Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни - Ник Лэйн

Когда именно митохондрии потеряли власть над собственным будущим, неизвестно, но скорее всего это произошло на самых ранних этапах эволюции эукариотической клетки. Посмотрим, например, на эволюцию переносчика АТФ — мембранной помпы, экспортирующей АТФ из митохондрий. Этот переносчик впервые позволил эукариотическим клеткам получать энергию в форме АТФ из митохондрий (до этого момента само слово «митохондрии» было к ним неприменимо). Это был символический шаг, так как симбионты потеряли контроль над своими энергетическими ресурсами, а с ним и независимость. Для митохондрий это означало переход от статуса гостя к статусу пленника. Мы можем довольно точно датировать этот переход, сравнивая последовательности гена, кодирующего переносчика АТФ, у разных групп эукариот. Тот факт, что этот переносчик встречается во всех группах эукариот, включая растения, животных, грибы, водоросли и простейших, наводит на мысль, что он возник до расхождения этих групп, то есть очень давно и, само собой, до появления многоклеточных животных (судя по ископаемой летописи, возможно, за несколько сотен миллионов лет).

Итак, налицо временной провал. Кажется весьма вероятным, что митохондрии потеряли автономию задолго до возникновения настоящих многоклеточных организмов. В тот период убийство хозяина не сулило митохондриям никаких преимуществ, потому что они уже не могли существовать независимо. Клеткам-хозяевам, в свою очередь, была абсолютно невыгодна смерть, потому что тогда они еще не являлись частью многоклеточного организма. Таким образом, нынешние преимущества апоптоза — жесткой полицейской системы многоклеточного организма — не имели силы.

Это парадокс. Судя по всему, специализированная машина смерти была никому не нужна. Казалось бы, естественный отбор должен был избавиться от нее, но этого не произошло. Мы также знаем, что происхождение существенной части ее механизма связано с митохондриями. В довершение всего, водородная гипотеза, которую я так превозносил, утверждает, что эукариотическая клетка родилась от метаболического союза двух мирно сосуществующих клеток, которым не было выгодно убивать друг друга. Кажется, я завел вас в тупик. Одна из клеток протащила в мирный союз налаженную машину смерти, вредную для обоих членов союза; несмотря ни на что, эта машина сохранялась на протяжении нескольких сотен миллионов лет, пока наконец ей не нашлось применение. Можно ли найти логичное обоснование этому безумному сценарию? Да, можно, но только если мы готовы на уступку. Машина смерти не всегда вызывала смерть. В один прекрасный день она вызвала появление пола.

Давайте рассмотрим первых эукариот с точки зрения водородной гипотезы, предполагающей мирное сосуществование. Во введении к части 5 книги мы обсуждали, что естественный отбор может действовать на разных уровнях — на уровне особи, ее клеток, митохондрий и, конечно, генов. Мы видели, что когда речь идет о клетках, которые, как бактерии, размножаются бесполым путем, не всегда правильно считать, что естественный отбор действует на уровне генов. В таких случаях отбор в основном работает на уровне отдельных клеток, которые и есть истинные самовоспроизводящиеся единицы. Эти соображения сейчас нам очень пригодятся, потому что мы должны по отдельности рассмотреть интересы митохондрий и интересы содержащих их клеток на заре существования эукариотического симбиоза. Тогда и тех и других можно было считать отдельными клетками (в следующих главах мы увидим, что такой подход может оказаться полезным, даже когда речь идет о современности).

Так какими же были частные интересы протомитохондрий и клеток-хозяев? И как, учитывая сочетание автономии и неустойчивой взаимозависимости, они вообще могли действовать в своих интересах? Убедительный ответ на этот вопрос предложили в 1999 г. двое ученых: Нейл Блэкстоун, один из самых плодотворных мыслителей в области эволюционной биохимии (Университет Северного Иллинойса, США), и Дуглас Грин, один из первых исследователей высвобождения цитохрома с при апоптозе (Калифорнийский университет в Сан-Диего, США).

Митохондрии, как и все клетки, должны пролиферировать, то есть размножаться с увеличением числа клеток. После того как они связали свою судьбу с судьбой хозяина, убивать его и находить следующего не было смысла, так как вне клетки они бы не выжили. Кроме того, есть предел размножения митохондрий в одной клетке: митохондриальный «рак» погубил бы и клетку и митохондрии. Таким образом, успешное размножение митохондрий возможно только параллельно с размножением клетки-хозяина. Когда она делится, популяция митохондрий должна удвоиться, чтобы обеспечить митохондриями дочернюю клетку. Конечно, клетка-хозяин тоже спит и видит, как бы ей поделиться, поэтому ее интересы и интересы митохондрий совпадают. В противном случае этот союз вряд ли продолжался бы два миллиарда лет. Он бы распался в самом начале, и мы бы сейчас не ломали голову над этой проблемой, потому что нас не было бы.

Но интересы митохондрий и клетки-хозяина не всегда совпадают. Что произойдет, если клетка-хозяин по какой-то причине откажется делиться? Ясно, что ее митохондрии тоже не смогут размножаться (ну, то есть они могли бы, но только до определенного предела, а потом разрушили бы клетку и себя самих вместе с ней). Исход зависит от того, почему клетка-хозяин отказалась делиться. Скорее всего, причиной было отсутствие пищи. В части 3 мы говорили о том, что, несмотря на огромный потенциал в плане размножения, бактерии проводят большую часть жизни в заторможенном состоянии. То же самое, скорее всего, относилось и к ранним эукариотам. Если так, им оставалось только подтянуть кушаки и ждать обеда, после которого можно снова начинать размножаться. Интересы митохондрий и клетки-хозяина снова совпадали: если митохондрии будут вынуждать хозяина делиться в условиях нехватки ресурсов, они погибнут вместе с ним. Куда лучше направить оставшиеся ресурсы на повышение устойчивости к вероятному в период лишений физическому стрессу — жаре, холоду, ультрафиолету. В таких случаях многие клетки образуют устойчивую спору, переживая неблагоприятные условия в состоянии покоя и возвращаясь к жизни, когда все налаживается.

Кроме того, клетке могло помешать делиться повреждение, в том числе повреждение ядерной ДНК. Тут интересы хозяина и митохондрии начинают расходиться. Предположим, что пищи много, но клетка-хозяин тем не менее не делится. Я прямо вижу, как митохондрии кричат, прижимаясь лицом к решетке: «Выпустите нас! Мы не сделали ничего плохого!» Тем временем соседние клетки, посмеиваясь, продолжают делиться, и их митохондрии радостно делятся вместе с ними. Что же делать митохондриям, которые оказались в ловушке? Убивать хозяина невыгодно, тогда они погибнут сами. Хорошо бы заставить клетку-хозяина слиться с другой клеткой и рекомбинировать ДНК с ДНК партнера. Рекомбинация ДНК обычна у бактерий и является основой пола у эукариот. Слившаяся клетка получает шанс на новую жизнь, а митохондрии — место, где можно размножаться.

Учитывая, что половой процесс — крайне затратная вещь, ожесточенные споры о том, почему он возник, бушуют до сих пор. Скорее всего, вклад внесли несколько факторов. Уильям Хамильтон предполагал, что половой процесс «маскирует» повреждения ДНК (поврежденный ген, вероятно, окажется в паре с неповрежденной копией того же гена), а генерируемая рекомбинацией изменчивость может давать клетке преимущества в борьбе с паразитами. Последние данные говорят о том, что ни одной из этих причин по отдельности недостаточно, чтобы объяснить возникновение полового процесса. Однако они не противоречат друг другу, а преимущества полового процесса, по всей видимости, разнообразны. С другой стороны, его происхождение окутано тайной. У бактерий есть рекомбинация, но нет слияния клеток. Напротив, у большинства эукариот при половом размножении происходит слияние двух клеток, затем слияние их ядер и, наконец, рекомбинация их генов (самое «обязывающее» из всех этих действий). Почему эукариотические клетки вообще стали сливаться? Понятно, что утрата бактериями неудобной клеточной стенки сделала сам физический акт слияния в принципе возможным, но потребности сливаться это не объясняет. Может быть, это митохондрии заставили эукариотические клетки сливаться друг с другом? Может быть, половое слияние — это тоже митохондриальная диверсии? Том Кавалье-Смит, с которым мы встречались в части 1 книги, говорил, что у первых эукариот слияние клеток, скорее всего, было обычным делом. Он утверждает, что деление клетки при половом процессе (мейозе), когда число хромосом сначала удваивается, а потом снова делится пополам, произошло за счет нескольких простых шагов как способ восстановления исходного числа генов и ядер после слияний клеток. Тогда слияние должно было бы произойти в любом случае, а митохондрии могли просто агитировать за него.