Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

По мере продолжения эволюционного процесса у животных нервная система и мозг становились все более сложными. Эти свойства являются эмерджентными, то есть непредвиденными. Они развивались аналогично разработке первых компьютеров: сначала они работали медленно и имели очень небольшую память, но по мере накопления навыков ученые и разработчики стали создавать все более быстрые, компактные, дешевые и гораздо более сложные системы. Такой же процесс происходил и с нервной системой у животных, и он привел к глобальным изменениям образа жизни планеты. Однако до того как мы углубимся в этот вопрос, необходимо разобраться с концепцией симбиоза на планетарном уровне.

Эволюция животных, судя по всему, опережала эволюцию наземных растений приблизительно на 200 млн лет; тем не менее обе группы организмов развивались весьма сходными путями. Предком наземных растений была определенная группа зеленых водорослей; они начали завоевывать сушу около 450 млн лет тому назад. Лишенные постоянного источника воды и питательных веществ, эти пионеры растительной жизни были вынуждены развить у себя ряд новых особенностей, позволивших им выжить в жестких, засушливых наземных условиях. Подобно животным, растения изобрели нечто наподобие клея, обеспечивавшего сцепление клеток друг с другом, но в данном случае основой для клея послужил полисахарид целлюлоза, без труда вырабатываемый растениями. Для производства целлюлозы не требуется ни азота, ни фосфора – только углерод, кислород и водород, в избытке имеющиеся в окружающей среде. Кроме того, целлюлоза и ее производные устойчивы к разрушению большинством микроорганизмов. Животные не могут переваривать бумагу – в их кишечнике на это способны лишь несколько отдельных микроорганизмов. Целлюлоза дала растениям структуру, поддерживающую их на суше; когда же наземное растение погибает, некоторая часть целлюлозы включается в состав почвы, а другая часть смывается в океан, где включается в состав донных отложений.

Так же как и в случае с погребенными одноклеточными фотосинтезирующими эукариотами за 500 млн лет до этого, эволюция и гибель наземных растений повысила содержание кислорода в земной атмосфере – и намного. Наземные растения тоже стали биологическими большевиками своего времени. Вычислено, что благодаря возникновению и гибели крупных наземных растений – предшественников современных деревьев – концентрация кислорода в земной атмосфере 350 млн лет тому назад была приблизительно на 35 %, а то и на 67 % выше, чем в настоящий момент. Каковы же были последствия?

Повышение содержания атмосферного кислорода привело к массовому заселению суши морскими животными. Черви, ракообразные, улитки и позвоночные животные благополучно выползли на берег и принялись заселять новый ландшафт. В отличие от возникновения растительной жизни, появление на суше животных было результатом многократных вторжений множества различных морских организмов. За исключением самых древних животных форм – губок, медуз и их родственников – почти всем представителям животного мира удалось успешно колонизировать сушу.

Повышение содержания атмосферного кислорода, подстегиваемое развитием наземных растений, позволило животным ввести у себя некоторые новшества. Ракообразные и их родственники эволюционировали в насекомых. У насекомых кислород поставляется посредством диффузии через небольшие отверстия вдоль боков тела. В ископаемых этого периода найдены останки стрекоз с размахом крыльев в полметра. Такие крупные насекомые могли существовать только в условиях чрезвычайно высоких концентраций кислорода. Древнейшие наземные рыбы в конечном счете эволюционировали в земноводных и пресмыкающихся и, гораздо позднее, в динозавров (включая птиц) и млекопитающих. Но это потребовало введения еще нескольких поправок. Хотя морские животные уже разработали у себя системы транспортировки кислорода к внутренним органам, благодаря чему стали больше и сложнее, такая система циркуляции не смогла бы с той же легкостью функционировать на суше ввиду больших потерь жидкости. Диффузия кислорода в воде происходит медленно, но зато организмы могут получать его посредством прямого обмена через клетки или через специальные органы, такие как жабры, имеющие чрезвычайно большую площадь поверхности. В воздухе такие системы газообмена не могут быть столь же эффективны – организм очень быстро лишится воды. Чтобы справиться с этой проблемой, газообменные процессы были переведены внутрь организма, а внешние поверхности изменены так, чтобы препятствовать воде попросту диффундировать в окружающую среду. Далее газообмен был ускорен посредством циркуляционной системы, в которой участвовала жидкость, транспортировавшая кислород в отдаленные части организма. Для такой системы требовался некий насос, чтобы сделать процесс газообмена эффективным, – и вместо скоординированной системы снабженных жгутиками клеток, перекачивающих жидкость, как у губок, из одиночных клеток были собраны молекулярные моторы для выполнения специализированных клеточных функций, в особенности в мышечных и нервных тканях.

Мышцы используют огромные количества АТФ для ежесекундного перемещения миллиардов молекул миозина по их актиновым направляющим. Нейроны затрачивают огромное количество энергии для работы своих клеток. В сравнении с микроорганизмами животные представляют собой биологический эквивалент гигантского авиалайнера в мире велосипедистов-любителей. Это может показаться парадоксом: если мы возьмем любое животное и измерим его энергопотребление, оно окажется гораздо ниже, чем если бы данный организм был размазан по гигантской чашке Петри слоем толщиной в одну клетку. Причина в том, что отдельные клетки у животных в конечном счете ограничены диффузией кислорода. Тем не менее общая выработка энергии у животных чрезвычайно высока, даже у холоднокровных, таких как черепахи или змеи. У очень активных животных, температура тела которых выше, таких как птицы и млекопитающие, энергетические потребности в четыре – восемь раз больше, чем у рептилий.

Все животные в энергетическом отношении зависят от фотосинтезирующих организмов. В океанах львиная доля питательных веществ приходится на фитопланктон, добывать который большинству крупных животных очень нелегко. Поэтому энергетические запасы фитопланктона доставляются к ним посредством более мелких организмов, таких как мелкие рачки и креветкообразные организмы – зоопланктон. Такое посредничество имеет свою цену: после каждого переноса энергии вверх по пищевой цепи на следующий трофический уровень остается всего лишь около 10 % энергии. К примеру, 100 фунтов фитопланктона приведет к образованию около 10 фунтов зоопланктона, а этих 10 фунтов зоопланктона хватит на образование всего лишь примерно 1 фунта рыбы. В океанах концентрация фитопланктона выше всего в тех местах, где питательные вещества из глубоководья поднимаются к поверхности, чаще всего благодаря ветровым течениям. Эти области подъема глубоководных вод встречаются вдоль континентальных окраин и в мелководных морях – вот почему в таких местах наиболее распространен рыболовный промысел. Однако в результате средний срок жизни клетки фитопланктона составляет пять дней. Все клетки делятся приблизительно раз в пять дней, и одна из дочерних клеток оказывается съеденной. В океанах содержится всего лишь около 0,2 % планетарной фотосинтетической биомассы. На суше же большая часть остальных 99,8 % фотосинтетической биомассы не съедается – листья в основном остаются на деревьях. Однако на суше действует тот же закон трофического переноса вещества, что и в океане: сотня фунтов травы дает около десяти фунтов лошади. Впрочем, поскольку травостой, как правило, имеет высокую скорость роста и большую плотность, бизоны смогли стать крупными животными и сформировать многочисленные стада. Число трофических звеньев в наземных экосистемах в целом меньше, чем в океанах, и эволюция трав предоставила значительное преимущество для эволюции крупных млекопитающих за последние 50 млн лет.