Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter
Бактерии впервые появились на Земле миллиарды лет назад. Ученые обнаружили окаменелости этих крошечных организмов в австралийских породах Apex Chert, датируемых 3,5 миллиардами лет, и есть доказательства того, что бактерии могли существовать даже 4,41 миллиарда лет назад, вскоре после появления океанов. Никто не знает, как они появились, хотя мы знаем, что когда все началось, Земля сильно отличалась от того мира, который мы знаем сегодня.
Посетители из другого мира, прибывшие три миллиарда лет назад, обнаружили бы планету, лишенную макрожизни - ни рыб, ни рептилий, ни млекопитающих, ни птиц, ни растений. Они обнаружили бы более тонкую атмосферу, состоящую в основном из углерода и азота, и увидели бы континенты и океаны, которые показались бы им пустыми. Но если бы у них было зрение или приборы для обнаружения микробов, они бы нашли мир, кишащий жизнью.
Если перенестись примерно на миллиард лет назад, гость попал бы в мир, все еще кишащий бактериями и лишенный большинства других форм жизни. Вирусы, вероятно, уже существовали, хотя когда они впервые появились, неизвестно. Согласно одной из теорий, они развились, когда Земля была молодой, от общего предшественника, который также привел к появлению бактерий. Но вместо того чтобы усложниться, протовирусы сбросили гены и упростились, превратившись в настоящие вирусы около 1,5 миллиарда лет назад. Это утверждение находит определенную поддержку в ископаемых. Теория также была проверена с помощью сложного алгоритма, построенного на основе данных об известной эволюции современных белков, критически важных для функционирования вирусов.
Этот второй инопланетный гость также обнаружил бы сильно изменившуюся атмосферу, в основном благодаря бесчисленным фотосинтезирующим бактериям, которые уже более миллиарда лет выделяли кислород в качестве побочного продукта своего метаболизма.
Переход от атмосферы, состоящей в основном из углерода и азота, к насыщенному кислородом воздуху постепенно превратил Землю в планету, на которой могли бы существовать многоклеточные организмы, знакомые нам сейчас. Они начали появляться около шестисот миллионов лет назад и в конце концов включили в себя нас.
"В глубокие геологические времена микробы отвечали за геоинженерию нашей планеты, чтобы в конечном итоге она стала пригодной для жизни, и они продолжают это делать", - говорит Крис Дюпон, занимающийся исследованиями в области микробной и экологической геномики в JCVI. Сегодня бактерии и другие микроорганизмы в океанах производят не менее половины кислорода на Земле, а возможно, и до 80 процентов. Только одно фотосинтезирующее семейство бактерий, Prochlorococcus, производит до 20 процентов всего кислорода в биосфере нашей планеты. Это больше, чем все тропические леса вместе взятые - растения являются другим основным источником кислорода в нашей атмосфере. Этот процесс является частью тщательного баланса, который человеческая деятельность начинает изменять не в лучшую сторону для поддерживающей нас экосистемы - к этой теме мы еще вернемся на следующих страницах.
Бактерии размножаются в основном путем бинарного деления: они делятся на две "дочерние" клетки, которые идентичны родительской клетке. Однако иногда в процессе дупликации происходят ошибки. Большинство этих ошибок нейтральны, но некоторые подрывают выживание конкретной бактерии, приводя к ее гибели или, если вредная мутация достаточно широко распространена в каком-либо виде бактерий, к их вымиранию. Другие мутации выгодны, и организмы живут, чтобы передать их своему потомству. Некоторые бактерии передают гены не путем бинарного слияния, а при тесном контакте с другими бактериями. Хищная бактерия может даже, питаясь другой бактерией, получить часть ДНК ее жертвы.
Бактерии размножаются в совершенно ином временном масштабе, чем макроорганизмы вроде человека. "Большинство бактерий делятся несколько раз в день", - говорит Крис Дюпон. "За человеческую жизнь они проходят десятки тысяч жизней. То, что мы считаем коротким сроком, для них, вероятно, две сотни поколений. Поэтому, когда вы говорите, что они быстро мутируют, это отчасти объясняется нашей антропоморфной точкой зрения на то, как мы определяем время".
Помимо бактерий, как уже отмечалось ранее, на Земле известны еще два типа клеток: археи и эукариоты. Археи были открыты в 1970-х годах микробиологом Карлом Уозом с помощью системы меток генов 16S рРНК для идентификации различных видов микроорганизмов. Археи похожи на бактерии, но у них другая история эволюции, и они производят энергию и выполняют другие функции, более похожие на эукариоты.
Мы, люди, состоим из третьего основного типа клеток - эукариотических, которые содержат ядро и органеллы и окружены плазматической мембраной. Среди других организмов, состоящих из эукариотических клеток, - все растения, животные, грибы и протисты, а также большинство водорослей. Хотя трудно сказать наверняка, когда эукариоты впервые появились в виде крошечных микроскопических организмов, ученые предполагают, что это произошло около 1,5 миллиарда лет назад.
СЕТЕВОЙ ЭФФЕКТ этой длинной истории эволюции микроорганизмов и миллиардов лет взаимосвязи жизни - то, чего не должно было случиться во Вселенной, где один из основных принципов физики гласит, что системы стремятся к возрастанию энтропии, постепенно (или быстро) приходя в беспорядок.
Вопреки всему, жизнь сумела поддерживать некий сверхпорядок на протяжении миллиардов лет, сохраняя планетарное равновесие, которое не только поддерживало жизнь, но и создавало еще большую сложность, а не меньшую. Одно из самых замечательных свойств жизни - способность создавать порядок: выточить сложное и упорядоченное тело из химического хаоса нашего окружения", - пишет Крейг в книге "Жизнь со скоростью света". На первый взгляд, это "чудо, которое бросает вызов мрачному второму закону термодинамики". Как это равновесие и поддержание порядка работает и каким-то образом сохраняется на протяжении миллиардов лет - один из ключевых вопросов, на который Крейг и его команда надеялись получить ответ с помощью проекта "Саргассово море" и глобального отбора проб. "Я проделал всю эту работу с микробами, чтобы понять, как устроена жизнь, - сказал он, - и разобраться в многочисленных способах, которые природа придумала, чтобы справиться с основными задачами поддержания жизни на протяжении миллиардов лет. Поиск пищи, производство и накопление энергии, эволюция и адаптация к новым нишам - в том, как они это делают, и заключается секрет жизни на Земле и, возможно, за ее пределами". "Основная истина заключается в том, что это всего лишь борьба жизни за самовоспроизведение", - говорит Джек Гилберт. "Так что, если хотите, это и есть эволюция". Гилберт считает, что лучше всего это выразил писатель Майкл Крихтон, автор "Парка Юрского периода", написавший, что
