«Великое кольцо»

Вот такое оно, великое кольцо или великий цикл.

В школьном курсе химии (а некоторые - и в школьном курсе биологии) изучали множество разнообразных химических реакций как в мире неорганики, так и в мире органики. Все они в разной степени интересны и в разной степени важны для нас с вами. Скажем, реакция окисления SO₂ в SO₃ важна для химической промышленности, которой нужна серная кислота. Реакция азота с водородом важна промышленности минеральных удобрений, где используется аммиак.
В курсе общей биологии вам достаточно упрощенно рассказывали о том, как в клетках «сжигаются» сахара и что это цикл Кребса (это тоже очень важный цикл). Может быть вы даже успели узнать о том, как и куда в организме расходуются белки и жиры. Но вот что часто упускается в школьном курсе, так это вопросы масштаба биосферы планеты. Ведь тот же цикл Кребса характерен лишь для тех организмов, которые используют кислород, а таких куда меньше, чем всех остальных (хемотрофов, аноксигенных фотосинтетиков и прочих).
В природе существует один цикл, который определяет, без ложной скромности, лицо современной нам планеты. Даже больше - он и является причиной, по которой планета стала такой, какой мы ее видим. Цикл этот глобален. Но не в том понимании, что охватывает всю биосферу, а в том, что цикл этот един для огромной группы организмов, одна из забот которых - связывание неорганического углерода и превращение его в органический субстрат.
Если вы все же не догадались (ничего страшного в этом нет), то речь идет о фотосинтезе. Точнее, о той его части, в которой углекислый газ связывается в органические соединения. Фотосинтез, как таковой (а речь именно о реакциях, происходящих за счет энергии квантов света) не является прерогативой растений. Даже нужно сказать так: растения, как таковые, вообще не способны осуществлять фотосинтез. Возможно, для вас, тех, кто биологию изучал только в школе, это будет откровением, но, если быть строгим и точным, нужно сказать именно так. В чем же дело (и это уже короткое лирическое отсутпление, которое полностью я раскрою отдельным постом)?
А дело в том, что клетки растений содержат особые органойды (обособленные части клетки) - хлоропласты, которые представляют собой ни что иное, как древние симбиотические бактерии, непосредственно близкие к цианобактериям. Вот они-то и осуществляют фотосинтез. Клетка растения без этих органойдов к фотосинтезу не способна. Своих собственных механизмов и приспособлений у нее для этого нет. Пусть хлоропласты и находятся под значительным контролем ядра клетки, но эволюционно они представляют собой самостоятельные организмы.
Так вот, фотосинтез присущ не только высшим растениям. Это умеют делать бактерии, водоросли, мхи и многие другие. И речь идет только об оксигенном фотосинтезе, т. е. о том, в результате которого выделяется кислород. А ведь есть еще и аноксигенный фотосинтез, где никакого кислорода не получается. Этот тип фотосинтеза имеют только бактерии (пурпурные, зеленые и геликобактерии).
Но не смотря на это, все они осуществляют один единственный процесс - связывание углекислого газа в органические соединения, тем самым возвращая углерод обратно в живую природу. А углерод, как вы помните, является важнейшим элементом, без которого жизнь была бы невозможна, а запасы органики на заре развития жизни на Земле быстро истощались.
Цикл Кальвина позволил живым организмам стать во многом, если не полностью, независимыми от имеющейся в окружающей среде органики и синтезировать свою. И только после этого полученные в результате фотосинтеза органические соединения (углеводы) могут быть использованы в других циклах, в том числе и цикле Кребса.
При всем многообразии химических реакций в живых организмах, при огромном количестве разнообразных циклов именно цикл Кальвина является самым определяющим в природе. И одним из самых всеобщих. Не даром главный фермент этого процесса - RuBisCo - имеется в неизменном виде у всех без исключения фотосинтетиков. Именно этот белок присоединяет молекулу углекислого газа к органическому субстрату и запускает продукт этой реакции далее в цикл. И более того, этот фермент является самым распространенным на Земле.

На рисунке в начале поста цикл Кальвина изображен весьма упрощенно, ведь у меня не было цели показать все его реакции, а только проиллюстрировать рассказ о нем. Потому за подробностями вы можете обратиться к любой поисковой системе, которая с большим удовольствием найдет для вас полную схему этого цикла. А я за сим откланиваюсь.

Человек - вирус почти наполовину

Конечно, это ради «красного словца». Но тут есть и достаточно большая капля смысла, без которой сложно обойтись в понимании того, что собой представляет геном, в данном случае - человеческий. Геном человека представлен молекулами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которая организована на самом нижнем уровне в виде двух цепочек, комплиментарных друг другу. Далее двойная молекула сворачивается в спираль, которая затем еще несколько раз упаковывается, добираясь, в конце концов, до уровня хромосом - суть плотно свернутых молекул ДНК. Таким вот образом в крошечное клеточное ядро умещаются молекулы ДНК общей длинной почти 2 метра. Хромосомы - это форма хранения ДНК. Толку от них никакого нет. Чтобы не затягивать эту часть, скажу, что для реализации своей функции - предоставления информации о белках - ДНК должна быть расплетена от хромосом до линейной молекулы. Только тогда механизм транскрипции (чтения последовательности нуклеотидов и перевода ее в последовательность нуклеотидов РНК) может обработать ДНК. А вот теперь о том, что же обрабатывает этот механизм. ДНК человека содержит примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов, которые образуют примерно 20-25 тысяч генов. Но, и это многим известно, не все нуклеотиды принадлежат генам, которые непосредственно кодируют белки или выполняют другие важные функции (например, являются участками регуляции транскрипции). Кодирование белков осуществляет примерно 1,5% всей человеческой ДНК. Причем участники проекта «Геном человека» предполагают, что с совершенствованием методик поиска генов их общее число будет уменьшаться и, скорее всего, не превысит числа генов весьма примитивных организмов. Итак, только 1,5 процента из всех 3 миллиардов пар нуклеотидов хранят информацию о белках. Плюс небольшая доля участков регуляции. А чем же занимается вся остальная ДНК? Следует сказать, что этот вопрос очень долго не давал покоя биологам. ДНК бактерий, например, весьма эффективна и некодирующая часть в ней весьма невелика. А вирусы и вовсе представляют собой практически идеал хранения наследственной информации. Эвкариоты же на этом фоне крайней непрактичны, расточительны и тяжеловесны. Проблема была так актуальна, что ей дали название «С-парадокс» или парадокс избыточности генетического кода. До сих пор С-парадокс является оружием противников эволюционной теории. Надо сказать, это оружие весьма эффективно, особенно против тех, кто не углублялся в молекулярную биологию и не знаком с продвижением науки в этой области. Да, избыточность генетического кода имеет место быть. Но все не так плохо, как кажется. Первым открытием на этом пути стало обнаружение множественных копий генов, разбросанных по всему геному. Получалось, что живые организмы и эвкариоты в том числе приобрели своеобразный механизм защиты от повреждения активных генов — возможность заменять их в случае жесткой необходимости. Как мы делаем несколько копий важного документа, чтобы застраховать себя от потери. Многие гены клонированы неоднократно, но не транскрибируются. Вторым важным шагом стало исследование механизма размножения вирусов. Теперь всем известно, что вирусу для создания собственных копий нужна клетка-хозяин, точнее — ее ДНК, в которую ДНК вируса встраивается при помощи особых ферментов — рестриктаз, которые разрезают ДНК клетки-хозяина и вшивают в нее вирусную молекулу. Таким образом вирус получает возможность размножаться, используя механизм транскрипции и трансляции клетки-хозяина. Ну, а что произойдет, если участок ДНК, куда встроится вирусный геном, окажется поврежден? Скорее всего, он перестанет транскрибироваться либо считываться смогут только некоторые гены, но цельного вируса, которому для построения капсида нужны все белки, не получится. Чем дальше от момента внедрения вирусной ДНК и повреждения этого участка, тем меньше белков будет считываться с него (вполне возможно). В результате вирусная ДНК станет «мусорной» частью генома клетки-хозяина и прибавит к нему несколько сотен или тысяч пар нуклеотидов. Зная это, ученые предприняли поиск таких вирусных вставок в геномах различных организмов. Результаты оказались весьма впечатляющими. В геноме человека обнаружилось около 30000 ретровирусных вставок. Т. е. ДНК каждого человека несет 30000 потенциальных вирусов. Опасаться, правда, не стоит. Вряд ли они вообще когда-нибудь окажутся способны «ожить». Ретровирусы — еще одна интересная группа... сущностей (вирусы назвать живыми в полном смысле нельзя). Их особенность в том, что геном представлен не ДНК, а молекулой РНК (рибонуклеиновой кислоты). И они тоже могут встраиваться в ДНК клетки-хозяина. Но непосредственно РНК в ДНК встроить нельзя. Нужно как-то превратить рибонуклеиновую кислоту в дезоксирибонуклеиновую. И тут никакие чисто химические методы не помогут. Но нашлась лазейка. Существует фермент — обратная транскриптаза (полное название — РНК-зависимая ДНК-полимераза). Она-то и выполняет функцию, совершенно, казалось бы, чуждую эвкариотной клетке — читает последовательность нуклеотидов РНК и переводит ее в последовательность нуклеотидов ДНК. Таким образом на РНК-матрице ретровируса строится обычная ДНК, которая затем и вшивается в ДНК клетки-хозяина. И снова в этом участке может произойти мутация, которая сделает часть вирусного генома или весь его полностью нечитаемым. К ретровирусам, кстати, относится и ВИЧ. Итак, в геноме человека около 30000 ретровирусных фрагментов. Но и они не решают проблемы избыточности генетического кода.

К слову о том, как определяются такие фрагменты: последовательности нуклеотидов, кодирующих белки (особенно жизненно важные), меняются редко и если в геноме обнаружена последовательность, один в один повторяющая таковую в геноме, например, вируса (пусть даже с заменой нескольких нуклеотидов) — такое совпадение случайным не бывает. Ведь сложно предположить, что несколько тысяч или даже десятков тысяч пар оснований выстроились точно также, как они выстроены в сравниваемом образце ДНК или РНК (в случае РНК просто учитывается правило комплиментарности ДНК-РНК).

Следующим откровением для исследователей стало обнаружение в геноме подвижных участков, которым дали название мобильных генетических элементов (МГЭ). Наследственный материал теперь сложно было назвать стабильным. В нем постоянно происходят перемещения участков ДНК. В частности особый интерес представляют так называемые транспозоны — фрагменты ДНК, способные путем cut-paste (вырезать-вставить) перемещаться внутри генома. Обнаружены транспозоны были в 1951 году, но долгое время они практически не принимались во внимание. Их считали скорее исключением, чем правилом. Но позже, как обычно бывает, оказалось, что транспозоны имеют куда больший вес, чем думали ранее. Чтобы переместиться по геному, транспозону необходим особый фермент — транспозаза, который (и это еще более удивительно) кодируется самим транспозоном. Таким образом, транспозон содержит практически все, что необходимо ему для прыжков по геному. Ничего не напоминает? Вскоре были найдены и особые транспозоны, которые не умели перемещаться методом cut-paste. Для них имеется другой метод — copy-paste (копировать-вставить). Копирование такого транспозона происходит следующим образом: с участка ДНК транспозона считывается последовательность нуклеотидов и переводится в последовательность нуклеотидов РНК. А далее — путем обратной транскрипции с РНК снова читается ДНК и уже она встраивается обратно в геном. Потому такие транспозоны назвали ретротранспозонами. Сделаем паузу. Механизм обратной транскрипции выше мы уже видели у ретровирусов. В отношении молекулярных механизмов вообще сложно говорить о случайных совпадениях. Не тот случай. И получается, что ретротранспозоны — ближайшие аналоги ретровирусов. Аналоги потому, что не ясно, кто от кого произошел. То ли ретротранспозоны — это упрощенные ретровирусы, то ли ретровирусы — это ретротранспозоны, которые смогли обрести некоторую самостоятельность. Вторая гипотеза привлекательнее, т. к. объясняет не только происхождение вирусов, но и многие их свойства. В любом случае — это в данном контексте не столь важно. Куда важнее объем, занимаемый транспозонами обоих типов в геноме (в данном случае — человека). Итак, на ретротранспозоны и их фрагменты в геноме человека приходится... 42% и еще примерно 3% занимают транспозоны. Как вам нравится почти на половину являться вирусом? Точнее — кучей вирусов и недовирусов? Конечно, как я и говорил, это сильное упрощение, сделанное ради красивого названия. На самом деле — никакими вирусными свойствами транспозоны не обладают. Даже наоборот, играют весьма важную роль в геноме организмов. В частности, они могут использоваться при горизонтальном переносе, о котором мы уже говорили. Многие транспозоны выполняют регуляторную функцию, управляя считыванием с генов, тем самым обеспечивая определенные качественные реакции организмов на изменения в окружающей среде. Конечно, не только положительную роль играют МГЭ, но отрицательное их влияние перекрывается положительным. Например, не стоит думать, что МГЭ не подконтрольны эвкариотной клетке. Наоборот, все перемещения по геному в значительной степени управляемы, а регуляция активности МГЭ замкнута в сложные контуры обратной связи, что немедленно отражается на характере их поведения. Но механизмы эти, скорее всего, являются своеобразным ответом эвкариот на «замусоривание» своих геномов. Одна из гипотез (и она вполне хороша) определяет появление МГЭ, как следствие отсутствия у первых ядерных организмов каких-либо механизмов управления собственными геномами или их малой эффективностью. Поэтому в первый период существования эвкариот в их геномах творилась настоящая каша и МГЭ чувствовали себя вполне вольготно. Особенно хорошо было именно ретротранспозонам, ведь они копируют себя, а потому, в отсутствии контроля, расползлись по всему геному. Однако эвкариоты «придумали» им применение и превратили многие транспозоны из вредителей в помощников, «наделив» их полезным функционалом или, скорее, пристроив уже имеющийся у них функционал. Ведь для эволюции не характерно обдумывание. Она хватает полезную находку и далее тиражирует ее до тех пор, пока не найдет лучшую и даже после этого старая еще может функционировать длительное время. Обнаружение МГЭ поставило больше вопросов, чем дало ответов. Но самым важным ответом был следующий — в геноме ничего не лежит без дела. Каждый участок для чего-то нужен, чем-то заведует или что-то хранит. Именно поэтому нельзя говорить, что такой организм, как человек, определяется всего лишь 1,5 процентами своей ДНК. Нет, он определен всей своей наследственной информацией, даже той ее частью, которая, вроде бы, при первом взгляде никакого смысла не несет. Ну, а «родителей» не выбирают. Что досталось нам от наших предков, тем и располагаем. А досталась нам «избыточная» ДНК, наполненная вирусами и прочим мусором, который, как теперь становится понятно, вовсе не такой уж и бесполезный.

Неклассическая эволюция

Школа - рассадник стереотипов. Причем, таких крепких, что вышибание их из голов может превратиться в стрельбу тяжелыми снарядами. Впрочем, школа-то и не виновата. Повинны, скорее всего, те, кто ответственнен за выпуск школьных учебников по биологии. И не только школьных, но и университетских. Возраст в десяток лет уже ставит на учебнике печать «хлам» и «архивные материалы». Такие книги актуально использовать для «расширения кругозора». Актуальной информации с каждым годом в них становится все меньше. На мой взгляд замена учебников должна производиться не реже, чем раз в 3-4 года. А их подготовку поручит ведущим ученым, причем сразу нескольким, из разных школ и с разными взглядами. Пусть они найдут общий знаменатель и выпустят хороший учебник. Преамбула закончена.
Из школьного учебника мы все усваиваем понятие эволюции. Каждый в своей степени и каждый на разном уровне его понимает. Но всем известна картинка, иллюстрирующая этот феномен. Обычно рисуется что-то подобное:



Приживается эта картинка моментально. Ведь все логично, красиво и древовидно. И из этой картинки прочно усваивается следующий вывод: ветви, разошедшись однажды, уже никогда не сходятся. Но я, например, закончил школу почти 11 лет назад. Наш учебник, даже если бы был новым на тот момент, уже получил бы гриф «архивный материал». Но учебнику был уже десяток лет. А потому уже тогда он явно не являлся актуальным. И такое явление, как горизонтальный перенос генов в нем, как помню, совсем не освещался. О переносе генов мы узнали только в институте.
Суть такова: кусочки генома одних организмов могут переноситься и встраиваться в геномы других, где с них начинается транскрипция и далее - трансляция. Таким образом в геном организма могут быть занесены весьма полезные гены (впрочем, и бесполезные и опасные тоже могут попасть). Организм, таким образом, приобретает важные в эволюционном плане свойства «даром». Не всегда, конечно, полученные таким образом гены дают выигрыш, но бывают и такие случаи. Так, например, есть вполне обоснованное мнение, что эвкариоты появились во многом благодаря такому переносу.
В природе горизонтальным переносом особенно любять баловаться прокариоты. Есть даже точка зрения, что в определенном смысле всех прокариот можно считать одним супервидом с высокой степенью вариативности. В такой степени у них развит горизонтальный обмен генами. Оно и понятно, ведь настоящего полового процесса, который разнообразит генотип потомства, у бактерий нет. Вот они и нашли себе способ обойти это ограничение. После открытия горизонтального переноса генов встал вопрос, а могут ли эвкариоты использовать этот способ обмена генетической информацией? Принципиального ограничения на это не существует. Генотип организован в общем одинаково. ДНК прокариот практически ничем не отличается от ДНК эвкариот, кроме, разве что, способов компактизации (у прокариот нет хоромосом, а существует одна большая молекула ДНК - нуклеосома, которая не отделена от внутренней среды клетки ничем.
Однако, как показывает практика, эвкариоты выработали куда более сложные механизмы работы со своим генетическим материалом, намного более совершенные способы его хранения и использования. Среди этих приспособлений есть и такие, которые контролируют внедрение чужеродных фрагментов ДНК в собственный геном. Существует также и много способов контроля уже встроенных генов. У каждого из них существует множество регуляторов экспрессии и считывания, а сам процесс транскрипции строго детерминирован. Потому перенос генов от организма к организму весьма затруднен.
Однако на практике все оказывается не так, как в теории и эвкариоты все же позволяют горизонтальный перенос. В геноме многих эвкариот найдены гены, которые присутствуют у бактерий (при этом исключены гены, контролирующие работу органелл). Пути их попадания в общем ясны. Потому и никаких критических ограничений на обмен генетической информацией между эвкариотами, равно как и между прокариотами и ядерными нет. После этого открытия ученых занитересовал вопрос о том, как в таком свете будет выглядеть дерево эволюции живых организмов. После анализа многочисленных геномов было построено несколько вариантов таких деревьев. Одно из них выглядит так:



Теперь изолированные ветви оказались соединены между собой многочисленными связями и даже крупные таксоны, получается, не столь изолированы друг от друга, как казалось раньше. С такой позиции вся эволюция предстает несколько иначе. Ведь теперь нет особых ограничений на своеобразный «обмен опытом» между разошедшимися группами. Т. е. существует возможность передачи успешных эволюционных приобретений между ветвями дерева. А это значительно упрощает и ускоряет эволюционный процесс. Нет необходимости в многократном повторении путей эволюции для достижения тех же результатов, что и в другой ветви.
Конечно, процесс массированного обмена генетической информацией в мире эвкариот уже давно закончился, но успел сыграть свою значительную роль в формировании основных групп эвкариот. Кроме того, в настоящий момент до конца не ясен масштаб такого обмена у современных ядерных, но при этом есть все основания полагать, что он играет весьма существенную роль и нет никаких причин сбрасывать его со счетов.
В любом случае горизонтальный перенос сильно изменил взгляды на историю жизни на Земле. А сами живые организмы теперь уже не кажутся столь обособленными. Между ними будто местами убрали барьеры, которые расставляли биологи прошлого. Многое в этом вопросе еще не ясно, но уже сделаны первые наброски будущей картины, которая, как и многие другие, позволит прояснить не только пути эволюции жизни, но и ее современную систему и, в значительной степени, ее дальнейшую судьбу.

Великий симбиоз - Великая неизбежность

Мы уже говорили о том, что симбиоз в природе распространен гораздо шире, чем можно было бы предположить, исходя из школьной программы. Что он принимает самые неожиданные формы и что вряд ли найдется существо, которое можно было без натяжки и допущения назвать индивидуальным. Даже если существо, пусть и одноклеточное, не имеет прямых симбионтов, оно живет в тесном взаимодействии с другими существами. Но есть одно обстоятельство, о котором в школе не говорят. Нет, это не тайна, не секрет биологов, тем более — не священная корова всей биологической науки. Это просто материал «вне школьной программы». Почему-то даже в институте об этом говорят скудно и совсем мимоходом. Мы все знаем, чем прокариотная клетка отличается от эвкариотной (название «эукариоты» более привычно для слуха просто потому, что это позвучное прочтение eucariotes, пришедшее из английского языка, но мы не говорим Еугений, Еуклид, Еуропа и т. д. — и тут снова спасибо Александру Маркову). Если забыли, то у эвкариот есть оформленное клеточное ядро (прежде всего). Другие отличия касаются устройства мембран органойдов и самой клетки. Мембраны многих органойдов двойные, а клетка таким образом разделена на отдельные части — компартменты — которые позволяют изолировать различные процессы внутри одной клетки друг от друга. Среди наиболее известных органелл можно упомянуть аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум (ЭПР), вакуоли, рибосомы, центриоли, везикулы, митохондрии, хлоропласты и, конечно же, само ядро. Вот эти три последние органеллы (митохондрии, хлоропласты и ядро) и не дают покоя. Прежде всего нет ясности, с чего бы это вдруг клетка прокариотного организма обзавеласть ядром, в которое спрятала свою ДНК. Потом возникает вопрос: митохондрии и хлоропласты по уровню своей организации куда сложнее, чем остальные органеллы и, что уж совсем удивительно, содержат собственные кольцевые ДНК. Об этом упоминают в школе, но забывают акцентировать здесь внимание и в дальнейшем связать с другими знаниями, получаемыми в курсе общей биологии. Так и повисают митохондрии, как подводные лодки или туфельки в сознании ученика, производящие энергию для клетки, а хлоропласты — вообще чем-то непонятным, служащим для фотосинтеза. Клеточное ядро же изначально подается, как центр всей клетки, руководящий ее жизнедеятельностью. Потом изучается механизм транскрипции и трансляции и всё, все довольны. Вроде бы все ясно. А суть вопроса осталась за бортом. А мы с вами давайте разберемся чуть подробнее, чем это нужно. И начнем с того, что заберемся в глубины клетки и вскроем эти самые митохондрии, хлоропласты и ядро. Каждый следующий из трех постов будет посвящен одной из трех «проблемных» органелл, а здесь я по мере готовности этих отдельных «лирических отступлений» поставлю ссылки на соответствующие темы.

Великий симбиоз

По мотивам одноименной главы в книге «Рождение сложности» Александра Маркова.


Мы все со школьной скамьи привыкли к тому, что весь процесс развития живого, его движения к сложности — это борьба за существование, конкуренция и отбор. Так было написано в учебнике биологии 10-11 классов. И все прочно усвоили, что без конкуренции и борьбы никакой эволюции не будет. Мысль эта столь прочно сидит в голове, что ее даже экстраполируют на многие другие области деятельности. Что стоит одно «вечное»: жизнь — это борьба. Осталось понять — борьба с кем или с чем. Ну, да это и не важно. Если жизнь, значит — борьба, значит — конкуренция и отбор. В институте приходится отучать студентов от этой мысли.
Вне всяких сомнений, что конкуренция и борьба в природе имеется. Без этого никуда. Но масштабы этой конкуренции несоизмеримы с масштабами другого, полностью противоположного явления. Называется оно симбиозом. И снова стоит обратиться к школьному учебнику, в котором дано, в общем-то, вполне сносное определение этого явления, как взаимовыгодного сосуществования организмов. И в пример тут же приводятся опять же вполне сносные лишайники и микориза. «Вполне сносные» здесь значит, что для первичного понимания сути симбиоза этого достаточно. На этих примерах показывается, как два совершенно различных организма (из разных царств) сосуществуют вместе и приносят друг другу определенную пользу. Иногда можно встретить пример жвачных животных, у которых в кишечнике живут бактерии, способные к перевариванию клетчатки. Собственно, этим все и заканчивается. Этими примерами и формируется представление о симбиозе. К сожалению, крайне скудное. В полном объеме оно дается только в курсе биологических дисциплин университетов, да и там всей широты не показывается.
Симбиоз — явление куда более распространенное, чем можно представить. Александр Марков справедливо указывает, что в природе вряд ли можно найти организм, который без натяжек можно было бы назвать индивидуальным. Т. е. таким, который сам справляется с обеспечением своей жизнедеятельности, без помощи симбионтов. Даже там, где мы привыкли видеть таких индивидуалов, скорее всего, на самом деле, мы имеем дело с системами симбиотических организмов. Далеко ходить не надо, достаточно посмотреть в зеркало. Человек тоже не может жить полноценно без микрофлоры кишечника.
Удивительно, но наиболее успешные организмы как раз и являются симбиотическими системами с высокой степенью симбиоза. Возьмите, хотя бы, тлей, которые так докучают садоводам. Питаются они исключительно соками растений и больше ничем. Строгая диета из водички с углеводами. Других питательных веществ в соке особо-то и нет. В любом случае их крайне недостаточно для полноценной жизнедеятельности. Но тли быстро растут и размножаются. Равно и клопы, которые тоже питаются соком растений. И те, и другие имеют в своей пищеварительной системе симбиотических бактерий. У тлей это зашло дальше и теперь бактерии (Buchnera) живут не просто в пищеварительной системе, а в специализированных клетках. Как и многие другие симбиотические организмы, бухнера может жить только в организме хозяина. Она потеряла независимостьи ее геном резко сократился и потерял пластичность. Но это по-прежнему симбиот, т. к. он производит для организма хозяина аминокислоты, витамины и много другое, что из сока растений тли получить никак не могут. А тли дают бухнере убежище и создают для нее благоприятные условия проживания. Симбиоз в этом случае достиг такой степени, что симбиотическая бактерия стала едва ли не органойдом клетки... Но тут я сделаю паузу и эту тему вынесу в отдельный пост. Слишком уж она обширна.
Термиты, муравьи, черви (особенно те, которые обитают в глубинах океанов), даже высшие млекопитающие — в природе везде мы найдем примеры симбиоза, который, вроде бы, не укладывается в «школьное» понимание эволюции, как прцесса борьбы и конкуренции. Повсюду мы видим обратное — стремление к организации сложных связей между совершенно различными организмами. И не удивительно, что биологи полагают, что даже растения смогли выйти на сушу только благодаря симбиозу с грибами, который и сейчас имеет место быть и распространен гораздо шире, чем мы можем узнать из школьной программы. К примеру, орхидеи, которые нам столь хорошо знакомы и столь любимы многими за свои необычные цветы. Семена орхидей настолько малы, что больше похожи на пыль, а запас питательных веществ в них крайне скуден. Чтобы преодолеть это препятствие, семена орхидей после попадания в почву обзаводятся спутником в виде мицелия грибов, различных для разных видов орхидей. Грибы и снабжают молодое растение всем, что ему необходимо, пока оно не сможет самостоятельно добывать питательные вещества из почвы. А про клубеньковые бактерии-азотфиксаторы у бобовых мы все слышали.

Так что стоит переосмыслить свои взгляды на эволюцию и отказаться от «школьного» понимания этого процесса, на чем часто играют разнообразные любители покритиковать современную науку, ставя в качестве аргумента такой: терия эволюции оправдывает расизм, говоря, что процветание возможно только для сильных, а слабые и неполноценные должны вымирать. А в природе все оказывается, как всегда, совсем иначе. И борьба слабого с сильным тоже имеет место, но не совсем ясно, кто же сильный, а кто слабый. Потому нам стоило бы поучиться у природы, где при любой возможности организмы образуют между собой связи, плотно сплетающие их обоих, даже не смотря на то, что каждому из них приходится чем-то жертвовать для общего блага. Ну, и не только политикам стоит присмотреться к этому процессу, но и каждому есть, что почерпнуть, научиться понимать природу несколько иначе, с другой стороны, с изнанки. А через это научиться понимать себя. Ведь Великий симбиоз — одна из основ жизни на Земле.

Несистемная эволюция систем

 Давно хотел об этом написать. Но все как-то не хватало времени. Теперь вот будем рассуждать об эволюции с системного ракурса. До этого мы касались отдельных проблем и аспектов теории эволюции, практически никогда не рассматривая организм, как систему. А что такое - система? Кратко и просто - множество взаимодействующих и взаимозависящих компонентов, каждый из которых сам по себе не имеет тех функций, которые имеет система этих компонентов.
В живом организме, который уже сам является системой, существует множество систем. Одни можно выделить четко, например, нервная, кровеносная, пищеварительная. Другие выделяются лишь функционально, к ним, в частности, относится эндокринная система. Рецепторная система тоже выделяется исключительно функционально, ибо все органы восприятия устроены различно. Но все эти системы, и явные и не явные, исключительно функциональные, объединяет одно - все их компоненты работают согласовано и зависят друг от друга.
Логично, что всякие изменения одного компонента системы так или иначе скажутся на других. А это повлечет за собой каскад изменений, что представляет собой лишь одну сторону вопроса. Вторая, менее очевидная сторона касается глобальной эволюции организмов и часто не принимается во внимание критиками эволюционной теории. Да, мы снова возвращаемся к критике, чтобы лишний раз показать, что собственно критиковать ТЭ могут только те, кто плохо знаком с основами биологии, да и вообще науки. Понятие системы стало одним из самых фундаментальных в науке очень давно, но вот вульгарным оно стало совсем недавно (кстати, вульгарный в переводе с латыни - обыкновенный). Т. е. термин "система" сейчас в речи часто теряет свое содержание и от того упускается из виду его огромное значение. А между тем применять этот термин необходимо с пониманием его сути, а не как попало.
Но вернемся к теме эволюции. Одной из мышц, которой поигрывают критики, является "проблема" эволюции такого органа, как глаз. Упор делается на невозможности случайного появления глаза ввиду его чрезвычайно сложного устройства, которое при все при том является исключительно эффективным. Не останавливает критиков даже тот факт, что в животном мире совершенно независимо сформировались целых три типа сложно устроенных глаз, которые между собой схожи, разве что, функционально. Это глаза позвоночных, моллюсков и членистоногих. Другие формы органа зрения и перечесть трудно, их достаточно много. Три разных системы, которые выполняют схожие функции. Если глаза членистоногих не достигли такой сложности, как у позвоночных и представляют собой по сути множество простых глазков (омматдиев), которые постепенно сближались и образовали сложный фасеточный глаз, то глаза головоногих моллюсков крайне схожи с глазами, например, млекопитающих. Даже если принять во внимание, что развитие любого глаза запускается одним единственным геном у всех организмов (по крайней мере эти гены в высокой степени гомологичны).
Но это пусть будет ответом на поигрывание мышцами. Тем не менее, понятие "система" тут проходит красной строкой. Глаз - система, в которой ничто не может эволюционировать отдельно. Каждый компонент изменяется согласованно. В то же самое время глаз - это один из компонентов системы восприятия, отвечающий за зрение. А за ним стоит центральная нервная система, которая обрабатывает поток информации от глаза. А за нервной системой стоит кровеносная, которая обеспечивает нервную кислородом (нейроны мозга, как мы знаем, весьма чувствительны к его недостатку) и питательными веществами. А за кровеносной стоит дыхательная, а за ней - рецепторная, а там и мышечная и так далее, тому подобное.
Биологи рассматривают эволюцию отдельного органа исключительно для того, чтобы сосредоточиться на нем, а не распылять усилия. Но в контексте системного подхода мы должны обратить внимание на согласованную эволюцию компонентов. За примерами ходить далеко не нужно. Для этого можно даже придумать для себя гипотетический вид, модельную систему, на которой и будем обкатывать наш подход.
Создадим популяцию хищников, пусть они будут четвероногими дневными, среднего размера, например с крупную собаку. Мы знаем, что каждый признак, будь то внешний или любой другой, имеет определенную степень изменчивости - вариативность. Давайте в качестве отправной точки примем такой признак, как содержание гемоглобина в крови. Признак, вроде бы, не существенный, у каждого из нас этот показатель различен и у всех на слуху фраза "гемоглобин низкий" (а кто знает, какова норма для каждого человека). Пусть в популяции все произошло по законам Менделя (для простоты понимания) и во втором поколении появились три группы особоей: с низким уровнем, нормальным и повышенным.
Наши модели - активные хищники. Значит, добычу они загоняют. Значит, нужно двигаться и двигаться быстро. Что определяет скорость движения? Правильно, развитие мускулатуры (ну, там относительные размеры костей скелета, его устройство и т. д., но мы-то полагаем, что у всех особей эти параметры одинаковы). Несколько успешнее будут те особи, которые бегают быстрее, их мышцы получают несколько больше кислорода, а вымывание продуктов обмена происходит активнее. Пусть через несколько поколений это преимущество закрепится. Кровь теперь переносит больше кислорода. Следовательно, те системы, которые особо нуждаются в кислороде, получают возможность немного увеличить свою "производительность" (за счет увеличения объема, усложнения структуры и т. д.). Мышцы теперь могут быть крупнее, работать быстрее, что еще добавляет преимущества особям. Теперь можно бежать быстрее, а тут опять выиграет тот, у кого кровь интенсивнее снабжает мышцы кислородом и питательными веществами (не забываем, что пока наши особи принадлежат к одному виду и, возможно, к одной популяции). Чем быстрее бегает хищник, тем быстрее убегает жертва. Чтобы поймать ее, теперь уже не достаточно просто скорости. Нужно строить простые логические цепочки, уметь разрабатывать тактику, пусть и простую, но эффективную. А кто выигрывает в этом случае? Правильно, те, у кого ЦНС работает эффективнее. А у нас уже есть плацдарм для ее развития и усложнения - кровь, которая переносит много кислорода и питательных веществ. Теперь наши модели не только быстро бегают, но и прекрасно координируют свои действия и даже умеют думать "наперед".
А если есть развитый мозг, значит он способен не только координировать тело, но и работать с более сложными сигналами, например, с визуальной информацией, с информацией от носа, ушей (или органов все это заменяющих). А кто получит преимущество? Верно, те, у кого глаз несколько лучше видит, ухо - слышит, а нос чувствует запахи. А у кого вся эта информация будет обрабатываться тщательнее? Опять верно, у тех, у кого мозг развит. А кого он будет более развит?... Ну и так далее.
Можно углубиться в одну систему, например, в эндокринную и посмотреть, что делается там. А там тоже все будет работать схожим образом, ведь кроме нервной регуляции есть еще и тесно связанная с ней система более медленной гуморальной регуляции. Т. е. тут регуляторные функции выполняются с помощью секретов. Чем больше функций исполняется в регулируемых системах, тем больше будет регуляторов, тем избирательнее будет их действие, тем сложнее будет устроена система желез внутренней секреции, тем более точной она будет. В ответ ткани и клетки-мишени будут избирательнее реагировать на регуляторы, тем более специфичной будет реакция, тем меньше количества секрета потребуются для ответа.
Ни один организм не развивается по частям. Только как целое, как система. Об этом нельзя забывать и потому, что такое упущение приводит к весьма странным вопросам вроде "а откуда появился глаз, ведь сам он случайно появиться не мог, это очень сложный орган".  Это не просто орган, это система компонентов, которые развивались строго согласовано. А если наложить этот системный подход на идею об эволюции функций, которая была рассмотрена нами ранее, станет ясно, что эволюция работает не над отдельным органом, а над системой, над всем организмом, лишь отдавая предпочтение наиболее необходимому признаку. За эволюцией одного признака тянется вереница изменений в других, которые потянут за собой следующие. И так всегда и везде, вплоть до эволюции высшей нервной деятельности.
Биологическая наука прошла долгий путь от первоначальных представлений об изменчивости организмов до сложной системы знаний, которые представляет собой современная синтетическая теория эволюции. От мифов о том, что все в мире сотворено Творцом с некоей целью и замыслом, к понимаю того, что природа, по сути, идет вслепую, методом перебора, выбраковки и утверждения. Но никогда не ошибается в каждом конкретном случае. Эволюция не имеет цели, не имеет системы в отношении своей работы, она бессистемна, бесцельна, но направлена и идет только вперед. Лишь на ближайшую перспективу у нее находится решение. Чуть дальше, и снова начинаются поиски и эксперименты. Но никогда не бывает такого, чтобы она ошиблась. Бессистемный поиск, приводящий в систематическому успеху - вот та характеристика, которую я бы дал процессу эволюции.

Кембрийский взрыв - персоналии

 

Это вот многоногое существо, обитавшее непосредственно во времена знаменитого кембрийского взрыва, зовется микродиктионом (не путать с водорослью). Интересно, что четко классифицировать ее не получается. Впрочем, как и множество других ископаемых. Но эта оригинальнее других. Кто она? Предок членистоногих, перипатусов или еще одна тупиковая форма?