Происхождение тел как «идеальный шторм»
Своевременность — залог успеха. Лучшие идеи, изобретения и теории далеко не всегда оказываются востребованы. Сколько музыкантов, изобретателей и художников так далеко опередили свое время, что при жизни не были никем оценены и оказались вскоре забыты, лишь через многие годы получив заслуженное признание? Назовем лишь один пример — Герона Александрийского, который в первом веке нашей эры изобрел паровую турбину. К сожалению, современники считали ее не более чем забавной игрушкой. Мир был не готов к ней.
История жизни на Земле работает по тем же законам. Всему свое время. Вероятно, для возникновения многоклеточности тоже было свое определенное время. Чтобы разобраться в этом, нам нужно понять, почему вообще возникли многоклеточные тела.
Одна из теорий их происхождения чрезвычайно проста. Она предполагает, что многоклеточные тела возникли в результате того, что микробы вырабатывали новые способы поедать друг друга и избегать опасности быть съеденным. Многоклеточное тело позволяет стать большим. Стать большим — один из проверенных способов, помогающих не быть съеденным. Поэтому многоклеточность могла возникнуть как своего рода защитный механизм.
Когда хищники вырабатывают новые способы поедания жертв, жертвы в ответ на это вырабатывают новые способы избежать своей участи. Такого рода взаимодействия могли привести к появлению многих наших «молекул бодибилдинга». Многие микробы питаются другими микробами, прикрепляясь к ним и вслед за тем их заглатывая. Молекулы, позволяющие таким микробам ловить и удерживать добычу, — вполне вероятные претенденты на роль предшественников тех заклепок, которые позволяют клеткам наших тел соединяться друг с другом. Некоторые микробы способны и к общению: многие из них выделяют соединения, которые воздействуют на поведение других микробов. Взаимодействия микробов-хищников и микробов-жертв нередко осуществляются с помощью сигнальных молекул, которые позволяют, например, отпугивать потенциальных хищников или, напротив, приманивать потенциальных жертв. Возможно, именно такие сигнальные молекулы и стали предшественниками тех молекул, с помощью которых наши клетки обмениваются информацией, обеспечивая развитие и поддерживая нормальную работу наших тел.
Мы могли бы рассуждать о таких вещах до бесконечности, но гораздо интереснее, чем все эти умозрительные построения, были бы какие-нибудь реальные экспериментальные данные, которые пролили бы свет на то, как хищничество могло привести к возникновению многоклеточных тел. Именно такие данные получили Мартин Бораас и его коллеги. Они взяли водоросль, которая в норме остается одноклеточной, и выращивали ее у себя в лаборатории, сменив около тысячи поколений. Затем они добавили хищника — одноклеточного жгутиконосца, который заглатывает и переваривает других, более мелких микробов. Менее чем через двести поколений водоросль отреагировала на присутствие хищника тем, что стала образовывать комки из сотен клеток. Со временем число клеток в этих комках стало уменьшаться, пока их не осталось всего по восемь в каждом комке. Число восемь оказалось оптимальным потому, что позволяло, с одной стороны, делать комки достаточно большими, чтобы их не мог заглотить хищник, а с другой стороны — достаточно маленькими, чтобы каждая клетка в комке могла улавливать достаточное для своего выживания количество света. Самое удивительное произошло, когда хищника удалили. Водоросли продолжали размножаться, и последующие поколения по-прежнему образовывали комки по восемь клеток. Иными словами, из одноклеточных существ возникло нечто приближенное к многоклеточному телу.
Если в экспериментальных условиях можно за несколько лет получить простое подобие многоклеточного организма, представьте, что могло бы получиться за миллиарды лет. Выходит, что вопрос состоит не столько в том, как могла возникнуть многоклеточность, сколько в том, почему она не возникла раньше.
Вероятно, разгадка этой тайны в тех условиях среды, в которых возникли первые многоклеточные тела. По-видимому, до их возникновения мир был еще не готов к их появлению.
Иметь многоклеточное тело — дорогое удовольствие. У большого тела есть очевидные преимущества: оно не только позволяет избегать хищников, но и помогает питаться другими, более мелкими организмами, а также активно передвигаться на большие расстояния. Все эти способности помогают животному лучше справляться с условиями окружающей среды. Но все они требуют немалых затрат энергии. Причем чем больше становится тело, тем больше энергии оно требует, особенно если для поддержания его структуры используется коллаген. Для синтеза коллагена требуется довольно большое количество кислорода, поэтому необходимость синтезировать коллаген сильно увеличивала потребность наших далеких предков в этом жизненно важном веществе.
Но здесь была вот какая загвоздка: концентрация кислорода в воздухе и воде в далекой древности была очень низкой. За многие миллиарды лет она и близко не подходила к тем значениям, которые мы наблюдаем сегодня. Затем, где-то около миллиарда лет назад, концентрация кислорода стала резко повышаться и через некоторое время достигла значений, сравнимых с современными. После этого она уже никогда сильно не снижалась. Откуда нам это известно? Из химических особенностей горных пород. Породы возрастом около миллиарда лет несут в себе явные следы того, что они формировались в условиях повышающейся концентрации кислорода. Может быть, появление многоклеточности было связано как раз с повышением уровня кислорода в атмосфере?
Возможно, для появления тел потребовалось что-то вроде «идеального шторма» — случайного стечения погодных условий, которые по отдельности ничего бы не сделали, а вместе вызывают сильный шторм. В течение миллиардов лет микробы вырабатывали новые способы взаимодействия с окружающей средой и друг с другом. В процессе этого им удалось найти ряд молекулярных составляющих и других инструментов, которые впоследствии помогли в строительстве тел, но тогда использовались для других целей. Кроме того, около миллиарда лет назад появилась и причина для возникновения многоклеточности: микробы научились пожирать друг друга. Итак, для появления многоклеточных тел теперь была причина, а инструменты для этого уже имелись в наличии.
Но еще одного условия не хватало. Этим условием было достаточное для поддержания жизни многоклеточного организма количество кислорода. Когда концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, многоклеточные тела появились повсюду. Облик жизни на Земле изменился раз и навсегда.
Глава 8. Курс на запах
Вначале восьмидесятых отношения между молекулярными биологами и теми, кто занимался целыми организмами — экологами, анатомами, палеонтологами, — были довольно напряженными. Анатомов, например, молекулярщики считали старомодными приверженцами безнадежно устаревшей научной дисциплины. Молекулярная биология производила в подходах к анатомии и биологии развития такую революцию, что классические области, такие как палеонтология, казались тупиковыми ветвями исторического развития биологии. Я очень остро ощущал все это: казалось, что меня с моей любовью к ископаемым скоро заменят каким-нибудь новейшим аппаратом, читающим последовательности нуклеотидов в ДНК.
