е. Одиночество в безбрежном океане
Прокариотная экосистема довольно успешно приспособилась к накоплению в атмосфере кислорода и углекислого газа. Но прокариоты – бактерии и археи11 – все еще слишком примитивны для обсуждаемой задачи (вспомним, что мы говорим о существах, пригодных для диалога с Создателем). Для осознания себя явно требуется нечто более крупное и сложное, способное к переработке информации. Маловероятно, что бактерии могли бы обладать «бессмертной душой», сознанием, личностью – в бактериях ее просто некуда деть… К тому же для гипотетического (пока еще) собеседника Создателя принципиально важна социальность, о которой ни у бактерий, ни у архей говорить не приходится.
Уже в самый разгар кислородной катастрофы некоторые бактерии (и археи, раз уж они появились в нашем рассказе) начали образовывать колонии. Речь идет не о поселениях каторжников на дальних берегах, а о группах клеток, физически и генеалогически более или менее связанных друг с другом. Клетки колоний обычно скреплены друг с другом – они слипаются оболочками, если речь идет о бактериях или водорослях, или прикрепляются иными способами. Нередко клетки колонии ведут происхождение от одной начальной клетки. От многоклеточного организма колония отличается тем, что ее клетки более или менее одинаковы и, что еще важнее, в трудную минуту вполне способны существовать отдельно и независимо друг от друга. Преимущество колониальности главным образом заключается в более крупном размере.
Еще одна важная «техническая» проблема не была решена в прокариотном бактериально-архейном мире: передача генов из поколения в поколение. Точнее говоря, клетки нового поколения наследовали ДНК от материнской клетки (к колониальным организмам это тоже относится). Но интенсивность горизонтального переноса генов, когда бактерии или археи одного поколения обмениваются генами друг с другом через плазмиды, чем-то мешала их дальнейшей эволюции. Нужно было что-то менять… Горизонтальный перенос генов требовалось заменить половым размножением. У бактерий есть нечто похожее, но их аналоги полового размножения слишком необязательны. Добавим еще, что дальнейшая эволюция потребовала, насколько можно судить, более надежной системы передачи бóльших объемов наследственной информации и защиты от бесконтрольных ее изменений. Колониальность никак не годится для всего этого.
Нужны были иначе устроенные организмы, которые могли бы стать альтернативой для сбалансированной и успешной, но слишком примитивной бактериальной биосферы. Заметим, что слово «нужны» здесь уместно только с точки зрения Создателя (насколько вообще возможно говорить об этом) – ну и с нашей точки зрения, коль скоро мы тоже относимся к этим «иначе устроенным» организмам. Была ли востребована такая новая эволюционная линия экологически, то есть была ли для нее свободная экологическая ниша – большой вопрос. Скорее всего, когда-нибудь мы найдем планеты, где все так и ограничилось одними бактериями – но, к счастью, не здесь.
У архей есть одна хитрая особенность, отличающая их от бактерий: способность существенно деформировать свою мембрану, образовывать выпячивания (может быть, и углубления в мембране, хотя при этом работают другие белки)12. Возможно, именно это послужило для неожиданного усложнения строения клеток и механизма их размножения. Весьма вероятно, что полтора-два миллиарда лет назад некоторые из них принялись захватывать, но не переваривать некоторые бактерии, так что последние оказывались запертыми внутри новой клетки. Эти захваченные бактерии жили полуавтономно, делясь энергией (точнее – уже готовым энергоносителем АТФ) с клеткой-хозяином. При этом у них осталась собственная наследственность – кольцевая ДНК, как у всякой приличной бактерии, что давало им возможность размножаться и даже мутировать, оставаясь внутриклеточными симбионтами (сейчас мы называем их митохондриями). Между прочим, когда впоследствии люди научились расшифровывать их ДНК, они узнали немало интересного (см. ниже о так называемой митохондриальной Еве).
Помимо митохондрий, внутриклеточными симбионтами стали и фотосинтезирующие бактерии. Так, по-видимому, появились пластиды, усваивающие энергию Солнца и кормящие таким образом всю клетку, включая митохондрии.
Каким-то загадочным (но не таинственным) образом в этой новой структуре появилось и ядро, в котором, в конце концов, оказалось куда больше ДНК, чем бывает у «нормальных» бактерий и архей. Вполне возможно, что эукариоты, как называют организмы с ядром, митохондриями и хлоропластами, – продукт объединения целой группы прокариот, причем разнородных – своего рода шайка Робин Гуда. Структура эукариотических клеток много сложнее, чем у прокариот; кроме того, они намного крупнее.
Именно размер представляет собой очевидное преимущество: если вы в разы крупнее всех живущих в океане тварей, вы можете есть их гораздо более эффективно. Это нам для охоты на мамонта требуется сложная социальная организация, а тигр справится с мышью без особых затруднений. Эффективно защищаться от бактерий сложно любым организмам, включая помянутых тигра и мамонта, тем более первым эукариотам. Но если бактерии еще не научились есть вас, у вас появляется шанс научиться защищаться от них. Пусть этот шанс кратковременный – первые эукариотические клетки воспользовались им в полной мере. Как уже не раз было в первые миллиарды лет, давление естественного отбора на эти клетки, плававшие в океане еды (пусть довольно редкой, но беззащитной), на время ослабло, и они принялись ускоренно диверсифицироваться.
Одним из самых интересных и перспективных для дальнейшего направлений оказалось половое размножение или хотя бы та его менее явная форма, которая свойственна одноклеточным эукариотам. Теоретически преимущества полового размножения в его нынешнем виде довольно очевидны: организмы получают возможность регулярного создания новых комбинаций разных вариантов генов. Такие неидентичные версии одного и того же гена называются аллелями. Наличие у организма двух (или нескольких) аллельных версий гена обеспечивает генетическое разнообразие всей популяции и, следовательно, возможность отбора. Кроме того, половое размножение обеспечивает и создание разных комбинаций разных аллелей разных генов. К примеру, у вас синие глаза и рыжая щетина, а у вашей партнерши – карие глаза и белокурые локоны. У ваших потомков могут быть сочетания цвета глаз и волос синие – рыжие, карие – светлые (как у вашего поколения), а также синие – светлые и карие – рыжие… И отбор все расставит по своим местам.
Однако это преимущество полового размножения дорого стоит; бесполое размножение (путем деления) требует примерно таких же энергетических затрат и происходит не менее быстро, да к тому же не требует сложного и не всегда надежного механизма редукционного деления. Многие простейшие, как одноклеточные водоросли, так и одноклеточные животные и одноклеточные грибы, прибегают поэтому к половому размножению главным образом в неблагоприятных условиях, когда создание новых комбинаций генов может дать дополнительный шанс на выживание.
При половом размножении потомки получают от предков по половине ДНК, и эти молекулы соединяются вместе. Следовательно, перед таким размножением имеющийся набор молекул ДНК нужно поделить пополам: если этого не сделать, в следующем поколении ДНК будет двойное количество, потом – четырехкратное и далее по степеням двойки. Это путь в никуда, потому что такие клетки не выживают13. Решению этой проблемы служит особый способ деления клеток – мейоз, при котором двойной набор хромосом сначала удваивается, а потом делится на четыре одинарных. Заодно эти хромосомы обмениваются участками, дополнительно увеличивая потенциальное разнообразие.
Быть может, самая большая проблема полового размножения, особенно для одноклеточных, состоит не в его сложности и энергозатратности, а в поиске партнера. Хорошо создать новые комбинации аллелей, но с кем? Если мы представим себе одноклеточных существ размером в доли миллиметра, пассивно плывущих в океане (пусть и в тонком, почти двумерном поверхностном слое), которым нужно найти представителя своего вида… Задача почти нерешаемая, и многие организмы старательно уклоняются от ее решения. Колониальность – один из способов. Размножаться половым путем, лишь когда (и если) партнер обнаружен, – другой. И все равно удивительно, что множество видов одноклеточных так или иначе решают эту задачу! И новые комбинации генов становятся материалом для того, чтобы отбору было из чего отбирать.
ж. Вендский (а может, и кембрийский) взрыв
И все равно они слишком простые! Биосфера эволюционирует почти три миллиарда лет и не породила ничего сложнее амебы! Когда так неэффективно работают правительства, их свергают. Теологи-креационисты часто утверждают, что в научной картине эволюции слишком много совпадений и случайностей. На самом деле их до обидного мало, иначе для эволюции биосферы не потребовалось бы столько времени.
Как это часто бывало в эволюции биосферы (а может, еще и будет), предпосылки для появления новых существ возникли заранее. В первую очередь сюда относятся разнообразные молекулы на поверхности клеток, которые могут служить «молекулярным клеем», физически соединяющим клетки. Кроме того, еще одноклеточные прокариоты научились пользоваться некоторыми веществами как химическими сигналами, чтобы воздействовать друг на друга. В колониях, задействующих и «клей», и сигнальные вещества, клетки порой оказываются вовсе не так одинаковы, как можно предполагать. Многоклеточность возникла далеко не на пустом месте и, вероятно, стала следствием обострившейся конкуренции простейших.
Первыми, как кажется, попытались стать многоклеточными водоросли. При этом они получили размерное преимущество (попробуйте-ка съесть секвойю, если вы беззубая амеба), но начали существенно терять в плавучести, попросту говоря – многие были вынуждены осесть на дно. В результате экосистема начала быстро приобретать пространственную неоднородность, при которой экологические ниши различаются положением в пространстве, а организмам потребовалась, к примеру, система транспорта веществ. Но водоросли имеют лишь косвенное отношение к нашему сюжету…
Настоящим шагом вперед к появлению нас с вами стали многоклеточные животные. Как понятно из названия, они состояли из множества клеток (сначала – несколько сотен, а потом несравненно больше). У самых ранних и примитивных многоклеточных уже было несколько разных типов клеток. Впрочем, если взглянуть на дожившего до нашего времени трихоплакса, недалеко ушедшего от первых многоклеточных, эти разные типы клеток могли меняться местами и превращаться один в другой. Впоследствии такая возможность была почти утрачена.
Многоклеточные животные получили уже не раз упомянутое размерное преимущество, то есть они могли есть любых одноклеточных (прокариот и эукариот), а сами становились их добычей главным образом после своей гибели. Но новое, более сложное строение влечет за собой и новые проблемы. Главная из них заключается в том, что при половом размножении в результате слияния двух клеток с одинарным набором хромосом получается клетка с двойным набором хромосом (пока все прекрасно) – но она одна! А из нее нужно образовать все многочисленные типы клеток, да еще и расположить их в нужных местах. К тому же эти разные типы клеток должны быть генетически одинаковыми (пока решаемая проблема) – но при этом быть функционально и анатомически разными, а вот это уже сложнее. На нашей планете у многоклеточных в разных клетках одного организма работают разные гены из общего набора – но их нужно в нужное время в нужном месте включить, а другие, ненужные, – выключить. Это потребовало масштабной системы регуляции работы генов; значительная часть генов входит именно в эту систему.
Те многоклеточные, которым не удавалось сформировать надежно работающую систему индивидуального развития (формирования многоклеточного организма из одной клетки), ясное дело, вымирали. Более успешные выживали, и теперь отбиралось не только то, как устроен взрослый организм, но и то, как он развивается. Между прочим, это также сработало на увеличение разнообразия.
Именно разнообразие – самое бросающееся в глаза следствие появления многоклеточных. Пока их было мало и они не слишком конкурировали друг с другом, давление естественного отбора на них было ослаблено, и в исторически кратчайшее время (около сотни миллионов лет) возникли почти все современные типы организмов и еще немало вымерших. Это мгновенное нарастание разнообразия получило название вендского взрыва; дело было в вендском14 периоде, примерно от 640 до 540 млн лет назад. Впрочем, этот взрыв разнообразия мог произойти несколько позже, в следующем периоде – кембрийском, относящимся уже к следующей, палеозойской эре. Потому его часто называют кембрийским. На самом деле живые организмы не соотносились с календарем геологических эпох, и взрывной рост разнообразия явно начался в венде и продолжился в кембрии.
Если бы мы могли наблюдать этот взрыв разнообразия со стороны, нам бы показалось, что Создатель сотворил всех этих существ сразу. Даже жаль, что авторы библейских повествований о сотворении мира не знали о вендском периоде. Всерьез же говоря, этот взрыв видообразования был в большей степени предопределен геометрией пространства и тенденцией пищевых цепей к усложнению, что имеет отношение скорее к математике. Знал ли Создатель заранее, что так получится, – вопрос не ко мне. Быть может, достаточно того, что это был логичный результат развития биосферы в нужном Ему (и нам!) направлении.
Одного только недоставало в биосфере на этой планете: хордовых, к которым относимся и мы, люди.
Глава 3
«Кастинг»
Вендский взрыв разнообразия произошел в океане. Почему нет, ведь предполагаемый человек мог быть и водным существом? В конце концов, заповедь «любите друг друга» в океанских глубинах не менее актуальна, чем в наземно-воздушной среде. Есть, правда, и сложности: во-первых, вендский взрыв привел к существованию многих разных, но все же относительно простых существ. Мог ли кто-нибудь из них надеяться на централизацию нервных узлов в достаточно большом мозге? Теоретически некоторые шансы были у членистоногих и головоногих моллюсков – но в дальнейшем эти шансы не были реализованы. Может быть, Создателю не пришлись по вкусу разумные осьминоги и высокодуховные муравьи, а может быть, наши предки, а потом и мы сами не дали им возможности опередить нас.
Кроме того, что-то опасное зрело подо дном океана…
а. Новый адрес: Паннотия, на стыке Амазонии и Балтики
В том или ином виде суша, скорее всего, была на Земле почти всегда – после образования океана, разумеется. В зависимости от оледенений и потеплений уровень океана менялся, менялись и очертания суши. Но кроме этого, отдельные фрагменты суши оказались подвижны, потому что они «плавают» по расплавленной магме, лежащей глубже. Точнее говоря, в этой магме есть восходящие и нисходящие потоки, взаимодействие которых приводит к изменению размеров и положения участков суши.
Подобно гигантским кораблям, фрагменты суши то собирались вместе в единый суперконтинент, то разбегались вновь с периодичностью порядка полумиллиарда лет. Эти суперконтиненты даже имеют названия, хотя их никто не видел и никто на них не жил. Для нашего рассказа имеют значение последний (Пангея, на обломках которой мы живем) и предпоследний (Паннотия) суперконтиненты. Паннотия образовалась около 600 миллионов лет назад, как раз в вендском периоде.