На основании бесчисленных наблюдений и экспериментов известно, что эволюция основана на естественном отборе, выбирающем из всех разновидностей данного организма те, которые в результате мутаций приобрели некоторые способствующие выживанию свойства. Неизвестно только, откуда берутся эти полезные свойства. Этот вопрос до сих пор не имел достаточно ясного ответа. Я утверждаю, что важнейшими такими свойствами мы обязаны связям между организмами, тому явлению, которое русский исследователь Константин Мережковский когда-то назвал «симбиогенезом». Под симбиогенезом я понимаю включение генетического материала микроорганизмов в наследственные клетки растений или животных. Возникающие в результате новые генетические системы — гибриды бактериальной и растительной, или бактериальной и животной клеток — являются чем-то подлинно новым, принципиально отличающимся от исходных клеток, не содержавших материалы симбионта. Из таких «химер» постепенно складываются все более и более сложные биологические системы. Я не верю, что такие новые системы, новые биологические виды могут возникать на основе одних лишь случайных мутаций».
Симбиоз, говорит далее Линн Маргулис, — это физическое объединение различных организмов, их совместное проживание в одном и том же пространстве и времени. Но истинный симбиоз не имеет ничего общего с банальным его пониманием как «сотрудничества», основанного на одном лишь балансе выгод и затрат. Нельзя уподоблять биологический симбиоз простому взаимовыгодному сотрудничеству людей или компаний. Такой «экономический» подход пригоден только для объяснения и понимания современных симбиотических систем, которые, как правило, представляют собой систему нескольких механически cосуществующих организмов, застрявшую на полпути эволюции и уже не развивающуюся далее.
Истинный симбиоз, говорит Линн Маргулис, состоит в том, что в результате длительного сосуществования он всегда приводил к органическому «слиянию» разнородных организмов в некое новое целое и в этом смысле всегда являлся, по утверждению Маргулис, главным фактором эволюционного обновления.
Этот взгляд на симбиоз может показаться — и многим биологам действительно кажется — крайним. Сама Маргулис пришла к нему на основании нескольких биологических фактов. Маргулис обратила внимание на то, что у простейшего организма Парамеция аурелия существует так называемый ген- «убийца», передача которого по наследству происходит по иным правилам, нежели передача по наследству хромосомных генов. Оказалось, что этот ген содержится не в клеточном ядре Парамеции, а в ее цитоплазме, окружающей это ядро. У простейших уже обнаружено довольно много таких цитоплазменных генов. Не так давно два американских исследователя, Давид Лак и Джон Холл, заявили, что нашли их даже в клетках довольно сложных водорослей. Все эти факты побудили некоторых ученых выдвинуть осторожные догадки, согласно которым эти внеядерные гены являются остаточным генетическим материалом каких-то вирусов или бактерий, случайно попавших в клетку и «застрявших» в ней. Маргулис отбросила всякую осторожность и выдвинула радикально смелую гипотезу, утверждающую, что все такие «гены» являются в действительности частью отдельных (и весьма древних) живых организмов, по сей день живущих внутри клеток более высокой сложности в симбиотическом сосуществовании с ними.
В 1966 году она написала статью, в которой излагались эти представления. В ней утверждалось, что сложные клетки возникли из более простых путем симбиоза и объединения их вещества и генетического материала, то есть путем симбиогенеза. Статья была отвергнута пятнадцатью научными журналами как «не подходящая для публикации», прежде чем ее принял «Журнал теоретической биологии». Маргулис получила 800 (!) запросов от специалистов- биологов, заинтересовавшихся ее идеями, но на факультете биологии Бостонского университета, где она тогда числилась ассистенткой, ее успех был воспринят весьма нервно. Десять лет спустя, когда у нее накопилось так много нового материала, что статья разрослась в книгу, она предложила рукопись в издательство «Академик пресс» и столкнулась с очередным отказом. Потребовалось еще четыре года, прежде чем книгу («Происхождение эукариотных клеток») решились опубликовать в издательстве Йельского университета. В последующие годы она выдержала еще три издания и сегодня считается классическим текстом. Прошло тридцать с лишним лет, но гипотеза симбиогенеза, выдвинутая и развитая Линн Маргулис, получила если не всеобщее, то во всяком случае весьма широкое признание.
Открытия, подтверждающие теорию Геи
В основном это произошло благодаря новым открытиям, подтвердившим ее правоту. Прежде всего, здесь надо отметить исследования так называемых хлоропластов в растительных клетках и митохондрий — в клетках животных. Эти внехромосомные гены тоже передаются от клетки к ее потомкам по особым правилам, которые во многом отличаются от правил передачи ядерных, или хромосомных генов. Так, гены митохондрий в сложных организмах (например, у человека) передаются лишь по материнской линии. (И именно поэтому общий предок современных людей, обнаруженный благодаря сходству их митохондриальных генов, получил название «митохондриальной Евы».)
Главная особенность этих двух органелл, если не считать наличия у них собственных генов, состоит в том, что они выполняют важнейшие для жизнедеятельности клетки функции. Хлоропласты с их хлорофиллом осуществляют процесс фотосинтеза, столь характерный для растительных клеток и снабжающий их органическими материалами для роста. Митохондрии, имеющие в своих мембранах молекулы ферменты АТФ-синтеза, осуществляют процесс создания молекул АТФ, которые являются аккумуляторами химической энергии для клетки в целом, позволяя ей, в частности, двигаться в поисках пищи намного энергичнее, чем способны двигаться простейшие, лишенные митохондрий.
Эти особенности убедительно говорят о том, что эукариотные клетки в целом имеют как минимум две генетические родословные, ведут начало по меньшей мере от двух родителей. Миллиарды лет назад эти органеллы были отдельными живыми простейшими организмами. Затем на каком-то этапе эволюции они соединили свою судьбу с судьбой каких-то других таких же простейших клеток, вступив с ними в тесный симбиоз, и в результате миллионолетий такого симбиоза образовали вместе с ними нынешние эукариоты. Не исключено, что даже главная отличительная характеристика этих эукариотов — наличие клеточного ядра с его мембраной, отделяющей это ядро от окружающей цитоплазмы с ее органеллами, — тоже возникло благодаря симбиозу или вследствие него: появление мембраны могло быть эволюционным шагом, предназначенным для защиты «своего» генетического материала от генов «симбионта».
«Почти миллиард лет подряд, — пишет Маргулис, — единственными существующими на Земле формами жизни были так называемые прокариоты — простейшие одноклеточные организмы, вроде бактерий и сине-зеленых водорослей, лишенные ядра. Они и сегодня являются господствующими формами жизни на нашей планете — потому, что их чудовищно много. Однако сами по себе, взятые по отдельности они не очень интересны и не очень сложны. Весь этот первый миллиард лет они просуществовали без изменений. Подлинная эволюция началась с появления эукариотов. И этот решающий шаг эволюции был вызван как раз симбиозом прокариотов различного типа».
Сегодня, благодаря работам Маргулис, мы достаточно знаем, как это произошло. Замечательным доказательством верности всех этих представлений является выявленная недавно структура хлоропластовой мембраны в одном из видов растительных клеток: эта мембрана оказалась не двухслойной, как все обычные клеточные мембраны, а четырехслойной, как и следовало ожидать для двухслойной мембраны бывшей бактерии, окутанной двухслойной же мембраной клетки, некогда «проглотившей» эту бактерию.
Сегодня уже трудно воспроизвести первые этапы этой симбиотической эволюции, но они, несомненно, были исполнены настоящего драматизма. Одни бактерии вторгались в цитоплазму других, неся на своем пути опустошения, болезни и зачастую гибель клеток-хозяев. Сосуществование жертвы и агрессора напоминало на первых порах скорее борьбу не на жизнь, а на смерть. Лишь те немногие организмы, которые по счастливой случайности выжили в ходе этой войны, ухитрились дать начало истинным симбионтам — клеткам-гибридам, внутри которых теперь уже мирно сосуществовали бок о бок уставшие от многомиллионолетних склок бывшие враги.
Симбиогенез, таким образом, на первых своих этапах больше походил на вторжение в любой организм чужеродных патогенов. Он и был таким вторжением, только со сверхблагополучным исходом.
Некоторые биологи убеждены, что в клетках нашего организма дремлют древние вирусы, укрывшиеся там от бурь и перипетий предшествующей борьбы с этими же клетками. Может быть, генетический материал таких вирусов стал частью наших ДНК. Может быть, поразительная способность так называемых ретровирусов (вроде вируса СПИДа) встраивать свои гены в наши ДНК — это остаток некогда существовавшего и нарушенного симбиоза.
«Негативный симбиоз» с патогенами знает и не такие чудеса. С начала девяностых годов, когда стала развиваться техника микровидеосъемки процессов взаимодействия клеток с вторгшимися в них микробами и бактериями, многие детали этих процессов стали воочию зримыми, и эти детали вынудили специалистов прийти к выводу, что «для танго требуются двое», или, как сформулировала это на профессиональном языке доктор Джулия Теорио из Института биомедицинских исследований в Кембридже, «практически во всех случаях такого инфекционного вторжения ущерб, причиняемый им организму, является в определенной мере также и «виной» самого организма: ущерб вызывает не только сам патоген, но и спровоцированная им ошибочная реакция клетки на его вторжение».
Сегодня можно различить несколько уровней такой «невольной», если угодно — симбиотической, «помощи», которую клетка оказывает агрессору. На самом простом уровне это демонстрируют, например, стафилококки. Некоторые их виды выделяются под полезные для клетки вещества, и она «распахивает» перед ними свои рецепторы. В более изощренных случаях такого «негативного симбиоза» на рецепторы «усаживается» сам патоген — так поступает холерный вибрион, используя эту удобную позицию, чтобы выделить в клетку свои токсины. В еще более коварных случаях «сотрудничества» происходят подлинные чудеса симбиоза. Простейшая кишечная палочка, эшерихия коли, вызывающая уже упомянутую диарею (иногда даже смертельную), демонстрирует одно из таких чудес. Сначала она обманом понуждает клетку кишечника сбросить наружные волосинки, чтобы бактерии было легче усесться на ее поверхность.
А после этого она провоцирует ту же несчастную создать для нее выпячивание в мембране, своего рода «пьедестал», находясь на котором бактерия оказывается недоступной для клеточных средств защиты.
Однако наивысшую степень интимной близости демонстрируют, конечно, те патогены, которые проникают внутрь клетки. Оказывается, это умеет не только пресловутый вирус СПИДа. Такой способностью наделены очень многие обычные бактерии-патогены. Они реализуют ее посредством посылки особого химического сигнала о своем присутствии, который играет роль своеобразного троянского коня — в ответ на этот сигнал клетка выпячивает свою мембрану в сторону приблизившейся бактерии, обволакивает ее и втягивает в себя. Оказавшись внутри клетки, бактерия тотчас секретирует свои ферменты, которые продырявливают клеточную мембрану и позволяют бактерии войти в цитоплазму, где она зачастую становится постоянным «гостем», образовав вокруг себя защитную вакуоль. Во многих случаях такие бактерии используют эту вакуоль как средство перехода к новому этапу инфекции. Они начинают напрямую переходить из клетки в клетку, минуя таким образом защитные системы организма.
Может быть, те далекие начальные этапы древнего симбиогенеза, которые привели в конечном счете к возникновению первых эукариотов, тоже выглядели изнурительными битвами, в которых противники-симбионты прибегали к таким изощренным военным хитростям, бесконечно меняя свою стратегию и пользуясь невольными услугами друг друга. Кто знает… Можно лишь сказать, что невидимые чудеса симбиоза, как плодотворного, так и негативного, поистине окружают нас со всех сторон и составляют одну из непременных основ жизни — а возможно, какую-то универсальную суть. Как сказал тот же Льюис Томас, с рассказа которого о миксотрихе я начал эту статью, «быть может, поняв эту суть, эту подстилающую жизнь тенденцию к объединению и кооперации клеток, которая в конечном счете породила розы, дельфинов и нас самих, мы поняли бы, что та же самая тенденция побуждает организмы объединяться в коллективы, коллективы организмов — в экологические системы, а все эти системы — в единую биосферу. И тогда все наши защитные иммунные реакции и рефлекторные ответы на агрессию «чужого» оказались бы лишь средствами регулировки и модуляции этого великого и всеобщего процесса симбиоза, предназначенными не для полного его прекращения, а только для того, чтобы он не вышел из-под контроля».
Развивая эту точку зрения, мы рано или поздно придем к той величественной картине биосферы, которая некогда воодушевляла Вернадского, а сегодня кульминировала в так называемой гипотезе Геи, развиваемой Джеймсом Лавлоком, который утверждает, что симбиоз (понятый в самом широком смысле — как самоорганизация на основе кооперации и взаимодействия) существует не только на уровне телесных клеток и бактерий, но и на уровне таких сложных систем, как атмосфера, почва и даже наша Земля в целом. Гипотеза Геи говорит, что даже такие планетарные параметры, как, например, температура и химический состав атмосферы, являются результатом совместной деятельности всех живых организмов планеты. Лавлок, в сущности, утверждает, что вся Земля представляет собой единый огромный организм. Точнее было бы называть ее единой экологической системой, которая состоит из огромного числа симбиотически взаимодействующих меньших экосистем и благодаря этому способна в большой мере сама «залечивать» свои раны и регулировать свои отклонения от равновесия.
Древние греки называли Геей богиню Земли. Гипотеза Геи, будь она верна, была бы высшим, предельным чудом симбиоза — разве что вслед за американским астрономом Лео Смолиным признать «живой» всю Вселенную. Эта гипотеза обсуждается очень широко, но принимается очень немногими. Льюис Томас и Линн Маргулис принадлежат к этому воодушевленному грандиозным видением меньшинству.
Список литературы Вернадский В.И. “Научная мысль как планетное явление”, М. – 1989г. Вернадский В.И. “Начало и вечность жизни”, М.– 1989г. 1. Жизнь и Земля составляют единый сверхорганизм http://kokshetau.online.kz/ ot/black.htm Четыре измерения глубинной экологии. http://baltchild.org.ru/rus/mater/ dpecol.htm
Страницы: 1, 2
