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

Спирогира. Звучит как название головокружительного аттракциона в парке развлечений, но на самом деле это пресноводная водоросль. Некоторые любовно называют ее «косами русалки», а владельцы садовых прудов, заросших этой слизистой массой, предпочитают другое название – «ковровый сорняк». Эти «косы» – длинные волосоподобные цепочки клеток водорослей, в которых под микроскопом можно разглядеть спиральную ленту, усеянную ярко-зелеными хлоропластами. Витки этой спирали олицетворяют повороты и изгибы истории, в результате которых гипотеза о происхождении хлоропластов от симбиотических бактерий наконец-то восторжествовала. Символично, что именно при изучении этого растения в 1959 году было обнаружено, что хлоропласты содержат свою собственную ДНК[108]. Это означало, что в хлоропластах, вероятно, имеются и гены, – но откуда, скажите на милость, они там взялись?

Вывод напрашивался сам собой: это наследие бактериального происхождения. Так начали копиться доказательства сходства между хлоропластами и группой фотосинтезирующих микробов, называемых цианобактериями. Выяснилось, что хлоропласты даже размножаются самостоятельно внутри растительных клеток.

Однако не для всех доводы ученых звучали одинаково убедительно. Некоторые скептики жаловались, что эта теория, как фальшивая монета, слишком долго ходит по рукам. Другой стороной этой «фальшивой монеты» была, разумеется, идея, что митохондрии – изначально тоже бактериальные симбионты. И действительно, вскоре после открытия ДНК в хлоропластах ее обнаружили и в митохондриях.

С высоты сегодняшнего дня может показаться, что открытие ДНК в хлоропластах и митохондриях должно было сразу же подтвердить теории их симбиотического происхождения. Однако большинство ученых консервативны в своих идеях и всегда ищут альтернативные объяснения, позволяющие согласовать новые факты с уже существующими теориями. Циники говорят, что наука делает шаг вперед после каждых похорон. Нетрадиционным идеям нужен защитник, и в этом случае защитника – вернее, защитницу – звали Линн Маргулис.

Линн Маргулис (1938–2011) училась в магистратуре Висконсинского университета, когда ознакомилась с теми самыми провокационными словами из учебника 1925 года – что идеи, в свое время слишком «фантастические» для упоминания в приличном обществе, когда-нибудь «потребуют более серьезного рассмотрения». Позже Маргулис признавалась: «Услышав это, я раз и навсегда определила курс своей профессиональной жизни!»[109] Она посвятила всю свою научную карьеру поиску подтверждения гипотезы, что симбиоз с микробами – основной источник эволюционных новшеств, ответственный не только за появление хлоропластов и митохондрий, но и за многое другое. В 1967 году, получив 15 отказов кряду в различных научных журналах, Маргулис наконец опубликовала свою работу. Она содержала самую полную на тот момент теорию, основанную на данных из истории Земли и клеточной биологии и посвященную тому, как клетки приобрели митохондрии и хлоропласты[110].

Рис. 10. Линн Маргулис

Публикация статьи Маргулис стала тем самым моментом, когда матрешка наконец-то открылась для всеобщего обозрения, причем бесповоротно. Подтвердилась истинность утверждения Поля Портье, сделанного (и затем отвергнутого) много лет назад, – что все животные и растения «представляют собой ассоциацию двух разных существ, вложенных друг в друга». Теперь мы можем гораздо точнее, чем смел представить Портье в своих самых смелых мечтах, описать, как это произошло.

В течение первых 2 миллиардов лет после появления жизни на Земле простые клетки, называемые прокариотами, были единственной формой живых существ. К прокариотам относятся бактерии, которые и по сей день остаются наиболее многочисленными организмами на планете. У них богатая социальная жизнь (об этом мы поговорим позже), но по своей сути они одиночки, которые любят вечеринки. Затем, около 1,8 миллиарда лет назад, два разных прокариотических вида объединились и образовали постоянный союз, породив новый тип клеток, – эукариотический. Эукариоты размножаются половым путем, а их клетки сложны. Зигмунд Фрейд (сам в некотором роде эукариота) наверняка полюбил бы их. Внутри клеток гены эукариот защищены мембранной, окружающей ядро, а цитоплазма вокруг ядра содержит скелет из белковых трубочек – «строительных лесов», которые способны перегруппировываться, а также менять форму клетки, чтобы она могла захватывать добычу. Суперсила, которая делает все это возможным, – энергия, вырабатываемая митохондриями.

Затем, более полумиллиарда лет спустя, эукариотическая клетка обзавелась вторым жильцом – цианобактерией, наделенной способностью к фотосинтезу[111]. Цианобактерия в ходе эволюции превратилась в хлоропласт, а ее хозяин стал древнейшим предком зеленых водорослей, от которых впоследствии и произошли наземные растения. Сегодня хлоропласты морских водорослей и наземных растений в совокупности удаляют из атмосферы более 100 миллиардов тонн углерода ежегодно[112]. Если учесть, что вся видимая глазу жизнь состоит из клеток эукариот и что все животные прямо или косвенно питаются растениями, трудно не согласиться с Линн Маргулис в том, что симбиоз имеет фундаментальное значение для эволюции.

Вы, вероятно, заметили, что мы оперируем миллиардами лет. Прокариоты безраздельно властвовали на Земле 2 миллиарда лет. Эукариоты появились 1,8 миллиарда лет назад. Прошло еще полмиллиарда лет, прежде чем сформировались хлоропласты. Это были редкие эволюционные события. Симбиоз – явление распространенное, мы рассмотрим множество примеров в следующих главах. Что же необычного в этих двух конкретных случаях? То, что каждый из них породил новый тип организмов. В первом случае из двух прокариот образовался эукариот. Во втором из эукариот и прокариот возникли растения. До каждого из этих событий будущие симбионты вели раздельное существование, а после оказались неразрывно связаны и могли размножаться только как единое целое. Это целое и стало новым организмом – очередной фигуркой, добавленной в семейство матрешек.

В 1995 году Джон Мейнард Смит и венгерский биолог-эволюционист Эрш Сатмари выдвинули предположение, что формирование нового типа организмов представляет собой большой эволюционный переход (БЭП или MTE – major transition in evolution)[113]. Если БЭП свершился, эти изменения, как правило, трудно обратить вспять, потому что члены вновь образованной команды часто развивают зависимость друг от друга. Каждая фигурка оказывается заключена в следующую – как в камеру без окон и дверей.

Эта гипотеза, которая, как и многие самые изящные идеи, кажется очевидной, стоит ее только услышать, может объяснить, почему жизнь устроена как вложенная иерархия матрешек и как этому способствуют сотрудничество и формирование команд. За 30 лет, прошедших с момента выдвижения оригинальной идеи Мейнарда Смита и Сатмари, в нее были внесены уточнения, так что теперь существует консенсус в отношении уже признанных БЭП[114]. Вот они: момент, когда гены объединились для формирования хромосом; два события, которые сначала породили эукариот, а затем превратили некоторые из них в растения; появление в процессе эволюции организмов, состоящих из многих типов клеток (при этом многоклеточность возникала несколько раз независимо у одноклеточных эукариот); формирование социальных групп у эусоциальных муравьев и пчел и, возможно, даже у нашего собственного вида; и, наконец, последний, но не менее важный переход – развитие симбиотических отношений у лишайников, кораллов и многих других организмов. Эти БЭП дают нам богатую россыпь примеров, которые мы и разберем в следующих главах, чтобы выяснить, как в эволюции происходят большие переходы и почему они важны.

Вот небольшой анонс того, что нас ждет в следующих главах. В БЭП можно выделить два отдельных и уже знакомых нам этапа. Первый этап всегда заключается в формировании команды, внутри которой сотрудничество поощряется разделением труда между ее членами[115]. В некоторых командах, таких как пчелиная семья в улье или клетки в нашем собственном теле, все участники – родственники (близкие по происхождению) или клоны (генетически идентичные). В других существует симбиоз между неродственными видами, такими как бактерии и эукариоты: то, что можно назвать «странными парами».

Симбиоз между такими «странными парами» непохожих партнеров встречается повсеместно. Это неудивительно, учитывая, что формирование команды требует разделения труда и в результате участники предоставляют друг другу взаимодополняющие ресурсы. Это разделение труда, вероятно, будет наиболее выраженным между партнерами, которые изначально наиболее отличаются друг от друга, как, например, водоросли и грибы. Но тут возникает проблема с объяснением эволюции симбиозов. В пределах вида альтруистические