каждый такой пост Николая приближает меня (и тебя) к пониманию жизни, вселенной и вообще. На обложке Nature на этой неделе моя любимая тема: эукариогенез. Эукариогенез – это как Second Summer of Love. Почти так же круто, как происхождение жизни, но не так давно и не так абстрактно.
Мы с вами, эукариоты, так или иначе произошли от прокариот, напоминающих современных бактерий и архей. Но эукариотическая клетка по сравнению с бактериальной – это примерно как Звезда смерти по сравнению с Миллениум Фалконом. Бактерия не могла просто взять и немножко улучшиться. Эукариогенез – это вообще новый взгляд на жизнь как явление. У бактерий очень размытая индивидуальность. Это почти что сборники генов, которые гуляют туда-сюда как хотят и не особо заботятся о сложности или успешности отдельных клеток. Эукариоты же с самого начала инвестируют столько ресурсов в свою Звезду смерти, что для них её выживание принципиально. Я уверен, что именно из-за этого многоклеточность, многохромосомность и многие другие навороты неимоверной сложности есть только у эукариот. Если бы вы рассказали бактерии, что мы размножаемся путём строительства в течение девяти месяцев из триллионов отдельных клеток гигантского животного, которое годами отнимает ресурсы от родителей, а потом оплодотворяет пару яиц и умирает, то она бы покрутила пальцем у виска. Это как тот предприимчивый европеец из анекдота, который видит жующего кокос аборигена и пытается объяснить ему, что кокос надо продать, накопить капитал, нанять людей и развить успешный бизнес, чтобы потом лежать под пальмой и жевать кокосы.
По поводу того, как всё началось, есть несколько версий. По одной версии, толчком к эукариогенезу было появление митохондрий. Архея поглотила бактерию, умеющую дышать, и стала эукариотом, в дальнейшем развивая себе всё остальное, включая ядро, эндомембранный аппарат, цитоскелет и т.д. По другой версии, митохондрии появились, когда эукариоты уже были. Я всегда был сторонником этой версии, потому что на мой взгляд, ключевая точка, на которой висят все различия двух миров – это способность управлять мембраной (это объясняет и фагоцитоз, и митохондрии, и ядро, и органеллы, и взрыв мембранного сигналинга).
Проблема в том, что эукариот без митохондрий, похоже, не бывает. Раньше считалось, что они есть, но постепенно люди убеждаются, что если у эукариота нет митохондрии, то у него есть что-нибудь другое, что когда-то давно было митохондрией. То есть возникает ощущение, что митохондрии были у общего предка всех ныне существующих эукариот. Это, в свою очередь, делает первую версию эукариогенеза (митохондрии как толчок к дальнейшему развитию) более вероятной.
Но вот в статье, вынесенной на обложку Нэйче (http://www.nature.com/nature/journal/v531/n7592/full/nature16941.html), доказывается обратное – то есть моя любимая версия. Люди сделали глубокий филогеномный анализ и показали, что эукариоты жили задолго до того, как у них появились митохондрии.
Всё это очень хорошо ложится в историю, которую я себе представляю на сегодняшний день вот так. Три миллиарда лет назад бактерии изобретают фотосинтез (конкретные даты варьируют, но это не так принципиально). Возможно, главное изобретение в истории жизни. Еда из ничего. Сначала, правда, фотосинтез работает на сероводороде. В фотосинтезе нужно куда-то сбросить электроны, убежавшие с хлорофилла, и сероводород (H2S) их охотно собирает, превращаясь в серу и водород (H2 и S). Сероводород – это удобно, но его ещё надо найти. Вот нашёл ты его где-нибудь на дне морском у чёрного курильщика – и сиди себе там, фотосинтезируй. Сероводорода мало. Чего много – так это воды (H2O). Но из-за мелких размеров атома кислорода по сравнению с атомом серы вода – это одна из самых стабильных молекул во вселенной. Её просто так не разорвать, как сероводород. Но если ты вдруг научился – то ты обеспечен едой на всю жизнь. У бактерий ушло полмиллиарда лет на то, чтобы научиться рвать молекулу воды. Для этого потребовалось сделать молекулярную машину циклопических размеров под названием фотосистема II (см. картинку). Она состоит из двадцати белков, не считая всяких помощников со всех сторон, и ДЕВЯНОСТА ДЕВЯТИ КОФАКТОРОВ, включая какие-то космические кластеры из кальция и марганца (МАРГАНЦА!!). Но есть проблема. У машины этой есть побочный продукт – молекулярный кислород. Кислород – это токсичный химикат, который окисляет всё на своём пути. Если вы когда-нибудь видели огонь, то вы представляете, что такое кислород. Итого, эдак два с лихвой миллиарда лет назад бактерии начинают выбрасывать в океан токсичные химикаты.
Примерно миллиард лет это никого не волнует, потому что кислород поглощается железом на морском дне. Океан ржавеет. Но примерно полтора миллиарда лет назад кроме ржавчины в океане железа не остаётся. Кислород начинает накапливаться в воде и в атмосфере. И вот тут жизнь на Земле начинает паниковать, потому что кислород растёт, прекращать фотосинтезировать никто не собирается, и если с этим ничего не делать – то всё может вымереть. И вымирает, лол. Это ещё называется "кислородным холокостом". Одно из самых крупных вымираний в истории планеты.
По всей видимости, в этих тяжёлых условиях кислородного загрязнения все живые организмы оказались перед выбором: либо дыхание, либо смерть. Что такое дыхание? Это сжигание питательных веществ кислородом. Во-первых, это обезвреживает кислород. Во-вторых, это позволяет высосать из питательных веществ максимум энергии. Раньше их только слегка окисляли до молочной кислоты или там спирта. Теперь их в прямом смысле можно жечь до точки, когда кроме углекислого газа и воды ничего не остаётся.
Дыхание, как и фотосинтез, было изобретено бактериями. Но примерно в то же самое время, когда бактерии научились контролировать кислород, предки эукариот, по-видимому, научились управлять мембранами. Это сразу вывело их на новый уровень развития. Раньше питательные вещества можно было только всосать через мембрану. Но если у тебя подвижная мембрана, которую можно изгибать и почковать – то ты можешь заглатывать целые клетки. То есть пока бактерии учились дышать, эукариоты учились быть хищниками. И вот в какой-то момент один из этих хищников заглотил дышащую бактерию – и задумался. И тут оказалось, что если эту бактерию не жевать, а оставить как есть, то она (а) обезвредит кислород и (б) произведёт кучу энергии. Так появились митохондрии. Некоторые эукариоты, предки растений, пошли дальше и заглотили ещё и фотосинтезирующую бактерию. С клеточной точки зрения растения куда прогрессивнее, чем мы – у них есть всё.
Эта история объясняет как позднее приобретение митохондрий, так и отсутствие истинно безмитохондриальных эукариот. Всё, что не научилось дышать, тупо отравилось кислородом и вымерло.
Интеллектуально мне нравится вот что: мы покоряли огонь дважды. Оба раза это приводило к контролю над смертоносной стихией. Оба раза это приводило к извлечению большей энергии из пищи. Оба раза это выводило нас на новый виток эволюции. Первое покорение огня сделало из амёб ехидн, дельфинов и секвойи. Второе покорение огня сделало из людей цивилизацию, культуру и науку. Оба раза все, кто не научился огнём пользоваться, остались на свалке истории.
#биоколя
