Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Повышение содержания атмосферного кислорода, подстегиваемое развитием наземных растений, позволило животным ввести у себя некоторые новшества. Ракообразные и их родственники эволюционировали в насекомых. У насекомых кислород поставляется посредством диффузии через небольшие отверстия вдоль боков тела. В ископаемых этого периода найдены останки стрекоз с размахом крыльев в полметра. Такие крупные насекомые могли существовать только в условиях чрезвычайно высоких концентраций кислорода. Древнейшие наземные рыбы в конечном счете эволюционировали в земноводных и пресмыкающихся и, гораздо позднее, в динозавров (включая птиц) и млекопитающих. Но это потребовало введения еще нескольких поправок. Хотя морские животные уже разработали у себя системы транспортировки кислорода к внутренним органам, благодаря чему стали больше и сложнее, такая система циркуляции не смогла бы с той же легкостью функционировать на суше ввиду больших потерь жидкости. Диффузия кислорода в воде происходит медленно, но зато организмы могут получать его посредством прямого обмена через клетки или через специальные органы, такие как жабры, имеющие чрезвычайно большую площадь поверхности. В воздухе такие системы газообмена не могут быть столь же эффективны – организм очень быстро лишится воды. Чтобы справиться с этой проблемой, газообменные процессы были переведены внутрь организма, а внешние поверхности изменены так, чтобы препятствовать воде попросту диффундировать в окружающую среду. Далее газообмен был ускорен посредством циркуляционной системы, в которой участвовала жидкость, транспортировавшая кислород в отдаленные части организма. Для такой системы требовался некий насос, чтобы сделать процесс газообмена эффективным, – и вместо скоординированной системы снабженных жгутиками клеток, перекачивающих жидкость, как у губок, из одиночных клеток были собраны молекулярные моторы для выполнения специализированных клеточных функций, в особенности в мышечных и нервных тканях.

Мышцы используют огромные количества АТФ для ежесекундного перемещения миллиардов молекул миозина по их актиновым направляющим. Нейроны затрачивают огромное количество энергии для работы своих клеток. В сравнении с микроорганизмами животные представляют собой биологический эквивалент гигантского авиалайнера в мире велосипедистов-любителей. Это может показаться парадоксом: если мы возьмем любое животное и измерим его энергопотребление, оно окажется гораздо ниже, чем если бы данный организм был размазан по гигантской чашке Петри слоем толщиной в одну клетку. Причина в том, что отдельные клетки у животных в конечном счете ограничены диффузией кислорода. Тем не менее общая выработка энергии у животных чрезвычайно высока, даже у холоднокровных, таких как черепахи или змеи. У очень активных животных, температура тела которых выше, таких как птицы и млекопитающие, энергетические потребности в четыре – восемь раз больше, чем у рептилий.

Все животные в энергетическом отношении зависят от фотосинтезирующих организмов. В океанах львиная доля питательных веществ приходится на фитопланктон, добывать который большинству крупных животных очень нелегко. Поэтому энергетические запасы фитопланктона доставляются к ним посредством более мелких организмов, таких как мелкие рачки и креветкообразные организмы – зоопланктон. Такое посредничество имеет свою цену: после каждого переноса энергии вверх по пищевой цепи на следующий трофический уровень остается всего лишь около 10 % энергии. К примеру, 100 фунтов фитопланктона приведет к образованию около 10 фунтов зоопланктона, а этих 10 фунтов зоопланктона хватит на образование всего лишь примерно 1 фунта рыбы. В океанах концентрация фитопланктона выше всего в тех местах, где питательные вещества из глубоководья поднимаются к поверхности, чаще всего благодаря ветровым течениям. Эти области подъема глубоководных вод встречаются вдоль континентальных окраин и в мелководных морях – вот почему в таких местах наиболее распространен рыболовный промысел. Однако в результате средний срок жизни клетки фитопланктона составляет пять дней. Все клетки делятся приблизительно раз в пять дней, и одна из дочерних клеток оказывается съеденной. В океанах содержится всего лишь около 0,2 % планетарной фотосинтетической биомассы. На суше же большая часть остальных 99,8 % фотосинтетической биомассы не съедается – листья в основном остаются на деревьях. Однако на суше действует тот же закон трофического переноса вещества, что и в океане: сотня фунтов травы дает около десяти фунтов лошади. Впрочем, поскольку травостой, как правило, имеет высокую скорость роста и большую плотность, бизоны смогли стать крупными животными и сформировать многочисленные стада. Число трофических звеньев в наземных экосистемах в целом меньше, чем в океанах, и эволюция трав предоставила значительное преимущество для эволюции крупных млекопитающих за последние 50 млн лет.

Избыток доступных источников энергии привел к серьезной перестройке органов чувств – в соревновательных целях и в качестве ответной реакции на развитие моторов; это произошло в форме эволюции сенсорных систем обоняния, зрения, вкуса и слуха. Животные развивали у себя все более сложные системы выбора съедобных растений или доступной добычи, а у растений развивались все более сложные системы, использующие не только отходы жизнедеятельности животных для собственного роста, но и самих животных для опыления цветов и распространения семян. Совместная эволюция растений с растениями, растений с животными и животных с животными привела к развитию адаптивной системы все возрастающей сложности и увеличению числа взаимодействий.

Для того чтобы поддерживать в стабильности систему с возрастающей сложностью, необходимо, чтобы каждый вид со временем адаптировался, иначе его старые эволюционные свойства окажутся устаревшими и вид вымрет. Почему? Потому что среда в масштабе геологического времени постоянно меняется, и естественный отбор действует так же постоянно.

Американский эколог-эволюционист Ли ван Вален в 1973 году в шутку назвал представление о том, что организмы непрерывно эволюционируют, «гипотезой Черной Королевы», памятуя об одном из эпизодов «Алисы в Зазеркалье»[4]. Исходная предпосылка ван Валена заключалась в том, что каждый конкретный вид должен «бежать на месте», чтобы поддерживать свой эволюционный тонус. Дубы, которые мы видим сегодня, не похожи на те дубы, что росли пять миллионов лет назад. Это ведет к эволюционной игре в кошки-мышки и к поддержанию разнообразия посредством относительно постепенного продвижения биологических инноваций в постоянно меняющемся экологическом ландшафте.

Биологическое разнообразие организмов имеет критическое значение для переноса генов, кодирующих ключевые, необходимые для поддержания жизни наномеханизмы, через обширные промежутки геологического времени, чреватые экзистенциальными угрозами. Однако само разнообразие также со временем меняется, и эволюция тех или иных конкретных свойств обладает способностью к адаптации лишь на протяжении коротких периодов в истории планеты. Организмы – преходящие сосуды, которыми можно пренебречь. Гены – отнюдь нет.

Один организм, появившийся в истории планеты случайно, но прошедший отбор благодаря некоторым очень специфическим чертам, очень быстро, в совсем недавнем прошлом, добился доминирующей позиции и взялся за разрушение планеты в масштабах, невиданных со времен Кислородной катастрофы 2,4 млрд лет тому назад или эволюции наземных растений около 400 млн лет тому назад. По соседству с крупными организмами со сложной системой взаимодействий люди стали новыми животными на планете и очень быстро стали новыми эволюционными большевиками. Мы склонны считать, что настолько отличаемся от других организмов, что можем игнорировать историю нашей планеты. Но так ли это?

«– У нас, – сказала Алиса, с трудом переводя дух, – когда долго бежишь со всех ног, непременно попадёшь в другое место.

– Какая медлительная страна! – вскричала Королева. – Ну а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте». – Примеч. пер.

Глава 9. Хрупкие виды

Когда я был маленьким, мой отец летом часто водил меня гулять в Риверсайд-парк, который находился в пятнадцати минутах ходьбы от нашего дома в муниципальном микрорайоне Гарлема. Более чем за пятьдесят лет до рождения моего отца, в 1901 году, Риверсайд-парк представлял собой большое кладбище. Оно было официально открыто в 1842 году распоряжением муниципалитета города Нью-Йорка в связи с увеличением смертности, связанным с эпидемиями холеры, оспы и брюшного тифа, что привело к переполнению кладбищ ближе к центру города. И хотя распоряжение позднее позволило городу использовать Риверсайд-парк как место массового захоронения солдат, погибших в гражданской войне, имелся прецедент погребения усопших в этой земле более чем за сто лет до названного времени.