Новый Мир. № 12, 2000

М. Б. Значит, в истории эволюции бактериям случалось выходить из режима постоянной конкуренции и это вело к образованию симбиозов, а затем и многоклеточных?

В. Р. Да, бактерии действительно с успехом налаживали взаимовыгодное сотрудничество, если того требовали обстоятельства. Недавно в Австралии в породах с возрастом около 3,5 млрд. лет были обнаружены сохранившиеся отпечатки скоплений цианобактерий (сине-зеленых водорослей) в симбиозе с другими бактериями. Такие «кооперативы» бактерий опережали умением и способностями кустарей-одиночек. Предполагают, что слияние геномов симбионтов сыграло важную роль в эволюции ДНК. Однако это был лишь первый шаг на пути возникновения многоклеточных.

Описательная палеонтология, позднее молекулярная палеобиология накопили такие гигантские массивы данных, что упорядочить их без современной компьютерной базы попросту невозможно. Эволюция — это многослойный «пирог» изменений жизни, но при этом многие изменения организмов не являются эволюционными. Требуется квалифицированная научная экспертиза, чтобы воссоздать реальную, а не мифическую цепь событий. Сам момент превращения бактерий-симбионтов в многоклеточные организмы от нас пока ускользает — аналогичного озеру Восток бесценного подарка природы с реликтовыми живыми многоклеточными пока не удалось разведать. Лучшее, что имеет сейчас наука, — это окаменевшие музеи ранних многоклеточных, найденные в скальных породах Британской Колумбии (Канада), Австралии, Китая. Поражает многообразие форм многоклеточных организмов, возникших практически одновременно.

Кстати, помимо симбиоза возможен и другой сценарий взаимодействия видов, заканчивающийся «порабощением генома»: инфицированные новой программой особи одного вида превращаются в типичных «рабов», обслуживающих настоящее и будущее другого вида. В лесах Коста-Рики живет паук, который охотится на ядовитых ос, выплетая квадратные метры паутины. Однако иногда оса кусает паука, парализуя его мышечную систему на несколько часов. Одновременно оса успевает выбросить на брюшко паука порцию микроличинок. Развиваясь, личинки вгрызаются в кишечник паука. За два дня до смерти геном личинки с помощью специальных команд заставляет паука плести особые корзинки на длинных тонких нитях, в которые после смерти паука перекочевывают развивающиеся личинки осы. Эти сплетенные купели хорошо держат дождевую воду и хорошо изолированы от врагов паутиной. Это яркий пример «зомбирования» одного вида другим.

Первая группа ископаемых многоклеточных верифицирована в слоях, датируемых прекембрием — 560–570 млн. лет назад. Находки приходятся на последний, вендианский, период прекембрия. Поэтому вендианские ископаемые определяют по геологическому периоду — из-за трудности классификации: разнообразные останки невозможно причислить к животным, губкам или морским растениям. Окаменелые находки имеют самую разнообразную форму: монеты, блюдца, спирали, пальца, расчески с выломанными зубьями — никакого общего плана для систематики. К тому же эти диковинные существа не имели типичных органов пищеварения, дыхания, выделения. Пластичность материала, из которого «лепилась» первая обнаруженная многоклеточная жизнь, подобна пластичности нынешней жевательной резинки. Природа как бы импровизировала без строгих правил с формой этих существ. Внутренняя структура, напоминающая ячеистую губку, позволяла им поддерживать существование за счет притока и оттока морской воды. Колонии клеток функционировали в режиме пульсирующего «насоса» — сперва накачивали в себя воду для доставки кислорода и пищи, затем откачивали ее для выведения шлаков и отходов. Десять палеонтологов различных стран и школ дают десять разных ответов на загадки вендианской цивилизации многоклеточных. Вендианская эпоха — это эволюция без отбора и цензуры, когда многоклеточные делали первые шаги. Первым образцам многоклеточных еще не грозила конкуренция на протоматерике в районе нынешней Антарктиды. Завершение эпохи обледенения закончилось резким повышением уровня мирового океана и возрастанием содержания кислорода в атмосфере. Вендианцы первыми — великая находка! — научились созидать энергию путем фотосинтеза: синтезировать питательные вещества из углекислого газа и воды. Не конкурируя с предшественниками за источники энергии, они создают первое «открытое общество», где преобладало мирное сосуществование, а не конкуренция. Потому вендианцы и не имели органов перемещения — не было хищников и жертв.

М. Б. Как данные о вендианских многоклеточных согласуются с находками молекулярных палеобиологов, изучающих эволюцию ДНК? С имеющимися у нас сведениями об эволюции эукариотических бактерий, которая началась около 1 млрд. лет назад?

В. Р. Большое дерево жизни нельзя построить из маленького генома. Когда геном клетки имеет огромный резерв генов, гены начинают работать «командами». Каждая «команда» генов создает разные специализированные клетки из одного набора (генотипа). В этом случае для создания биоразнообразия нет нужды прибегать к импорту генов.

Эукариотические клетки имеют много «лиц» и профессий за счет комбинаторики генов. По этому признаку можно идентифицировать эукариотические клетки без анализа ДНК. Я так окольно отвечаю на ваш вопрос, потому что никому пока не удалось найти сохранившихся образцов ДНК вендианцев. Время и более поздние бактерии уничтожили всю ДНК этих созданий. Однако вендианцы размножались половым процессом через специализированные клетки, что, естественно, недоступно микробам. Судя по отпечаткам, фенотип клеток в пределах одной колонии различался, что говорит о специализации. Это тоже прерогатива эукариотов.

М. Б. Эволюция оптимизирует и направляет программу развития ДНК и белков. Благодаря чему новые «эксперименты», новые «слова» и «диалекты» не разрушают первоосновы языка жизни?

В. Р. Появление полового процесса в мире многоклеточных было ключевым событием, которое сбалансировало феномены изменчивости и устойчивости в пределах вида. Половые клетки защищают вид от вторжения ДНК чужих видов. Скажем, принудительное оплодотворение яйцеклеток спермиями другого вида дает нулевой результат. Половые клетки и половой процесс надежно защищают ДНК при вертикальной передаче от родителей к потомкам. Не менее важно, что передача видовой ДНК через одну клетку позволяет фильтровать накопившиеся «биопомехи» в виде вирусов, онкогенов, патогенов, которые сумели попасть в организм и размножиться в нем при его жизни. Оплодотворение и внутриутробное развитие (или более простые формы превращения оплодотворенной яйцеклетки во взрослую особь) — это ОТК и «чистилище» для ДНК, входящей в новый круг жизни. Кроме того, эмбриогенез не только фильтрует плохое — но и отбирает хорошее. Появление подвидов и полезных усовершенствований органов чаще всего происходит на стадии зародыша и формирований органов.

М. Б. Поразительно, что миллиарды живших и живущих форм многоклеточной жизни за полмиллиарда лет эволюции оставили на Земле только 35 главных «строительных планов» устройства многоклеточных. Эти главные открытия в архитектуре многоклеточной жизни были сделаны на протоконтиненте Гондвана, от которого сейчас на прежнем месте осталась одна Антарктида. Именно в этой зоне земного шара появились на свет новые гены и программы, которые наметили пути освоения биопространства с помощью клеточных кооперативов. То есть картину следует представлять так: сперва клетки вступали во взаимодействие друг с другом, так сказать, по сиюминутной конъюнктуре; но эти случайные игры в строительство привели к гигантскому и опять-таки случайному прорыву в будущее биоинформатики, когда клетка начала эволюционировать уже не как отдельная элементарная единица жизни, но как строительный модуль многоклеточной жизни? И резонно ли утверждать, что возникновению главных проектов многоклеточных предшествовала эпоха возникновения архитектурных генов?

В. Р. Верно, что возникновение всех тридцати пяти проектов многоклеточных произошло только однажды в кембрии. Потом природа отдыхала, занимаясь деталями созданных проектов и их модификацией. Нет объяснений, почему после кембрия исчезли монументальные проекты жизни, ни одного крупного и нового проекта, словно возможности комбинаторики генов, силы эволюционной «фантазии» пошли на убыль. Есть неподтвержденные догадки, что на Земле исчезли какие-то комбинации физических и экологических факторов, которые катализировали кардинальную реорганизацию генома и хромосом. Ясно, что создание тридцати пяти проектов-каталогов многоклеточной жизни связано с появлением в геноме нового класса так называемых «архитектурных» генов, контролирующих межклеточные взаимодействия. Именно эти гены создали новые «верфи» для постройки более сложных «кораблей» жизни.

Напомню, что из 100 000 генов человека около 5000 генов задействованы в эмбриогенезе, то есть превращении оплодотворенной яйцеклетки в новорожденную особь. Эти 5000 генов кодируют правила сборки клеток в зародыше (причем разные наборы из одних и тех же 50 генов кодируют планы строения и человека, и слона, и рыбы, и мухи). Архитектурные гены отсутствуют в геноме бактерий. Эти чрезвычайно консервативные гены инкрустированы «батареями» в хромосомы многоклеточных без изменения взаимного расположения. Если один конец набора архитектурных генов формирует органы головного конца, то противоположный сектор генов формирует органы хвостовой части зародыша. Если обычные рядовые гены контролируют пространственную структуру белков, то архитектурные гены кодируют трехмерный проект организма, то есть внешний вид, количество, размеры и карту расположения органов. В зародыше закодирована комбинаторика включения и выключения архитектурных генов во времени. Для неспециалистов возможность кодирования того, что еще не существует в реальном времени, выглядит почти мистикой. Однако никакой мистики в работе архитектурных генов нет. Используя внутренние клеточные «часы», программа построения зародыша синхронизирует клеточные сборки в разных частях зародыша.

М. Б. Под архитектурными генами мы понимаем тот блок генов, которые более научно называются гомеотическими (Hox) генами и мутации которых вызывают рождение уродов и плодов с перепутанным устройством органов?

В. Р. Совершенно верно. Мы договорились не забивать изложение лишними терминами, чтобы не утерять нить разговора. Архитектурные гены наиболее эффективно контролируют правильное развитие органов по довольно стандартному сценарию. Очень рано, еще в крошечном зародыше, Hox-гены размечают в миниатюре территории и карту будущих органов. Много позже эти объемы достигают размеров органов взрослой особи. Реализация этого «виртуального» плана идет в три этапа. На стадии закладки конечности или печени появляются сотни, тысячи незрелых стволовых клеток. На втором этапе эти стволовые клетки формируют запланированную массу органа с точным подсчетом клеток. Когда число клеток достигает проектной цифры, клеточные деления прекращаются, а клетки под влиянием новых «архитектурных» генов начинают превращаться в специальные линии. Локализация клеток в органе определяет тип специализации клеток. Поэтому в мозге не возникают клетки печени, а половые клетки не образуются в сердце. «Архитектурные» гены не только строят «цеха и заводы», но и заполняют территории точным числом специалистов. Как шутят биологи, в этом государстве клетки приходят и уходят, но территории остаются.