Внутренняя рыба - Нил Шубин

Но все эти представления полностью перевернулись, когда Николь Кинг из Калифорнийского университета в Беркли занялась организмами, которые называют хоанофлагеллятами (или воротничковыми жгутиконосцами). Она выбрала именно этот объект для своих исследований не случайно. Ей было известно, что, судя по результатам некоторых работ с ДНК, хоанофлагелляты вполне могут быть ближайшими одноклеточными родственниками настоящих (многоклеточных) животных, в том числе трихоплаксов и губок. Поэтому она подозревала, что в ДНК хоанофлагеллят можно найти варианты генов, обеспечивающих формирование наших тел.

Поискам, которые вела Николь, помог проект «Геном человека» — увенчавшееся успехом предприятие, целью которого было прочтение последовательности всей ДНК человека и картирование всех имеющихся у нас генов. Наряду с этим проектом были организованы аналогичные проекты, посвященные другим организмам — мухе-дрозофиле, серой крысе, медоносной пчеле, а также трихоплаксу, некоторым губкам и многим видам микробов. Полученные генетические карты — настоящий кладезь информации для наших исследований. Они позволяют сравнивать «гены бодибилдинга» многих разных видов. Такие карты очень помогли Николь Кинг в изучении хоанофлагеллят.

Хоанофлагелляты (слева) и губки (справа).

Хоанофлагелляты на удивление похожи на те клетки губок, которые напоминают бокалы на толстых ножках. Их сходство так велико, что долгое время многие считали, что хоанофлагелляты произошли от выродившихся губок, которые утратили все другие типы клеток и потеряли способность соединять их вместе. Если бы это было так, то ДНК хоанофлагеллят напоминало бы ДНК очень необычной губки. Но это не так. Когда участки ДНК хоанофлагеллят сравнили с ДНК других микробов и губок, оказалось, что у хоанофлагеллят ДНК сильно отличается от ДНК губок. Хоанофлагелляты — настоящие одноклеточные микроорганизмы.

Работы Николь с хоанофлагеллятами показали, что никакой генетической пропасти между одноклеточными микроорганизмами (микробами) и настоящими животными (многоклеточными) на самом деле нет. Большинство генов, работающих у хоанофлагеллят, работают и в клетках животных. Более того, эти гены включают часть аппарата, обеспечивающего построение наших тел. Приведем несколько примеров, показывающих, насколько велико это сходство. У хоанофлагеллят имеются вещества, обеспечивающие в многоклеточных организмах сцепление и общение клеток — даже элементы молекулярных каскадов, которые доставляют сигнал от наружной мембраны клетки внутрь ее ядра. Имеется у хоанофлагеллят и коллаген. Есть у них и несколько типов молекул-заклепок, которые у многоклеточных служат для соединения клеток, правда, у хоанофлагеллят они выполняют несколько другие функции.

Изучение хоанофлагеллят позволило Николь открыть пути для сравнения нашего аппарата построения тела с теми его деталями, которые можно найти и у других микробов. Гены, которые позволяют синтезировать коллаген и протеогликан, теперь известны и у ряда других микроорганизмов. Например, стрептококки — бактерии, которые живут у нас во рту (а иногда и не только), — несут на поверхности своих клеток вещество, очень близкое к коллагену. Молекулярное строение этого вещества необычайно похоже на строение нашего коллагена, но его молекулы не сплетаются в канаты или пласты, как делает коллаген животных. У многих разных бактерий в клеточных стенках имеются некоторые из сахаров, входящих в состав протеогликанового комплекса, который составляет основу наших хрящей. Эти сахара играют у ряда болезнетворных бактерий и вирусов довольно неприглядную роль. Они помогают болезнетворным агентам проникать в клетки других организмов и во многих случаях делают возбудителей заболеваний более опасными для нас. Многие из молекул, с помощью которых микробы причиняют нам страдания, представляют собой более простые варианты молекул, которые делают возможным существование наших собственных тел.

Из этого вытекает один закономерный вопрос. В древних породах возрастом от трех с лишним миллиардов до шестисот с лишним миллионов лет мы находим одни лишь остатки микроорганизмов. А затем внезапно, на промежутке где-то в 40 миллионов лет, появляются всевозможные многоклеточные тела растений, грибов, животных — повсюду мы находим ископаемые остатки этих тел. Многоклеточные тела в это время почему-то становятся писком моды. Но ведь сухой остаток полученных Николь результатов говорит нам о том, что потенциал для построения многоклеточных тел имелся в распоряжении микроорганизмов, возникших задолго до того, как появились первые такие тела. Почему же после такой долгой одноклеточной жизни вдруг началась вся эта многоклеточная суета?

Происхождение тел как «идеальный шторм»

Своевременность — залог успеха. Лучшие идеи, изобретения и теории далеко не всегда оказываются востребованы. Сколько музыкантов, изобретателей и художников так далеко опередили свое время, что при жизни не были никем оценены и оказались вскоре забыты, лишь через многие годы получив заслуженное признание? Назовем лишь один пример — Герона Александрийского, который в первом веке нашей эры изобрел паровую турбину. К сожалению, современники считали ее не более чем забавной игрушкой. Мир был не готов к ней.

История жизни на Земле работает по тем же законам. Всему свое время. Вероятно, для возникновения многоклеточности тоже было свое определенное время. Чтобы разобраться в этом, нам нужно понять, почему вообще возникли многоклеточные тела.

Одна из теорий их происхождения чрезвычайно проста. Она предполагает, что многоклеточные тела возникли в результате того, что микробы вырабатывали новые способы поедать друг друга и избегать опасности быть съеденным. Многоклеточное тело позволяет стать большим. Стать большим — один из проверенных способов, помогающих не быть съеденным. Поэтому многоклеточность могла возникнуть как своего рода защитный механизм.

Когда хищники вырабатывают новые способы поедания жертв, жертвы в ответ на это вырабатывают новые способы избежать своей участи. Такого рода взаимодействия могли привести к появлению многих наших «молекул бодибилдинга». Многие микробы питаются другими микробами, прикрепляясь к ним и вслед за тем их заглатывая. Молекулы, позволяющие таким микробам ловить и удерживать добычу, — вполне вероятные претенденты на роль предшественников тех заклепок, которые позволяют клеткам наших тел соединяться друг с другом. Некоторые микробы способны и к общению: многие из них выделяют соединения, которые воздействуют на поведение других микробов. Взаимодействия микробов-хищников и микробов-жертв нередко осуществляются с помощью сигнальных молекул, которые позволяют, например, отпугивать потенциальных хищников или, напротив, приманивать потенциальных жертв. Возможно, именно такие сигнальные молекулы и стали предшественниками тех молекул, с помощью которых наши клетки обмениваются информацией, обеспечивая развитие и поддерживая нормальную работу наших тел.

Мы могли бы рассуждать о таких вещах до бесконечности, но гораздо интереснее, чем все эти умозрительные построения, были бы какие-нибудь реальные экспериментальные данные, которые пролили бы свет на то, как хищничество могло привести к возникновению многоклеточных тел. Именно такие данные получили Мартин Бораас и его коллеги. Они взяли водоросль, которая в норме остается одноклеточной, и выращивали ее у себя в лаборатории, сменив около тысячи поколений. Затем они добавили хищника — одноклеточного жгутиконосца, который заглатывает и переваривает других, более мелких микробов. Менее чем через двести поколений водоросль отреагировала на присутствие хищника тем, что стала образовывать комки из сотен клеток. Со временем число клеток в этих комках стало уменьшаться, пока их не осталось всего по восемь в каждом комке. Число восемь оказалось оптимальным потому, что позволяло, с одной стороны, делать комки достаточно большими, чтобы их не мог заглотить хищник, а с другой стороны — достаточно маленькими, чтобы каждая клетка в комке могла улавливать достаточное для своего выживания количество света. Самое удивительное произошло, когда хищника удалили. Водоросли продолжали размножаться, и последующие поколения по-прежнему образовывали комки по восемь клеток. Иными словами, из одноклеточных существ возникло нечто приближенное к многоклеточному телу.

Если в экспериментальных условиях можно за несколько лет получить простое подобие многоклеточного организма, представьте, что могло бы получиться за миллиарды лет. Выходит, что вопрос состоит не столько в том, как могла возникнуть многоклеточность, сколько в том, почему она не возникла раньше.