«Да пребудет с тобой Сила!»
Что такое Сила? Согласно учению благородных рыцарей-джедаев из знаменитого фильма «Звёздные войны», Сила – это результат действия микроскопических существ под названием «мидихлорианы». Эти крошечные организмы живут в каждой клетке и едва различимы даже под самым сильным микроскопом. Все джедаи находятся в симбиотических отношениях с мидихлорианами – они взаимно помогают друг другу. Без мидихлорианов жизнь просто не могла бы существовать, а у джедаев не было бы Силы. Самый высокий уровень мидихлорианов был у Энакина Скайуокера – в каждой его клетке их насчитывалось более 20 тысяч. Если вы фанат «Звёздных войн», то легко поймёте, о чём идёт речь.
Но позвольте представиться: я – митохондрия. Джордж Лукас в своём фильме переименовал меня в «мидихлориана». И хотя это звучит немного забавно, сама идея была довольно остроумной. Я – маленькая, но мощная электростанция внутри ваших клеток.
Мой путь начался миллиарды лет назад в первобытном мире. Моя история – это повествование о переменах, выживании и о том, как зародилась сама жизнь в её привычной для вас форме. Кроме того, это тайная история секса и смерти.
Давайте вместе перенесёмся в те времена, когда Земля была ещё совсем молодой, а жизнь на ней только-только начинала формироваться. Мы с вами станем свидетелями одного из важнейших событий во всей истории жизни на Земле.
Всё началось с того, что меня поглотила одна бактерия…
Около 3,8 миллиарда лет назад в одном из укромных уголков безбрежного земного океана появился LUCA. Это название, звучащее как имя персонажа из «Звёздных войн», на самом деле расшифровывается как последний универсальный общий предок (Last Universal Common Ancestor) всех современных живых существ на Земле.
Позже от LUCA произошли два больших биологических домена: бактерии и археи. Если вас немного смущает слово «домен» в этом контексте, не переживайте. Просто это самый высокий уровень в биологической классификации, добавленный к традиционной системе Карла Линнея «вид – род – семейство – отряд – класс – тип – царство».
Современные учёные добавили на вершину этой иерархии домен, и система квалификации стала выглядеть так: «вид – род – семейство – отряд – класс – тип – царство – домен».
От LUCA произошли бактерии и археи. Не стоит ошибочно думать, что археи из-за корня «арх-», переводящегося как «древность», являются более ранней формой жизни, нежели бактерии. В некоторых отношениях археи больше похожи на бактерии, а в чём-то больше напоминают человеческие клетки. И бактерии, и археи – одноклеточные организмы без ядра, то есть прокариоты. В их клетках нет ядра, окружённого хранящей ДНК мембраной, и нет сложных органелл, таких как митохондрии.
В те времена, когда существовали только прокариоты, большинство бактерий были анаэробными. Слово «анаэробный» буквально означает «испытывающий отвращение к воздуху», а под воздухом в данном случае подразумевается кислород. То есть анаэробные бактерии не могут использовать кислород и получают энергию за счёт брожения (ферментации), которое гораздо менее эффективно, чем кислородное дыхание.
Я же, митохондрия, когда-то была аэробной археей[69]. Аэробный означает «любящий воздух», то есть кислород. Благодаря этому способу дыхания я могла вырабатывать гораздо больше энергии. Если ферментация производит всего 2 АТФ (энергетической «валюты» клетки), то аэробное дыхание даёт целых 32 АТФ.
Анаэробным бактериям было выгодно находиться рядом с аэробными археями. Дело в том, что кислород не только бесполезен для анаэробных бактерий при производстве энергии, но даже разрушает их гены и белки. Когда же рядом были аэробные археи, они перерабатывали кислород, что помогало бактериям выжить. Однако не всегда отношения были такими дружественными. Если ресурсов становилось слишком мало, анаэробные бактерии иногда просто «съедали» находящиеся поблизости аэробные археи. Ведь голод не тётка.
Решающий день в истории жизни наступил, когда одна анаэробная бактерия, будучи не в силах сдержать голод, проглотила несколько аэробных архей. Но – о чудо – аэробные археи на этот раз не переварились! Вместо этого они остались жить внутри анаэробной бактерии. И это оказалось выгодно для обеих сторон. Анаэробная бактерия получила защиту от кислорода, потому что её новые «жильцы» теперь его перерабатывали. Кроме того, у бактерии появился доступ к большому количеству энергии, которую производили аэробные археи. Для самих аэробных архей такое положение дел тоже оказалось выгодным – они могли переложить на бактерию-хозяина множество функций по выживанию, сосредоточившись только на выработке энергии. Так зародился симбиоз между анаэробами и аэробными археями.
Митохондрии в лёгочной ткани млекопитающих, увеличенные под микроскопом. Эти органеллы отвечают за дыхание и производство энергии в клетке
Аэробные археи, оказавшись внутри бактерии, со временем изменились и стали тем, что мы сегодня называем митохондриями.
Симбиоз прокариотических клеток не был разовым событием. В этом процессе участвовали разные бактерии и археи, и в результате они превратились в нечто новое. Симбиотические организмы стали совершенно новыми существами – эукариотами. Доказательства бактериального симбиоза сохранились до наших дней: ДНК, находящаяся в ядре клетки, и ДНК внутри митохондрий совершенно разные, а митохондриальная ДНК передаётся только по материнской линии.
Прокариотическая клетка – это, по сути, один «мешочек». Её ДНК просто плавает в цитоплазме. Все процессы в такой клетке происходят в одном пространстве, потому что у неё нет ядерной мембраны. Именно поэтому такие организмы называют прокариотами. Но у эукариот всё иначе. Как видно из их названия, у них есть настоящее ядро. Их генетический материал спрятан в отдельный «мешочек» – ядро, окружённое ядерной оболочкой. Если у клетки есть ядерная мембрана – значит, перед нами эукариот.
Но это ещё не всё. В эукариотических клетках, помимо ядерной мембраны и митохондрий, есть и другие органеллы в форме мешочков, такие как эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи. Каждая из этих структур выполняет свою задачу. Изначально органеллы были самостоятельными бактериями или археями, которые потом вступили в симбиотические отношения и стали частью эукариотической клетки.[70]
Благодаря этим органеллам эукариоты смогли делать то, что прокариотам и не снилось. И главная заслуга в этом – моя, митохондрии. Я вырабатываю огромное количество энергии, которой эукариотическая клетка может распоряжаться, чтобы поддерживать сложную структуру и выполнять более сложные биологические процессы. Питательные вещества усваиваются лучше, отходы удаляются эффективнее. И всё это благодаря мне. Без меня специализированные органеллы просто не смогли бы функционировать должным образом.
Бактерии и археи произошли от LUKA – общего предка всех живых существ. Долгое время эти две группы развивались отдельно, но затем их пути снова пересеклись, и появился FECA – First Eukaryotic Common Ancestor, то есть первый общий предок эукариот. Так завершилось формирование трёх доменов жизни: бактерии, археи и эукариоты. Это случилось примерно 2 миллиарда лет назад.
Когда я, митохондрия, начала вырабатывать большое количество энергии, эукариоты пошли ещё дальше – они стали объединяться в многоклеточные организмы. Не удовлетворившись специализацией органелл, они перешли к специализации целых клеток. Так одноклеточная жизнь уступила место многоклеточной. Это произошло примерно 1,5 миллиарда лет назад.
В многоклеточном организме клетки распределили между собой разные функции. Одни отвечали за передвижение, другие – за восприятие окружающей среды, третьи – за защиту, а четвёртые – за питание. Со временем клетки, выполнявшие одну и ту же задачу, стали объединяться в ткани, ткани – в органы, а органы – в целые системы.
Так возникли водоросли, грибы и первые прародители будущих растений и животных. С появлением разнообразных эукариот ареал обитания жизни расширился от океанских глубин до горных вершин. Конечно, для этого понадобилось ещё несколько сотен миллионов лет.
Благодаря митохондриям эукариоты эволюционировали и подготовились к превращению в животных и растения. Ареал обитания жизни расширился от океанских глубин до горных вершин, что привело к формированию современного облика природы
Но всё началось именно с меня, потому что я стояла у самых истоков этого процесса. Благодаря мне – крошечной митохондрии – стало возможным появление и развитие жизни на нашей планете.
На заре жизни секса не существовало, потому что не было ни самцов, ни самок. Всё размножение происходило бесполым путём. Если условия были благоприятными, клетки просто делились. Одна клетка превращалась в две. Неважно, становилась ли одна клетка двумя или две становились четырьмя, – генетических различий между исходной клеткой и её копиями не было. Потомков как таковых тоже не существовало. Ведь если одна клетка делится на две, то кто из них родитель, а кто ребёнок? Это был бесконечный цикл скучного однообразного самокопирования.
Эукариоты тоже могли размножаться бесполым способом. Однако половое размножение давало важные эволюционные преимущества – устойчивость к изменениям и генетическое разнообразие. Поэтому в ходе эволюции природа стала отдавать предпочтение организмам, способным к половому размножению. Но эти преимущества не появились просто так – они достались дорогой ценой.
Бесполое размножение не требует особых затрат. Вам не нужно искать партнёра. Не нужно тратить силы на то, чтобы хорошо выглядеть, дарить подарки или биться насмерть с соперниками за право спариться с партнёршей. Просто клонируй себя – и готово. Это очень экономичный и безопасный способ размножения. А вот половое размножение требует огромных затрат. Во-первых, две особи должны были найти друг друга, что в этом огромном мире не так-то просто. Во-вторых, даже встретившись, им нужно было понравиться друг другу. Ну и в-третьих, обычно приходится конкурировать с другими претендентами.
Это касается не только крупных видимых организмов, но и простых многоклеточных существ. Как найти пару? Как избежать постоянных блужданий в поисках партнёра? Решение нашлось: вместо того чтобы передвигаться целиком, организм стал выпускать специализированных одноклеточных «представителей», которым делегировалась возможность спаривания. Так появились гаметы – клетки-партнёры для полового размножения. Они искали друг друга и объединялись, давая начало новому организму. Вот так и был сделан первый шаг к сексу.
Первые эукариоты экспериментировали с различными типами гамет. Однако природа отобрала организмы с самыми эффективными из них – сперматозоидами и яйцеклетками. Почему именно эта комбинация оказалась оптимальной? Почему, например, сперматозоиды не могут оплодотворять друг друга, а яйцеклетки – соединяться между собой?
Для начала давайте определим, что такое самец и самка. Если организм производит сперматозоиды, он считается самцом, а если яйцеклетки – самкой. Сперматозоиды – это гаметы, которые имеют небольшие размеры, обладают подвижностью, но содержат только необходимый минимум питательных веществ, достаточный для того, чтобы добраться до яйцеклетки. Яйцеклетки, напротив, представляют собой более крупные гаметы, которые сами по себе неподвижны, но содержат достаточно питательных веществ для развития зародыша после оплодотворения.
Комбинация двух сперматозоидов имела бы высокие шансы на встречу благодаря их подвижности, но в ней отсутствовали бы необходимые для развития организма питательные вещества. А пара из двух яйцеклеток, хотя и обладала бы бо́льшим запасом питательных веществ, практически не имела бы шансов на встречу, поскольку у обеих гамет отсутствует подвижность. Поэтому природа выбрала наиболее эффективную комбинацию: «сперматозоид – яйцеклетка», которая представляет собой сочетание подвижной гаметы (сперматозоида) и гаметы с достаточным запасом питательных веществ (яйцеклетки).
Половое размножение – дело непростое. Чтобы передать потомству только половину своих генов, клетки проходят специальный процесс под названием мейоз. Иногда гены случайным образом перемешиваются, создавая новые комбинации. Увеличение генетического разнообразия в популяции крайне важно для выживания вида. Оно повышает устойчивость к болезням и экологическим стрессам. Если бы все особи были генетически идентичны, то один патоген или изменение окружающей среды могли бы уничтожить всю популяцию. Но благодаря разнообразию всегда найдутся особи, способные выжить даже в изменившихся условиях.
Когда генетические изменения накапливаются на протяжении многих поколений, в какой-то момент различия становятся настолько значительными, что мы уже не можем говорить о том же виде. Так появляются новые формы жизни, отличные от своих предков. Мы называем этот процесс эволюцией.
Так секс заложил основу для возникновения новых форм жизни. Выходит, что без полового размножения не было бы эволюции, а значит, и того многообразия жизни на Земле, которое мы наблюдаем сегодня. И всё это стало возможным благодаря мне – митохондрии!
Когда из LUKA появились первые бактерии и археи, они не умирали. Они просто бесконечно клонировали себя с помощью бинарного деления. Но не стоит ошибочно думать, что бактерии и археи существуют вечно, не имея возможности исчезнуть. Они просто не могут умереть в привычном нам понимании, но могут быть уничтожены. Вам это кажется странным? Однако в современном мире есть похожие существа. Речь идет о вирусах.
Пробиотические бактерии в кишечнике человека, увеличенные под микроскопом. Эти бактерии настолько малы, что не могут самостоятельно поддерживать жизненные процессы
Трудно сказать, являются ли вирусы «живыми» или «мертвыми», потому что они не совсем подходят под определение жизни. Они красиво выглядят под электронным микроскопом и содержат гены в ДНК или РНК внутри своей белковой оболочки, но не могут самостоятельно поддерживать жизненные процессы. Вирусы проявляют признаки жизни только тогда, когда находятся в клетках живых существ, таких как растения или животные.
Почему вирусы не могут самостоятельно поддерживать жизненные процессы? Всё из-за их маленького размера.[71] Чтобы бактерия могла заразить животное, ей надо попасть в его клетку[72], а для этого она должна быть очень маленькой – примерно в миллион раз меньше животной клетки. Но даже бактерии могут быть заражены вирусами, – это говорит о том, что вирусы гораздо меньше бактерий. Насколько они малы? Поставьте точку шариковой ручкой рядом с кубиком, длина которого с одной стороны составляет один сантиметр. Если представить, что этот кубик – крупинка соли, то точка от ручки будет соответствовать размеру животной клетки.
Насколько же тогда малы вирусы? Они настолько малы, что не могут самостоятельно поддерживать жизненные процессы. Не обладая полноценными жизненными функциями, они не являются жизнью в полном смысле этого слова. А не будучи по-настоящему живыми, они не могут и умереть. Такова природа вирусов – они не умирают, а просто прекращают своё существование. То же самое относится к бактериям и археям, которые бесконечно воспроизводят себя путём деления. У них нет возможности умереть, потому что их копии всегда продолжают жить. Не имея определённого срока жизни, они не могут умереть естественной смертью, а могут быть только уничтожены внешними силами.
Как вам такая перспектива? Стоит ли завидовать вирусам, бактериям и археям, которые не могут умереть?
Если бы человечество по достоинству оценило все мои заслуги, о которых я вкратце упомянула, возможно, появилась бы религия, восхваляющая меня любимую. Её могли бы назвать «Церковь митохондрий» или, используя терминологию «Звёздных войн», мидихлорианством. Впрочем, я прекрасно понимаю, что этого никогда не случится. Потому что митохондрии, которые являются источниками энергии и обеспечивают возможность полового размножения, не даруют вечную жизнь. Напротив, именно мы впервые «изобрели» смерть, которой раньше не существовало в мире живых организмов.
В великом спектакле жизни на Земле смерть может показаться незначительным второстепенным персонажем. Но на самом деле она играет главную роль в эволюции жизни и поддержании экосистем. Впервые смерть появилась не как гибель целого организма, а как гибель отдельной клетки – апоптоз. В переводе с греческого это слово буквально означает «отпадение». То есть это процесс, в ходе которого клетка сама отделяется внутри организма и умирает.
Апоптоз отличается от некроза, который происходит случайно из-за травмы или болезни. При апоптозе клетка умирает под строгим контролем. Когда происходит дисфункция митохондрий, в них выделяются особые сигнальные вещества, которые соединяются с рецепторами на поверхности клетки. Клетка понимает, что с ней что-то не так, и запускает цепочку реакций: уменьшается в размерах, хромосомы уплотняются, а ДНК начинает разрушаться. В итоге клетка разрушает сама себя. Остатки разрушенной клетки полностью убираются фагоцитами – специальными клетками-уборщиками. Получается, что именно митохондрии решают, какая клетка умрёт, а какая – останется жить.
Зачем я вообще изобрела процесс клеточного самоуничтожения? Давайте представим, что какая-то клетка в многоклеточном организме «сломалась». Что с ней делать? Можно попытаться её починить. Но иногда гораздо проще и эффективнее просто избавиться от неё, чем ремонтировать. Это как выращивать перцы на грядке – если одно растение заболело, проще будет его выдернуть, чем пытаться вылечить. Так мы защитим остальные здоровые растения на грядке. Апоптоз – это процесс, в ходе которого организм избавляется от повреждённых или ненормально работающих клеток, чтобы сохранить своё здоровье.
Апоптоз также играет важную роль в развитии организма. Когда из оплодотворенной яйцеклетки формируется эмбрион, именно апоптоз помогает создавать ткани и органы. Например, на ранних стадиях развития зародыша между пальцами его рук и ног находятся клетки, которые потом самоуничтожаются, после чего формируются отдельные пальцы – словно кто-то их вырезает. Апоптоз поддерживает здоровье и функционирование тканей, удаляя старые, повреждённые и неработающие клетки. Он также предотвращает чрезмерный рост клеток и их перерождение в раковые. Иммунная система тоже использует апоптоз, чтобы уничтожать заражённые или аномальные клетки и защищать организм от болезней.
Таким образом, апоптоз – это ключевой процесс, без которого организм не смог бы нормально существовать.
Когда процесс клеточного самоуничтожения охватывает весь организм, это приводит к его смерти. В природе ничего не происходит просто так. Так какую же пользу приносит смерть организма? Оказывается, способность умирать делает жизнь более разнообразной и помогает видам адаптироваться к новым условиям. У организмов, которые размножаются бесполым путём, изменения в генах происходят только из-за случайных мутаций при копировании самих себя. В то же время у организмов, размножающихся половым путём, каждый потомок получает уникальный набор генов благодаря объединению сперматозоида и яйцеклетки.
Когда смерть становится неотъемлемой частью жизненного цикла, естественный отбор начинает работать гораздо эффективнее.
Что такое естественный отбор? Это процесс, в ходе которого организмы с полезными свойствами лучше выживают и размножаются, передавая свои гены будущим поколениям, в то время как качества, не подходящие для окружающей среды обитания, постепенно исчезают из генофонда. Без смерти не было бы естественного отбора, а это значит, что и эволюция была бы невозможна.
Можно сказать, что момент, когда я «изобрела» смерть, стал поворотным в развитии жизни. Смерть – это не просто конец, а динамичный процесс, который помогает жизни развиваться, меняться и адаптироваться. Запрограммированное самоуничтожение клеток регулирует их жизненный цикл, а смерть в более широком смысле помогает жизни эволюционировать, создавая новые сочетания генов и отбирая лучшие из них. Поэтому способность умирать является источником сложности и устойчивости жизни на Земле.
И кто же за всем этим стоит? Кто создал эту удивительную способность? Конечно же я, митохондрия!
Мы, митохондрии, крошечные структуры внутри клеток, произвели настоящую революцию в естественной истории. Мы стали первыми, кто успешно осуществил симбиоз, что привело к появлению на Земле организмов с высокой энергетической эффективностью. Мы изобрели многоклеточную жизнь, где разные клетки работают вместе как единый организм. Благодаря нам у организмов появились ткани и органы. В конце концов мы изобрели половое размножение, значительно повысив способность живых существ приспосабливаться к новым условиям и развиваться.
Заслуги митохондрий не ограничиваются их славным прошлым. Они по-прежнему жизненно необходимы для здоровья и нормальной работы всех организмов с ядерными клетками, включая человека. Внутри клетки митохондрия действует как электростанция, вырабатывая энергию. Особенно важно её значение для органов, потребляющих много энергии, таких как мышцы, сердце и мозг. Однако её влияние выходит за рамки простой энергетической функции – митохондрия играет ключевую роль в метаболизме, регуляции клеточных процессов и в конечном счёте – в продолжительности жизни.
Я даже повлияла на изменение важного закона в Южной Корее. В этой стране существовала система хо-джу – традиционная система семейной регистрации, где главой семьи считался мужчина, а родословная передавалась по мужской линии от отца к сыну. Долгие годы велись дебаты за и против этой системы, и я внезапно оказалась в центре дискуссии!
Поворотным моментом в дискуссии стал удивительный научный факт, который представил профессор Чхве Чжэчхон. Он обратил внимание на то, что митохондрия содержит собственную ДНК и передаётся исключительно через яйцеклетку, то есть только по материнской линии. Этот аргумент изменил общественное мнение: люди осознали, что дети получают больше генетического материала от матери, чем от отца[73]. В результате в январе 2008 года Конституционный суд Республики Корея вынес постановление об отмене системы хо-джу, и с 1 января того же года этот закон был официально упразднён.
Я, митохондрия, преподнесла миру живых существ множество даров. Однако величайший из них – это смерть. Митохондрии способны осознавать собственное старение, запускать процесс самоуничтожения клеток и в конечном счете вызывать старение всего организма. С годами работа митохондрий ухудшается, что и приводит к старению. Дисфункция митохондрий становится причиной болезней Альцгеймера и Паркинсона, а также сердечно-сосудистых заболеваний. В конце концов, именно митохондрии ведут организм к его смерти. Они вызывают гибель отдельных клеток, чтобы поддерживать здоровье организма, а затем запускают процесс его угасания, чтобы сохранять здоровье всей популяции. Мне потребовалось почти 2 миллиарда лет, чтобы довести эту функцию до совершенства.
Если мысль о неизбежности смерти навевает на вас тоску, вспомните слова Дамблдора, директора школы волшебства Хогвартс, которую окончил Гарри Поттер. Этот мудрый учёный муж сказал: «Смерть – это всего лишь очередное большое приключение».
Вот что я, митохондрия, хочу вам сказать. Смерть всегда ведёт к рождению новой жизни. Только благодаря смерти существует и сама жизнь.
Люди, не смейте недооценивать митохондрии! Помните слова Дарта Вейдера: «Я твой отец!»