В борьбе за существование побеждает сильнейший – так считалось с момента появления теории Чарльза Дарвина. Но сегодня ученые выделили еще один не менее мощный двигатель эволюции. Это - симбиоз или взаимовыгодное сотрудничество организмов. Оказывается, все основные этапы качественного усложнения животной и растительной организации взял на себя именно симбиоз.
О роли симбиоза на первых этапах развития органической жизни на Земле рассказывает сотрудник Палеонтологического института РАН, доктор биологических наук Александр Марков.
— Александр, многие критики дарвиновской теории именно симбиоз не учитывали как важнейший принцип эволюции.
— Да, именно так. И здесь есть несколько аспектов. Во-первых, нужно сказать, что Дарвин в своей знаменитой книге сделал акцент на метафоре «борьба за существование». Здесь, по-видимому, сказался дух эпохи, потому что какое это было время? Вторая половина XIX века, когда у капитализма было не очень-то человеческое лицо. И конкуренция, и классовая борьба — все это было очень сильно выражено. Вроде бы, кто сильнее, тот и прав, выживает сильнейший, а слабейшей умирает, туда ему и дорога.
В чем ошибочность подобных рассуждений? Ни в каком даже самом жестоком коллективе, даже в российской армии или в тюрьме, невозможна борьба всех против всех. Обязательно возникают альянсы и союзы, неизбежно происходит кооперация. И наблюдая в развитие жизни на Земле, мы видим, что кооперацией пронизано все сверху донизу.
Сейчас эволюционисты-теоретики очень хорошо понимают, что жизнь предъявляет к живым организмам самые разнообразные требования. Нужно и добывать себе пропитание, и защищаться от хищников, и заботиться о потомстве, при этом быть приспособленным и к данной температуре, и к доступной пище. Невозможно такую сложную систему, как организм, одновременно по всем показателям довести до совершенства, то есть приходится всегда чем-то одним жертвовать, ради чего-то другого. Поэтому эволюция различных видов — это бесконечный поиск компромиссов между этими требованиями и отсюда неизбежная ограниченность каждого отдельного существа, которое не может быть замечательным специалистом всех профилей сразу. И соответственно, какой самый простой путь преодоления этой ограниченности? Это кооперация специалистов разного профиля.
— И когда началась эта кооперация, когда начал работать симбиоз?
— Начать можно с самого момента зарождения жизни. Хотя науке в настоящее время неизвестно во всех деталях, как именно зародилась жизнь, но есть признаки, по которым можно судить о том, что симбиоз, кооперация разных живых объектов была с самого начала. Есть такая версия, что белки и нуклеиновые кислоты, два основных класса молекул, из которых сложены организмы, по-видимому, зарождались отдельно друг от друга. Это видно по их химическому составу: в нуклеиновых кислотах много фосфора, но нет серы; в белках наоборот — совершенно нет фосфора, но есть сера. Это наводит на мысль, что как химические молекулы они могли появиться отдельно друг от друга. Сегодня крупнейшие эволюционисты и микробиологи не могут себе представить самые первые шаги в эволюции жизни иначе, как последовательные кооперации и симбиозы разных химических и геохимических циклов между собой. Это можно назвать химическим этапом эволюции. Он сейчас активно исследуется экспериментально. Но уже сейчас ясно, что без кооперации, без взаимодействия эволюция начаться бы не могла.
Кроме того, у первых организмов был очень интенсивный обмен генами, так называемый горизонтальный перенос, который тоже представляет собой проявление симбиоза. Потому что фактически, когда два разных организма обмениваются генами, получается, что в одном потомке реализуются наследственные программы двух разных организмов. Это самое обычное явление в мире бактерий, безъядерных организмов, у которых клетка не имеет ядра.
— Как происходила эволюция на самых первых этапах развития жизни?
— Древнейшие следы жизни, которые мы видим в палеонтологической летописи, появляются где-то 3,7-3,8 миллиарда лет назад, но это только химические следы, а уже какие-то макроскопические следы, так называемые строматолиты, они появляются примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это слоистые образования, которые, как сейчас известно, производятся симбиотическими комплексами прокариот. Это фактически был единый организм. Эти сообщества и сейчас сохранились в экстремальных местах обитания, например, в горячих источниках или в пересоленных лагунах. Это такие слоистые коврики вполне макроскопических размеров, толщиной несколько миллиметров или даже сантиметров.
Эти коврики состоят из бактерий. Коврик состоит из несколько слоев различных видов микробов, и все они между собой находятся в симбиозе. В случае микробных сообществ симбиоз позволяет замкнуть биохимические циклы. То есть те продукты, которые выделяют в качестве отходов жизнедеятельности одни микробы, потребляются другими микробами, которые выделяют свои отходы, а эти отходы употребляются третьими, которые в качестве отходов выделяют то, что необходимо первым. Древнейшие микробные сообщества состояли из трех основных компонентов, если очень сильно упрощать. Первое - это фотосинтезирующие организмы, которые использовали энергию солнца, синтезировали органические вещества из углекислого газа. Для этого им был необходим сероводород, а выделяли они в качестве отходов жизнедеятельности сульфаты или серу. Второй компонент – это бродильщики. Бактерии, которые сбраживают органику и выделяют в качестве отходов водород. И так у нас накапливается сульфат и водород. И третий компонент, который замыкал весь этот цикл, так называемые сульфатредукторы. Они брали сульфат и водород и проводили химическую реакцию, за счет этого брали энергию себе, синтезировали органику сами и производили в качестве побочного продукта сероводород, который необходим, соответственно, фотосинтетикам. Вот так получается замкнутый цикл, в котором все друг друга кормят.
— Как возникла клетка?
— Такое сообщество, по-видимому, и стало тем местом, где зародилась сложная клетка, из которой построено наше тело. Начался этот процесс с того, что фотосинтезирующие микробы научились обходиться без сероводорода, стали использовать для восстановления СО2, не сероводород, а воду. При этом в качестве побочного продукта стал выделяться кислород О2. То есть с одной стороны, они получили преимущество, им не нужен сероводород, а вода есть в неограниченном количестве везде. Но с другой стороны, они стали производить кислород, который для тогдашних живых существ был очень сильным ядом. И сегодня для организмов, не приспособленных к этому, это сильный яд. Оказалось, что этот яд - кислород, если его употребить правильно, позволяет с очень большой энергетической выгодой окислять органику. Это гораздо выгоднее, чем брожение. Бактерии, которые научились дышать кислородом, стали митохондриями, а те бактерии, которые их проглотили, стали основой сложной клетки. И так собственно появилась та клетка, из которых сложены тела всех животных и грибов.
Чтобы появилось растительная клетка, произошел еще один акт симбиоза. Эта клетка, которая была с митохондрией, она проглотила следующих симбионтов, те самые бактерии, которые освоили кислородный фотосинтез. Их называют цианобактериями. В добавок к митохондриям они приобрели пластиды, органеллы фотосинтеза, которые происходят от фотосинтезирующих бактерий, а именно цианобактерий.
— Можно сказать, что этот симбиоз привел к разделению животных и растений?
— По сути дела - да. Когда появились первые растительные клетки — это были одноклеточные водоросли, это уже организм, который может существовать практически автономно. Он образовался в результате тройного симбиоза, у него все есть, это как бы маленькая экосистема, которая слилась в единый организм и поплыла себе, она уже самодостаточна. Но она самодостаточна, но она представляла выгодного симбионта для тех, кто еще не был настолько самодостаточен. И их глотали и делали симбионтами другие организмы.
— Иногда выгоднее проглотить, но не съесть, а сделать своим другом.
— Именно так. Проглотить и сделать другом. Это как до человека дошло, что если зерна не съесть сразу, а посадить в землю, то, глядишь, из них больше вырастет. Тот же принцип кооперации. Когда появилась первая сложная клетка, имевшая митохондрии и клеточное ядро, которое появилось, одни думают раньше, другие думают позже, чем митохондрия, для нас это сейчас не столь важно, эта клетка продолжала заглатывать различные бактерии. Если мы посмотрим на современных одноклеточных эукариот - это не бактерии, это одноклеточные механизмы со сложной клеткой, их называют «простейшие» — амебы, инфузории, они все напичканы разными симбиотическими бактериями, которых они используют для самых разных целей.
— Критики дарвинизма говорят: такой сложный организм не может появиться в результате случайных мутаций. Но мы видим, что организмы, быстро усложнялись, входя в симбиоз, и практически из нескольких микробов как из конструктора сложилась клетка.
— Это, пожалуй, основной способ, при помощи которого эволюция создает новую сложность, то есть совершает качественные переходы. Не всегда это симбиоз разных видов. В случае многоклеточных организмов — это одинаковые клетки, но в разной среде они по-разному развиваются.
Но самый общий принцип это – деление, дифференцировка, а потом объединение в новые сложные системы.
