разнообразии расселившихся по мировому океану, не могут продолжать существовать. Выживают только те, кто устойчив к кислороду, — аэробы, то есть "воздушники", к которым относимся и мы.

Этот момент в истории некоторые ученые называют "кислородной катастрофой" или даже "кислородным холокостом", хотя другие сомневаются, был ли вообще "холокост", или же, скорее, постепенное вытеснение "воздушниками" "безвоздушников" — анаэробов, неспособных переносить кислород20, 21. Так или иначе, насыщение океана и атмосферы кислородом принципиально меняет правила существования жизни на планете. Одним из следствий этого изменения правил и станет возникновение нашего домена эукариот.

Красный путь и зеленый путь

Как помнит читатель из первой главы, кислород — это молекулярный Шива, электронно-атомный агрессор, который норовит разорвать большие молекулы на куски с выделением энергии. Так работает горение. Так что "кислородный холокост", если он действительно в каком-то смысле произошел, — даже не метафора, а вполне прямое описание событий, ведь слово "холокост" дословно означает "полное сожжение", то есть ровно то, что кислород делает.

Тот факт, что сегодняшняя атмосфера Земли состоит из кислорода аж на 21%, — это по космическим стандартам одно из самых неординарных свойств нашей планеты. Кислород просто так не витает над планетами — он всегда находит какой-нибудь другой атом, к которому можно присосаться с отъемом электронов. Чтобы в воздухе был свободный кислород, его нужно постоянно производить в мировых масштабах. То есть с поверхности Земли в ее атмосферу непрерывно бьет фонтан кислорода. С точки зрения человека, заядлого "воздушника", это замечательный фонтан. Но с точки зрения населения планеты 2,5 млрд лет назад, состоявшего из "безвоздушников", это был фонтан токсичных отходов с планетарной энергостанции фотосинтеза.

В бактериально-архейном мире и сейчас есть такие противники кислорода, с чьей точки зрения "кислородный холокост" продолжается до сих пор. Анаэробные микробы прячутся по углам, сидя где-нибудь в песке или в ведре соленых грибов, куда газы извне хуже просачиваются. Но большая часть сегодняшних живых организмов кислорода не боится, потому что умеет дышать.

Красный цвет нашей крови — это цвет гемоглобина, железосодержащего белка, которым забиты красные кровяные клетки. Гемоглобин видно даже сквозь кожу, без него она была бы почти белой. Железо в крови нужно для того, чтобы связывать кислород. Крупные металлы вроде железа обладают особыми свойствами, позволяющими им удерживать другие атомы и молекулы как бы в подвешенном состоянии, — в данном случае в этом силовом поле висит кислород и никого не может укусить, пока его перевозят по организму.

КСТАТИ

Помимо железа, для связывания кислорода хорошо подходит другой металл: медь. Она выполняет функцию железа в крови, или гемолимфе, некоторых беспозвоночных22. Отличается и белок, в который металл встроен, — "медный" вариант называется гемоцианином. Благодаря гемоцианину у моллюсков, например, бывает настоящая голубая кровь. В митохондриях, отвечающих за переработку кислорода, содержатся и медь, и железо.

Когда мы вдыхаем воздух, он насыщает кислородом текущий сквозь легкие гемоглобин. Тот разносит его по телу, где кислород отрывается от своего железного сопровождающего и поглощается клетками. Там его всасывает органелла, столь же красная и столь же железная, как и красные кровяные тельца. Она называется митохондрия.

Митохондрия — это то, чем мы, собственно говоря, дышим. Как ни странно, этот процесс очень похож на фотосинтез, а сама митохондрия очень похожа на хлоропласт. Только цвета разные.

Помните, как в фотосинтезе по мембране скакал электрон, выбитый фотоном из возбужденного хлорофилла, а мембранные белки от этого крутились, вертелись и накачивали тилакоиды протонами? Этот процесс можно представить себе как постепенное скатывание мячика по лестнице, с верхней ступеньки к нижней. Выбитый из хлорофилла электрон прыгает с белка на белок, с верхней энергетической ступеньки на нижнюю, и раздает свою энергию — ту, которую в него вложил хлорофилл, изначально получив ее в виде солнечного фотона. Энергия извлекается из электрона именно благодаря процессу его скатывания по лестнице. Сама эта "лестница", состоящая из последовательности мембранных белков и вспомогательных молекул, называется электрон-транспортной цепью.

Так вот, в дыхании работает ровно тот же принцип и очень похожая электрон-транспортная цепь. Это тоже энергетическая лестница, на которой из электрона выжимают энергию. Только в данном случае электроны берутся не из хлорофилла, а из расщепленных питательных веществ. Эти электроны скачут по мембране митохондрии от белка к белку точно так же, как при фотосинтезе электроны скачут по мембране тилакоида. В результате электроны постепенно отдают свою энергию, которая, как и в фотосинтезе, превращается в энергию "накачанного шарика" — только в фотосинтезе накачиваются протонами тилакоиды, а в дыхании — пространство между двумя мембранами митохондрии. В обоих случаях энергия накачанного шарика раскручивает ротор АТФ-синтазы, чеканящей в митохондриях и хлоропластах универсальную энергетическую валюту: АТФ.

В общем, энергетическая лестница, по которой катится электронный мяч, есть в обоих случаях. Вся разница в том, что в фотосинтезе лестница существует потому, что первая ступенька, образно говоря, находится очень высоко: свет, бьющий в хлорофилл, вкладывает энергию в электрон и как бы "подбрасывает" его вверх. В дыхании же лестница существует благодаря тому, что последняя ступенька расположена очень низко. Электроны питательных веществ как бы скатываются в глубокую энергетическую воронку, внизу которой их ждет главный пожиратель электронов — кислород4.

Дыхание — это контролируемое горение. При обычном горении кислород рвет все без разбора и без пощады. В железно- медных объятиях митохондрии он, как лев на цепи, которому выдают мясо по кусочкам. Митохондрия эксплуатирует его деструктивную мощь, чтобы выжать из питательных веществ максимум энергии, разбирая их на электроны и методично сливая их в бездонную глотку кислорода. Тем самым решаются одновременно две проблемы: обезвреживается опасный кислород и добывается куча энергии. Разорванные кислородом цепи углеродных молекул превращаются в воду и углекислый газ, то есть сгорают.

В фотосинтезе АТФ производится из солнечной энергии и расходуется на превращение углекислого газа в еду. При дыхании АТФ производится, наоборот, путем превращения еды в углекислый газ, а расходуется на все остальные полезные клеточные процессы. Растения и дышат, и фотосинтезируют, а животные только дышат.

КСТАТИ

Теоретически растения могли бы обходиться одним фотосинтезом. На самом деле энергетические лестницы фотосинтеза и дыхания совсем не взаимоисключающие вещи. Две лестницы — значит, в два раза больше АТФ. Растения не только фотосинтезируют, но и дышат, не только производят питательные вещества, но и их потребляют. В определенных условиях (например, в темноте) растение может потреблять больше кислорода, чем производить.

 

АТФ — это молекула, которая не хочет существовать. То есть, чтобы сделать АТФ, в него нужно вложить энергию, а если АТФ распадается, то энергия при этом выделяется. В принципе, то же самое можно сказать про любое сложное органическое вещество: в сахар или в белок, например, тоже нужно вложить энергию, а при их распаде она выделяется. АТФ отличается от обычной органической молекулы с двух точек зрения. Во-первых, у него есть одна конкретная химическая связь (между вторым и третьим фосфатом), в которую вкладывается очень много энергии, и, соответственно, много энергии выделяется, если эта связь распадается. Во-вторых, чтобы извлечь энергию из органической молекулы, эту молекулу нужно уметь разламывать. В клетке есть отдельные ферменты, которые разламывают сахара или белки, но такая возможность доступна далеко не всем. АТФ же — это такая универсальная молекула, которую умеют разламывать тысячи разных ферментов. Поэтому все питательные вещества сначала разламываются клеткой до предела с производством АТФ, и только потом их энергия пускается на полезные нужды в таком стандартизированном виде.

В общем, АТФ — это молекула, специально предназначенная для энергетических платежей, принимаемая во всех клеточных кассах, у которой даже есть специальная, легко разламываемая и богатая энергией связь. Практически любой клеточный процесс, требующий энергии, протекает в тандеме с распадом АТФ. Хотите доставить сигнал с поверхности в ядро? Произвести целлюлозу для клеточной стенки? Пошевелить мышцей? Вставьте АТФ.

КСТАТИ

По своей химической природе АТФ — нуклеотид, причем рибонуклеотид, то есть составная часть РНК (фактически это свободно плавающая буква "А"). Тот факт, что эта универсальная энергетическая валюта имеет родство с предполагаемой "протомолекулой", — очередной аргумент в копилку сторонников гипотезы РНК-мира.

 

Хлоропласты и митохондрии добывают АТФ двумя разными способами, которые я для себя называю "мощный подъем" и "мощный отъем". Первый основан на хлорофилле, который усваивает солнечную энергию, создавая мощный энергетический подъем. Второй основан на кислороде, чья мощь — в отъеме у питательных веществ всего их энергетического сока. Если хотите, это зеленый путь и красный путь. Покорение света и покорение огня.

Я рассказал про фотосинтез и про дыхание на примере хлоропластов и митохондрий, органелл в клетках растений и людей. У них много общего как внешне, так и функционально: и хлоропласт, и митохондрия имеют две мембраны, производят АТФ на протонной турбине и обзываются во всех учебниках мира "клеточными электростанциями". Можно, правда, смотреть на них и как на противоположности: хлоропласт созидает (наработанный АТФ идет на производство питательных веществ из углекислого газа, и при этом выделяется кислород), а митохондрия разрушает (АТФ нарабатывается разрушением питательных веществ с выработкой углекислого газа, и кислород при этом тратится).

Но самая главная и глубокая параллель митохондрий и хлоропластов даже не в том, чем они занимаются, а в том, что миллиарды лет назад, до "кислородного холокоста", они были не органеллами, а отдельно живущими существами. Бактериями, если точнее. Хлоропласты произошли от цианобактерий, а митохондрии — от альфа-протеобактерий. У них до сих пор есть собственные геномы и собственные хромосомы, замкнутые в кольцо, как у других бактерий. Они до сих пор делятся независимо от клетки-хозяина и распределяются между ее потомством. Вдумайтесь: внутри каждой вашей клетки живут древние организмы с собственными геномами, которые за вас дышат23, 24.

Это явление — эндосимбиоз — одна из ключевых вех в человеческой истории. Мы, наконец, вплотную подошли к появлению величественных сооружений, которые представляют собой клетки нашего собственного домена. Но сначала мы отправимся в Асгард, скандинавскую обитель богов.

Замок Локи

С появлением генетического секвенирования в 1970-е гг. биологи бросились секвенировать все живое, что могли найти. Сегодня они секвенируют даже то, что найти не могут. Современные методы позволяют взять пробу земли и вытащить из нее гигабайты генетических последовательностей, а потом сидеть и разбираться, что же вы такое отсеквенировали и кому оно могло принадлежать, — все это называется метагеномика. В итоге получается интересная картина. Есть миллионы видов, о которых мы знаем, но которые никто никогда не видел. Своеобразная генетическая темная материя.

В 2010 г. такую пробу вытащили из гидротермального источника под названием "Замок Локи" между Гренландией и Норвегией25. В ней содержались гены, рассортированные учеными по тысячам видов, в которых целые команды специалистов рылись несколько лет. В 2015 г. шведские биоинформатики из группы Тайса Эттемы обнаружили в бесконечных полотнах четырехбуквенного кода то, что можно сравнить разве что с археоптериксом26.

Эта ископаемая полуптица-полуящер — легендарный символ эволюции, впервые найденная через два года после публикации "Происхождения видов" и воспринятая многими сторонниками Дарвина как окончательная победа его теории. Археоптерикс представляет собой классическую "переходную форму" между двумя современными ветвями эволюции. Так и археи, найденные в генных базах данных из "Замка Локи", представляют собой переходную форму между остальными археями и нами, эукариотами.

Уппсальские ученые назвали этих архей Lokiarchaeota, локиархеи, в честь Замка Локи. Их работа с фанфарами вышла в престижном журнале Nature. Буквально в течение нескольких месяцев американские ученые во главе с Бреттом Бейкером обнародовали открытие еще одной похожей группы, которую они ради смеха назвали Thorarchaeota, торархеи, в честь еще одного скандинавского бога и героя соответствующей киноэпопеи27. Обратной дороги уже не было. С тех пор нашлись еще одинархеи, хеймдалльархеи, и, как вы поняли, останавливать эту вечеринку никто не собирается. Все это царство вместе теперь официально называется Асгард — по мифическому миру, где все эти боги друг с другом тусовались28. К нему относятся и все эукариоты, так что мы с вами тоже можем считать себя асгардцами.

Чем же так отличились локиархеи и их родственники, что их признали генетическим археоптериксом нашего микроскопического прошлого? В них нашлись зачатки генов одного из принципиальных изобретений эукариот — двигающейся мембраны.

О хищниках и жертвах

Это может показаться странным, но бактерия не может съесть другую бактерию. Ей так не изогнуть мембрану.

Чтобы бактерии поесть, она должна всосать питательное вещество в молекулярной форме. Поэтому, если только она не плавает в сахарном растворе, сначала ей нужно что-то растворить, а потом это растворенное вещество впитать сквозь мембранные поры в специальных белках. Этим отчасти объясняется коллективная природа бактерий. Одна бактерия много не переварит, но если их собралось много, то они могут расквасить что угодно. Поэтому бактерии могут друг друга вытеснять, отравлять, блокировать, но не проглатывать целиком.

Наши же клетки владеют искусством глотания в совершенстве. Этот процесс называется фагоцитозом. Например, на бактерию, ненароком попавшую вам в организм, нападает макрофаг, огромная человеческая клетка, которая обволакивает эту бактерию своей мембраной. Та отпочковывается у макрофага изнутри, образуя пузырь, или везикулу, внутри которой — пойманная бактерия. Далее везикула сливается с плавающей по макрофагу лизосомой, специальной органеллой для переваривания, и бактериальная клетка растворяется заживо. Макрофаг впитывает питательные вещества и идет искать других нарушителей.

С молекулярной точки зрения этот сложнейший процесс требует, во-первых, отсутствия плотной клеточной стенки, во-вторых, подвижного каркаса мембраны — цитоскелета и, в-третьих, регулируемого аппарата почкования и слияния мембран. В генах локиархей как раз и нашлись зачатки белков, потенциально позволяющих управлять мембраной по-эукариотически26, 28.

На самом деле пожирание клеток — только одно из применений более широкого явления под общим названием мембранный или везикулярный транспорт. В общем случае это способность мембран гнуться, сливаться и почковаться, создавая разнообразные везикулы, вакуоли, цистерны и отростки. Есть эндоцитоз (то же самое явление, что фагоцитоз, но необязательно заканчивающееся растворением) — это когда клетка поглощает внешний объект, обволакивая его везикулой. Везикула отпочковывается от наружной мембраны и движется внутрь. Есть экзоцитоз — это когда, наоборот, к мембране изнутри подходит везикула, сливается с ней и выпускает наружу свое содержимое. Так работает, например, выброс нейромедиаторов — сигнальных молекул, передающих сообщения от одной нервной клетки к другой.

Помимо роли в собственно транспортировке молекул наружу и внутрь клетки, везикулярный транспорт считается причиной существования органелл. Бактерия — это клетка-пузырь, а эукариот — пузырчатая клетка. У бактерий внутри клеточной мембраны никаких других мембран нет. У эукариот куда ни плюнь — везде мембраны. Мини-клетки, каждая с собственными внутренними свойствами и функциями. Стопки плоских цистерн, сети разветвленных трубок, пузырьки-везикулы, ядро с двумя мембранами и, конечно, митохондрии, а иногда и хлоропласты.

Прометей — это Локи

Совсем недавно группа японских ученых опубликовала результаты 12-летнего эксперимента по культивации глубоководных архей. Результатом этой работы, выполненной с поистине японской самоотверженностью, стала первая в истории изоляция настоящей, живой локиархеи29.

Биологический материал для культивации был взят из метановых сипов — глубоководных источников этого газа на морском дне. Метан (СH4), как и углекислый газ (CO2), состоит из одиночных атомов углерода, только вместо двух атомов кислорода они связаны с четырьмя атомами водорода. Метан — конечный продукт разложения органического вещества в отсутствие кислорода. Всевозможный морской компост оседает на дне и постепенно накапливается там плотной подушкой ила, куда кислород плохо проникает. В глубине подушки сидят микроорганизмы, неспособные переносить кислород, — анаэробы, "безвоздушники" — и доедают эти падающие на них объедки биосферы, выделяя при этом метан. Тот поднимается к поверхности и проникает в воду и атмосферу через метановые сипы.

Метановые сипы остаются одним из редких уголков планеты, где жизнь протекает в бескислородных условиях, и поэтому ученые надеялись выделить из них кого-нибудь из наших ближайших архейных родственников, то есть из представителей Асгарда. Поскольку эукариоты уникальны среди асгардцев наличием кислородпотребляющих митохондрий, искать всех остальных архей этой группы нужно там, где кислорода нет.

Пробу, взятую в сипах, поместили в биореактор, воссоздающий внутреннюю среду этих источников. Типичные лабораторные микроорганизмы в растворе питательной среды быстро преумножаются, за одну ночь тысячекратно увеличиваясь в количестве. В этом же случае исследователям пришлось ждать 2000 суток — пять с половиной лет. На оптимизацию и очистку культур ушло еще несколько лет, но в результате ученые своего добились: у них в руках наконец оказалась пробирка с представителями до сих пор исключительно "виртуальной" группы локиархей.

До сих пор археи Асгарда изучались метагеномикой: слепым анализом фрагментов ДНК, найденных на морском дне. Самих этих архей никто никогда не видел. И вот перед нами живые асгардцы, да не какие-нибудь, а едва ли не самые близкие родственники эукариот, о которых на сегодняшний день известно. Это бесценный источник сведений о происхождении нашего домена. Да и вообще, воочию увидеть такое "живое ископаемое" — это как встретить живого неандертальца.

Японские ученые назвали выделенный таким образом организм Prometheoarcheum — архея-Прометей. То есть, видимо, связующее звено между богами-археями и людьми-эукариотами, а может, между скандинавской мифологией и древнегреческой. Все это создает совершенно нелепую путаницу, потому что получается, что Прометей — это один из видов Локи.

Первое, что можно сказать о Прометее: существо это до неприличия хилое. Вместо грозного хищника, вращающего мембранами, он оказался мелким, малоактивным одноклеточным, у которого уходит от 14 до 25 дней на одно-единственное деление. Как и предполагалось, дышать Прометей не умеет. Что он умеет, так это перерабатывать аминокислоты, для чего у него есть большой арсенал подходящих ферментов. То есть, видимо, Прометей питается теми самыми объедками биосферы, которые падают с поверхности океана. Но самое интересное в том, что даже это он не может делать в одиночку. Его успешная культивация требует симбионтов, осуществляющих завершающие стадии превращения аминокислот в метан. То есть без метаболических товарищей Прометей совершенно беспомощен. В пробирках японских ученых он сожительствовал с другой археей, Methanogenium, но авторы работы предполагают, что подобную роль "товарища" могли на заре времен играть и бактерии — предки будущих митохондрий.

Еще одно интригующее свойство археи-Прометея — это его уникальная форма. Он представляет собой шарообразную клетку с несколькими ветвящимися мембранными отростками. На основании этой формы и метаболической беспомощности Прометея, авторы предлагают альтернативу "хищной" модели эндосимбиоза. Им видится не большая клетка, заглатывающая маленькую и внезапно осознающая выгоду сотрудничества, а уже существующий симбиоз, который постепенно превращается из коллектива клеток в коллективную клетку, обретающую тем самым новые возможности и способности. Если верить японским специалистам, то пожирание клетки клеткой — это не причина, а результат эндосимбиоза археи с митохондрией. Такое мнение, кстати, уже высказывалось другими специалистами, которые считают, что без митохондрий фагоцитоз бессмыслен: добычу просто не переварить30.

Эта обновленная Прометеем модель эукариогенеза может объяснить среди прочего происхождение эукариотического ядра — двумембранной оболочки, окружающей в каждой нашей клетке генетический материал. Среди разных взглядов на этот вопрос традиционно популярнее всего была так называемая версия "снаружи-внутрь": существовала архея, у которой в середине плавала ДНК, а затем мембрана этой клетки вогнулась внутрь глубокими складками, которые распластались сферой вокруг генов и окружили их двойной мембраной. Но сегодня набирает популярность и противоположная версия "изнутри-наружу": сначала была клетка-ядро, а цитоплазма снаружи произошла из ее отростков31. Наличие ветвящихся отростков у Прометея делает эту версию более правдоподобной.

В союзе с огнем

С открытием архей Асгарда логика эукариогенеза стала проясняться. Почти наверняка известно, что эукариоты происходят из союза археи с бактерией под давлением кислорода. Ответственность за это в конечном итоге лежит на фотосинтезе, накачавшем планету токсичным газом и заставившем "безвоздушников" прятаться. Некоторые бактерии придумали способ обезвредить кислород, приспособив его в качестве нижней ступеньки электрон-транспортной цепи. Возникшее таким образом дыхание позволило этим организмам не только решить проблему кислородной токсичности, расширив для себя обитаемое пространство, но и использовать силу кислорода для многократного повышения эффективности питательных веществ. Эти предприимчивые бактерии, предки митохондрий, дерзко схватившие за горло опасного кислородного льва, — одни из наших предков.

В то же время среди архей была группа, которая дышать не умела, но обладала подвижной, гнущейся мембраной. Возможно, это были первые хищники в природе, уже умеющие глотать чужие клетки целиком. Возможно, это были не устрашающие пожиратели, а хиляки наподобие Прометея, которые своими ветвящимися щупальцами опутывали метаболических партнеров. Что бы ни представляли из себя эти существа, это тоже наши предки.

На каком-то этапе оба этих предка поняли, что им хорошо вместе. Бактерия защищена от других хищников, которые могут ее съесть и не пожалеть, а архея — та вообще в шоколаде, потому что мало того, что ей теперь не страшен кислород, у нее вдруг стало в десять раз больше энергии, которую ей в форме АТФ штампует кислородная бактерия. И вот эта бактерия становится полунезависимой органеллой с постоянным местом жительства в архейной цитоплазме.

Этот момент слияния двух доменов можно считать рождением третьего, эукариотического. (Впрочем, "момент" запросто мог быть растянут на миллионы лет.) Мы появились в результате противостояния кислороду, которое в итоге сделало нас многократно сильнее.

Рождение личности

Возникновение эукариот знаменует союз двух способов эксплуатации среды, будто созданных друг для друга: хищничества и дыхания. Первый позволяет превращать целые чужие организмы в питательные вещества. Второй извлекает из питательных веществ максимум энергии. Поэтому эукариот с митохондрией — это не просто корабль, на котором гены плывут сквозь время, а настоящая "Звезда смерти", принципиально новое слово в живой природе30.

Но важнее, на мой взгляд, не боевая мощь дышащего эукариота. Важнее его организменность.

С возникновением эукариот происходит перелом "бактериального мышления". В примере с устойчивостью к антибиотикам я говорил, что бактерии — существа "множественного числа", оперирующие не как отдельные организмы, а как целые популяции, штаммы. Эукариоты впервые начинают оперировать не только как штаммы, но и как личности.

Условно говоря, в какой-то момент прошлого существовала архея с дышащей бактерией внутри, и была генетически точно такая же архея, но без бактерии. Первая архея победила не потому, что у нее были лучше гены, а потому, что ее индивидуальная жизнь как организма оказалась более продуктивной — ей удалось обзавестись митохондрией. Для среднего прокариота значение имеет только набор генов в пределах клетки. С возникновением эндосимбиоза, при котором одни клетки живут в других клетках, становится важна не только генетическая информация, а личная история организма. Я считаю, что отсчет эукариотической "организменности", нашей эволюционной ставки на совершенство в пределах поколения, нужно вести именно с этой точки.

"Звезда смерти" эукариотической клетки — это такое большое вложение капитала, что его уже не выкинешь при первом погодном капризе. Она заинтересована в долгосрочном выживании. Это бактерии могут позволить себе терять 99% населения и за пару часов возвращаться к исходным числам. Эукариотический организм — масштабный продукт масштабной операции по добыче энергии. На его производство требуется время и большое количество питательных веществ. Поэтому сам факт существования эукариот, этих ядерных ракетоносителей, направляет их эволюцию в сторону дальнейшего усложнения: как бы продлить дорогим организмам жизнь, как бы их размножить не один раз, а хотя бы несколько, как бы научить их получше приспосабливаться к окружающей среде без необходимости уничтожать неудачные варианты. Ну и, конечно, как бы их вооружить для поедания кого-нибудь другого, чем крупнее — тем лучше. В итоге появляется половое размножение, увеличивающее изменчивость в расчете на поколение, многоклеточность, позволяющая создавать новые организмы без исчезновения старых, и мозг, позволяющий адаптироваться к среде не за миллион лет, а за секунду. А также зубы, когти, жала и желудки.

Мы, эукариоты, с самого начала сделали ставку на сложность и до сих пор пожинаем плоды этого решения. Вступив в союз с митохондрией, наши предки, археи Асгарда, подсели на кислородную иглу. Чем больше энергии они жгли, тем они были крупнее, сложнее и совершеннее. И тем больше от них требовалось, чтобы поддерживать свою крупность, сложность и совершенство. Вдохнув кислорода и не умерев, они вскочили на эволюционный поезд, с которого им было уже не слезть.

Если человек перестает дышать, в течение нескольких минут нейронам его головного мозга становится остро не хватать запасов энергии. Этот мозг — энергетическая кульминация жизни на земле. Наше огромное теплокровное тело и так топит питательно-дыхательную печку на пределах биохимических возможностей, но мозг потребляет в десять раз больше энергии в расчете на вес, чем организм в среднем. Почти вся эта энергия уходит на поддержание заряда на мембранах сотни миллиардов нейронов32, 33. Если поставки энергии сокращаются (именно сокращаются, а не прекращаются — без кислорода питательные вещества вполне можно расщеплять, просто не так эффективно), то буквально за минуты заряд на мембранах начинает падать, что в конечном итоге вызывает неконтролируемый выброс нейромедиаторов, судороги и смерть. У человека нет зависимости сильнее, чем от этого газа, в свое время едва не уничтожившего жизнь на Земле: несколько минут без кислорода — и нам вышибает пробки. Ну не ирония ли это судьбы?