Текст книги "Хлопок одной ладонью"

Хлорофилл всасывает энергию прилетевшего к нему фотона и от этого очень возбуждается. Примерно как Супер Марио, глотающий бонусную звезду и временно обретающий сверхспособности. Помните, как атомы и молекулы постоянно занимаются тем, что отбирают друг у друга электроны? Так вот возбужденный фотоном хлорофилл пребывает в таком радостном настроении, что с готовностью отдает электрон окружающим, вкладывая в него ту энергию, которую сообщил ему произведенный на солнце фотон.

Молекулы – существа ветреные, сами не знают, чего хотят. Им все время не сидится со своими электронами, то их мало, то их много. Но стоит всучить молекуле целый лишний электрон или вырвать у нее электрон, от которого она пытается избавиться, как ей тут же становится еще хуже – теперь она хочет этот электрон либо сбагрить, либо добыть соответственно. В случае с возбужденным хлорофиллом потеря электрона мгновенно выводит его из благотворительной эйфории, и возбуждение сменяется жестоким похмельем, при котором хлорофилл готов разорвать клетку на части, лишь бы получить обратно свой потерянный электрон.

Мы вернемся к хлорофиллу и его химической ломке через минуту, но пока давайте посмотрим, что происходит с тем электроном, который он в своем любвеобильном порыве отдал окружающим.

Дело происходит внутри растительной клетки. Как и любая клетка, она имеет клеточную мембрану, отделяющую ее от окружающего мира. Но с внутренней стороны этой главной наружной мембраны в клетке полно более мелких мембранных пузырей, трубочек и цистерн, образующих массу разнообразных полостей и пространств со специализированными функциями. Эти пузыри и полости называются органеллами, то есть мини-органами. К их числу относится хлоропласт – специальная органелла для фотосинтеза. Там и живет хлорофилл.

У хлоропласта две мембраны: наружная и внутренняя. Внутри он заполнен стопками плоских замкнутых цистерн под названием тилакоиды. Именно в их мембрану воткнут хлорофилл. То есть если считать от границы клетки, то это мембрана номер четыре: сначала клеточная мембрана, потом две мембраны хлоропласта и только потом мембрана плоского пузыря-тилакоида.

Что за компания окружает хлорофилл в мембране тилакоида? В основном это мембранные белки, которые с радостью принимают от возбужденного хлорофилла электрон и от этого сами возбуждаются. Но белки гораздо более талантливые молекулы, чем хлорофилл, и их возбуждение можно превратить в полезную работу. От энергии принятого электрона белок корежит и перекручивает, и в конечном итоге он передает эту свою электронную радость другому белку, как эстафетную палочку. Но, пока их крутит, белки проделывают любопытный пируэт: хватают с одной стороны мембраны протон (протон – это просто водород, у которого отняли электрон, такие несчастные обделенные водороды всегда есть в любом водном растворе) и сбрасывают его с другой стороны мембраны. В итоге белки возвращаются к своему исходному состоянию, но пробежавший по ним электрон переносит протон внутрь тилакоида¹¹.

Этот процесс повторяется несколько раз с участием вспомогательных молекул, пасующих друг другу электрон, как мяч. В сумме получается следующее: выбитый светом из хлорофилла электрон прыгает по мембране с белка на белок, возбуждая их по эстафете, и в результате те постепенно накачивают тилакоид протонами. В конечном итоге электрон, запущенный возбужденным хлорофиллом по цепи, теряет энергию и соскакивает с мембраны на специальную молекулу с легендарным названием «никотинамидадениндинуклеотидфосфат» – я был очень горд собой, когда впервые выучил его в десятом классе. Там мы этот отработанный электрон и оставим, присмотревшись вместо него к тому, что происходит с накачиваемым протонами тилакоидом.

Турбина на шарике

Чтобы накачать воздушный шарик, нужно приложить энергию. Что происходит с этой энергией в шарике? Она сохраняется в форме напряжения резины под давлением газа. Если шарик проткнуть, то газ устремится из зоны высокого давления внутри шарика в зону низкого давления снаружи, и энергия напряжения превратится в энергию звука, реактивного движения и всеобщего веселья[7]7
  Строго говоря, конечно, энергия всеобщего веселья происходит из съеденной веселящимися пищи, то есть из фотосинтеза.


[Закрыть].

То же самое происходит с тилакоидом, который накачивают протоны. Сами они туда не полезут по той же причине, по которой шарик не накачивает сам себя. Но если приложить энергию – в данном случае она берется из скачущего по мембране электрона, выбитого из хлорофилла солнцем, – то протоны можно запихнуть в тилакоид против их воли и таким образом создать напряжение. Фактически это способ сконцентрировать энергию света. Тот факт, что в тилакоид накачиваются именно протоны, принципиальной роли не играет: важно, что перепад их концентрации создает напряжение, в котором, как в накачанном шарике, содержится энергия.

То есть в итоге энергия солнца была превращена растением в энергию накачанного протонами тилакоида. Но накачанный тилакоид на бутерброд не намажешь. Чтобы из его сконцентрированной энергии сделать что-то полезное, ее нужно перевести в более удобоваримую форму. Поэтому тут в дело вступает белок поистине волшебных талантов: АТФ-синтаза. Он умеет превращать энергию накачанного тилакоида в энергию химической связи.

С инженерной точки зрения этот процесс – одно из самых впечатляющих и элегантных творений эволюции. Сложно вообразить себе белковую машину с настолько явными функциональными параллелями в человеческой промышленности: АТФ-синтаза – это буквально турбина на тилакоиде. Гидроэлектростанция, в которой поток воды (только в данном случае не воды, а протонов) крутит лопасти генератора, который запасает энергию потока в полезном виде. АТФ-синтаза состоит из модуля, зафиксированного на мембране, – статора – и встроенного в него шестигранного ротора, который, как настоящая турбина, крутится под воздействием струи протонов, выпускаемых из накачанного тилакоида. А кручение ротора, в свою очередь, приводит к тому, что АТФ-синтаза синтезирует АТФ.

АТФ, или аденозинтрифосфат, – специальная молекула, играющая роль энергетической разменной монеты. Растения разменивают на АТФ энергию солнца. Мы точно так же размениваем на АТФ энергию пищи. Превратив энергию в АТФ, клетка в принципе может использовать ее в любых целях, подробнее об этом мы еще поговорим. В фотосинтезе энергия АТФ, полученного усвоением солнечного света, направляется в одно конкретное, крайне энергоемкое русло: превращение углекислого газа в питательные вещества.

Что делают растения в темноте

Эта фаза фотосинтеза называется темновой – свет в ней уже не нужен. Первую скрипку в темновой фазе фотосинтеза играет белок с красивым названием Рубиско (можно, конечно, и «рибулозобисфосфаткарбоксилаза», но это звучит так, как будто трактор не заводится). Учитывая, что колоссальная мировая биомасса фотосинтезирующих организмов набита Рубиско до отказа, этот фермент, по некоторым оценкам, самый распространенный белок в природе или, по крайней мере, на суше¹².

Операция, которую выполняет Рубиско в фотосинтезе, сопоставима по значимости разве что с присоединением аминокислоты к аминокислоте при синтезе белка на рибосоме. Рубиско превращает углекислый газ и воду в углевод, то есть в сахар, – органическую молекулу, состоящую из углеродной цепи с вкраплениями кислорода и водорода. Углекислый газ и вода совершенно не хотят ни во что превращаться, это крайне стабильные молекулы, которым в их текущем виде вполне комфортно. Чтобы заставить углекислый газ превратиться в сложную углеродную цепь, нужно приложить энергию, для этого Рубиско использует АТФ, наработанный хлорофиллом с товарищами. Приложенная энергия при этом запасается в структуре получившегося сахара (это, собственно, и делает его питательным веществом) и в дальнейшем используется для строительства любых других органических веществ.

Строго говоря, Рубиско не просто склеивает кучу CO₂ с кучей H₂O, превращая их в сахар. Он как бы нанизывает эти молекулы на уже имеющийся углевод, так что цепочка из пяти углеродных атомов превращается в цепочку из шести. Главное в том, что углекислый газ, «воздушный углерод», как бы впитывается в живую материю, «органический углерод». Инертная, безжизненная, неорганическая молекула вступает в волшебный мир сложных углеродных цепей, которые легко превращаются друг в друга во всевозможных комбинациях.

Мы, животные, все делаем наоборот: ломаем своими ферментами материю на куски, извлекаем из ее молекул энергию для своих мышц, печеней и мозгов, а сами молекулы для этого рубим на мелкие составные части. Поскольку все живое в основном состоит из воды и длинных углеродных цепочек, главный продукт нашей жизнедеятельности – это, помимо опять-таки воды, вырванный из всех своих цепочек атом углерода: углекислый газ, CO₂, одиночный углерод с двумя присосавшимися кислородами (о том, при чем тут кислород, пойдет речь чуть дальше). Растения, как и первые фотосинтетические организмы древнего мира, обладают обратной способностью. Они поглощают углекислый газ, впрыскивают в него энергию и вклеивают обратно в органическую молекулу. Это ставит фермент Рубиско в центр жизни на Земле: он превращает неживое в живое.

КСТАТИ

Все это, впрочем, не значит, что растения исключительно строят, а животные исключительно рушат. Растения, как и животные, запасают энергию в форме питательных веществ и расщепляют их, когда энергию требуется потратить. Правильнее было бы сказать, что растения (а также древние фотосинтетические одноклеточные, о которых идет речь в этой главе) производят собственную еду, а животные эту еду добывают извне. Для обозначения этих разных стратегий существования есть соответствующие термины: автотроф («самоед») и гетеротроф («инакоед»).

Сломать воду

Но вернемся на несколько ступеней назад, к возбужденному солнцем хлорофиллу, который на радостях оторвал от сердца электрон и теперь сильно об этом жалеет. Энергия того электрона превратилась в полезную энерговалюту – АТФ, но хлорофиллу от этого не легче. Он страдает, и, если его не удовлетворить, начнет рушить все вокруг. Хлорофиллу нужно выдать новый электрон. Тут зарыта эволюционная собака, ради которой я, вообще говоря, и затеял все наше путешествие по растительной клетке. Если читатель недоумевает, зачем в книге про происхождение человека нужно копаться в молекулярной биологии фотосинтеза, то обещаю, что скоро в этой густой чаще забрезжит свет.

Источник электрона, которым компенсируются потери несчастного хлорофилла, может быть разным. Изначально, на ранних этапах эволюции, для этих целей использовался, по-видимому, сероводород¹³. Такой вариант фотосинтеза существует среди некоторых бактерий и по сей день, но сегодня это экзотика, а 3 млрд лет назад фотосинтез на сероводороде, как предполагается, был единственным существующим.

Сероводород знаком всем по запаху тухлых яиц, минеральных вод и прочих вонючих природных ветров. Это простая молекула из одного атома серы и двух атомов водорода. При ее разламывании образуется в целом довольная жизнью сера, несчастные, но бессильные протоны (обделенные электронами положительно заряженные водороды) и два электрона, которыми можно возместить убытки двум стенающим хлорофиллам. В итоге всё успокаивается: хлорофилл спит, сера никого не трогает, на протоны всем плевать, АТФ произведен.

Сероводород, таким образом, решает проблему злобного хлорофилла. Но сероводород еще надо где-то найти. Где же его искать? Возможно, в геотермальных источниках, разломах земной коры на берегу водоема, а может, даже в уже хорошо нам знакомых гидротермальных источниках глубоко под водой. И ничего, что там царит кромешная тьма, – есть версия, что изначально в качестве источника энергии в фотосинтезе использовался не свет, а инфракрасное излучение из-под земли^{14, 15}. Так или иначе, сероводород – пусть не самое редкое вещество на земле, но и далеко не самое распространенное. Это накладывает огромные ограничения на фотосинтез как явление.

Но не нужно быть химиком, чтобы увидеть в сероводороде (H₂S) сходство с другой, гораздо более знаменитой и несопоставимо более распространенной молекулой: водой (H₂O). Это точно такая же молекула, только вместо серы в ее состав входит кислород. В ней тоже есть электроны, которые теоретически можно извлечь и выдать хлорофиллу. Преимущество воды перед сероводородом очевидно: ее не надо искать. Вода есть повсюду, как и углекислый газ с солнечным светом. Фотосинтез «на воде» превращается из химии в магию: еду можно производить где угодно, когда угодно и фактически из ничего.

Казалось бы, при таком раскладе в сероводороде смысла нет вообще. Но у воды есть один большой минус: это одна из самых стабильных молекул во Вселенной. Сероводород разваливается от взгляда, сломать же молекулу воды невероятно трудно.

Первые фотосинтезирующие организмы были бактериями и жили около 3 млрд лет назад^{13, 16}. Сегодняшние их потомки называются цианобактериями (синезелеными водорослями). На первых порах этим ранним фотосинтезаторам для фотосинтеза был нужен сероводород или, возможно, какая-то другая расходная молекула, которой неизменно было мало. То, что происходит дальше, на мой взгляд, – это одна из самых великолепных иллюстраций всесилия эволюции. Если существует непреодолимая проблема, у которой есть теоретическое решение, несущее колоссальную выгоду, то рано или поздно проблема будет преодолена.

В данном случае непреодолимая проблема была преодолена при помощи впечатляющей клеточной машины под совсем не впечатляющим названием «фотосистема II» (ее номер никак не связан с биологической ролью). Это до смешного сложный агрегат, состоящий из десятков белков и 99 (и это не шутка!) мелких, но причудливых деталей – кофакторов, включая, например, экзотические кластеры из кальция и марганца¹⁷. Это Большой адронный коллайдер молекулярного мира. Одного взгляда на фотосистему II достаточно, чтобы почувствовать те миллионы лет эволюции, которые должны были уйти на создание чего-то настолько сложного. А это, в свою очередь, показывает, насколько принципиальной и фундаментальной должна быть проблема, которую решает такая машина, чтобы оправдать столь феноменальную настойчивость ее изобретателей.

Фотосистема II – это машина для ломки воды¹⁸.

В результате ее работы из воды изымается все тот же электрон, которым возмещаются потери хлорофиллу. Теперь клетке не нужно постоянно сидеть возле источника сероводорода. Разламывая молекулу воды, клетка избавляется от последнего ограничения, удерживающего ее в гео– или гидротермальном источнике, да и вообще в любом источнике любого ресурса. Фотосистема II означает, что жить можно где угодно, где есть вода, воздух и свет.

Этот новый, «водный» тип фотосинтеза 2.0 – свобода от всех зависимостей. И поначалу он, конечно, завоевал мир. Он дал клеткам возможность жить где угодно, даже вдали от источников подземной энергии или экзотических химикатов. До этого живая материя уходила проводами в земную кору – теперь у нее появилась солнечная батарея, и провода стали не нужны.

Однако любопытно, что свое название новый революционный способ добычи энергии получил не по свободе, которую он дал своим обладателям, и не по воде – источнику этой свободы, а по побочному продукту, который образуется в результате распада водной молекулы. «Фотосинтез 2.0» называется оксигенным, то есть кислородным. Потому что этот побочный продукт, следствие заветного перехода с сероводорода на воду, как и сам фотосинтез, повернул ход истории жизни на Земле.

Дело в том, что кислород – это яд. Если его никак не контролировать, он стремится уничтожить любую биологическую молекулу.

После изобретения оксигенного фотосинтеза сначала в океане, а потом и в атмосфере начинает медленно, но верно расти содержание кислорода. Пока кислорода мало, он нейтрализуется другими атомами, прежде всего железом, растворенным в океане и отложенным на дне¹⁹. Жизнь продолжает множиться и развиваться на фотосинтетических дрожжах миллионы лет. Когда кислорода становится столько, что океан больше не может его поглощать, он начинает отравлять воду и даже просачиваться в атмосферу. В конечном итоге его становится столько, что большинство живых клеток, во всем своем разнообразии расселившихся по мировому океану, не могут продолжать существовать. Выживают только те, кто устойчив к кислороду, – аэробы, то есть «воздушники», к которым относимся и мы.

Этот момент в истории некоторые ученые называют «кислородной катастрофой» или даже «кислородным холокостом», хотя другие сомневаются, был ли вообще «холокост», или же, скорее, постепенное вытеснение «воздушниками» «безвоздушников» – анаэробов, неспособных переносить кислород^{20, 21}. Так или иначе, насыщение океана и атмосферы кислородом принципиально меняет правила существования жизни на планете. Одним из следствий этого изменения правил и станет возникновение нашего домена эукариот.

Красный путь и зеленый путь

Как помнит читатель из первой главы, кислород – это молекулярный Шива, электронно-атомный агрессор, который норовит разорвать большие молекулы на куски с выделением энергии. Так работает горение. Так что «кислородный холокост», если он действительно в каком-то смысле произошел, – даже не метафора, а вполне прямое описание событий, ведь слово «холокост» дословно означает «полное сожжение», то есть ровно то, что кислород делает.

Тот факт, что сегодняшняя атмосфера Земли состоит из кислорода аж на 21 %, – это по космическим стандартам одно из самых неординарных свойств нашей планеты. Кислород просто так не витает над планетами – он всегда находит какой-нибудь другой атом, к которому можно присосаться с отъемом электронов. Чтобы в воздухе был свободный кислород, его нужно постоянно производить в мировых масштабах. То есть с поверхности Земли в ее атмосферу непрерывно бьет фонтан кислорода. С точки зрения человека, заядлого «воздушника», это замечательный фонтан. Но с точки зрения населения планеты 2,5 млрд лет назад, состоявшего из «безвоздушников», это был фонтан токсичных отходов с планетарной энергостанции фотосинтеза.

В бактериально-архейном мире и сейчас есть такие противники кислорода, с чьей точки зрения «кислородный холокост» продолжается до сих пор. Анаэробные микробы прячутся по углам, сидя где-нибудь в песке или в ведре соленых грибов, куда газы извне хуже просачиваются. Но большая часть сегодняшних живых организмов кислорода не боится, потому что умеет дышать.

Красный цвет нашей крови – это цвет гемоглобина, железосодержащего белка, которым забиты красные кровяные клетки. Гемоглобин видно даже сквозь кожу, без него она была бы почти белой. Железо в крови нужно для того, чтобы связывать кислород. Крупные металлы вроде железа обладают особыми свойствами, позволяющими им удерживать другие атомы и молекулы как бы в подвешенном состоянии, – в данном случае в этом силовом поле висит кислород и никого не может укусить, пока его перевозят по организму.

КСТАТИ

Помимо железа, для связывания кислорода хорошо подходит другой металл: медь. Она выполняет функцию железа в крови, или гемолимфе, некоторых беспозвоночных²². Отличается и белок, в который металл встроен, – «медный» вариант называется гемоцианином. Благодаря гемоцианину у моллюсков, например, бывает настоящая голубая кровь. В митохондриях, отвечающих за переработку кислорода, содержатся и медь, и железо.

Когда мы вдыхаем воздух, он насыщает кислородом текущий сквозь легкие гемоглобин. Тот разносит его по телу, где кислород отрывается от своего железного сопровождающего и поглощается клетками. Там его всасывает органелла, столь же красная и столь же железная, как и красные кровяные тельца. Она называется митохондрия.

Митохондрия – это то, чем мы, собственно говоря, дышим. Как ни странно, этот процесс очень похож на фотосинтез, а сама митохондрия очень похожа на хлоропласт. Только цвета разные.

Помните, как в фотосинтезе по мембране скакал электрон, выбитый фотоном из возбужденного хлорофилла, а мембранные белки от этого крутились, вертелись и накачивали тилакоиды протонами? Этот процесс можно представить себе как постепенное скатывание мячика по лестнице, с верхней ступеньки к нижней. Выбитый из хлорофилла электрон прыгает с белка на белок, с верхней энергетической ступеньки на нижнюю, и раздает свою энергию – ту, которую в него вложил хлорофилл, изначально получив ее в виде солнечного фотона. Энергия извлекается из электрона именно благодаря процессу его скатывания по лестнице. Сама эта «лестница», состоящая из последовательности мембранных белков и вспомогательных молекул, называется электрон-транспортной цепью.

Так вот, в дыхании работает ровно тот же принцип и очень похожая электрон-транспортная цепь. Это тоже энергетическая лестница, на которой из электрона выжимают энергию. Только в данном случае электроны берутся не из хлорофилла, а из расщепленных питательных веществ. Эти электроны скачут по мембране митохондрии от белка к белку точно так же, как при фотосинтезе электроны скачут по мембране тилакоида. В результате электроны постепенно отдают свою энергию, которая, как и в фотосинтезе, превращается в энергию «накачанного шарика» – только в фотосинтезе накачиваются протонами тилакоиды, а в дыхании – пространство между двумя мембранами митохондрии. В обоих случаях энергия накачанного шарика раскручивает ротор АТФ-синтазы, чеканящей в митохондриях и хлоропластах универсальную энергетическую валюту: АТФ.

В общем, энергетическая лестница, по которой катится электронный мяч, есть в обоих случаях. Вся разница в том, что в фотосинтезе лестница существует потому, что первая ступенька, образно говоря, находится очень высоко: свет, бьющий в хлорофилл, вкладывает энергию в электрон и как бы «подбрасывает» его вверх. В дыхании же лестница существует благодаря тому, что последняя ступенька расположена очень низко. Электроны питательных веществ как бы скатываются в глубокую энергетическую воронку, внизу которой их ждет главный пожиратель электронов – кислород⁴.

Дыхание – это контролируемое горение. При обычном горении кислород рвет все без разбора и без пощады. В железно– медных объятиях митохондрии он, как лев на цепи, которому выдают мясо по кусочкам. Митохондрия эксплуатирует его деструктивную мощь, чтобы выжать из питательных веществ максимум энергии, разбирая их на электроны и методично сливая их в бездонную глотку кислорода. Тем самым решаются одновременно две проблемы: обезвреживается опасный кислород и добывается куча энергии. Разорванные кислородом цепи углеродных молекул превращаются в воду и углекислый газ, то есть сгорают[8]8
  На самом деле в случае дыхания кислород не контактирует с углеродной цепочкой напрямую. Расщепление питательных веществ – многостадийный процесс, и кислород вступает в дело только в самом конце. Но эффективность извлечения энергии из пищи определяется именно жадностью кислорода на этой финальной стадии катаболизма, так что в конечном итоге процесс все равно аналогичен горению. Длинная рука кислорода разрывает в клочья молекулы органики, даже не вступая с ними в контакт.


[Закрыть].

В фотосинтезе АТФ производится из солнечной энергии и расходуется на превращение углекислого газа в еду. При дыхании АТФ производится, наоборот, путем превращения еды в углекислый газ, а расходуется на все остальные полезные клеточные процессы. Растения и дышат, и фотосинтезируют, а животные только дышат.

КСТАТИ

Теоретически растения могли бы обходиться одним фотосинтезом. На самом деле энергетические лестницы фотосинтеза и дыхания совсем не взаимоисключающие вещи. Две лестницы – значит, в два раза больше АТФ. Растения не только фотосинтезируют, но и дышат, не только производят питательные вещества, но и их потребляют. В определенных условиях (например, в темноте) растение может потреблять больше кислорода, чем производить.

АТФ – это молекула, которая не хочет существовать. То есть, чтобы сделать АТФ, в него нужно вложить энергию, а если АТФ распадается, то энергия при этом выделяется. В принципе, то же самое можно сказать про любое сложное органическое вещество: в сахар или в белок, например, тоже нужно вложить энергию, а при их распаде она выделяется. АТФ отличается от обычной органической молекулы с двух точек зрения. Во-первых, у него есть одна конкретная химическая связь (между вторым и третьим фосфатом), в которую вкладывается очень много энергии, и, соответственно, много энергии выделяется, если эта связь распадается. Во-вторых, чтобы извлечь энергию из органической молекулы, эту молекулу нужно уметь разламывать. В клетке есть отдельные ферменты, которые разламывают сахара или белки, но такая возможность доступна далеко не всем. АТФ же – это такая универсальная молекула, которую умеют разламывать тысячи разных ферментов. Поэтому все питательные вещества сначала разламываются клеткой до предела с производством АТФ, и только потом их энергия пускается на полезные нужды в таком стандартизированном виде.

В общем, АТФ – это молекула, специально предназначенная для энергетических платежей, принимаемая во всех клеточных кассах, у которой даже есть специальная, легко разламываемая и богатая энергией связь. Практически любой клеточный процесс, требующий энергии, протекает в тандеме с распадом АТФ. Хотите доставить сигнал с поверхности в ядро? Произвести целлюлозу для клеточной стенки? Пошевелить мышцей? Вставьте АТФ.

КСТАТИ

По своей химической природе АТФ – нуклеотид, причем рибонуклеотид, то есть составная часть РНК (фактически это свободно плавающая буква «А»). Тот факт, что эта универсальная энергетическая валюта имеет родство с предполагаемой «протомолекулой», – очередной аргумент в копилку сторонников гипотезы РНК-мира.

Хлоропласты и митохондрии добывают АТФ двумя разными способами, которые я для себя называю «мощный подъем» и «мощный отъем». Первый основан на хлорофилле, который усваивает солнечную энергию, создавая мощный энергетический подъем. Второй основан на кислороде, чья мощь – в отъеме у питательных веществ всего их энергетического сока. Если хотите, это зеленый путь и красный путь. Покорение света и покорение огня.

Я рассказал про фотосинтез и про дыхание на примере хлоропластов и митохондрий, органелл в клетках растений и людей. У них много общего как внешне, так и функционально: и хлоропласт, и митохондрия имеют две мембраны, производят АТФ на протонной турбине и обзываются во всех учебниках мира «клеточными электростанциями». Можно, правда, смотреть на них и как на противоположности: хлоропласт созидает (наработанный АТФ идет на производство питательных веществ из углекислого газа, и при этом выделяется кислород), а митохондрия разрушает (АТФ нарабатывается разрушением питательных веществ с выработкой углекислого газа, и кислород при этом тратится).

Но самая главная и глубокая параллель митохондрий и хлоропластов даже не в том, чем они занимаются, а в том, что миллиарды лет назад, до «кислородного холокоста», они были не органеллами, а отдельно живущими существами. Бактериями, если точнее. Хлоропласты произошли от цианобактерий, а митохондрии – от альфа-протеобактерий. У них до сих пор есть собственные геномы и собственные хромосомы, замкнутые в кольцо, как у других бактерий. Они до сих пор делятся независимо от клетки-хозяина и распределяются между ее потомством[9]9
  За истекшие миллиарды лет и митохондрии, и хлоропласты сильно интегрировались с клеткой-хозяином, поэтому независимыми их можно считать только условно. Свой геном у них, конечно, есть, но без генетической поддержки из ядерного центра далеко он не уедет. Это как своя конституция в субъекте федерации. Тем не менее, сравнивая этот геном с геномами других бактерий, ученые прослеживают эволюцию митохондрий из свободноживущих организмов в постоянных спутников эукариот.


[Закрыть]. Вдумайтесь: внутри каждой вашей клетки живут древние организмы с собственными геномами, которые за вас дышат^{23, 24}.

Это явление – эндосимбиоз – одна из ключевых вех в человеческой истории. Мы, наконец, вплотную подошли к появлению величественных сооружений, которые представляют собой клетки нашего собственного домена. Но сначала мы отправимся в Асгард, скандинавскую обитель богов.

Замок Локи

С появлением генетического секвенирования в 1970-е гг. биологи бросились секвенировать все живое, что могли найти. Сегодня они секвенируют даже то, что найти не могут. Современные методы позволяют взять пробу земли и вытащить из нее гигабайты генетических последовательностей, а потом сидеть и разбираться, что же вы такое отсеквенировали и кому оно могло принадлежать, – все это называется метагеномика. В итоге получается интересная картина. Есть миллионы видов, о которых мы знаем, но которые никто никогда не видел. Своеобразная генетическая темная материя.

В 2010 г. такую пробу вытащили из гидротермального источника под названием «Замок Локи» между Гренландией и Норвегией²⁵. В ней содержались гены, рассортированные учеными по тысячам видов, в которых целые команды специалистов рылись несколько лет. В 2015 г. шведские биоинформатики из группы Тайса Эттемы обнаружили в бесконечных полотнах четырехбуквенного кода то, что можно сравнить разве что с археоптериксом²⁶.

Эта ископаемая полуптица-полуящер – легендарный символ эволюции, впервые найденная через два года после публикации «Происхождения видов» и воспринятая многими сторонниками Дарвина как окончательная победа его теории. Археоптерикс представляет собой классическую «переходную форму» между двумя современными ветвями эволюции. Так и археи, найденные в генных базах данных из «Замка Локи», представляют собой переходную форму между остальными археями и нами, эукариотами.

Уппсальские ученые назвали этих архей Lokiarchaeota, локиархеи, в честь Замка Локи. Их работа с фанфарами вышла в престижном журнале Nature. Буквально в течение нескольких месяцев американские ученые во главе с Бреттом Бейкером обнародовали открытие еще одной похожей группы, которую они ради смеха назвали Thorarchaeota, торархеи, в честь еще одного скандинавского бога и героя соответствующей киноэпопеи²⁷. Обратной дороги уже не было. С тех пор нашлись еще одинархеи, хеймдалльархеи, и, как вы поняли, останавливать эту вечеринку никто не собирается. Все это царство вместе теперь официально называется Асгард – по мифическому миру, где все эти боги друг с другом тусовались²⁸. К нему относятся и все эукариоты, так что мы с вами тоже можем считать себя асгардцами.

Чем же так отличились локиархеи и их родственники, что их признали генетическим археоптериксом нашего микроскопического прошлого? В них нашлись зачатки генов одного из принципиальных изобретений эукариот – двигающейся мембраны.

О хищниках и жертвах

Это может показаться странным, но бактерия не может съесть другую бактерию. Ей так не изогнуть мембрану.

Чтобы бактерии поесть, она должна всосать питательное вещество в молекулярной форме. Поэтому, если только она не плавает в сахарном растворе, сначала ей нужно что-то растворить, а потом это растворенное вещество впитать сквозь мембранные поры в специальных белках. Этим отчасти объясняется коллективная природа бактерий. Одна бактерия много не переварит, но если их собралось много, то они могут расквасить что угодно. Поэтому бактерии могут друг друга вытеснять, отравлять, блокировать, но не проглатывать целиком.

Наши же клетки владеют искусством глотания в совершенстве. Этот процесс называется фагоцитозом. Например, на бактерию, ненароком попавшую вам в организм, нападает макрофаг, огромная человеческая клетка, которая обволакивает эту бактерию своей мембраной. Та отпочковывается у макрофага изнутри, образуя пузырь, или везикулу, внутри которой – пойманная бактерия. Далее везикула сливается с плавающей по макрофагу лизосомой, специальной органеллой для переваривания, и бактериальная клетка растворяется заживо. Макрофаг впитывает питательные вещества и идет искать других нарушителей.