Жизнь, какой мы ее знаем, появилась примерно 3,8 миллиарда лет назад с клетки, которая сумела выжить и размножиться; мы называем ее LUCA. 3,5 миллиарда лет назад разнообразные потомки LUCA сформировали то, что мы называем царством, занимаемым бактериями. Вскоре отдельное, второе, царство образовали археи. Бактерии и археи давно трудятся на ниве поддержания жизни: они, скажем так, «видели» все и являются свидетелями истории жизни на Земле. Эти древние машины выживания могут многое нам рассказать.

Одной из причин их успеха, а следовательно, и долголетия является способность существовать в разных климатических условиях. Бактерии живут на Земле повсюду – на суше, в море и в воздухе. Лучше всего они себя чувствуют в сырых и теплых закоулках наших с вами тел (где бактериальных клеток больше, чем человеческих), однако и снег, и лед, и нагретые магмой горячие воды выходов в морских глубинах для них тоже вполне приемлемы. Способность архей выживать при высоких температурах поистине впечатляет: они обнаружены в воде повышенной солености (в 10 раз выше, чем обычная соленость океанской воды на большей части планеты) при температуре свыше 93 °С; археи живут даже в кислоте. Клетки, способные выжить в экстремальных условиях, называются экстремофилами.

Наполненная жидкостью внутренность клетки называется цитоплазмой (рисунок 13.1). Она составляет тело клетки и ограничена мембраной, отделяющей ее от окружающей среды. Один из вариантов липидной мембраны, появившейся у древних клеток, используется всеми существующими клетками и сегодня: с ее помощью они разделяют процессы метаболизма и воспроизведения.

Рисунок 13.1. Внутреннее строение бактериальной клетки

Выживание и благополучие любой клетки зависит от активного обмена молекулами между внешним миром и цитоплазмой, который осуществляется через клеточную мембрану. Вещества внутрь клетки мембрана пропускает избирательно. Эта избирательная пропускная способность зависит от молекулярного состава мембраны – двух слоев липидов и небольшого пространства между этими сегментами. Эта конфигурация позволяет некоторым молекулам (например, молекулам воды и питательных веществ) относительно легко проникать в клетку через эти пространства. Молекулам же других веществ для проникновения в клетку и выхода из нее требуется помощь, поэтому их сопровождают так называемые транспортные белки.

Попав в цитоплазму извне, питательные вещества способствуют протеканию сложных химических реакций, в результате которых образуются ферменты и другие белки, необходимые для производства энергии, поддержания жидкостного и ионного баланса и контроля движений клеток, благодаря которым они потребляют питательные вещества и защищаются от вредоносных соединений. В результате метаболизма образуются отходы, которые выводятся через клеточную мембрану, зачастую также с помощью транспортных белков.

У бактерий и архей (а еще у растений) цитоплазма окружена дополнительным защитным слоем, который называется клеточной стенкой. В отличие от мембраны, которая играет роль фильтра, стенка обеспечивает свободное прохождение гораздо большего числа химических соединений, за исключением самых крупных, многие из которых являются токсинами. Ее жесткая форма не дает клетке схлопнуться, когда из нее уходит жидкость, или взорваться, когда жидкость в клетку поступает.

Другая важная функция полупроницаемой природы клеточной мембраны – способность поддерживать баланс заряда между внутренностью клетки и окружающей ее средой. Напомню, что со времени возникновения жизни в океанах клетки были созданы таким образом, что их внутренний отрицательный заряд всегда ниже кислой положительно заряженной окружающей среды. Этот химический баланс внешнего и внутреннего является ключевым условием для поддержания внутренней работы метаболизма.

Тайлер Волк называет клетки самогенерируемыми динамическими организмами, которые в любой момент времени находятся на грани между существованием и умиранием. Они смогли выжить, потому что использовали свой метаболизм, и остались в лидерах. Когда отходы выводятся из клетки, она теряет молекулы. Для компенсации этой потери клетки также используют метаболизм и выращивают новые молекулы. Если обмен хотя бы равный, клетка продолжает жить в своей исходной форме; если же образуется больше молекул, чем теряется, защита от умирания возрастает, и клетка становится больше, но расти она может лишь до определенного размера. Дело в том, что крупной клетке требуется больше питательных веществ, кроме того, она сталкивается с основным законом физики: если сфера становится больше, ее внутреннее пространство увеличивается в большей степени, чем поверхность, поэтому поверхности клетки сложнее поддерживать постоянный приток питательных веществ в необходимом объеме при условии непрерывного увеличения внутреннего пространства. И что же клетке делать? Она делится пополам и начинает процесс заново, пока не достигнет своего оптимального размера. Таким образом достигается баланс между ростом и выживанием.

Конечно, бактерии и археи размножаются простым клеточным делением. Это бесполое размножение, поскольку в нем принимает участие только один организм, в данном случае – одна клетка (в главе 18 мы рассмотрим разницу между бесполым и половым размножением). Когда клетка достигает определенной точки своей жизни, ее гены удваиваются (воспроизводятся). Два получившихся в результате полных генома разделяются, и каждый занимает половину клетки. Затем клетка делится пополам – этот процесс называется «митоз». Две дочерние клетки являются носителями одинакового набора генов. Можно сказать, что первая появившаяся на Земле бактериальная клетка бессмертна: она продолжает делиться в каждой существующей бактерии.

Передача генов от родителей к отпрыскам называется их вертикальным переносом. Но если обе дочерние клетки, образующиеся в результате деления митотической клетки, несут в себе одни и те же гены, значит ли это, что они проживают абсолютно идентичные жизни? На самом деле бактерии и археи обладают значительной генетической индивидуальностью, поскольку помимо вертикального переноса генов есть еще и горизонтальный, в результате которого разные организмы получают гены друг от друга (рисунок 13.2). Например, клетки произвольным образом выделяют гены во внешнюю среду, и другие клетки могут подобрать их. Так возникает генетическое разнообразие даже среди клеток, произошедших от одного родителя. Кроме того, клетки бактерий и архей, как и любые другие клетки, претерпевают полезные и вредные мутации, расширяя генетическое разнообразие. Когда клетка бактерии или археи делится, потомкам передаются все имеющиеся у нее гены (включая мутировавшие и те, что в результате вертикального переноса она унаследовала от материнской клетки), а также присоединенные извне.

Рисунок 13.2. Горизонтальный перенос генов у бактерий

Бактерии поражают своей способностью выживать в самых суровых условиях. Сегодня самые сложные условия для бактерий создают антибиотики: они борются с бактериальными инфекциями, повреждая клеточную мембрану, в результате чего нарушается баланс между содержимым клетки и внешней средой. Клетка теряет белки и другие ресурсы, необходимые ей для выживания, – и она погибает. Свою статью, размещенную в онлайн-журнале The Atlantic Monthly, Майкл Бэйм снабдил видеороликом, на котором мы видим огромную чашку Петри с концентрическими кругами антибиотиков. Чем ближе к центру чашки расположен круг, тем выше в нем концентрация препарата. Затем на край чашки, где антибиотиков не было, высадили бактерии. Поведение бактерий снимали на протяжении многих месяцев. Они делились (в среднем каждая клетка делится несколько раз в час) и двигались в направлении колец антибиотиков. Сначала вся бактериальная группа избегала ближайшего к краю кольца. По мере деления клеток новые поколения научились выживать в условиях самой слабой дозы антибиотика и переместились во вторую зону, а потом и дальше, постепенно покрыв всю чашку Петри. Эксперимент в режиме реального времени показал, как появляются резистентные к антибиотикам штаммы бактерий.

В общем, бактерии – настоящие мастера выживания. Нервной системы у них нет, поэтому они способны преодолевать самые тяжелые испытания – такие, которых наша нервная система помогает нам избегать. По крайней мере, пока.