Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Еще одна проблема многоклеточности — энергия. Концентрированная масса клеток, особенно такая, где клетки выполняют специализированные функции, требует относительно концентрированной формы энергии. Каждая клетка — это крошечная электрическая цепь, которой нужен поток электрических зарядов. Поэтому почти все многоклеточные формы жизни на Земле зависят от концентрированной химической энергии кислорода. Для сравнения: водород или сера не могут обеспечить многоклеточную жизнь достаточной энергией. Каждая клетка животного требует стабильной поставки кислорода, так что клетки, находящиеся внутри, могли бы оказаться в проигрыше. Для решения этой проблемы появились по крайней мере две стратегии. У некоторых примитивных организмов клетки образуют сложенные в складки слои с промежутками между ними, которые позволяют кислороду из окружающей среды достигать каждой клетки. Тогда получается, что все клетки находятся как бы снаружи. Более совершенные организмы вроде нашего имеют сложную кровеносную систему, в которой кровь является тем самым высокоспециализированным агентом доставки кислорода.
Несмотря на все эти препятствия, многоклеточные организмы эволюционировали и распространялись с необыкновенной скоростью. Появились новые стратегии выживания, стимулируемые повышающейся конкуренцией за ресурсы — еду, территорию и защиту; животные научились есть растения и других животных. И при этом живые клетки играли еще более активные роли в динамичном углеродном цикле Земли.
Вариация 4. Жизнь учится создавать минералы{193}
Жизнь всегда была историей выживания: найти пищу, произвести потомство, не дать себя съесть. За последние полмиллиарда лет биосфера переживала эскалацию этой конкурентной эволюционной саги, буквально гонку вооружений — разящего оружия и защитной брони. Все это началось, когда клетки научились создавать минералы.
Никто не знает, когда или где точно появилась первая раковина. Прародители ее — в глубокой древности. Более 3,5 млрд лет назад одноклеточные колонии, как говорилось выше, построили строматолиты — странные куполообразные холмики карбонатных минералов. Уже первые признаки многоклеточной жизни, появившиеся примерно 600 млн лет назад, сопровождались образованиями, подобными аляповатым минерализованным пластинкам и «бронированным» то там, то сям следам ползания. Но настоящий взрыв разнообразия организмов с изящно вылепленными твердыми частями — спиральными раковинами, ветвящимися кораллами, пиловидными зубами и сложного рисунка костями — произошел в «узком окне» начала кембрийского периода, примерно 540 млн лет назад. Первыми появились карбонатные минералы, хотя подробности этого поразительного минералогического трюка остаются загадкой. Сначала клетки должны были создать локальную химическую среду, в которой ионы кальция и углерода в растворе соединились бы, сформировав твердые кристаллы оболочки. Затем минеральные компоненты должны были выстроиться таким образом, чтобы создать функциональный защищающий животное дом. Как это случилось?
Изучение данной биохимической инновации является делом всей жизни Патриции Дав, заслуженного профессора факультета наук о Земле в Политехническом университете Вирджинии в Блэксбурге, штат Вирджиния{194}. Дав получает удовольствие от занятий наукой. Чтобы продемонстрировать повседневные шедевры биоминерализации, она протянет вам разделенную на камеры и покрытую тонким орнаментом раковину наутилуса или вытащит из кармана яйцо. Исследовательница никогда не теряла ощущения чуда, испытываемого ею с детства, с тех пор как она росла на семейной ферме в Бедфорде, штат Вирджиния, в часе езды на машине к востоку от Блэксбурга. Это типичная история многих успешных ученых: родители и учителя, которые поддерживали увлечение наукой, любовь к природе и коллекционированию, призы, получаемые на научных олимпиадах, и стипендия в колледже — в случае Дав это был Политехнический университет Вирджинии. За получением степени PhD в Принстонском университете последовало недолгое пребывание в Стэнфорде и Политехническом университете Джорджии, а затем она снова вернулась в свою любимую Вирджинию.
Во всех своих исследованиях Патриция Дав подчеркивает, что раковины, зубы и кости — это гораздо больше, чем просто кристаллы минералов. Они всегда содержат в себе слои и волокна белков и других биомолекул, которые добавляют им прочности и гибкости — свойств, вдохновивших на разработку легкого стекловолокна и композиционных материалов из углеродных волокон. В некоторых раковинах материал, получающийся в результате соединения минералов и белков, оказывается в тысячу раз прочнее чистого минерала. Дав также напоминает вам, что биоминералы играют много ролей вне раковин, костей и зубов: они могут служить организмам в качестве линз, фильтров, сенсоров и даже крошечных внутренних компасов.
Энергичная исследовательская группа Дав много сил посвящает изучению механизмов образования карбонатов на атомном уровне — молекулярному танцу, основанному на тесном взаимодействии органической и неорганической углеродной химии. Эта команда исследователей обнаружила, что формирование биоминералов происходит, когда клетки создают специализированные отсеки с местными средами, где минералообразующие ингредиенты концентрируются и образуют зародыши, на которых вырастают идеально правильные кристаллы. В этих отсеках одни биомолекулы стимулируют образование кристаллов, а другие — тормозят рост.
Одно из самых удивительных открытий исследовательской группы Дав заключается в том, что многие организмы начинают биоминерализацию с той формы карбоната кальция, которая вовсе не кристаллическая. Они образуют и накапливают гелеобразное вещество — аморфный карбонат кальция (исследователи называют его АКК), который хранится про запас до нужного момента{195}. В отличие от традиционного пути образования кристаллов, кристаллический рост в этом необыкновенном процессе запускается молекулярным спусковым крючком, триггером. Некоторые линяющие[52] животные могут, видимо, хранить АКК неделями или месяцами, запуская быстрый рост раковины на критически уязвимой стадии, когда старый покров сбрасывается и вкусная мягкая ткань обнажается.
Возможно, сразу после появления первых животных с защитной оболочкой хищники переключились на более легкую, незащищенную добычу. Зачем прикладывать дополнительные усилия, чтобы разломать твердую раковину, когда прямо под рукой — сочные черви? Но, по мере того как все больше обитателей морского дна надевали броню, быстро возникали и контрстратегии: более крепкие челюсти, более острые зубы и более устрашающие клыки. Все это появилось именно тогда, когда жизнь научилась создавать защитные раковины. Этот затянувшийся «кембрийский взрыв» не был таким уж взрывным — он продолжался десятки миллионов лет, но зато бесповоротно направил биосферу Земли по новому курсу.
Появление прочных минеральных раковин добавило также новые нюансы в цикл углерода. С возникновением карбонатных кораллов, мшанок, брахиопод, моллюсков и другой фауны известняковые рифы достигли эпических размеров, распространились на сотни километров вдоль побережий и кое-где постепенно достигли высоты в несколько сотен метров. Ранее никогда не оказывалось возможным такое массовое накопление карбонатных биоминералов, которые заполнили прибрежное мелководье и внутренние моря небывалыми отложениями. Когда литосферные плиты в процессе своего перемещения неумолимо закрыли
