Диалоги (ноябрь 2003 г.) - Александр Гордон

На картинке вы видите шлифы архейских пород возраста более 3 млрд. лет, на которых видны древние прокариотные клетки, очень похожие на современные цианобактерии. Рядом с ними – фотография строматолитов – это породы, которые образовывались в результате деятельности древних цианобактерий. Интересно, что не так давно – всего несколько десятилетий назад – похожие породы, точнее постройки, похожие на древние строматолиты, были обнаружены и в современной биосфере. На следующем слайде – современные строматолиты и рядышком – строящие их современные цианобактерии. В современной биосфере это – довольно редкие образования в очень специфических условиях. Эти строматолиты – из австралийского залива Шарк бей. Там, в условиях высоких температур, относительно низкого содержания кислорода и большой солености образуются современные строматолиты.

Вот, начиная с периода, отдаленного от нас на 4 млрд. лет (это время появления жизни и биосферы), в течение последующих 2-х млрд. лет биосфера была прокариотной. А на протяжении двух миллиардов лет бактерии, то есть прокариотные организмы, осуществляли весь существовавший тогда биотический круговорот. Так называемые автотрофные бактерии создавали органическое вещество из воды и углекислого газа, используя энергию солнечного света (то есть, за счет процесса фотосинтеза) или энергию химических реакций (этот процесс называется хемосинтезом). Но ведь понятие круговорота подразумевает, что созданное органическое вещество затем разлагается снова до углекислого газа и воды, и организмы могут снова использовать их для нового цикла круговорота. В древней биосфере этот круговорот функционировал очень неэффективно. Органическое вещество разлагалось под действием физических и химических факторов, то есть очень медленно. Отчасти органическое вещество разлагалось и под действием тех ферментов, которые выделяли наружу гетеротрофные бактерии – то есть бактерии, которые используют готовое органическое вещество. Это тоже медленный процесс. Поэтому огромные массы созданного автотрофными бактериями органического вещества просто захоранивались, становились недоступными для других организмов, выходили из круговорота. Вот что означает, что биотический круговорот в биосфере, состоящей из одних бактерий, был несовершенным.

Дело в том, что прокориотные организмы – бактерии, не умеют никого заглатывать. У бактерий ведь практически не бывает хищничества. Даже если (очень редко) у бактерий есть какие-то формы, которые называют хищниками, то приходится признать, что хищничество это – очень своеобразно. Хищник оказывается значительно меньшим по размерам, чем жертва, и разрушает жертву изнутри.

Вот тут изображен такой маленький вибрион, бделловибрио, который проникает в крупную бактерию и разрушает ее изнутри.

Совсем иначе поступают так называемые эукариотные организмы – организмы с клеточным ядром. Они могут заглатывать свою добычу, а затем переваривать ее либо в пищеварительных вакуолях внутри клетки, либо в кишечнике. Дело в том, что они обладают двумя клеточными белками – актином и миозином. Они есть у всех эукариотных организмов, то есть у всех организмов с клеточным ядром – у животных, у растений, у грибов. Это те белки, которые обеспечивают всякую подвижность – амебоидное движение, формирование пищеварительных вакуолей, сокращения клеток, в том числе и мышечные сокращения. Это – универсальные белки клеточной подвижности. И когда они появились, организмы научились друг друга заглатывать.

До появления актина и миозина, до появления эукариотных организмов органическое вещество, которое создавалось бактериями, некому было съедать. Это вещество очень медленно разлагалось под действием физических и химических факторов и захоранивалось. В первые два миллиарда лет существования биосферы накопились громадные запасы сланцев, нефти, газа, а ведь это все – углерод. Когда-то он был в телах живых организмов, а потом из-за несовершенства биотического круговорота этот углерод не смог вернуться снова в этот круговорот.

Здесь нужно еще раз подчеркнуть, что в этот ранний период существования биосферы много бактерий занималось не только фотосинтезом, а хемосинтезом. То есть они занимались окислением разных субстратов, осуществляли другие химические реакции, в результате которых осаждались окислы и другие соединения металлов, то есть формировались руды. Таким образом, многие руды металлов, которыми мы до сих пор пользуемся (железа, марганца, урана, по некоторым представлениям, даже золота), – это тоже результат несовершенства биологического круговорота – их создали древние бактерии. Иногда это громадные залежи, которыми человечество пользуется до сих пор. Иногда, это громадные залежи, такие как, скажем, Курская магнитная аномалия.

А.Г. А она органического происхождения?

В.М. Да, она органического происхождения. Это громадные залежи, ведь это месторождение потому и называются аномалией, что даже стрелка компаса там неправильно показывает. И это громадное количество железа отложено в результате деятельности железобактерий около двух миллиардов лет назад – это время образования многих руд, которыми человечество пользуется в наше время.

Появление актиново-миозинового комплекса позволило организмам осуществлять разные формы клеточной подвижности, например, образовывать псевдоподию. А с помощью этих псевдоподий можно двигаться, а можно еще и заглатывать другие клетки. Первые эукариотные формы – это как раз и были существа, которые приобрели актин и миозин и смогли заглатывать других организмы.

Появление клеточного ядра было связано с появлением актина и миозина и переходом к хищному способу питания. Способ питания эукариот путем захвата пищевых частиц означал, что хищник был крупнее жертвы. Действительно, линейные размеры мелких почвенных амеб или жгутиконосцов, питающихся бактериями, приблизительно в 10 раз больше размеров бактерий. Таким образом, объем цитоплазмы эукариот приблизительно в 1000 раз больше, чем у прокариот. Такой большой объем цитоплазмы требовал и большого числа копий генов, чтобы снабжать увеличенную цитоплазму продуктами транскрипции. Один из способов решения этой задачи – умножение числа генофоров. То, что биологи называют полиплоидией. Действительно, есть крупные бактерии, и это – так называемые «полиплоидные бактерии» с большим числом кольцевых молекул ДНК. Вероятно, и предки эукариот с большим объемом цитоплазмы пошли по пути мультипликации генофора. Множественные генофоры и стали зачатками хромосом.

Сильная подвижность цитоплазмы, которая возникает при амебоидном движении и формировании пищеварительных вакуолей, требовала некоторой сегрегации компонентов внутри клетки. Иначе наследственные молекулы – генофоры, то есть кольцевые молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация, оказывались бы поврежденными и разбросанными по всей клетке. Можно предполагать, что для защиты наследственных молекул – молекул ДНК – возникла некоторая центральная защищенная область цитоплазмы, произошел процесс компартментализации цитоплазмы. Вот эта центральная защищенная область цитоплазмы – и есть клеточное ядро. На рисунке показано, как формируется эта центральная область – за счет глубоких впячиваний поверхностной цитоплазматической мембраны. При этом ядерная оболочка оказывается двойной – что и наблюдается на самом деле.

Эта схема выглядит умозрительной, но, как это не удивительно, в современной биосфере есть организмы с таким строением ядра – с двойной ядерной оболочкой, но с хромосомами в виде кольцевых молекул ДНК (как у бактерий) и без типичных ядерных белков – гистонов. Я имею в виду динофлагеллят, одноклеточных жгутиконосцев, которых ботаники обычно называют перидиниевыми водорослями.

И это важнейшее событие – появление эукариотных организмов, которые могли, используя актиново-миозиновую систему, заглатывать бактерии – необычайно ускорило биотический круговорот. Эукариотные хищники заглатывали и переваривали бактерий, возвращали в биотический круговорот углерод и другие биогенные элементы. Биотический круговорот стал работать с несравненно большим КПД, выход вещества из круговорота резко уменьшился. Правда, то, что было захоронено в предыдущие два миллиарда лет, живые организмы достать уже не могли. Это так и лежало в этих захороненных пластах.

И вторая важнейшая вещь, связанная с деятельностью первичных организмов – прокариот – это появление в атмосфере кислорода. По современным представлениям первичные организмы, населявшие землю, были в основном автотрофными организмами. В частности, это были фотосинтезирующие бактерии (более или менее похожие на современные цианобактерии). А ведь в результате фотосинтеза выделяется кислород. Первичная атмосфера была бескислородная, мы хорошо это знаем, потому что в это время образовывались неокисленные руды, например, пириты, которые в кислородных условиях не образуются. Первые два – два с половиной миллиарда существования биосферы – это был бескислородный мир. На самом деле, в этом бескислородном мире были «кислородные карманы» (по выражению академика Г.А. Заварзина), например, в толще строматолитов. Но вся остальная биосфера была бескислородная. Тот кислород, который выделялся в процессе фотосинтеза, тут же связывался химическими веществами, и прежде всего – железом. В первые два – два с половиной миллиарда лет железа было относительно много в поверхностных слоях Земли. Но железо, как тяжелый элемент, постепенно уходило в глубь планеты в результате гравитационной дифференцировки. Это тот процесс, благодаря которому постепенно появилось тяжелое железное ядро и относительно легкая силикатная мантия.