Первые шаги вверх по лестнице

Производство энергии в митохондриях позволяет эукариотическим клеткам быть больше бактерий: в среднем примерно в 10 тысяч — 100 тысяч раз. Большой размер приносит с собой энергетическую эффективность. В определенных пределах (которые, вероятно, определяются эффективностью «распределительных сетей») чем больше, тем лучше. Эта непосредственная выгода, проистекающая из непосредственного преимущества, вероятно, уравновешивает непосредственные недостатки большого размера — необходимость иметь больше генов, больше энергии и улучшенную организацию. Эта выгода, возможно, помогла эукариотам сделать первые шаги вверх по лестнице восходящей сложности.

Пара загадок все еще не дает мне покоя, но, думаю, они объяснимы. Во-первых, часто говорят, что энергетическая эффективность не может быть мишенью естественного отбора, потому что большим животным нужно больше еды. Энергетическая экономия проявляется только на уровне отдельных клеток или в пересчете на грамм массы. Критики теории не преминут заметить, что естественный отбор, как правило, действует на особей, а не на граммы массы. Не спорю, но окружающая среда и потребности организма все же связаны с размером тела. Мы видели, что крыса в семь раз прожорливее человека: в пересчете на единицу массы ей нужно в семь раз больше пищи, чем нам. Однако она не сильнее и не быстрее «относительно» своей окружающей среды. Термин «относительно» в данном случае имеет вполне реальное наполнение. Ясно, что крыса не может убить буйвола, а мы можем, как можем мы поймать и убить любое другое животное. Мир животных определяется их размером, и в нашем собственном мире нам нужно в семь раз меньше пищи в день, чем крысам. Соответственно, мы можем в семь раз дольше обходиться без пищи и воды. Масштаб нашего преимущества даже более очевиден, если учесть, сколько мы съедаем относительно собственной массы. Мышь, например, должна ежедневно съедать половину  массы тела, иначе она умрет от голода, а ежедневно мы потребляем всего 2 % собственной массы. По-моему, это явное преимущество. Я не говорю, что преимущество размера всегда оказывается решающим. Маленький размер нередко выгоден, что нашло отражение в разнообразных эволюционных тенденциях. Однако энергетическая эффективность, связанная с большим размером, несомненно, оказала глубокое влияние на эволюцию эукариот.

Вторая загадка — это всеобъемлющий характер энергетического преимущества. Ранее в части 4 мы говорили в основном о млекопитающих и пресмыкающихся. Мы разложили энергетические сбережения на составляющие и пришли к выводу, что они предоставляют организму реальные возможности, а не следуют из ограничений фрактальной сети. С другой стороны, мы видели, что бактерии ограничены соотношением площади поверхности к объему, и это действительно ограничение, а не возможность. Есть ли преимущество размера у отдельных эукариотических клеток, например у амеб? Или у деревьев, или у креветок? Может быть, похоронив универсальную константу, мы потеряли и право делать какие-либо обобщения за пределами класса млекопитающих?

Не думаю. Я пока не приводил других примеров, потому что ответы на них менее очевидны, ведь млекопитающим и пресмыкающимся уделяли меньше внимания, чем другим животным. Тем не менее подозреваю, что большинство организмов, включая одноклеточных, получают те же выгоды. У более крупных организмов эти выгоды связаны со знакомым нам явлением — оптом дешевле. Как и в обществе, выгода зависит от затрат на установку и эксплуатацию оборудования, торговых издержек и т. д. Все они налагают ограничения на преимущества размера, но в пределах этих ограничений выгода все равно существенна. Дело в том, что живые организмы очень консервативны в принципах своего функционирования. В частности, они всегда имеют модульную организацию. Как отдельные клетки, так и многоклеточные организмы представляют собой мозаику функциональных частей. У многоклеточных дыхание или очищение от шлаков происходит в органах, а у одноклеточных — в органеллах, например в митохондриях. Модульные функции в пределах клетки — это, например, генетическая транскрипция, синтез белков, синтез мембран, закачивание солей, переваривание пищи, распознавание сигналов и реакция на них, производство энергии, перемещение, транспорт молекул и т. д. Думаю, что экономить за счет масштаба на уровне клеток можно не хуже, чем у многоклеточных организмов.

Настало время вернуться к уже затронутой проблеме числа генов. Мы говорили, что сложным организмам нужно больше генов, и обдумали гипотезу Марка Ридли о том, что накоплению генов и усложнению способствовало появление полового процесса. Однако мы видели, что ключ к усложнению — это, скорее всего, не половой процесс, во всяком случае, не он ограничивает число генов у бактерий и одноклеточных эукариот. Интересно, нельзя ли объяснить увеличение числа генов у эукариот с точки зрения энергетической эффективности более крупных клеток? Большие клетки, как правило, имеют большое ядро. Не исключено, что для сбалансированного роста во время клеточного цикла нужно примерно постоянное соотношение объема ядра к объему клетки (еще одна степенная зависимость!).

Это означает, что в процессе эволюции размер ядра, а с ним и содержание ДНК, подстраивается к изменениям объема клетки для обеспечения оптимального функционирования. Значит, по мере увеличения размеров клеток их ядро тоже увеличивается и в нем становится больше ДНК, хотя эта лишняя ДНК необязательно кодирует большее число генов. Это объясняет C-парадокс, который мы обсуждали в главе 1, а также то, почему Amoeba dubia имеет в 200 раз больше ДНК, чем человек, хотя эта ДНК кодирует меньше генов.

Эту лишнюю («избыточную») ДНК часто считают мусором, и действительно, она может быть чисто структурной, но может и выполнять какую-то полезную функцию — от структурной поддержки хромосом до обеспечения участков связывания, регулирующих активность многих генов. Избыточная ДНК также служит сырьем для новых генов, закладывая основы сложности. Последовательности многих генов свидетельствуют, что они произошли от избыточной ДНК. Может быть, происхождение сложности было связано с такой простой вещью, как пропорциональное изменение размера? Как только у эукариотических клеток появились митохондрии, у большого размера появилось селективное преимущество. Большим клеткам нужно больше ДНК, а с ней пришло сырье для большего числа генов и большей сложности. Обратите внимание, что эта ситуация прямо противоположна ситуации у бактерий: жесткое давление отбора заставляет бактерии терять гены, а эукариотам, наоборот, выгодно их приобретать. Если Ридли прав, и половой процесс — способ отсрочить мутационный коллапс, то необходимость иметь больше ДНК при увеличении размера было тем самым давлением отбора, которое и привело к появлению пола.

Для эукариотических клеток обладание митохондриями расширило жизненные возможности. Благодаря им большой размер из абсолютно невероятного стал вполне возможным, что перевернуло с ног на голову ограничения мира бактерий. С большим размером пришла и большая сложность. Но были и недостатки, связанные с конфликтом между митохондриями и содержащей их клеткой. Последствия этой долгой битвы тоже оказались глобальными, оставив на жизни неизлечимые глубокие шрамы, но даже эти шрамы обладали и созидательной и разрушительной силой. Без митохондрий не было бы клеточного самоубийства, но не было бы и многоклеточных особей; не было бы старения, но не было бы и разных полов. У темной стороны митохондрий было даже больше возможностей переписать сценарий жизни.

Часть 5