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
