Вместе — невозможно и врозь — никак (5)

Художник, поэт или писатель часто могут увидеть мир в гораздо большем числе деталей и связей, нежели учёный.  Ведь основной задачей учёного является обычно строго обратный процесс — из множества вроде бы несвязанных частей и деталей собрать упрощённую, но адекватную модель какого-либо явления — теорию, классификацию, концепцию или, на худой конец — хотя бы гипотезу.
Художник же может позволить себе часто изобразить мир таким, как он видится ему, во всех естественных красках и со всем многообразием фактов и связей. Типа, разбирайтесь самостоятельно, я ни в чём Вас, господа, не ограничиваю. Вопросы поставлены, ищите теперь ответы сами:


«Человек на распутье», Диего Ривера, 1933 год.

Судьба этого произведения и трагична и поучительна. Рукописи не горят, но часто, подобно "Реквиему" Моцарта или портрету Дориана Грея, заказчики произведений искусства, теряют к ним интерес, а то и страстно хотят их уничтожить собственными руками.

В 30–е годы прошлого века на деньги Рокфеллеров (тогда богатейших людей мира) в Нью-Йорке строился Рокфеллеровский Центр. Именно для этого здания была заказана Диего Ривере эта монументальная фреска. Однако впоследсвии, Рокфеллеры, финансировавшие и курировавшие строительство центра, не только отстранили Риверу от работы, но и сбили почти готовую фреску со стены, заменив её другой.

В чем причина? Ривера нарисовал в правой части фрески портрет Ленина. Рокфеллерам и впрямь не слишком нравилось, что предложенная ими тема «Человек на распутье» превратилась у Риверы в сопоставление коммунизма и капитализма (разумеется, в пользу первого), и Нельсон Рокфеллер действительно попросил Риверу заменить портрет Ленина лицом «неизвестного человека» (однако Ривера отказался).

Однако есть основания полагать, что это была лишь последняя капля, переполнившая чашу терпения Рокфеллеров.  Настоящим катализатором разрыва стала включенная во фреску фигура Джона Рокфеллера – младшего. Он был нарисован в левой части фрески, где изображались «пороки капитализма», в группе богатых мужчин, потягивающих коктейли в компании сомнительного вида дам. Напомним, что дело происходило в мае 1933 года, когда в Америке еще царил сухой закон (его отменят в декабре), а Рокфеллеры, истовые баптисты, были среди тех, чьими усилиями сухой закон и был введен. Не потребляя ни табака, ни алкоголя, они финансово поддерживали «Антисалунную лигу», сыгравшую ключевую роль в принятии этого закона. Изобразить кого-то из Рокфеллеров в атмосфере ночного клуба, да еще с какими-то противными микробами, летающими над посетителями (намек на то, что представители этой группы являются рассадниками грязи – социальной, моральной?), — это уже было слишком…

Однако, рукописи всё-таки не горят — и Диего, потеряв своё творение от рук Рокфеллеров, впоследствии, лишь по сохранившимся чёрно-белым фотографиям, восстановил фреску при росписи Дворца искусств в Мехико-сити. В Америку впоследствии он приедет только один раз, но уже не в Нью-Йорк, а в Сан-Франциско, чтобы выполнить заказ на гигантскую фреску «Панамериканское единство» для Международной выставки. Будет это в делёком уже теперь 1940 году.

Однако нам будет интересна другая, уже нерукотворная фреска, которая вот уже миллиарды лет пишет сама себя. Её не направляет никакая разумная или высшая сила, её кисть часто дрожит от внутреннего напряжения, а красок у неё совсем мало. Это мы сами, и наш безумно богатый внутренний мир. В далёкие уже сейчас 1930-е годы люди лишь в грубых мазках могли рассмотреть эту феску, но за прошедшие полвека человечество смогло разглядеть это монументальное произведение искусства жизни уже в полный размер, и не по плохому, чёрно-белому фотоснимку старого оптического микроскопа 1930-х годов, а во всех её красках и мельчайших подробностях...


Что же это за монументальная фреска, которая спрятана в глубинах нашего тела? Она до сих пор хранится глубоко в наших клетках — и за прошедшие миллиарды лет её краски, если и потускневшие и потрескавшиеся от неумолимого времени, по-прежнему повествуют о событиях такого масштаба, что современные проблемы человечества могут показаться лишь детской игрой в песочнице, плачем ребёнка и разрушенной песочной пасочкой.

Вот сравнение нашего эритроцита (красной кровяной клетки — отнюдь не самой большой в нашем организме), обычного кокка (средней по размеру бактерии, обычно дающей нам замечательные "сопли зелёного цвета") и бактерии микоплазмы (эта фигня тоже живёт в нас, но уже не в носу, а чуть пониже):



Хорошо видно, что наш эритроцит больше бактерий раз в пятьдесят по размеру (ну и раз в тысячу - по внутреннему объёму или собственной массе). С чем связана такая разница?

Всё очень просто.
Каждая из наших клеток - это целая Империя, причём организованная буквально "огнём и мечом" из доисторического симбиотического сообщества. Более подробно об этом непростом процессе можно прочитать здесь или, если хочется популярнее и с картинками  — то здесь, я же постараюсь рассказать о тех давних событиях тут, ниже по тексту.

В определённый момент эволюции бактерии упёрлись в несколько принципиальных ограничений в своей эволюции. Собственно говоря, основной их бедой была уж слишком хорошая приспособленность бактерий к суровым, но практически неизменным условиям Земли архейского периода. Не менее миллиарда лет цианобактерии были безраздельными хозяевами Земли. Их голубовато-зеленые ковры покрывали морское дно. В этих коврах, "цианобактериальных матах", вместе с сине-зелеными водорослями жили и другие бактерии. Все они были прекрасно приспособлены и друг к другу, и к суровым условиям первобытного океана. Это были очень сбалансированные сообщества, практически замкнутые и по энергии, и по органическому веществу.
В то время — в архейскую эру — на Земле было очень жарко. Насыщенная углекислым газом атмосфера создавала мощный парниковый эффект. Из-за этого к концу архея Мировой океан нагрелся где-то до 50-60⁰ С. Растворяясь в воде, углекислый газ превращался в кислоту; мелкие, горячие и кислые воды насквозь прожигались жестким ультрафиолетом (ведь у Земли еще не было озонового щита). Вдобавок к тому, в воде было растворено огромное количество ядовитых солей тяжелых металлов. Постоянные извержения вулканов, выбросы пепла и газов, резкие перепады условий — все это отнюдь не упрощало жизнь первым обитателям планеты. Короче, совсем не курорт.

Поэтому, если кого-то впечатляют тысячелетние мучения польской амёбы из предыдущего поста, представьте, как несладко было тем первобытным бактериям. И продолжалось это всё отнюдь не тысячу лет, как в случае любого национального государства, а целый миллиард лет. В общем всё как всегда — "Отец страдал, и нам велел".

Развивавшиеся в такой негостеприимной среде бактериальные сообщества были невероятно выносливы. Из-за этого их эволюция шла очень медленно. Они уже были приспособлены почти ко всему, и им незачем было совершенствоваться. Для того, чтобы жизнь на Земле начала развиваться и усложняться, требовалась катастрофа. Необходимо было разрушить этот сверхустойчивый бактериальный мир, казавшийся вечным и нерушимым, чтобы освободить  жизненное пространство для чего-то нового.

Долгожданная революция, положившая конец вековечному застою и выведшая жизнь из бактериального тупика, произошла где-то 2,7 — 2,5 миллиарда лет назад, в самом конце архейской эры. Российские геологи Сорохтин и Ушаков, авторы новейшей физической теории развития Земли, рассчитали, что именно в это время наша планета подверглась самому крупному и катастрофическому преобразованию за всю свою геологическую историю.
И, опять-таки, если кто-то думает, что конец дешёвой энергии — это страшно, то можете ознакомиться ниже с параметрами той, доисторической катастрофы.

Причиной катастрофы стало возникновение у нашей планеты железного ядра. С момента образования Земли до конца архея в верхних слоях мантии постепенно накапливалась расплавленная смесь железа и его двухвалентной окиси (FeO).  Примерно около 2,7 миллиарда лет тому назад масса этого расплава превысила некий порог, после чего тяжелая, вязкая, раскаленная жидкость буквально "провалилась" к центру Земли, попутно вытеснив оттуда её первичную, более легкую сердцевину. Ну а дальше понеслась моча по трубам ситуация вышла из-под контроля раз — и навсегда. Эти грандиозные перемещения огромных масс вещества в недрах планеты разорвали и смяли ее тонкую поверхностную оболочку — земную кору. Повсюду начали извергаться вулканы. Древние материки сблизились, столкнулись и слились в единый суперматерик Моногею — как раз над тем местом, где жидкое железо из мантии разом "протекло" вглубь планеты. Этот громадный поток обмена массами горных пород назвали суперлавиной (superavalanche) — его масштабы не идут ни в какое сравнение ни с деканскими, ни даже с сибирскими траппами более поздних прорывов пород из мантии. Вышедшие на поверхность глубинные породы немедленно вступили в химическую реакцию с атмосферным углекислым газом, и очень скоро в атмосфере Земли почти не осталось углекислоты. Парниковый эффект резко уменьшился, что привело к сильнейшему похолоданию: температура океана упала от +60⁰ С до всего +6⁰ С. Столь же внезапно и резко снизилась и кислотность морской воды.

Это была величайшая из катастроф. Но даже она не смогла уничтожить цианобактерий. Они выжили, хотя им и пришлось по-настоящему туго. Исчезновение углекислотной атмосферы означало для них жестокий голод, ведь цианобактерии, как и высшие растения, используют углекислоту как сырье для синтеза органических веществ. Бактериальных матов стало меньше. От голубых ковров бактериальных сообществ, выстилавших морское дно, остались жалкие ошмётки. Бактериальный мир не погиб, но он был сильно потрепан, в нем появились дыры и бреши. Именно в этих брешах и пробоинах древнего мира и зародились в ту давнюю эпоху первые организмы принципиально иного строения - более сложные и совершенные одноклеточные существа, которым предстояло стать новыми хозяевами планеты.

Бактериальная клетка. Она ещё не знает, что ей очень не повезло.

Бактериальная клетка — это, нас самом деле, сложнейшая живая конструкция. Но клетки высших организмов - растений, животных, грибов и так называемых "простейших" (амеб, инфузорий) - устроены ещё на порядок сложнее. Бактериальная клетка не имеет ни ядра, ни каких-либо иных "внутренних органов", окруженных оболочкой и обособленных друг от друга и от внутреннего объёма бактериальной клетки. Поэтому бактерий называют "прокариотами" ("доядерными").

У высших же организмов клетка имеет ядро, окруженное двойной оболочкой (отсюда название "эукариоты" - "имеющие настоящее ядро"), а также "внутренние органы", важнейшими из которых являются митохондрии - своеобразные энергетические станции клетки. Митохондрии расщепляют почти что любые органические вещества до углекислого газа и воды, используя кислород в качестве окислителя. Мы дышим исключительно для того, чтобы обеспечить кислородом митохондрии наших клеток. Кроме митохондрий у нас никто внутри-то дышать кислородом и не может - все остальные части клетки пользуются уже продукцией митохондрий и, кроме того, ещё и "убирают" за ними разные вредные продукты их метаболизма. 

Кроме митохондрий, важнейшими органами эукариотической клетки являются пластиды (хлоропласты), служащие для фотосинтеза. Пластиды есть только у растений, именно за счёт пластид растения могут осуществлять фотосинтез. То есть клетка растения в отсутствии хлоропластов столько же знает о фотосинтезе, как клетка животного, в отсутствии митохондрий, понимает в дыхании.

Вот оно - мужественное лицо будущего покорителя мира.

Но главное в эукариотической (нашей с Вами) клетке  - это, конечно, ее ядро. В ядре хранится наследственная информация, записанная  в молекулах ДНК. У бактерий, разумеется, тоже есть ДНК - единственная молекула в форме кольца, содержащая все гены данного вида бактерий. Но бактериальная ДНК "плавает" прямо во внутренней среде клетки - в ее цитоплазме, где и протекает активный обмен веществ. Это значит, что непосредственное окружение драгоценной молекулы напоминает действующий химический завод или лабораторию алхимика, где ежесекундно появляются и исчезают сотни тысяч самых разнообразных веществ. Каждое из них потенциально может повлиять на наследственную информацию, а также на те молекулярные механизмы, которые эту информацию считывают и "воплощают в жизнь". В таких антисанитарных условиях довольно трудно создать эффективную и надежную систему обслуживания - хранения, чтения, воспроизведения и ремонта ДНК. Тем более трудно создать молекулярный механизм, который мог бы осмысленно (то есть сообразуясь с обстановкой) пытаться управлять работой такой "системы обслуживания".

Короче, если Вас иногда напрягает тупизна и ситуативность действий правительства какой-нибудь степной страны у тёплого моря — просто вспоминайте, в каких антисанитарных условиях находятся управляющие коды её судьбы. Ведь любое недогосударство — это цианобактерия политического мира. Ни идеи, ни смысла, ни места в международном разделении труда (одна отрасль экономики — не в счёт), ни цивилизационного проекта.

Именно в этом и состоял великий смысл обособления клеточного ядра. Гены оказались надежно изолированы от цитоплазмы с ее бурлящей химией. Теперь можно было в спокойной обстановке наладить эффективную систему их регуляции. И тут оказалось, что при одном и том же наборе генов клетка может вести себя совершенно по-разному в разных условиях.

Одну и ту же книгу можно прочесть по-разному (особенно если книга хорошая). В зависимости от своей подготовки, настроения и жизненной ситуации читатель сегодня найдет в книге одно, а через год, перечитав её - уже совсем другое. Так же и с геномом эукариот. В зависимости от условий он "прочитывается" по-разному, и клетки, развивающиеся в ходе его "прочтения", тоже оказываются разными. Так появился механизм ненаследственной приспособительной изменчивости - изобретение, на порядок повысившее устойчивость и жизнеспособность организмов.

Но что же упомянутые нами митохондрии и пластиды?
Еще в начале XX века ученые заметили, что пластиды и митохондрии по своему строению удивительно напоминают бактерий. Почти век ушел на сбор фактов и доказательств, но теперь уже можно считать твердо установленной истиной, что эукариотическая клетка возникла в результате сожительства (симбиоза) нескольких разных бактериальных клеток.

С пластидами и митохондриями, по правде говоря, все было ясно уже давно. Эти "органы" эукариотической клетки имеют собственную кольцевую ДНК - в точности как у бактерий. Они самостоятельно размножаются внутри хозяйской клетки, просто и незатейливо делясь пополам, как это и принято у прокариот. Они никогда не образуются заново, "из ничего". По всем признакам они - самые настоящие бактерии, даром что живут "внутри нас, внутрее некуда". Причем можно даже точно сказать, какие именно это бактерии: в митохондриях легко можно узнать так называемых "альфа-протеобактерий", а пластиды -  это не кто иной, как знакомые нам цианобактерии. Эти прославленные изобретатели хлорофилла и фотосинтеза так до сих пор и не поделились ни с кем своим открытием: они и по сей день, став пластидами в клетках растений, держат под контролем практически весь фотосинтез на планете (а значит, и почти все производство органических веществ и кислорода!).

Так что, товарищи - не отбирайте молоток у китайцев, лупу у швейцарцев или оливковый пресс у греков - многие вещи эти люди делают лучше нас. Используйте их возможности и умения во благо, а не во вред.

Но вот откуда взялась сама клетка-хозяин? Какой микроб был ее "предком"? Среди ныне живущих бактерий кандидата на эту роль долго не могли найти. Дело в том, что гены эукариот, хранящиеся в клеточном ядре, резко отличаются по своей структуре от генов большинства бактерий: они состоят из множества отдельных кусков, разделенных длинными "бессмысленными" участками ДНК. Чтобы "прочесть" такой ген, все его кусочки нужно аккуратно вырезать и "склеить". Ничего подобного у обычных бактерий не наблюдается.

К удивлению ученых, "эукариотическое" строение генома, а также многие другие уникальные особенности эукариот, обнаружились у самой странной и загадочной группы прокариотических организмов - у так называемых археобактерий. Эти существа отличаются невероятной устойчивостью: они могут жить даже в кипящей воде геотермальных источников. Для некоторых археобактерий оптимальной является температура в +90 — +110⁰ C, а уже при +80⁰ С они начинают замерзать! Другие археобактерии спокойно чувствуют себя даже в холодильнике — при температурах чуть выше точки замерзания воды. Короче, это в целом "крепкие, непритязательные ребята", которые всегда умели жить по средствам и "на свои".

Сейчас большинство ученых считает, что эукариотическая клетка возникла вследствие того, что какая-то археобактерия  приобрела себе внутриклеточных сожителей-симбионтов из числа "обычных" бактерий.

Долго не могли понять, как археобактерии удалось "проглотить" своих будущих сожителей — ведь прокариоты не умеют заглатывать крупные частицы. Но недавно у бактерий был открыт внутриклеточный паразитизм. Оказалось, что некоторые микробы способны проделывать отверстия в клеточной стенке других бактерий и проникать в их цитоплазму. Может быть, именно таким путем проникли будущие пластиды и митохондрии внутрь клетки-хозяина?
(Ребята, присмотритесь к таждикам! Это серьёзно!)

Приобретение внутриклеточных сожителей привело к тому, что в одной клетке оказалось несколько разных геномов. Ими нужно было как-то управлять. Создание клеточного ядра — руководящего центра клетки — стало жизненной необходимостью. По одной из гипотез, ядерная оболочка могла возникнуть как случайный результат несогласованной работы нескольких групп генов, отвечавших за формирование клеточных оболочек у только что объединившихся бактерий. 

Разнообразные микробы, давшие начало эукариотической клетке, вовсе не сразу слились в единый организм. Сначала они просто жили вместе в одном бактериальном сообществе, постепенно приспосабливаясь друг к другу и учась извлекать выгоду из такого сожительства. Выделяемый цианобактериями кислород был для них ядовит. В ходе эволюции они "придумали" много разных способов борьбы с этим побочным продуктом своей жизнедеятельности. Одним из таких способов было... дыхание. Недавние исследования показали, что комплекс белков-ферментов, отвечающий за кислородное дыхание митохондрий, возник в результате небольшого изменения ферментов фотосинтеза. Ведь с точки зрения химии фотосинтез и кислородное дыхание - это одна и та же химическая реакция, только идущая в противоположных направлениях.

Так могли появиться в цианобактериальных "коврах" полезные сожители - микробы, умеющие дышать. Они не только убирали излишек кислорода. Они производили еще и огромное количество энергии - достаточное, чтобы щедро делиться с соседями. Третий компонент сообщества - археобактерии - могли забирать у цианобактерий излишки органики, сбраживать их и тем самым переводить в форму, более удобоваримую для "дышащих" бактерий.

Подобные микробные сообщества и сегодня можно встретить кое-где на Земле. Жизнь бактерий в сообществе протекает на удивление дружно и слаженно. Микробы научились даже обмениваться особыми химическими сигналами, чтобы лучше координировать свои действия. Кроме того, они активно меняются друг с другом генами. Кстати, именно эта их способность так мешает борьбе с инфекционными болезнями: стоит какой-нибудь одной бактерии в результате случайной мутации приобрести ген устойчивости к новому антибиотику, как очень скоро и другие виды бактерий могут приобрести этот ген путем обмена. Все это делает бактериальное сообщество похожим на единый организм.

По-видимому, катастрофические события конца архейской эры заставили микробные сообщества пойти намного дальше по пути интеграции. Клетки разных видов бактерий, давно уже притертые и приспособленные друг к другу, стали объединяться под общей оболочкой. Это было необходимо для максимально слаженной, централизованной регуляции жизненных процессов в условиях суперкризиса.

Сообщество превратилось в организм. Индивидуумы слились воедино, отказавшись от самостоятельности во имя создания новой индивидуальности высшего порядка.

Товарищи бактерии! Готовьтесь! В ближайшее время бактериальные маты по всему миру будет нещадно трясти. Не исключено, что многие бактерии бесславно погибнут. Вы предупреждены.

И ещё. Следите за вот этими крепкими ребятами, которые, сука, таки научились жить "на свои" и по средствам в жестоких условиях крайнего Севера, где есть две зимы: одна с травой, а вторая - с морозом и со снегом по пояс.

Эти непонятные парни явно что-то замышляют.