ТЕРЕМОК

(дружба длиною в миллионы лет)

Этот рассказ решил назвать «Теремок» по аналогии с известной детской сказкой. В ней, разные животные – петух, лягушка, мышка, ежик жили вместе, помогали друг другу, боролись с невзгодами и неприятностями. Один из них воду носил, другой дрова колол, третий – петушок, дом охранял. Я не буду пересказывать эту сказку, надеюсь, мой друг, ты читал ее.

«Теремок» – это сказка, которая на примере животных учит людей быть терпимыми друг к другу. Кроме того, в ней заложен большой экологический смысл. Животные, относящиеся к разным систематическим группам, жили вместе и помогали друг другу. Что же касается людей, об этом даже нет смысла говорить и убеждать. Все должны жить в мире и согласии – дома, в школе, детском садике, на работе, улице. Дружба и терпимость способствует не только хорошему настроению и самочувствию (это у людей), но и позволяет противостоять хищникам, паразитам и неблагоприятным условиям среды (у животных).

Конечно, в «Теремке» много вымышленного, на то она и сказка. Однако взаимоотношения животных в ней вызывают ассоциации о нечто таком, которое сыграло огромную роль в эволюции живого мира. Чтобы понять это нам предстоит совершить путешествие в прошлое, на 1,5-2 миллиарда лет назад, когда жизнь на Земле только начинала зарождаться. Мы попытаемся увидеть первый организм, который способствовал эволюционному прогрессу.

Страшно, наверное? Однако давайте рискнем. Наше путешествие должно быть недолгим: родители будут волноваться, да и уроки нужно делать. Кроме того, для путешествия придется облачиться в скафандры и взять с собой солидный запас кислорода. В наличии оружия нет необходимости, так как в те далекие времена не на кого было охотиться и тем более – защищаться. В путешествии нас будет подстерегать иная опасность. Это разгул стихии: ураганы, молнии, ливни, извержения вулканов, землетрясения и многое другое. И самое главное – это отсутствие кислорода. В это трудно поверить. На нашей родной Земле надо ходить в скафандре!

В те времена на планете периодически извергались вулканы, выбрасывая тучи пепла, а по их склонам стекала раскаленная лава. Часто гремели грозы, сверкали молнии, бушевали ветры. Дождевая вода реками поступала обратно в океан. Землетрясения и вулканическая деятельность приводили к образованию гор и наоборот – впадин, которые со временем становились озерами и морями. Атмосфера состояла из азота, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды. Кислорода в ней не было.

Жизнь, притом самая примитивная, теплилась только в океане, который снабжал живые организмы питательными веществами, и защищал от губительных солнечных лучей. Ты сразу же задашь вопрос, почему «губительных», ведь мы ходим по улице, загораем, и ничего с нами не происходит. Это связано с тем, что солнечный свет содержит ультрафиолетовые лучи, которые отрицательно воздействуют на живые организмы. Недаром, в микробиологических лабораториях и операционных отделениях больниц для дезинфекции используют свет ультрафиолетовых ламп.

Древняя атмосфера была проницаема для ультрафиолета, поэтому первые организмы жили под защитой водной толщи. Современная атмосфера, как фильтр, задерживает эти губительные лучи, не позволяет им достигать поверхности Земли. Наиболее существенным фильтром является кислород нашей атмосферы. Однако об этом немного позже.

Вот что мы там увидим. В океане плавали примитивные одноклеточные организмы. Одни из них питались растворенными в воде органическими веществами, всасывая их всей поверхностью тела. Тем более, такой пищи для них было предостаточно. Другие являлись хищниками, питались менее удачливыми собратьями. Даже в те далекие времена существовали не отдельные организмы, а сообщества, объединенные системой пищевых взаимоотношений.

Растворенное в воде органическое вещество образовывалось в атмосфере в основном химическим путем за счет энергии ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов при грозах и вулканической деятельности. Конечно, это были не кусочки мяса или хлеба. Это были самые простые вещества – аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы. Они постепенно накапливались в океане, превращая его в разбавленный «бульон», так как в то время не очень много было организмов, способных его потреблять.

Появление первых примитивных организмов произошло не по мановению волшебной палочки. На это потребовались миллионы лет. Одни из них, так же как современные бактерии, водоросли, грибы, простейшие, потребляли растворенные в воде вещества всей поверхностью тела. Другие, так же как амебы, обволакивали свою жертву и растворяли ее.

Постепенно готовой пищи («бульона») в океане становилось все меньше и меньше. Наконец запасы питательных веществ, которые образовывались, главным образом химическим путем, сократились настолько, что организмам ее стало не хватать. Процветающая в то время жизнь начала приходить в упадок. По-видимому, это была одна из первых глобальных экологических катастроф. Организмы (а это были анаэробы) должны были найти выход из сложившейся ситуации, найти иные источники энергии для жизнедеятельности, ведь на кону было само их существование.

Вскоре некоторые организмы «научились» использовать для своей жизнедеятельности энергию Солнца. С ее помощью они стали синтезировать органические вещества из неорганических, как когда-то это осуществлялось химическим путем. Оказалось, наиболее дефицитным элементом на Земле является водород. Поэтому организмы стали получать его из воды, которую расщепляли с помощью солнечной энергии. Водород использовался для построения органических молекул, а кислород как побочный продукт выделялся в среду. В то время он пока никому не был нужен. Необходимо отметить, что кислород является сильным окислителем, и представляет большую опасность не только для живых существ, но и органических молекул.

А как же до этого организмы получали водород? Они расщепляли сероводорода (H₂S), что было для них энергетически значительно проще (этот газ известен нам по запаху тухлых яиц). При этом в среду выделялся не «агрессивный» кислород, а достаточно инертная сера. Эти процессы происходят и в настоящее время. На болотах, в которых выделяется сероводород, за счет жизнедеятельности бактерий поверхность покрывается пленкой серы. Но количество сероводорода на Земле также ограничено, поэтому такой путь в глобальном масштабе был бесперспективен.

«Первооткрыватели» (это первые примитивные «растения»), которые смогли расщеплять воду и выделять в среду кислород, появились 2,3 млрд. лет назад (некоторые исследователи считают, что это произошло значительно раньше, 3,8 млрд. лет назад). Они чем-то напоминали современных одноклеточных водорослей, хотя были значительно проще по строению. Они не имели ядра, многих клеточных структур, клеточной оболочки. Эти «растения» плавали в поверхностном слое воды или обитали на скалах в мелководьях. Однако до настоящих растений им было еще очень и очень далеко.

Первые растения начали бурно развиваться, так как дефицита в солнечной энергии и питательных веществах для них не было. Они, также как и современные растения, создавали органическое вещество и выделяли в среду кислород. Вначале он шел на окисление неорганических соединений и только затем постепенно начал накапливаться в атмосфере. Кислород в верхних слоях атмосферы под действием солнечных лучей превращался в озон (О₃), который стал защищать поверхность Земли от губительных ультрафиолетовых лучей. Под защитой озона живые организмы, прежде обитавшие в океане, получили возможность выйти на сушу (хотя до этого было еще очень далеко). В это время любители экстрима, совершив аналогичное с нами путешествие, могли загорать на пока что безжизненной поверхности земли.

Одноклеточные примитивные растения своим появлением на Земле буквально совершили революцию. Потребители органического вещества (это были анаэробные гетеротрофы), которые до этого питались тем, что создавалось химическим путем (т.е. «бульоном» океана), постепенно перешли на питание органическим веществом, создаваемым растениями. Однако они находились в двойственном положении. С одной стороны, они стали независимы от неконтролируемых сил стихии, с другой, – выделяемый растениями кислород представлял для них смертельную опасность. Ведь анаэробы потребляют органические вещества в бескислородных условиях. В связи с этим перед анаэробами опять возникла новая проблема. Они должны были найти пути защиты от возрастающего количества агрессивного молекулярного кислорода.

И они нашли выход. Вскоре появились первые организмы, которые научились использовать кислород. Причем они получили преимущество перед анаэробами, т.к. могли из одного и того же количества органического вещества (пищи) получать большее количество энергии. Чтобы было более понятно, скажем, анаэробы «сжигают» органические вещества неэкономно, не полностью, а только частично (можно сказать «наполовину») с выделением таких веществ, как, к примеру, спирты, органические кислоты (как при современном брожении). Аэробы с участием в окислительном процессе кислорода «сжигают» пищу полностью, с выделением конечных продуктов – углекислого газа и воды. Если перевести сказанное на бытовой язык, это то же самое, что топить печку дровами, которые сгорают не до золы, а только наполовину, до головешек.

Так возникло дыхание, и появились первые аэробы – потребители органического вещества с использованием кислорода. Давайте для удобства назовем эти новые организмы «митохондриями». Более рациональное использование энергии, запасенной в органическом веществе, позволило этим организмам занять новую экологическую нишу. С этого времени судьба анаэробов была предрешена. Увеличивающийся в среде кислород и аэробы начинают вытеснять доминировавшую ранее группу. Сейчас преобладающее количество организмов (в том числе и человек) в конечном счете, являются потомками этих первых аэробов. Анаэробы сохранились и поныне, только в экстремальных бескислородных условиях (в частности, в рубце жвачных животных, в кишечнике некоторых насекомых и др.).

Вы обратили внимание, что появившаяся на земле «жизнь» постоянно боролась за свое существование. Среда все время ставила перед ней тупиковые ситуации, из которых было только два выхода – продолжение жизни или небытие. И жизнь находила выход. Наверное, это качество и передалось современным организмам. Микроскопический росточек, который появился из макового зернышка, борется за свою жизнь, чтобы, в конечном счете, превратиться в красивый цветок с пурпурными лепестками. Вылупившийся из яйца птенчик настолько мал и беспомощен, что диву даешься, как ему удается выжить и превратиться в голосистую птицу. А наши с вами дети…

В то же время живые существа уже на самых ранних стадиях эволюции активно влияли на среду обитания, притом в планетарном масштабе. Они в первую очередь изменили газовый состав атмосферы, что, в конечном счете, сказалось на температуре Земли, кислород перевел многие химические соединения в окисленную форму. Кроме того, он сам стал важным фактором, влияющим на эволюцию биосферы. Живые организмы постепенно включали многие химические элементы в биотический круговорот. Так жизнь начала преобразовывать планету в благоприятную для себя сторону.

* * *

На мелководьях были наиболее благоприятные условия для жизни. Вода прогревалась солнечными лучами, а с поверхности земли вместе со стоками поступали минеральные соли, столь необходимые для жизнедеятельности водных организмов. А волны перемешивали все это.

А теперь продолжим наш рассказ, напоминающий сказку. Мы зачерпнули немного воды из мелководного залива. Скафандр мешал, однако хотя и с большим трудом удалось разглядеть плававший в воде организм, чем-то напоминающий амебу. Она передвигалась с помощью ложноножек – выпячиваний содержимого организма. Протоплазма медленно перетекала в образующиеся ложноножки. При этом одни выпячивания исчезали, другие появлялись вновь, а очертания животного непрерывно менялись.

Наша древняя амеба медленно «перетекала» по поверхности субстрата, «посматривая» по сторонам, нет ли чего-нибудь вкусненького. Если поблизости появлялась жертва, она «урчала» от удовольствия и устремлялась к ней, хотя скорость передвижения была очень небольшая. Амеба обволакивала жертву, вовлекая внутрь тела. Затем пищу окружал пищеварительный сок, выделяемый протоплазмой. Образовывался пузырек – пищеварительная вакуоль, в которой частицы пищи превращались в растворимые вещества, за счет которых амеба передвигается, растет и размножается. Проходит немного времени и от жертвы оставались «рожки да ножки», т.е. все то, что не смогла переварить хищная амеба. Непереваренные остатки выбрасывались наружу, а пищеварительная вакуоль исчезала. Захват пищи, и выбрасывание остатков происходит у амебы в любом участке тела.

Ты, мой друг, должен понимать, что мы используем многие термины только для красного словца, так как даже современные амебы (не говоря уже о примитивных) не могут смотреть по сторонам и тем более урчать от удовольствия.

Мы пристроили воду с ее содержимым под микроскоп. Было видно, что наша амеба голодна и готова съесть все, что встретится ей на пути. Наконец, она набрела на небольшое существо, которое не успело спрятаться. Ему грозила неминуемая смерть. Амеба обрадовалась, что пища сама ползет ей в «рот» и раскрыла «объятия» своими ложноножками. Перед нами предстала во всей красе драма взаимоотношения хищника и жертвы, причем не менее трепетная, чем, если бы это были, к примеру, лев и антилопа. Амеба нетерпеливо обхватила ее и приготовилась съесть, как небольшое существо человеческим голосом сказало:

- Амеба, не ешь меня, я тебе еще пригожусь (в сказках так, кажется, говорят).

- Как ты мне можешь пригодиться, кроме как в качестве еды?

- О, ты даже не догадываешься на что я способна. Меня называют митохондрией, я умею вырабатывать и запасать энергию. Я, можно сказать, ходячая электростанция. Кроме того, мне совершенно не страшен кислород.

Наша амеба, конечно, ничего не поняла из сказанного, но, подумав, решила оставить ее жить «внутри своего тела». Скорее всего, на нее подействовало магическое слово «кислород», которого большинство живых существ (в том числе и амеба) боялись пуще огня (более страшного слова трудно придумать). Еду можно найти, а «митохондрия» может и сгодится в хозяйстве. В крайнем случае, ее всегда можно переварить, никуда она не денется.

Благодаря таким качествам амебы, как доброта и дальновидность (давайте не будем придираться к автору за такое сравнение) эволюционный процесс способствовал появлению многоклеточных организмов, в том числе и нас с вами.

«Такого не может быть» – скажете вы. – «Во-первых, амеба хищник, и вряд ли будет церемониться со своей жертвой. Во-вторых, если организм попал внутрь клетки, то он обязательно должен быть переварен». Я с вами в чем-то согласен, однако ведь существуют исключения из правил.

Давайте для начала вспомним рассказ Л.Н.Толстого «Лев и собачка», который он назвал «быль». Льву скармливали различных животных, в том числе собак. Одна из них «понравилась» этому хищнику и преспокойно зажила в его клетке. Когда собака умерла, лев затосковал, перестал есть и вскоре сам умер. В Токийском зоопарке небольшой хомячок стал приятелем огромной змеи, которая, по идее, должна была его проглотить. Хомяка подсунули змее, после того, как у нее случилась «депрессия»: стала вялой, отказывалась есть мышей. Хомяк так понравился змее, что она подружилась с ним. С тех пор они живут в одной клетке. Хомяк порой забирается змее на спину и спит там. В результате, у змеи появился «смысл жизни», вернулся аппетит, и она с удовольствием стала поедать пищу. Это ответ по поводу необычного взаимоотношения «хищника и «жертвы». Таких примеров можно привести немало.

Что касается «проживания» живых организмов внутри чужой клетки, таких примеров значительно больше. В живой природе широко распространено явление симбиоза, когда один организм поселяется внутри другого, более крупного организма другого вида. При этом они оба – хозяин и квартирант приносят друг другу взаимную пользу.

Внутри инфузорий, моллюсков, кораллов, морских червей и других животных преспокойно обитают микроскопические водоросли, которые при высокой численности порой окрашивают своих хозяев в зеленый цвет. Они обитают внутри клетки в качестве симбионтов, снабжая организм хозяина питательными веществами. В свою очередь они потребляют продукты его жизнедеятельности. В настоящее время известно более 10 тысяч симбионтов разных систематических групп простейших. К примеру, внутри всем известной инфузории туфельки (Paramecium caudatum) обитают бактерии, которые снабжают ее витаминами, ростовыми веществами, аминокислотами и другими соединениями, которые хозяин самостоятельно не может синтезировать. У некоторых организмов симбионты настолько привыкли жить внутри чужого организма, что утратили способность обитать самостоятельно.

* * *

А теперь давайте опять вернемся к нашей амебе, которая приютила в своем теле митохондрию. Последней в клетке амебы очень понравилось, и зажила она там в свое удовольствие. Митохондрия перестала думать о своем пропитании, защите от хищников и многом, с чем сталкивается в течение жизни живое существо. Решение этих проблем взяла на себя амеба.

Какая же польза амебе от присутствия митохондрий? Оказалось – огромная, о которой она и не могла мечтать. За счет митохондрий анаэробная амеба стала аэробной, приобрела способность использовать кислород воздуха. В результате такого сожительства жизнь амебы резко изменилась. Она не только перестала бояться кислорода, он даже стал необходимым для нее. За счет этого изменился обмен веществ, она стала более полно усваивать пищу, а это, соответственно, положительно сказалось на ее здоровье и самочувствии. Так что митохондрия не обманула, когда говорила, что пригодится в хозяйстве.

Амеба по секрету рассказала о своем приобретении подружке, та (тоже по секрету) – своей. Вскоре эта новость разнеслась по всему заливу, где они обитали, затем все дальше и дальше… Наверное, вряд ли кому когда-то посчастливится стать таким же знаменитым, как наша амеба. Каждое живое существо огромного океана знало имя амебы и следило за ее самочувствием. Ведь для большинства из них амеба была «подопытным кроликом».

Вскоре наиболее отважные (а может быть – большие модники) начали заводить в своем «доме» (т.е. в клетке) собственных митохондрий. Желающих становилось все больше и больше. Вскоре появился дефицит митохондрий, их стало не хватать на всех. Живые существа начали гоняться за каждой митохондрией, предлагая лучшие условия жизни, чем у соседей. Вскоре в ход пошли иные существа, которые обитали в огромном океане. Одни уговорили жить с ними мельчайших клеток водорослей, другие – спирохет, третьи – тех, кого мы впоследствии назовем «ядром» или еще чем-то. В любом сообществе (или обществе, если говорить о людях) есть состоятельные особи, а есть и бедные. Соответственно, они смогли пригласить для жилья разное количество организмов. У одних такой союз быстро распадался, как и браки у людей. У других – он был более длительным.

Чем вам не обитатели «Теремка», о которых говорилось в начале нашего рассказа. Симбиотическое сожительство амебы с митохондриями длится почти 3,5 млрд. лет, а если бы обитателям «Теремка» была предоставлена такая возможность, то может быть и у них получилось нечто такое, без которого не смог бы обходиться если не организм, то биоценоз – уж точно.

Почему сожительство амебы и митохондрии было таким длительным и счастливым? Это, скорее всего, связано с тем, что амеба не эксплуатировала своих квартирантов. Митохондрии внутри клетки хозяина сохранили некоторую независимость. Они имеют собственную генетическую информацию, записанную в ДНК, сами синтезируют некоторые белки, способны размножаться делением. При делении клетки хозяина часть митохондрий переходит в новую клетку, и достаточно быстро восстанавливают в новом месте свою численность. А вот существовать отдельно от клетки–хозяина они уже не могут, разучились. Сейчас почти во всех клетках современных растений, грибов и животных, продолжают жить эти квартиранты, став необходимой их частью.