Текст книги "Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя?"

Первые молекулы информации, РНК, постоянно попадали под ультрафиолетовое излучение Солнца, и среди них происходил естественный отбор по способности противостоять этому разрушительному влиянию света. Чем вы больше и крепче, чем меньше у вас проблем с хиральностью (это когда ваша молекула имеет зеркального брата), чем сложнее ваша структура, тем больше у вас шансов выжить. Осталась последняя маленькая проблема – научиться копировать самих себя и ускорять это копирование, с чем, судя по всему, крохотные молекулы справились. Начинается мир РНК.

Сперва поясню, что такое РНК и зачем она нужна. Представьте, что живая клетка – это крупный промышленный завод. Завод обязательно должен располагаться на определенной ограниченной территории. У клетки тоже есть такое ограничение, своеобразный забор – мембрана. Мембрана может быть окружена разными слоями в зависимости от того, насколько прочный и высокий забор вашему заводу нужен, но в любом случае мембрана есть. Внутри клетки имеются многочисленные структуры, ответственные за определенные функции. Если мы говорим о клетке с ядром, то есть об эукариоте (например, о нас с вами), то у нее есть различные органеллы. Митохондрия словно электростанция обеспечивает нашу клетку энергией, лизосомы похожи на столовые, эндоплазматический ретикулум работает как сборочный конвейер для товаров, аппарат Гольджи схож с цехом упаковки. Центром управления заводом будет ядро – там хранится вся информация о работе всего сложного сооружения.

Рабочие руки на нашем импровизированном заводе – белки. Белки ускоряют реакции и делают это благодаря своей форме, своей структуре. Представьте, что на завод попадает новая партия сырья и срочно нужны новые руки для разгребания неожиданно свалившегося счастья. Клетка не может дать объявление о найме новых работников, она должна все делать сама, и для этого у нее есть специалисты – рибосомы. Рибосома готова сделать нового работника, лишь бы у нее была информация о нем: сколько рук, ног, насколько он пузатый и какого цвета кепка на его голове. Представим, что бригадир-рибосома отправляет запрос в командный центр, мол, срочно дайте инструкцию для изготовления новых работников. Боссы в ядре вам так просто информацию не дадут. Информация хранится в виде ДНК – устойчивой сложной структуры, и чаще всего – в единственном числе. Оригинал инструкции о новом работнике вы бригадиру не дадите, мало ли что он с ним сделает: потеряет, порвет, испачкает, пропьет, в конце концов. Нельзя, не положено. Зато можно сделать недолговечную копию на дешевой бумаге – в нашем случае это будет молекула РНК – и послать нетерпеливой рибосоме. РНК через какое-то время сама разрушится или ей в этом помогут, ее не жалко. Рибосома захватит ее, считает информацию, сделает новые белки, сырье будет переработано, а драгоценная ДНК останется в безопасности. Фишка в том, что молекула РНК может быть не только информацией – она сама может стать и бригадиром, и работником. Такие молекулы называются «рибозимы» – РНК, обладающие ферментативной активностью. Мало того, что они могут выполнять простые функции вместо белков, они еще и способны копировать сами себя. То есть и хранить информацию, и ускорять собственный же синтез.

С рибозимами интересно ставить занимательные эксперименты. Если вы возьмете пробирку с рибозимами, обладающими способностью к самокопированию, и будете потихоньку добавлять ядовитое для них вещество (бромистый этидий), то они начнут к нему адаптироваться. Все молекулы чуть-чуть разные, копирование часто происходит с ошибками, и в этой неидеальности копирования скрыта сила всей нам известной жизни – сила изменчивости. В нашем эксперименте молекулы начнут пытаться копировать сами себя, при этом им мешает яд, но есть некоторые из них, кому этот яд мешает чуть меньше. Это происходит из-за того, что во время рождения они словили мутацию, чуть-чуть изменившую их структуру. Пока все делятся медленно, они делятся быстрее и быстрее заполняют свободное пространство. Перенесем небольшой объем среды пробирки из первой пробирки в новую, со свежей средой. Опять добавим немного бромистого этидия и понаблюдаем. Цикл приспособленности пойдет на новый виток, и так можно делать до посинения, пока у вас не останутся абсолютно устойчивые к яду молекулы. Они эволюционировали.

Если вы упростите эксперимент, уберете яд и просто будете наблюдать, как молекулы борются за выживание, вы поразитесь. Исследователи из Института Скриппса в Калифорнии смоделировали цикличные условия, где есть ограниченные ресурсы для построения молекул, они постепенно расходуются, а затем новые ресурсы появляются извне для поддержания гонки вооружений, и оставили молекулы сражаться на три дня. За трое суток некоторые молекулы смогли словить 11 мутаций, которые повысили их каталитическую активность в 90 раз! В 90 раз они ускорили собственный рост, пытаясь выжить в этом мире и как можно быстрее заполнить пространство вокруг. На ранних этапах жизни, возможно, происходили именно эти события. В циклических условиях, где периодически заканчивались ресурсы и затем появлялись вновь, где главенствуют суровые законы «размножайся или исчезнешь», где были компоненты для построения собственной молекулы – первые РНК начали процесс эволюции, длящийся до сих пор. Со временем они отдали заботу о хранении информации более стабильной молекуле ДНК, заботу об ускорении реакций белкам, а сами остались посредником между двумя этими процессами. Пористые породы, возможно, подарили им первый уютный домик и помогли облачиться в жировую мембрану. Так началась эра живой планеты.

Эти далекие процессы наводят на интересные мысли, отлично сформулированные профессором Ричардом Докинзом в его бестселлере «Эгоистичный ген». Жизнь на нашей планете, судя по всему, зародилась единожды. Все существа в мире, которых мы до сих пор открывали, – все они функционируют благодаря молекуле информации, ДНК (кроме РНК-содержащих вирусов, но вирусы юридически не живые). Собственно, любой живой организм – это проявление ДНК в этом мире. Вы родились человеком, потому что внутри вас есть гены человека, несущие информацию о вашей структуре и функциях. Кошечке повезло родиться с генами кошечек, а рыбке – с генами рыбок. В каждой клетке есть информация о том, кто она такая и что ей нужно делать. По сути, вся жизнь есть форма существования тех самых первых молекул РНК, а затем и ДНК, боровшихся за место под солнцем. Вся жизнь едина в своем проявлении, все связаны родственными узами с той самой первой реплицирующейся молекулой. У жизни как таковой нет цели и смысла, просто так устроено наше мироздание, что остаются в истории те, кто может приспособиться и дать продолжение. У той молекулы не было никакого смысла делиться, она не обладала разумом или чем-то в этом роде, нет, просто так получилось. У нее не имелось целей, она просто могла копировать себя, это было ее свойство, так же как плюс обладает свойством притягивать минус. Теперь наша планета пропитана жизнью, жизнь вросла в нее неискоренимо. Где бы вы ни оказались, вы везде найдете отголоски того самого первого процесса, начавшегося где-то в теплом местечке около 4 млрд лет назад. Коснитесь дерева, котика, бабочки, кого угодно и почувствуйте, что вы связаны единым давним процессом развития и изменения. Не стоит думать, что мы являемся вершиной природы, нет, мы лишь одно из бесчисленных проявлений тех самых генов, прятавшихся от солнечного ультрафиолета в порах горных пород. Ощутите радость, что вам удалось поучаствовать в столь древнем и прекрасном процессе и, более того, быть способным осознавать его. Пусть это знание помогает вам во времена тоски и одиночества. Вы никому ничего не должны, в вашем появлении на этот свет не было глобального смысла, так же, как не будет глобальных потрясений, когда вы покинете его. Вам просто выпал шанс родиться в теле существа, способного не только искать пропитание для поддержания своих генов, а еще размножаться для копирования тех самых генов – способного на большее. Пусть это смысла не имеет, но вы способны любить, творить, познавать – наш мир прекрасен, и возможности вашего проявления в нем настолько многообразны, насколько это допустимо, тем более по сравнению с другими обитателями планеты. И всегда помните, что мы – часть целого в абсолютно физическом понимании этого выражения. Пусть это знание согревает вас в трудные минуты.

От первых организмов мало что осталось, и это неудивительно – все-таки мы говорим о мельчайших созданиях, живших 4 млрд лет назад. Возможно, изначальным источником энергии для своей жизнедеятельности они выбрали химические реакции с минералами, но достаточно быстро осознали, что гигантский источник энергии висит прямо над головой – Солнце. Вероятно, фотосинтез придумали археи (похожие на бактерии организмы с отличной от них биохимией), причем фотосинтез бесхлорофильный. При нем не происходит фиксации углекислого газа из атмосферы, зато можно консервировать солнечную энергию в виде энергии химических связей молекул АТФ (аденозинтрифосфат, молекула-батарейка). Затем появились зеленые, пурпурные бактерии и другие группы бактерий, способные осуществлять аноксигенный фотосинтез – без выделения кислорода. Самыми продуктивными с точки зрения получения энергии от солнца стали цианобактерии, способные использовать привычный нам оксигенный фотосинтез. Они размножались, поглощая солнечный свет и переводя его в компоненты собственных клеток, и образовывали так называемые цианобактериальные маты.

Цианобактериальные маты – образования, представляющие собой сложные слоистые конструкции, в которых каждый слой отвечает за свои функции. Верхний слой фотосинтезирует, находится в кислородной среде, копит энергию и активно делится. Промежуточные слои также пытаются поймать немного света, что остался после верхнего слоя, а еще перерабатывают отмирающую органику верхних отделов. Промежуточный слой постоянно адаптируется: днем он находится в кислородной среде, солнечный свет позволяет фотосинтезировать и выделять кислород, ночью же наступает бескислородное время, и пора переключаться на альтернативные источники энергии. Нижний слой всегда находится в бескислородной среде и перерабатывает то, что на него сыплется сверху. По мере роста цианобактериального мата он прессуется под собственным весом и постепенно минерализуется, навеки оставляя после себя скелет – строматолит. Самые древние на сегодня известные строматолиты имеют возраст в 3,7–3,8 млрд лет. Сейчас невозможно точно сказать, когда именно появилась жизнь: 3,8 или 4 млрд лет назад, а может, и все 4,4 млрд лет назад, то есть через 150 млн лет после рождения планеты, но одно мы знаем точно: от рождения планеты прошло совсем немного времени, а на ней уже начала бурлить жизнь. В любом случае менее 1 млрд лет понадобилось заурядному каменному шарику, вращающемуся вокруг заурядной звезды, чтобы создать жизнь на своей поверхности.

Интересно, много ли таких случаев было во Вселенной? Лично я считаю, что где-то там есть жизнь, и даже не одна. Неизвестно, построена ли она на углероде, или же это экзотические вариации кремния, а может, еще есть принципы, до которых мы пока не додумались, но, как только увидим, сразу ударим ладонью по лбу и скажем: «Ну конечно!» Вселенная настолько большая, что категорично заявлять: жизнь есть только на нашей крохотной планетке – эгоцентрично. Если вы выйдете из дома в безлунную ночь, на небе не будет ни облачка, вам не станет мешать свет близлежащих городов. Более того, если вы будете стоять на вершине горы и смотреть на небо, то увидите около 3 тыс. звезд. Если вас спросит ребенок, сколько звезд на небе, не надо говорить глупости вроде «несчетное количество». Это количество вполне подсчитываемо. Находясь в городе, на небе вы увидите не более 200 звезд из-за светового загрязнения. Все звезды, видимые невооруженным глазом, находятся от нас на расстоянии не более 17 тыс. световых лет. Диаметр галактики Млечный Путь, в который мы и находимся, составляет 105 тыс. световых лет. При идеальных условиях посмотрите на звездное небо, и вы увидите не более 1/6 пространства нашей галактики. Тем временем галактик два триллиона, по последним оценкам. Два триллиона! Весь «бескрайний космос звездного неба» – лишь пара тысяч звезд, и то в лучшем случае, обычно мы видим штук 200 и даже этому удивляемся. Я убежден, во Вселенной есть жизнь помимо нашей, и ее много, просто космос настолько велик, что мы не можем ее обнаружить. Пока, разумеется.

Завершаем тему с первой жизнью. Строматолиты – самые древние органические сооружения. Вы можете приехать в Австралию и полюбоваться ими, они выглядят как каменные грибы, торчащие из воды на мелководье. Как же мы поступаем с такими артефактами древности? Вы не поверите, но мы делаем из них блестящие шары. Строматолит – хорошо полируемый материал с необычной слоистой текстурой, поэтому если вы видите в сувенирном или ювелирном магазине красивый блестящий шарик на деревянной подставке – скорее всего, это он. Древние бактерии, давшие нам жизнь, начавшие вырабатывать кислород, которым мы дышим до сих пор, изменившие в итоге облик планеты до неузнаваемости, теперь стоят на наших полках в виде шариков на подставке, потому что мы считаем это прикольным. Без сомнения, мы необычные создания.

Когда идет речь об изменении облика планеты, говорится в прямом смысле. Цианобактерии научились вырабатывать кислород во время своей жизнедеятельности, а кислород – крайне реакционно-активное вещество. Выделяемый из толщ цианобактериальных матов, он начал окислять все вокруг, и в первую очередь минералы. Углекислый газ атмосферы шел на питание цианобактерий, они выделяли кислород, а чем меньше углекислого газа, тем меньше парниковый эффект. Угарный газ окислялся кислородом до углекислого и тоже шел на ужин цианобактериям. Метан также окислялся кислородом до углекислого газа и поглощался цианобактериями. Это приводило к еще большему антипарниковому эффекту. Кислород, накапливаясь в воздухе, поднимался все выше, пока не доходил до стратосферы, где под действием ультрафиолета звезды превращался в озон (O₂ → O₃). Планета была абсолютно не готова к тому, что к возрасту в 2 млрд лет в ее атмосфере накопится более 1 % кислорода и ее облик вновь начнет меняться. Кислород ускоряет выветривание горных пород, приводя к коррозии, и разрушает железосодержащие породы, превращая их в нечто ржаво-красное. Земля сменила свою окраску с темно-серой на ярко-красный цвет ржавчины и, как мы увидим в дальнейшем, большую часть своей истории представляла собой смесь синего океана с красной марсианской коркой. Правда, в отличие от современного Марса на ней было куда больше контрастов: белые облака странствовали в атмосфере, красная почва заканчивалась зелеными и бурыми водорослями на берегах водоемов, в недрах появилась большая часть известных 4500 минералов. Вдохните поглубже, и вы насытите свое тело живительным кислородом, тем самым, что начал копиться 2,5 млрд лет назад. Сядьте на песчаном пляже, и под вами будут сотни тонн кислорода, выделившегося в те далекие времена. Песок под вами представляет собой оксид кремния, SiO₂, и на один атом кремния приходится по два атома кислорода. Наша планета на треть состоит из кислорода, она пропитана кислородом – крайне едким соединением, позволяющим земной фауне активно жить.

Кто бы мог подумать, что, вдыхая каждые несколько секунд воздух, мы обновляем свое тело газом, выделенным теми созданиями, кто в итоге стал блестящим полированным шариком, стоящим у кого-то на полке в гостиной. Организмам пришлось приспособиться к такому количеству кислорода. Теперь в большинстве клеток работают многочисленные ферменты, направленные на уничтожение лишнего опасного кислорода и его разнообразных активных форм. Популярные сегодня антиоксиданты работают как раз на нейтрализацию подобных соединений. Некоторые организмы решили не делать такую защиту и остались там, где кислороду нет места: в глубинах океана, толще ила, на дне болот, в кипящих гейзерах. Для них свободный кислород смертельно опасен, и называются они анаэробы, то есть бескислородные. А тем временем планета вступает в свой самый долгий период, протерозой, и занимается она этим, когда крохотные бактерии, решившие не прятаться от кислорода, делают свой первый вдох.

Снежный шар

На отметке в 2,4 млрд лет назад произошла кислородная катастрофа. До сих пор всеми любимый кислород окислял все подряд и уносил с собой в виде осадка большинство химических соединений. Железо в океане почти 1,5 млрд лет поглощало большую часть кислорода, оседая в виде форм оксида железа, а именно магнетита (FeO•Fe₂O₃) и гематита (Fe₂O₃). Когда железо полностью осело, кислород начал копиться в атмосфере и проявлять свои агрессивные свойства. До сих пор существовавшая жизнь была на развилке трех дорог: приспособиться к кислороду, сбежать от него либо безвестно погибнуть. В любом случае туго пришлось всем, так как температура на планете начала стремительно снижаться, несмотря на все более активное Солнце. Набирает силу антипарниковый эффект, что приводит к крайне необычному явлению – снегопаду. Приходит Гуронское оледенение.

Согласно современным данным, протерозой начался с массового похолодания. Гуронским это оледенение назвали в честь озера Гурон в южной части Канады, где обнажившиеся горные породы раскрывают события тех морозных времен. Пласты породы, насыщенные гематитом, пришли на смену осадочным толщам пирита (FeS₂), копившимся в условиях бескислородной среды, а между этими пластами залегает слой ледниковых отложений. Похолодание длилось около 300 млн лет, затем планета немного оттаяла. Подобные похолодания и потепления будут еще не раз, но в конце протерозоя планета вновь вернется в статус гигантской морозилки. Об «Антарктиде» на территории всей планеты мы поговорим в конце этой главы.

Жизнь тем временем не спит и продолжает развиваться. Появляются первые эукариоты, то есть существа, состоящие из клеток с ядром. У прокариотов, доядерных, генетический материал находится в бульоне цитоплазмы чаще всего в виде кольца. Это кольцо называется нуклеоид и представляет собой одну бактериальную хромосому. Это выгодно, когда вы боретесь за максимально быстрое размножение. Кишечная палочка (Escherichia coli), всем известный обитатель человеческого тела и тел других млекопитающих, способна делиться при оптимальных условиях каждые 20 минут. При каждом делении она удваивает свою численность, и нетрудно подсчитать, что, если бы ей никто не мешал, за несколько суток она покрыла бы земной шар многометровым слоем. Однако способности ее адаптации небезграничны, поэтому ей приходится довольствовать тем местом, куда ее определила судьба, то есть кишечником. Остается один нюанс: каким образом она может делиться раз в 20 минут, когда ее генетический аппарат рассчитан на деление раз в 40 минут? Просто физически прочитать и скопировать свой генетический код ее клетка может только за 40 минут, не меньше, но при этом она резво и бодро делится за 20. Чудо состоит в следующем: во время копирования кольца ДНК клетка начинает создавать еще одну копию… с только-только проклюнувшейся копии. Когда скопированное кольцо отделится от «материнского», оно само уже наполовину станет матрицей для копирования следующего. В итоге клетка разгоняет свою копировальную машину настолько, что вдвое превышает физический предел нормального деления. Хочешь жить – умей вертеться, а в данном случае – умело пользуйся встроенным в тебя принтером.

Как именно появились первые эукариоты, а точнее – как они стали обладателем ядра, не совсем понятно. Но в чем специалисты сейчас уверены, так это в том, что первые ядерные организмы тесно сотрудничали с доядерными. Дышащие бактерии взаимодействовали с эукариотами и образовывали симбиотические связи. Похожие отношения между бактериями сейчас можно наблюдать, например, в кишечнике мучнистых червецов. Вы даже могли с ними встречаться: эти насекомые любят покрывать некрасивым белым налетом драгоценные комнатные растения. В клетках кишечника червецов живет бактерия, в которой, как в матрешке, живет другая, еще более мелкая бактерия. Получается тройная матрешка. Червецы получают необходимые для жизни и роста аминокислоты из этих бактерий, снабжая их соком растений. Они работают как своеобразный конвейер: одна бактерия начинает цепочку синтеза, другая ее заканчивает. Соответственно, поодиночке они не в силах справиться с суммарной задачей – только вместе. Исследователи не могут даже с уверенностью заявить, что эта бактерия представляет собой «живой организм», настолько она непохожа на всех остальных. Скорее всего, она уже стала переходной формой между бактерией и органеллой, помогающей клетке-хозяйке выполнять свои функции. Геном этой странной бактериальной органеллы вмещает в себя лишь 121 ген, это минимальный на сегодня известный бактериальный геном. Правда, поскольку она такая странная, ее в расчет не берут и присуждают первенство искусственно созданной бактерии Mycoplasma laboratorium с ее 473 генами.

История этой микоплазмы крайне необычна. Двадцати ученым из лаборатории синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера была поставлена задача найти бактерию с минимальным геномом. Ее нашли, ею оказалась бактерия Mycoplasma genitalium, внутриклеточный паразит, вызывающий различные заболевания мочеполовых путей и дыхательного тракта. За мочеполовую систему она и получила свое название. Чем более специализированным паразитом вы являетесь, тем меньше вам нужно счастья для жизни, а именно собственных усилий. Питательные вещества плавают вокруг вас – кушай и радуйся. Mycoplasma genitalium содержит в своем геноме лишь 525 генов, и ей этого достаточно. Для сравнения, средний геном кишечной палочки, Escherichia coli, содержит порядка 5 тыс. генов. Исследовательская мысль неостановима, поэтому возник новый вопрос: а как много генов можно у нее удалить, чтобы она осталась живой? Ученые начали удалять по одному гену и следить за бактерией. Оказалось, что в ее геноме лишь 382 гена являются критически необходимыми, то есть удаление любого из них приводит к остановке жизнедеятельности клетки. Довести бактерию до столь маленького генома оказалось нереально, поскольку многие гены работают в связке друг с другом, и минимальный геном, которого удалось добиться, составил 473 гена. Созданную бактерию назвали Mycoplasma laboratorium, поскольку ее жизнь очень сильно зависела от тепличных лабораторных условий.

Появился последний, самый важный вопрос: можно ли синтезировать бактериальный геном искусственно, на машине, а затем вставить в бактерию-пустышку? Будет ли она работать? Оказалось, можно. Хромосому из 473 генов синтезировали в специальном аппарате, удалили из ничего не подозревающей бактерии ее собственный геном и вставили новый. Она оказалась вполне жизнеспособной и получила в дальнейшем прозвище Синтия, или искусственная бактерия. В дальнейшем ее предполагалось использовать как модельный организм для создания новых бактерий, способных очищать нефтяные разливы, поглощать излишки углекислого газа из атмосферы, делать водород и биотопливо и еще кучу разных вещей. Многие считают, что самая изученная бактерия, E. coli, может лучше справиться с такой задачей, но тут уже дело вкуса и времени. Вроде бы отличное исследование, у нас есть теперь «искусственная» бактерия в пробирке, хотя искусственного в ней только ДНК, можно порадоваться, но не тут-то было.

Мы живем в век невежества. Невежество принимает разные формы, мы поговорим еще об этом, но с Синтией невежество приобрело какие-то невообразимые масштабы. Если вы сейчас наберете «Синтия» в поисковой строке, то Интернет выдаст вам примерно такие заголовки: «Бактерия-убийца угрожает пляжам Средиземноморья и США», «Чума в Мексиканском заливе», «Бактерия по имени Смерть съедает всех» и тому подобные. Журналисты, движимые легкой сенсацией, буквально из воздуха сотворили грандиозную новость, что бактерия-Франкенштейн, созданная в результате мерзких опытов, вместо нефти начала грызть рыбу и людей. Куча фотографий, рассказов очевидцев, как на их теле буквально за сутки не оставалось ни одного здорового места, как бактерия пожирает всех и вся. И люди в это верят, не сделав ни малейшего усилия проверить эту информацию. Даже не то что проверить, а просто задать один простой вопрос: «Вы что, серьезно?» Как бактерия, представляющая собой до сих пор внутриклеточного паразита, способна грызть нефть? Способы существования клетки для этих двух функций настолько различны, насколько это вообще возможно. Как бактерия с самым маленьким геномом может выживать в агрессивной морской воде? Она даже называется «лабораториум», она и так еле дышит в пробирке, а журналисты ее записали в главные угрозы года. Но людей это не волнует, при рассказах о синтетической бактерии полет фантазии уже не остановить, и получаются вот такие заголовки. Если вы видите где-то что-то подобное, задайте себе вопрос: «Вы что, серьезно?» И скорее всего, первая же ссылка на нормальный научный ресурс расставит все точки над i.

Вернемся в прошлое. Первые эукариоты, скорее всего, использовали помощников для собственных нужд. Со временем бактерии (вероятно, родственники современных риккетсий), помогавшие первым ядерным клеткам справляться с кислородом, переселились внутрь клетки, утратили многие сложные структуры, поделились собственным генетическим аппаратом с клеткой-хозяином и стали митохондриями. Митохондрии – «легкие» клетки. Они имеют две мембраны, причем внешняя имеет сходство с вакуольной мембраной, а внутренняя – бактериального типа. Их ДНК замкнута в кольцо, размножаются они бинарным делением, имеют собственные рибосомы бактериального типа. В каждой клеточке вашего тела есть древние порабощенные бактерии, позволяющие вам жить. Впрочем, скорее это взаимовыгодное сотрудничество, все зависит от того, с какой стороны посмотреть. Митохондрии без клеток уже существовать не могут, как и клетки без них. Однако не всем в современном мире нужны митохондрии, кто-то довольствуется другими подрядчиками. Симбионты термитов, одноклеточные эукариоты Mixotricha paradoxa, мало того что прикрепляют к своим клеточным стенкам четверть миллиона бактерий и двигаются благодаря им, словно шевеля ресничками, так еще и потеряли в ходе своей эволюции нормальные митохондрии. Вместо них в их клетках работают аэробные бактерии, заменяющие эти органеллы. Так же поступают и некоторые амебы.

Теперь представьте, что вы ученый. В вашей голове засела странная мысль: «Можно ли искусственно заставить два микроорганизма работать друг на друга? Повторить то, что случилось миллиарды лет назад?» Такие эксперименты были поставлены в 2018 году. Исследователи из Института Скриппса в Америке выбрали для этих целей одни из самых изученных организмов на свете: пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) и кишечную палочку (Escherichia coli). Никто по доброй воле просто так не работает, поэтому сперва нужно было провести ряд модификаций. Во-первых, бактерию лишили самодостаточности. Кишечная палочка – живучий микроб, и, чтобы для нее сотрудничество стало выгодным, нужно что-то у нее отнять и предложить вернуть это что-то за работу. В данном эксперименте ее сделали ауксотрофом по тиамину (витамину B₁), необходимому для углеводного обмена. Термин «ауксотроф» означает, что организм не способен производить какое-либо вещество самостоятельно, и оно ему необходимо во внешней среде. Тиамин же вырабатывается клетками дрожжей. Удаляя из бактериальной хромосомы гены, ответственные за синтез собственного тиамина, исследователи также вставили в это место гены, производящие зеленый флуоресцентный белок, а еще белки, помогающие бактерии справляться с антибиотиком канамицином. Получились зависимые от тиамина бактерии, которых легко отделить от остальных, добавив в среду антибиотик (выживут только ваши, устойчивые), а также можно отследить в специальный микроскоп – они светятся. Очень удобно.

Во-вторых – сделали кишечную палочку полезной для того, в ком она будет жить. Для этого в нее вставили специальные гены, способные забирать разряженные молекулы энергии у хозяина (АДФ, аденозиндифосфат) и отдавать заряженные (АТФ, аденозинтрифосфат). Клетка бактерии, таким образом, превращается в зарядную станцию. В-третьих, ученые сделали клетки дрожжей зависимыми от бактерии. Для этого у дрожжей удалили один из ключевых митохондриальных генов, то есть теперь у них есть митохондрии, но они не работают. Дрожжи перестали вырабатывать собственные молекулы АТФ, и теперь единственным способом получить их остается взаимодействие с бактериями.

В-четвертых, исследователи заблокировали способность клеток дрожжей атаковать проникшие в них бактерии. Изначальный механизм такой: если в клетке эукариота оказывается подозрительный пузырек, к нему обычно устремляется лизосома и спешит этот пузырек переварить как пищу или угрозу. Для защиты собственных органелл от такого воздействия (они тоже подозрительные пузырьки) клетка покрыла их мембраны специальными «белками узнавания» (SNARE-белки). Когда на мембране есть белки SNARE, то эта структура своя, родная. Многие паразитические бактерии, привыкшие жить внутри чужих клеток, также начали вырабатывать такие белки, чтобы «иммунная система» хозяина не могла их распознать. С этой же целью авторы эксперимента добавили кишечной палочке SNARE-подобные белки на мембрану, взяв их у хламидий. Теперь они защищены от случайного или намеренного переваривания дрожжами.

В-пятых, ученые выяснили (хотя это было не обязательно, но интересно с точки зрения исторического процесса), можно ли удалить у кишечной палочки еще гены, ответственные за синтез важных продуктов ее жизнедеятельности, но при этом оставить ее живой, поскольку этими продуктами ее обеспечивает клетка-хозяйка. Оказалось, можно. В итоге удалось добиться симбиоза бактерий и дрожжей, причем такие клетки-химеры жили как минимум 40 поколений. Исследователи сделали так, что дрожжи стали дышать с помощью бактерий. Обычные дрожжи и обычная кишечная палочка. Этот эксперимент красиво показывает, как могли развиваться события в те далекие годы, когда только начинался период эндосимбиоза. Теперь в наших клетках сидят древние дышащие бактерии и дышат для нас последние 1,5 млрд лет. У них осталось лишь 37 генов, всю заботу о своем благополучии они поручили нам, а сами прилежно выполняют возложенные на них обязательства. Удивительно, как природа открывает перед нами все новые способы сотрудничества и взаимопомощи между существами. Хотя тут, напомню, как посмотреть. Возможно, это акт паразитизма, причем непонятно, кто на ком паразитирует. Ядерный организм, который поглотил бактерию и теперь ее эксплуатирует себе на благо, либо бактерия, забирающая у клетки все, что ей необходимо, и сама живущая в уютном защищенном домике. От любви до ненависти и наоборот, как говорится, один шаг. В любом случае сейчас мы не можем друг без друга: клетки без митохондрий и митохондрии без клетки.