Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Кроме того, хоанофлагелляты умеют делать важный фокус. Большую часть жизни они свободно плавают, перемещаясь с помощью своих волосков. Но в один прекрасный момент по сигналу они объединяются в группы. Эти группы, называемые розетками, поскольку по форме напоминают цветы, могут содержать десяток и более сцепленных друг с другом хоанофлагеллятов, которые ранее существовали раздельно. Переход от одноклеточных существ к многоклеточным труппам, который осуществлялся на протяжении миллиардов лет эволюции, у “хоанов” происходит за один миг.

Хоанофлагелляты могут образовывать колонии, как показано на этой фотографии

Хотя Кинг училась на молекулярного биолога, она рассуждает как палеонтолог. Охотники за окаменелостями смотрят на живых существ и задаются вопросом, какими могли быть их предки, – Кинг делает то же самое в отношении процесса формирования тел, пытаясь ответить на вопрос, какие молекулярные механизмы необходимы для формирования тела и как они возникли.

Как мы видели, клетки производят специфические белки для построения тел, поэтому, возможно, ключ к возникновению тел найдется при изучении происхождения этих молекул. Ответы содержатся в геномах – в последовательностях ДНК хоанофлагеллятов, бактерий и самых разных микробов, ожидающих своих исследователей. Используя компьютерные базы данных, ученые способны проанализировать геном организма и понять, какие именно белки он может производить.

Когда был прочитан геном хоанофлагеллятов, выяснилось одно невероятное обстоятельство. В этом одноклеточном существе уже присутствуют многие белки, которые служат для построения тел. Хоанофлагелляты используют белки для образования розеток или поиска и переваривания пищи. Эти наблюдения заставили Кинг и других ученых расширить периметр охоты и проанализировать геномы разных микробов. В результате сложилась картина эволюции, которую мы обсуждали выше.

Кинг и ее коллеги обнаружили, что белки, которые используются для построения тел животных, имеются у многих одноклеточных существ от бактерий до более сложных организмов с органеллами. Зачем им нужны эти белки, если они не служат для формирования тела? Одноклеточные организмы используют их, чтобы прикрепиться к добыче или каким-то объектам из окружающей среды, а также чтобы избегать хищников. Кроме того, одноклеточные организмы могут общаться друг с другом посредством химических сигналов. Адаптируясь к окружению, микробы создали предшественников химических молекул, впоследствии использованных животными для построения тел. Многоклеточные формы жизни могут существовать только по той причине, что новые сочетания молекул стали применяться иначе, чем применялись раньше в одноклеточных организмах. Великие изобретения, благодаря которым существуют тела, были сделаны до того, как возникли сами тела.

Недавно Кинг идентифицировала сигнал, заставляющий хоанофлагелляты собираться в розетки. В присутствии бактерий определенного вида хоанофлагелляты начинают выделять белок, который “сгоняет” их в группы. Мы точно не знаем, почему бактерии служат триггером такого поведения. Возможно, они подают какой-то химический сигнал, вызывающий образование розеток. Но это интересное наблюдение: одноклеточные организмы не только служили исходным материалом для формирования тел, но и могли индуцировать их формирование.

Для возникновения тел нужна была как готовность, так и благоприятная возможность. Механизм формирования существовал бесконечное количество лет до того, как появились первые тела, дошедшие до нас в виде окаменелостей. Примерно миллиард лет назад кислород создал новый мир для существ, которые уже готовы были в нем процветать. С повышением концентрации кислорода в атмосфере существа, использующие кислород, могли затрачивать на жизнь больше энергии. Эту энергию взяли в оборот новые клетки, о которых говорила Маргулис. Производство белков в необходимом для построения тел масштабе стало возможным только потому, что клетки имели внутри себя электростанции, работавшие на кислородном топливе. А это топливо миллиард лет назад присутствовало в изобилии.

Строение тел можно сравнить с русскими матрешками: тела содержат органы, органы состоят из тканей, которые сделаны из клеток, в клетках есть органеллы, а внутри некоторых органелл есть гены. За миллиарды лет эволюции разные части тела отказались от собственной индивидуальности, чтобы стать элементами единого большого существа. Свободножи-вущие микробы объединились с образованием клеток нового типа. Эти новые клетки обладали особыми свойствами, позволившими создать новую комбинацию в виде многоклеточных тел. Последовательно возникали более сложные типы существ с еще более сложными составными частями.

Тела и клетки существуют благодаря строго регулируемому поведению составных частей. Но за этим порядком скрывается какофония. Координация активности частей тела требует усмирения противоположных интересов разных клеток и разных частей генома. Гены, органеллы и клетки тела постоянно воспроизводятся. Если этот процесс не контролировать, какой-то элемент может возобладать над другими. Конфликт между эгоистичными элементами, пытающимися бесконтрольно воспроизводиться, и нуждами организма в целом определяет здоровье, болезнь и историю эволюции. Конфликт может стать источником усовершенствований или путем к катастрофе.

Вообразите клетку, которая ведет себя, как ей заблагорассудится, и делится и воспроизводится по собственному усмотрению или, наоборот, не умирает в положенное время в положенном месте. Такие клетки могут возобладать в теле и привести к его гибели. Именно это происходит при раке: раковые клетки нарушают правила и действуют эгоистично, не координируя свое воспроизведение и смерть с нуждами существа, в котором они находятся.

На примере рака проявляется существующее напряжение между частями и целым – в нашем случае между составными частями тела и всем телом. Если отдельные элементы тела начинают действовать в своих краткосрочных и эгоистичных интересах и бесконтрольно делиться, это может привести к гибели организма. Рак – это проявление генетических мутаций, которые накапливаются и заставляют клетки размножаться слишком быстро или не отмирать правильным образом. В ответ на подобные проявления тело выработало защиту, например иммунную реакцию, уничтожающую непослушные клетки. Если системы проверки и защиты рушатся и поведение клеток выходит из-под контроля, рак становится смертельным.

Похожий конфликт существует и на уровне генома. Прыгающие гены Барбары Макклинток живут, чтобы создавать копии самих себя, примерно как раковые клетки. Внутри тела идет война между подличающими эгоистичными элементами, которые хотят размножаться неконтролируемым образом, и организмом в целом. Многоклеточные тела с генами, пытающимися сдержать эгоистичные элементы, постоянно нападающими вирусами и триллионами совместно функционирующих клеток являются конфедерацией частей, возникших в разное время и иногда в разных местах. Эти части – иногда конфликтующие, иногда сотрудничающие, но постоянно изменяющиеся во времени – служат топливом эволюции. Тела могут эволюционировать и изменяться в новых направлениях благодаря разнообразию составляющих их частей и способов их взаимодействия.