После прикрепления такая молекула принимается за работу по изменению экспрессии содержащихся в клетке генов. Кворумное восприятие позволяет консорции устанавливать пространственную модель микробиологического метаболизма, которая в дальнейшем повышает эффективность рециркуляции питательных веществ. Однако так же она может изменять и поведение консорции.
Здесь вы можете задать резонный вопрос: разве у микробов есть "поведение"? Ответ утвердительный. У них нет мозга, но имеются сенсорные системы, которые зачастую могут быть весьма сложными. Они могут воспринимать сигналы из окружающей среды и друг от друга, передавать сигнал к рецептору и порождать ответную реакцию. Давайте рассмотрим один пример, который и привел к обнаружению кворумного восприятия.
Кворумное восприятие является примером эмерджентного (внезапно возникающего) свойства в социальных взаимоотношениях микроорганизмов. Оно было случайно открыто в 1979 году двумя друзьями и коллегами – Кеном Нильсоном, в то время работавшим в Океанографическом институте Скриппса, и Дж. Вудландом (Вуди) Хастингсом из Гарвардского университета. Этих ученых интересовало, как функционируют люминесцентные бактерии, живущие в светящихся органах некоторых морских рыб. В таких органах бактерии расположены с необычайно большой плотностью – свыше 100 млрд клеток на кубический миллиметр. Когда микроорганизмы из этих органов были изолированы и выращены в чистой культуре с низкой плотностью популяции, люминесценции не было; однако по мере того как клетки росли и плотность популяции увеличивалась, колонии начали светиться. Нильсон и Хастингс знали, что у бактерий имеется особый набор генов, необходимый для вырабатывания света. Эти гены каким-то образом выключались, когда концентрация выращиваемых клеток была низкой, и начинали работать, когда концентрация повышалась. Исследователи обнаружили, что сигнал, дающий генам команду функционировать, представляет собой особое химическое соединение, выделяемое клетками, и когда его концентрация становится достаточно высокой, клетки в буквальном смысле зажигаются.
Впоследствии над кворумным восприятием работали многие микробиологи, и, хотя многое об этом феномене нам пока еще не известно, некоторые из основных принципов уже понятны. Не вызывает сомнения тот факт, что микроорганизмы используют химические сигналы, чтобы "включать" и "выключать" различные функции внутри собственной популяции, а также одновременно в нескольких популяциях других микроорганизмов. Эти химические сигналы являются предвестниками возрастающей сложности, но они далеко не обязательно требуют возникновения новых наномеханизмов. Микробиологическая коммуникация посредством химических сигналов – ключевой механизм для регулирования метаболизма среди различных групп организмов внутри консорции. Однако может случиться и кое-что еще.
Ситуация, когда много различных организмов живут в тесной близости друг к другу, может привести к самым неожиданным последствиям. По-видимому, что-то подобное произошло более двух миллиардов лет тому назад, когда один микроорганизм поглотил другой, однако не только сохранил в себе набор генов поглощенного организма – он оставил весь этот организм. Такой процесс тотального горизонтального переноса генов получил название эндосимбиоза – это симбиотическая связь внутри клетки, или, более точно, симбиотическая связь между двумя клетками, одна из которых размещается внутри другой.
Изначальная концепция может быть прослежена вплоть до статьи, опубликованной в 1883 году Андреасом Шимпером – тем самым немецким ученым, который впервые описал хлоропласты. Он заметил, что хлоропласты в клетках растения делятся таким же образом, каким это делают цианобактерии, и логически вывел, что хлоропласты – на самом деле цианобактерии, живущие внутри клетки. Гипотезу Шимпера подхватил русский ботаник Константин Мережковский, который изучал лишайники, представляющие собой симбиотическую ассоциацию фотосинтезирующих микроорганизмов (зачастую это цианобактерии) и грибов. В 1905 году Мережковский опубликовал статью на русском и немецком языках под названием "О природе и происхождении хроматофор в растительном царстве", в которой высказал предположение о том, что хлоропласты являются симбионтами внутри растительных клеток. Его работа была практически забыта во время Первой мировой войны и последовавшей за ней русской революции – не вследствие самих этих событий, но из-за связанной с ученым скандальной истории. Мережковского обвинили в педофилии, и в 1918 году он бежал сначала во Францию, а затем в Швейцарию. Он продолжал писать о симбиозе, но в 1921 году покончил с собой, и его идеи были преданы забвению.
Идею о том, что внутриклеточное тело может представлять собой ранее самостоятельную бактерию, впоследствии поглощенную клеткой-хозяином, также разрабатывал в 1927 году американский биолог Айвен Уоллин, работавший на соответствующем факультете медицинского колледжа в университете Колорадо. Он заявил, что митохондрии могут быть выращены за пределами своих клеток-хозяев. Позднее было доказано, что образцы митохондрий, предоставленные Уоллином, на самом деле были заражены бактериями, что сильно дискредитировало его работу.
Развитие гипотезы эндосимбиоза получило новый толчок в начале 1960-х годов, когда было обнаружено, что и хлоропласты, и митохондрии содержат в себе свою собственную ДНК, имеющую явственные отличия от ДНК ядра клетки, а также содержат собственный набор рибосом. Таким образом, модель клетки, представляющая ее как куклу-матрешку, получила сильный довод в свою пользу; однако вместе с тем было очевидно, что ни хлоропласты, ни митохондрии не могут воспроизводиться вне своих клеток-хозяев. Более того, анализ последовательностей рибосомальной РНК, проведенный Вёзе и Фоксом как в хлоропластах, так и в митохондриях, показал, что обе эти органеллы произошли от бактерий. Этот анализ однозначно доказал, что гипотезы Шимпера и Уоллина в основе своей были верны: хлоропласты действительно имеют отношение к цианобактериям, а митохондрии имеют родственные связи с другим типом бактерий, представители которого, что любопытно, являются анаэробными фотосинтезирующими организмами.
Представление об эндосимбиозе в конце концов заслужило уважение и широкое признание, когда в 1967 году американский биолог Линн Маргулис написала статью, возрождая гипотезу Мережковского, – не на основе новых данных, но с теоретических позиций. Впоследствии она продолжила выступать с доводами в пользу этой концепции в различных статьях и нескольких книгах. Маргулис была исключительно здравомыслящим ученым и моим хорошим другом. На протяжении большей части своей выдающейся научной карьеры она превозносила концепцию эндосимбиоза как движущей силы эволюции жизни на Земле. Частично она была права.
Феномен эндосимбиоза встречается относительно часто, но очень редко приводит к образованию новой органеллы. Фактически единственные две органеллы, в происхождении которых в результате такого процесса мы можем быть абсолютно уверены, – это митохондрия и хлоропласт; однако события, которые привели к включению этих двух организмов в клетку хозяина, изменили весь ход эволюции. Если бы не эндосимбиоз, нас бы не существовало. В обоих случаях процесс начался в океанах задолго до того, как появились сколь-нибудь значительные свидетельства наземной жизни, и в обоих случаях химическая сигнализация сыграла важнейшую роль.
Загадка истории эволюции эукариотов пока что не до конца разгадана. Представляется, однако, что микроорганизм, послуживший в качестве клетки-хозяина, принадлежал к археям – организмам, похожим на те, что обитают в нашем кишечнике, продуцируя метан. Согласно одному из возможных сценариев, проглоченный организм был близким родственником ныне живущих пурпурных несерных фотосинтезирующих бактерий. Эти бактерии более древние, нежели цианобактерии, и могут использовать световую энергию для фотосинтеза только в том случае, когда в их окружении нет кислорода. В таких условиях они при помощи световой энергии перемещают электроны по замкнутому контуру и выстраивают протонный градиент по разные стороны мембраны. Затем поток этих протонов может проходить через фактор сопряжения, синтезируя АТФ. Это в точности тот же самый наномеханизм, что был описан нами ранее.
При наличии кислорода, однако, электрический контур подавляется, и клетки теряют свою способность синтезировать пигменты, поглощающие свет. Чтобы выжить, они "меняют проводку" в своих внутренних электронных контурах так, чтобы кислород мог стать акцептором водорода, получаемого из органических соединений. Та же самая бактерия, которая днем, в анаэробных условиях, играет роль фотосинтезирующего доктора Джекилла, в аэробных условиях может стать респирирующим мистером Хайдом. На протяжении дня она может использовать солнечную энергию, становясь чистым спонсором органического вещества в микробиотическом мире – но только если поблизости нет кислорода. При наличии кислорода бактерия преображается в потребителя органического вещества и использует энергию его молекул для своего роста. Другими словами, в присутствии кислорода несерные бактерии респирируют, точно так же, как делаем мы и все остальные животные. Животные сохранили в себе внутриклеточного мистера Хайда – митохондрии.
Рис. 27. Схема, отображающая два основных эндосимбиотических события, которые привели к созданию эукариотических клеток. Во время первого события клетка-хозяин (одна из архей) поглотила пурпурную несерную бактерию, которая, возможно, была фотосинтезирующей (значительно позже эта бактерия эволюционирует в митохондрию). Второе событие состояло в том, что клетка, содержащая протомитохондрию, поглотила также цианобактерию (из этих цианобактерий впоследствии разовьются хлоропласты). Два этих первичных симбиотических события являются основой эволюции микроскопических организмов, таких как зеленые водоросли (см. рис. 9), доминировавших в океанах задолго до начала эволюции животных и растений
Каким же образом поглощенная анаэробная фотосинтезирующая бактерия в конечном счете превратилась в поглощающую кислород митохондрию? Наномеханизмы пурпурных фотосинтезирующих бактерий – это в точности те же самые наномеханизмы, при помощи которых мы генерируем энергию в каждой клетке нашего тела, причем это не совпадение, а закономерность. Наши источники энергии – митохондрии – были унаследованы от пурпурных несерных бактерий задолго до того, как появились первые животные. Тем не менее те первоначальные анаэробные пурпурные несерные микроорганизмы, что были поглощены и удержаны клетками архей, почти наверняка не являлись крупными источниками энергии наподобие современных митохондрий. Скорее всего, они представляли собой всего лишь ловушку для питательных веществ, выделяемых клеткой-хозяином. Таким образом, эта эндосимбиотическая анаэробная фотосинтезирующая органелла должна была обладать способностью утилизировать питательные вещества, такие как аммоний или фосфаты, которые в противном случае были бы извергнуты клеткой-хозяином в океан. Я предполагаю, что такая симбиотическая связь была избрана ради сохранения питательных веществ внутри новой, одноклеточной консорции.
Это исключительное событие – поглощение и удержание пурпурной несерной фотосинтезирующей бактерии внутри клетки археи – в конечном счете привело к возникновению первых эукариотических клеток. Лишь гораздо, гораздо позднее одиночные, самостоятельные эукариотические клетки сами образуют организованные консорции, которые впоследствии станут животными и растениями. Однако прежде, чем это могло произойти, механизмы этих протомитохондрий должны были быть запущены в обратную сторону. Весь электронный контур пурпурных несерных бактерий был настроен на производство органических соединений. Современные митохондрии больше этим не занимаются – наоборот, они поглощают органические соединения. Для обращения вспять электронного контура был нужен кислород, однако ни пурпурные несерные фотосинтезирующие бактерии, ни клетка-хозяин не умели его вырабатывать. Такое разделение труда требовало другого набора умений. Однако для того, чтобы это соглашение работало и на хозяина, и на новопоглощенную клетку, двум партнерам было необходимо как-то общаться друг с другом.
По приобретении анаэробной пурпурной фотосинтезирующей бактерии клетка-хозяин должна была как можно быстрее получить контроль над внутриклеточным организмом. Представьте себе, что было бы, если бы внутриклеточный организм рос хотя бы чуточку быстрее, нежели клетка-хозяин. Спустя несколько поколений он перерос бы хозяина, и внешняя клетка бы погибла. Теперь представьте себе обратное: новоприобретенный внутриклеточный организм рос медленнее, чем хозяин. В таком случае хозяин был бы принужден замедлить свой рост и, возможно, не смог бы участвовать в соревновании за получение питательных веществ наравне со своими ничем не обремененными сородичами, не получавшими никакого внутриклеточного организма. Контроль за новоприобретенным внутриклеточным организмом включал в себя перемещение его ключевых генов в клетку-хозяина и потерю внутриклеточным организмом многих других генов. Новая клетка, теперь ставшая эукариотом, превратилась, таким образом, в консолидированную микробиотическую консорцию, в которой клетка-хозяин успешно поработила своего внутриклеточного партнера-эндосимбионта. Со временем внутриклеточный организм потерял столько генов, что больше уже не мог воспроизводиться за пределами клетки-хозяина; тем не менее он сохранил некоторые гены, относящиеся к ключевым наномеханизмам, вырабатывающим энергию, а также отвечающим за способность синтезировать белки. Теперь в пределах одной клетки оказались две фабрики по производству белка.
Контроль за тем, чтобы одна белковая фабрика не вырастала быстрее другой, поначалу, прежде чем были осуществлены перенос и потеря генов, потребовал некоторых усилий. Для этого была необходима система химической сигнализации между двумя клетками – процесс, который до сих пор до конца не выяснен. Химические сигналы посылаются от митохондрии к ядру клетки-хозяина, и одновременно другая сигнальная система действует в обратную сторону. В конечном счете митохондрии превратились в очень сложные механизмы. Они могут "включать" и "выключать" гены в ядре хозяина, усиливать определенные метаболические пути и изменять поведение хозяина. Этой сигнальной системе было дано неудачное название ретроградной сигнализации , но по сути своей она очень похожа на кворумное восприятие – в данном случае у двух клеток, делящих одно пространство, так сказать, сокамерников . Таков был первый шаг к эволюции сотрудничества множества подобных же клеток, функционирующих как единый комплекс. Однако, прежде чем это могло произойти, случилось второе эндосимбиотическое событие.
Второе эндосимбиотическое событие заключалось в том, что анаэробная клетка, уже содержавшая фотосинтезирующую пурпурную бактерию (протомитохондрию), взяла себе еще одного жильца. На этот раз им была кислородпродуцирующая цианобактерия. Вероятно, такая трехэлементная схема была испробована неоднократно, поскольку почти наверняка большинство попыток заканчивалось гибелью анаэробной пурпурной фотосинтезирующей бактерии. За всю историю своей эволюции пурпурные фотосинтезирующие бактерии, скорее всего, ни разу не подвергались воздействию значительного количества кислорода, не говоря уже о целом нескончаемом потоке этого газа, изливавшемся, когда светило Солнце. Давайте проследим логику этого миниатюрного микробиологического зоопарка и посмотрим, как же все это получилось.
Продукт жизнедеятельности цианобактерий кислород должен был использоваться одним из двух других партнеров, который и без того уже был неплохо устроен. В интересы пурпурной фотосинтезирующей бактерии вообще не входило брать нового жильца, но теперь она была поставлена перед угрозой потенциального отравления кислородом, вырабатываемым цианобактерией в той же самой клетке-хозяине. Хозяин, несомненно, был неразборчив, но зачем ему пытаться убить своего первого эндосимбионта, который вполне успешно справлялся со своей задачей по рециркуляции питательных веществ? Чтобы избежать гибели и потенциального исчезновения с лица Земли, пурпурной фотосинтезирующей бактерии необходимо было эволюционировать так, чтобы научиться каким-то образом использовать кислород. Она обнаружила, что кислород, хороший акцептор электронов, может с готовностью принимать электроны от органических соединений, но, для того чтобы этот процесс заработал, необходимо было появление еще одного наномеханизма – такого, который смог бы переносить электроны и протоны к кислороду. Этот наномеханизм, цитохром с-оксидаза , отличался чрезвычайной сложностью; его отдельные части возникли задолго до того, как цианобактерии начали вырабатывать кислород. Из собранных вместе древних компонентов был составлен новый сложный наномеханизм; это происходило путем восстановления и перераспределения компонентов других, более простых наномеханизмов, которые были обнаружены как у бактерий, так и у архей. Цитохром с-оксидаза почти наверняка не был изначально предназначен для транспортировки электронов к кислороду; скорее всего, его эволюционной задачей было удалять кислород из клетки. Современная инкарнация цитохрома с-оксидазы содержит до 13 белковых субкомплексов и использует медь для осуществления своих химических реакций. После появления на эволюционном поле этого наномеханизма мир уже никогда не мог стать прежним.
Благодаря кислороду клетки смогли получить поистине суперзаряд энергии. Использование электрического поля, возникающего по обе стороны от митохондриальной мембраны, позволило синтезировать 36 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы. Теперь клетки получили возможность привести в действие маленькие моторчики, вращавшие волосоподобные структуры – жгутики, благодаря чему клетки приобрели невиданную доселе подвижность. Они открыли для себя новые метаболические пути, пользуясь преимуществом обладания кислородом и энергией для создания сложных липидов, таких как холестерин, а также многих других, более сложных молекул. Таким образом, и приобретатели, и приобретенные организмы пришли к тому, чтобы стать "сокамерниками" навечно.