Столько всего могло пойти не так. В звездной системе по соседству могла взорваться сверхновая. Могло случиться фатальное столкновение с другой планетой. Тем или иным образом наша Земля этих опасностей избежала и оставалась пригодной для жизни более 3 млрд лет. Этого оказалось достаточно для развития крупных форм жизни. А они действительно крупные. Для бактерии мы все равно что 830-метровый небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае для муравья, ползущего у ног привратника.
После того как появились крупные формы жизни, они стали переделывать биосферу так же сильно, как и мелкие, но иначе. Многоклеточные заселили и преобразовали континенты. Большие растения перемололи горные породы в почвы, ускорили выветривание и превратили пыльные, каменистые поверхности молодой Земли с ее окаймленными строматолитами берегами в пышные экзотические сады, леса и саванны последнего полумиллиарда лет. Накачивая в воздух кислород, сухопутная зеленая растительность изменила атмосферу. Около 400 млн лет назад Земля стала привыкать к новой высокой норме содержания кислорода (более 15 % атмосферы в противовес старой норме, составлявшей менее 5 %) и низкому содержанию углекислого газа (несколько сотен, а не тысяч частей на миллион). Растения образовали новые ниши для животных, а грибы и бактерии вычищали, разлагали и перерабатывали для вторичного использования останки. Многоклеточные также изменили облик океана, наполнив его странными новыми созданиями от креветок до морских коньков, от осьминогов до синих китов.
Молекулярные гаджеты для образования крупных форм жизни
В течение последнего миллиарда лет самые главные клеточные нововведения происходили не внутри клеток (здесь бóльшую часть работы сделали прокариоты), а в изменчивой архитектуре связей между ними. Первые многоклеточные состояли из клеток, слабо связанных друг с другом, как, например, в строматолите, где их миллиарды. Они были больше похожи на стадо, чем на организм. На самом деле многие бактерии демонстрируют стадное поведение, что говорит о некой зачаточной системе коммуникации. На практике это означает, что вычислительные сети каждой клетки соединены в вычислительную систему, строящуюся из множества отдельных клеток.
Возможно, некоторые из древних многоклеточных были многоклеточными на полставки, как современные слизевики. Диктиостелиум – амеба. Большую часть времени ее клетки ведут самостоятельную жизнь, но, когда не хватает питания, они тысячами собираются в слизистое скопление, более крупное образование, способное двигаться в поисках пищи. У этого скопления есть возможности, которых нет у отдельных особей, например оно способно перемещаться на большие расстояния к теплу и свету. А по ходу движения отдельные клетки могут меняться и брать на себя разные роли: кто-то превращается в споры, кто-то – в часть ножки или ступни. Диктиостелиум демонстрирует несколько важных вещей. Во-первых, многоклеточность возникала неоднократно и у некоторых групп организмов развивается прямо сейчас. Во-вторых, как и у живого в целом, у многоклеточных есть пограничная серая зона, организмы которой трудно классифицировать
[95]. В-третьих, многоклеточность приумножает вычислительные мощности отдельных клеток, повышая их способность обрабатывать информацию об окружающей среде.
В полноценных многоклеточных организмах все клетки специализированны и взаимозависимы, так что они не могут выжить поодиночке. На самом деле истинная многоклеточность – это крайняя форма симбиоза. При этом сотрудничество облегчает то, что большинство клеток здесь генетически идентичны. Они – одна семья. Так что каждая из них поддерживает своей работой весь организм и иногда даже жертвует жизнью во благо остальных. Клетки в самом деле часто самоуничтожаются, как пилоты-камикадзе, когда перестают хорошо работать или больше не нужны; этот процесс биологи называют апоптозом. Сегодня в вашем теле целых 50 млрд клеток покончат с собой через апоптоз.
Обмен информацией в многоклеточном организме так же важен, как в современном обществе. В основном межклеточное общение происходит с помощью местного аналога почтовой службы; молекулы-курьеры просачиваются через мембраны отдельных клеток и циркулируют между ними, разнося питание, предупреждения, информацию и приказы. Какая доля генома многоклеточных посвящена сотрудничеству, стало понятно, когда в 1998 году секвенировали первый такой геном. Он принадлежал червю Caenorhabditis elegans, в нервной системе которого ровно 302 нейрона. Оказалось, что около 90 % из его 18 891 гена у одноклеточных прокариот отсутствует, потому что задача этих генов – обеспечивать совместную работу клеток
[96].
Клетки крупного организма действуют сообща, потому что у них одни и те же гены, но играют разные роли, потому что в определенных клетках активируются определенные из этих генов. Когда единственная оплодотворенная клетка делится и размножается, в новых клетках активируются разные части их общего генома, в зависимости от того, в каком месте развивающегося плода они оказались. Разнообразные гены определяют, какая у клетки будет структура и какая роль в организме. Управляет этим замечательным процессом развития небольшая группа так называемых мастер-генов
[97] (в которую входит, например, около 200 Hox-генов
[98]). Они играют роль прорабов. Обычные гены выполняют стандартные строительные работы, образуют какой-нибудь белок или активируют фермент, а мастер-гены, опираясь на архитектурный проект, заключенный в клеточной ДНК, решают, когда и куда пойдут определенные молекулы-рабочие. Мастер-ген раздает указания: «Эй, там, начинай выпускать отросток» или «Нет, ты клетка кости, а не нейрон». Так получаются мышечные, нервные клетки, клетки кожи, костей и вообще все 200 с чем-то разных клеточных типов, из которых состоит человеческое тело.
Мастер-гены у разных биологических видов удивительно похожи, поэтому можно предположить, что они относятся к древнейшему оснащению крупных форм жизни. Таракан отличается от какаду не самими мастер-генами, а тем, как именно они активируют другие гены. Таким образом, то, что у одного вида будет ногой, у другого может оказаться крылом, а то, что сначала напоминало головастика, может превратиться в синего кита. Если активировать гены в неправильном порядке, получатся монстры, например дрозофилы с лапками на лбу. Удивительное разнообразие многоклеточных организмов, которое можно наблюдать сегодня, объясняется разницей в архитектурных проектах, к которым обращаются мастер-гены.
