Хлопок одной ладонью - Николай Кукушкин

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]. Вдумайтесь: внутри каждой вашей клетки живут древние организмы с собственными геномами, которые за вас дышат23, 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.

С молекулярной точки зрения этот сложнейший процесс требует, во-первых, отсутствия плотной клеточной стенки, во-вторых, подвижного каркаса мембраны – цитоскелета и, в-третьих, регулируемого аппарата почкования и слияния мембран. В генах локиархей как раз и нашлись зачатки белков, потенциально позволяющих управлять мембраной по-эукариотически26, 28.