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

Когда пиво сварено и дрожжи переработали весь сахар в спирт, они покорно флокулируют: образуют плотные комки клеток, которые оседают на дно пивоваренного чана и позволяют слить чистый, прозрачный продукт. Склонность к флокуляции у дрожжей различна и зависит от липкости поверхности клеток. За это отвечают несколько генов, но один, FLO1, участвует в процессе особенно активно, заставляя клетки-носители слипаться друг с другом. В экспериментальных дрожжевых смесях, где часть клеток несет липкую версию FLO1, а часть – нет, флокулируют преимущественно липкие, а прочие остаются в жидкой среде. Итак, вот вам ген, который вроде бы умеет распознавать свои копии в других клетках и объединяться с ними. Неужели FLO1 и есть пресловутый ген «зеленой бороды»?

Чтобы FLO1 мог считаться геном «зеленой бороды», флокуляция должна быть полезной для сотрудничающих клеток (так оно и есть). Скопления флокулировавших клеток устойчивее к ядам, содержащимся в жидкой среде, – например, к спирту или противогрибковому средству, производимому бактериями. Как и у любого кооперативного признака, у флокуляции есть и оборотная сторона – цена, которую приходится платить: клетки внутри комка так стеснены, что растут медленнее. Дрожжи сводят эту цену к минимуму, флокулируя лишь тогда, когда условия для роста уже ухудшились из-за скопления токсинов. Защита от токсинов максимальна для клеток в сердцевине комка и минимальна на его поверхности. Клетки без липкого FLO1 тоже могут прицепляться к комкам, но при этом оказываются с краю, где они наиболее подвержены воздействию ядов и где их присутствие защищает кооператоров, находящихся внутри. Так что FLO1 вполне тянет на ген «зеленой бороды», да еще и умудряется использовать потенциальных халявщиков для собственной защиты[254].

Если бы мы не знали, что микробы лишены разума, нам оставалось бы только восхищаться их изобретательностью в выстраивании социальных отношений исключительно путем манипулирования общественными благами. Посредством этого механизма они синхронизируют сотрудничество с сородичами, обмениваются с чужаками, конкурируют за ресурсы, пресекают мошенничество, атакуют врагов. Большой эволюционный переход случился тогда, когда часть этих внешних социальных функций переместилась внутрь путем объединения симбиотических клеток.

10

Фокус с тремя картами

Если природа и фокусница, то бесконечное деление клеток было лишь ее дебютным номером. Стоило микроорганизмам выйти на сцену, как они начали стремительно приобретать разнообразие, так что сегодня мы окружены поистине удивительным зверинцем. Невозможно точно подсчитать, сколько существует видов микроорганизмов: они не только неисчислимы, но и весьма вольно обращаются со своими генами, молниеносно приспосабливаются и эволюционируют. Несмотря на все это многообразие, еще в XIX веке ученые недрогнувшей рукой провели разделительную линию между одноклеточными организмами, обладающими ядром, такими как амебы и дрожжи, и безъядерными бактериями[255].

Представьте, что природа, словно искусный фокусник, вытаскивает две карты: эукариоты с ядром и прокариоты без оного. Ловкач показывает вам, к примеру, туза и даму, переворачивает их рубашкой вверх и несколько раз меняет их местами у вас на глазах. Ваша задача – угадать, где теперь дама. Это настолько просто, что вы без колебаний указываете на нужную карту. Точно так же легко определить, прокариота перед вами или эукариота: настолько они разные. Различия между ними столь же велики, как между одноклеточной водорослью и пальмой, писал в 1866 году Эрнст Геккель, известный как «немецкий Дарвин».

Бактериальные клетки устроены довольно просто, тогда как эукариотические клетки крупнее и образуют организмы самых разных размеров, от одноклеточных амеб и дрожжей до многоклеточных микробиологов. Эукариотические клетки обладают сложной внутренней структурой из множества отсеков, окруженных мембранами. Ядро заключено в мембранный мешочек, который защищает хромосомы эукариоты и избирательно пропускает вещества, проходящие между ядром и окружающей его цитоплазмой. В цитоплазме находится полужесткий каркас (цитоскелет), состоящий из трубочек, способных перестраиваться, позволяя клетке поглощать из окружающей среды различные вещества благодаря наружной мембране. Это способность, которой лишены бактерии, способные лишь всасывать вещества, растворенные в воде.

Рис. 13. Клетки эукариоты и прокариоты

Помимо ядра, наиболее характерная черта эукариотической клетки – многочисленные митохондрии, в симбиотическом происхождении которых к началу XX века уже мало кто сомневался. Несмотря на это открытие, природа по-прежнему показывала нам две карты, хотя теперь эукариота начала походить на некое составное существо – словно монстр доктора Франкенштейна, собранный из частей тела по меньшей мере двух прокариот.

В 1977 году на первую полосу The New York Times попало научное открытие – Карл Вёзе и четверо его коллег объявили, что существует третья форма жизни: не обычная бактерия и не эукариота[256]. Природа словно вытащила из рукава третью карту. Она просто затерялась среди прокариот, как одна карта прячется за другой в руках ловкого фокусника. Реакция научного сообщества оказалась, мягко говоря, не совсем единодушной. Дихотомия «прокариоты – эукариоты» настолько укоренилась в сознании биологов, что, казалось, кто-то попался на карточный фокус. Но кто же: те, кто видел три карты, или те, кто замечал лишь две? Один из коллег и соавторов Вёзе вспоминал, как после появления статьи в The New York Times на них обрушился шквал звонков. Самым вежливым оказался один нобелевский лауреат, который умолял: «Вы должны срочно отмежеваться от этой чепухи, иначе загубите свою карьеру!»[257] Но доказательства были неопровержимы и указывали на существование трех групп: эукариоты, прокариоты – и еще одна новая разновидность прокариот.

Технология секвенирования генома тогда только зарождалась, но различия между двумя группами прокариот оказались настолько глубокими, что это указывало на миллиарды лет независимой эволюции. Новая группа прокариот оказалась гораздо более древней, невообразимо древней. Согласно новейшим исследованиям, расхождение произошло почти 4 миллиарда лет назад: это древнейшее эволюционное событие после самого зарождения жизни[258].

Вновь открытую группу в итоге назвали археями, а остальные прокариоты были переименованы в эубактерии, хотя теперь все отбросили формальности и зовут их просто бактериями. Археи обладают уникальными химическими талантами, которых нет у большинства бактерий, – например, способны превращать углекислый газ и водород в метан в бескислородной среде[259]. Ткните палкой в черный, лишенный кислорода ил на дне пруда – и археи возвестят о своем присутствии отрыжкой метановых пузырей из газа, скопившегося в осадке.

Как и все микробы, археи не живут в одиночестве. Они получают углекислый газ и водород, поедая отходы бактерий, обитающих в том же бескислородном мире. Эти симбиотические связи настолько тесны, что Methanobacillus omelianskii – бактерию сточных вод – долго считали единым организмом, пока не выяснилось, что это содружество бактерии и археи[260]. Впрочем, можно было и догадаться, что за таким длиннющим названием просто не может скрываться всего один вид.

После открытия архей Вёзе с коллегами предложили выделить на древе жизни три фундаментальные ветви – домены: бактерии, археи и эукариоты. Теперь возник вопрос: как эти три домена соотносятся друг с другом? Какая ветвь самая нижняя и древняя, какая – вторая по старшинству, а какая – третья? Все ученые сходились на том, что в основании древа должны быть бактерии – простейшая из известных форм жизни. Последний универсальный общий предок (last universal common ancestor, или LUCA) наверняка был бактерией. Но как быть с археями и эукариотами? Казалось бы, простой вопрос: есть лишь несколько способов разместить две группы на дереве, особенно если одна из них родня бактериям, пусть и дальняя. Но все оказалось не так просто, и это подтвердит любой, кто попадался на фокус с тремя картами уличного мошенника. Перед вами выкладывают три карты, переворачивают рубашкой вверх и стремительно меняют местами. Найдете даму? Кажется, это легко, вы уверены в себе после успеха с двумя картами… Но угадать невозможно: ловкость рук позволяет фокуснику спрятать карту.

Упаси Дарвин намекать, что природа жульничает, но на злые шутки она, как ни крути, мастерица. До самого недавнего времени ученые пребывали в такой же неопределенности относительно точной конфигурации доменов, как если бы перед ними лежали три карты рубашкой вверх. Причин этой неопределенности две: во-первых, невообразимая бездна времени