Гены, эгоизм и сила сотрудничества: Эволюция как командная игра - Джонатан Силвертаун

Рис. 9. Эразм Дарвин

Сегодня вы, вероятно, ходили по ним: они вросли в поверхность бетонных тротуаров. Скорее всего, они окружают вас, поскольку растут на внешних стенах и крыше вашего дома. Другие, похожие на миниатюрные кустики или сморщенные серые листья, живут на коре и ветвях деревьев. Это лишайники. Они повсюду. Изучая их под микроскопом, швейцарский ботаник Симон Швенденер (1829–1919) еще в 1868 году заявил, что они представляют собой нечто удивительное и невообразимое. Лишайники, утверждал он, на самом деле не один организм, а два: гриб, содержащий в себе «плененные» водоросли.

Швенденер сопоставил эти отношения с человеческими. Гриб, по его мысли, – это «паразит, который привык жить за счет чужого труда», а зеленые водоросли – его «рабы, которых он отыскал или захватил и принудил себе служить». Других лихенологов, которые, не замечая ничего подобного, кропотливо каталогизировали тысячи видов лишайников, сама эта мысль покоробила. Швенденер подал существование безобидных с виду лишайников как «противоестественный союз между плененной девой Водорослью и тираном-хозяином Грибом»[98] – и коллеги не пожелали с этим мириться. Делу Швенденера явно не помогло то, что он выбрал не самую изящную метафору в то время, когда трансатлантическая работорговля только-только прекратилась, а в Соединенных Штатах, несмотря на недавнюю отмену рабства, миллионы людей все еще оставались в неволе[99].

Несмотря на неудачную метафору для описания отношений гриба и водоросли, Швенденер оказался прав в отношении двойственной природы лишайников. Некоторые ученые поначалу восприняли открытие Швенденера скептически, однако позже другие микроскописты подтвердили его наблюдения, и двойственная природа лишайников была установлена. Спустя 10 лет после этого открытия, в 1878 году, немецкий ученый Генрих Антон де Бари ввел термин «симбиоз» для описания взаимоотношений двух видов, живущих в тесной связи друг с другом (как в случае с лишайниками). В отличие от Швенденера, де Бари не считал водоросль «рабом» лишайникового гриба: он отмечал, что такие водоросли могут существовать и самостоятельно, но, похоже, лучше всего им живется именно внутри лишайника[100].

До сих пор ведутся споры о том, в какой мере симбиоз лишайников представляет собой взаимовыгодные отношения – мутуализм, а в какой это односторонние паразитические отношения гриба и водоросли. Если говорить о природе сотрудничества, грань между мутуализмом и паразитизмом очень тонка. Определение симбиоза, данное де Бари, удачно обходит этот вопрос: подразумевается лишь, что отношения должны быть тесными, причем часто обнаруживается, что один партнер живет внутри другого[101].

Открытие симбиоза, специфичного для лишайников, не выявило напрямую никакого общего принципа, применимого ко всем видам, – но вдохновило биологов по-новому взглянуть на то, что они видели в свои микроскопы. Появились новые гипотезы, поскольку различные объекты, наблюдаемые внутри клеток, начали интерпретироваться как симбиотические микробы. Может быть, клеточное ядро – это бактерия? А зеленые хлоропласты, многочисленные крошечные объекты внутри растительных клеток, – это наверняка «плененные» водоросли! А как насчет крошечных сигарообразных биобластов (впоследствии названных митохондриями), которые так напоминают бактерии? К началу нового века идея, что клетки содержат микробы, стала общепринятой среди биологов континентальной Европы, Британии, Северной Америки и России. Впрочем, согласия в отношении того, кто и что открыл первым, было гораздо меньше. Может показаться, что именно в этот момент матрешка наконец-то открылась, но на деле она лишь ненадолго сдвинула свой узорный платок.

Окончательное осознание того, что внутри внешней матрешки клетки скрывается еще одна, наступило лишь тогда, когда француз Поль Портье написал в 1918 году:

Все живые существа, все животные от амебы до человека, все растения от криптогамов до двудольных представляют собой ассоциацию двух разных существ, вложенных друг в друга. Каждая живая клетка содержит в своей протоплазме образования, которые гистологи называют «митохондриями». Эти органеллы, на мой взгляд, не что иное, как симбиотические бактерии, которые я называю «симбионтами»[102].

В своей книге «Симбионты» Портье утверждал, что митохондрии внутри клеток – это бактерии, и ему удалось выделить и культивировать их из клеток различных растений, насекомых и животных. Но что бы он ни культивировал, это были не митохондрии. Хотя митохондрии действительно имеют бактериальное происхождение, за почти 2 миллиарда лет эволюции они настолько интегрировались с остальной частью клетки, что уже не могут размножаться вне ее. Во времена Портье это не было известно, но другие ученые относились к его идеям с крайним скептицизмом – особенно те, кто изучал патогенные бактерии в Институте Пастера и для кого бактерии были прежде всего возбудителями болезней. Однако самое яростное сопротивление Портье встретил с совершенно неожиданной стороны.

Через год после публикации «Симбионтов» издатель первого труда Портье выпустил другую книгу, направленную против нее, под названием «Мифы о симбионтах». Ее автором был Огюст Люмьер – тот самый, который вместе со своим братом Луи изобрел кинематограф. Успех этого изобретения принес Люмьеру немалое состояние, которое он использовал на то, чтобы переоборудовать здание в Лионе в свою собственную частную лабораторию и нанять 15 ученых. Люмьер разгромил «Симбионтов», отрицая наличие митохондрий во всех клетках и высмеивая идею, что бактерии внутри клеток могут делать что-то еще, кроме как вызывать болезни. Интеллектуальная тень Луи Пастера (уже 20 лет как покойного), который доказал, что определенные бактерии вызывают болезни, все еще витала над французской наукой. Портье попытался опубликовать новое издание «Симбионтов» в качестве ответа на критику, но момент был упущен. Он переключился на изучение других примеров симбиоза. В 1936 году, выходя на пенсию, Поль Портье опубликовал обзор своих работ, где отказался от гипотезы о бактериальной природе митохондрий. Матрешка так и не открылась[103].

В 1930 году немецкий биолог Пауль Бухнер опубликовал 900-страничный труд, подробно описывающий множество примеров симбиоза между различными насекомыми и разными микробами внутри них, без которых они не могли бы выжить на скудном и однообразном рационе из древесины, растительного сока или крови[104]. Но в последующие 30 лет гипотеза о бактериальном и симбиотическом происхождении митохондрий и хлоропластов, находящихся внутри клеток, была почти забыта. В одном из ведущих учебников 1925 года говорилось: «…многие, без сомнения, склонны считать такие предположения и догадки слишком фантастическими, чтобы упоминать их в приличном биологическом обществе; тем не менее не исключено, что когда-нибудь они потребуют более серьезного рассмотрения»[105]. Этот день действительно должен был наступить, и пророческие слова стали призывом к действию – но не раньше, чем произошла революция в генетике, которая изменила все.

В основе революции лежало знаменитое открытие двойной спиральной структуры ДНК в 1953 году[106]. Джим Уотсон и Фрэнсис Крик завершили свой краткий отчет об открытии двойной спирали загадочным утверждением: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое спаривание непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала». Предполагаемый механизм был раскрыт во втором отчете, опубликованном месяц спустя: в нем было показано, каким образом генетический код встроен в структуру ДНК[107]. Генетические секреты природы закодированы в последовательности азотистых оснований, нанизанных вдоль цепочки ДНК, подобно буквам, составляющим это предложение. Определенные последовательности «букв» в коде представляют собой генетические инструкции, определяющие то, как создаются и функционируют клетки.

Последовательность ДНК отличается от предложения в тексте тем, что каждое «предложение» ДНК имеет две копии, закодированные на каждой из нитей двойной спирали. Это все равно что в книге напечатать каждую строчку текста дважды, причем так, что одна копия является зеркальным отражением другой. Если бы вы открыли такую книгу и обнаружили, что она написана на непонятном языке, то все равно смогли бы увидеть эту двойную структуру строк, даже не сумев расшифровать сам текст. Именно это и обнаружили Уотсон и Крик. Структура ДНК и генетического кода была раскрыта, но потребовалось еще 20 лет, прежде чем химики смогли разработать методы чтения последовательностей нуклеотидов ДНК, в которой закодирована генетическая информация. Тем не менее открытие Уотсона и Крика было поистине революционным. Теперь стало совершенно