Становление жизни

Когда в макромолекулах оказалась закодирована память, ограниченные мембранами химические сети приобрели все отличительные черты современных бактериальных клеток. Эта крупнейшая веха в эволюции жизни приходится на время, отстоящее от нас приблизительно на 3, 8 миллиарда лет, — спустя 100 миллионов лет после образования первых протоклеток. Это событие ознаменовало появление всеобщего предка — отдельной клетки, либо же клеточной популяции, — от которого последовательно произошла вся земная жизнь. Как разъясняет Моровиц: «Хотя мы не знаем, сколько было независимых случаев возникновения клеточной жизни, вся нынешняя жизнь происходит от единого клона. Это следует из универсальности базовых биохимических сетей и программ макромолекулярного синтеза» [59]. Общий предок был совершеннее любой из протоклеток, а потому его потомки заполонили Землю, построили планетарную бактериальную сеть и заняли все экологические ниши, так что зарождение других форм жизни стало невозможным.

Глобальное становление жизни шло по трем главным эволюционным направлениям [60]. Первое и, пожалуй, наименее важное — это случайные мутации генов, главная опора неодарвинистской теории. Генные мутации возникают вследствие случайных ошибок в саморепликации ДНК, когда нити ее двойной спирали разделяются и каждая из них служит шаблоном для построения новой комплементарной цепи. Такие ошибки, однако, вряд ли случаются достаточно часто, чтобы объяснить ими эволюционное возникновение огромного разнообразия живых форм — особенно с учетом того общеизвестного факта, что большинство мутаций пагубны для организма и лишь весьма малая их часть приводит к полезным изменениям [61]. В случае бактерий ситуация здесь несколько иная, поскольку они делятся так быстро, что в течение дня одна клетка способна породить миллиарды себе подобных. Из-за столь огромной скорости воспроизводства одна удачная мутация может распространиться довольно быстро. Поэтому в отношении бактерий пренебрегать этим направлением эволюции нельзя.

Однако бактерии следовали и другому, гораздо более эффективному, эволюционному направлению, чем случайные мутации. Они обладают свойством чрезвычайно легко передавать друг другу наследственные признаки по глобальной обменной сети. Обнаружение такого широкомасштабного обмена генами, получившего название рекомбинации ДНК, следует считать одним из наиболее поразительных открытий современной биологии. Вот как образно описывает это явление Линн Маргулис: «Горизонтальная генная передача у бактерий — это как если бы вы прыгнули в бассейн с карими глазами, а вынырнули с голубыми» [62].

Такая генная передача происходит непрерывно, в ней участвует множество бактерий, ежедневно обменивающихся до 15 % генного материала. Как объясняет Маргулис: «Если бактерии что-нибудь угрожает, она выбрасывает свою ДНК в окружающую среду, соседи подбирают ее, и за несколько месяцев она обходит весь земной шар» [63]. Поскольку все штаммы бактерий в принципе способны таким образом обмениваться наследственными признаками, некоторые микробиологи доказывают, что бактерии, строго говоря, нельзя подразделять на виды [64]. Иными словами, все бактерии оказываются частью единой микроскопической живой сети.

Таким образом, бактерии способны в процессе своей эволюции быстро накапливать случайные мутации, а также встраивать в себя при помощи генного обмена крупные участки ДНК. Соответственно, они обладают впечатляющей способностью приспосабливаться к окружающим условиям. Ярким свидетельством эффективности их коммуникационной сети может послужить быстрота, с которой в бактериальных сообществах распространяется устойчивость к лекарственным препаратам. Микробиология преподает нам отрезвляющий урок: такие технологии, как генная инженерия и глобальные сети связи, которые нередко почитаются выдающимися достижениями современной человеческой цивилизации, применяются планетарным сообществом бактерий уже миллиарды лет.

В течение первых двух миллиардов лет биологической эволюции бактерии и другие микроорганизмы оставались единственными живыми формами на планете. За этот период бактерии постепенно преобразили земную поверхность и атмосферу, и установили глобальные обратные связи для саморегуляции системы Геи. В процессе этой деятельности они изобрели все важнейшие биотехнологии живого, включая брожение, фотосинтез, азотфиксацию, дыхание и различные приспособления для быстрого передвижения. Последние микробиологические исследования со всей очевидностью показали, что в отношении процессов жизнедеятельности планетарная система бактерий служила основным источником эволюционной креативности.

А что же эволюция биологических форм, того удивительного разнообразия живых существ, которое мы наблюдаем в сегодняшнем мире? Если случайные мутации не являются эффективным в этом отношении механизмом, если высшие формы жизни не обмениваются генами как бактерии, то как же возникли они? Линн Маргулис ответила на этот вопрос, обнаружив третье направление эволюции — развитие путем симбиоза, — имевшее далеко идущие последствия для всех отраслей биологии.

Симбиоз, склонность различных организмов жить в тесном сотрудничестве друг с другом, а порой и внутри друг друга (как, например, бактерии в нашем кишечнике) — явление широко распространенное и хорошо известное. Но Маргулис пошла дальше, выдвинув гипотезу, что длительный симбиоз крупных клеток с обитающими в них бактериями и другими микроорганизмами приводил и продолжает приводить к образованию новых форм жизни. Впервые Маргулис опубликовала свою революционную гипотезу в середине шестидесятых и за прошедшие годы развила ее в полноценную теорию, получившую название теории симбиогенеза. Непрерывные симбиотические приспособления рассматриваются в ней как основное направление эволюции всех высших организмов и возникновения новых их форм [65].

Главенствующую роль в такой симбиотической эволюции играли опять-таки бактерии. Результатом того, что определенные бактерии симбиотически слились с более крупными клетками и стали обитать в них в качестве органелл, стал гигантский эволюционный шаг — образование растительных и животных клеток, размножающихся половым путем и в конце концов развившихся в те живые организмы, которые мы сегодня наблюдаем вокруг себя. В процессе своей эволюции эти организмы продолжали поглощать бактерии, встраивая их геном в свой, благодаря чему синтезировались новые белки, которые выполняли новые функции и служили материалом для новых структур. Это чем-то напоминает слияние и поглощение корпораций в нынешнем деловом мире. В частности, ученые получают все больше свидетельств в пользу того, что микроканальцы (microtubules), являющиеся неотъемлемой частью структуры мозга, были изначально привнесены бактериями-спирохетами [66].

Эволюционное становление жизни в течение миллиардов лет — это захватывающая история, блестяще рассказанная Линн Маргулис и Дорионом Саганом в книге «Микрокосм» [67]. Движимая созидательной способностью, присущей всем живым системам, проявляющаяся посредством мутаций, генного обмена и симбиоза, усовершенствованная естественным отбором, планетарная сеть жизни расширялась и усложнялась, приобретая все большее разнообразие.

Это величественное развертывание жизни не представляло собой непрерывную цепь постепенных изменений. Геологические свидетельства ясно показывают, что длительные периоды стабильности эволюционной истории, или стасиса, время от времени прерывались внезапными качественными скачками [68]. Такая картина «перемежающейся стабильности» указывает, что упомянутые внезапные переходы вызывались совершенно иными механизмами, нежели случайные мутации неодарвинистской теории; возникновение новых видов путем симбиоза, по-видимому, играло здесь ключевую роль. Как пишет Маргулис: «В масштабах огромных геологических периодов симбиозы были как вспышки эволюционной молнии» [69].

Еще одной примечательной особенностью было периодическое наступление катастрофических событий с последующими длительными периодами роста и обновления. Так, 245 миллионов лет назад произошло наиболее массовое вымирание населявших планету существ, за которым быстро последовало развитие млекопитающих. А 66 миллионов лет назад катастрофа, стершая с лица земли динозавров, открыла путь для эволюции приматов и, в конечном итоге, человека.