Многое в организме живых существ вызывает изумление: невероятная сложность связей нейронов в головном мозге, необходимость железа и серы для построения «органики», развитие совершенно не похожих друг на друга клеток в одном и том же организме по одной и той же ДНК. Но даже на фоне этих удивительных вещей митохондрия выделяется несовместимостью ее функции с тем, что мы интуитивно (и необоснованно) привыкли считать присущим живым существам. Сложно представить и поверить, что большинстве клеток нашего тела находятся органеллы, способные вырабатывать энергию на основе манипуляций даже не с атомами, а с их составными частями — протонами и электронами. Но именно такими органеллами и являются митохондрии.
Когда-то предки митохондрий были свободноживущими бактериями. Это было настолько давно, что никаких следов про-митохондрий не сохранилось. Точнее, ПОЧТИ не сохранилось: о них можно узнать довольно много, прочитывая геном современных митохондрий, содержащих их клеток и потомков тех древних одноклеточных, которые могли быть предками и тех, и других. Одна из последних на 2016 год теорий происхождения митохондрий, предложенная британским биохимиком Ником Лейном (Nick Lane), будет кратко описана ниже в этой главе.
Прежде чем переходить собственно к митохондрии, необходимо учесть один давно известный, но от этого не менее удивительный факт: манипуляции с протонами и электронами не являются ни монополией, ни изобретением митохондрий. Тем же самым занимаются все без исключения бактерии, археи и хлоропласты. Кстати, хлоропласт — такой же симбионт эукариотических клеток, как и митохондрия, со сходной историей проникновения в клетку и не менее важный для развития жизни в ее современном состоянии, чем митохондрии. Просто им уделяется меньше внимания в научно-популярной литературе из-за вполне понятного антропоцентризма: хлоропластов у нас нет, а митохондрии есть, и большинству людей в первую очередь хочется узнать, из чего строится именно их тело.
Способ получать энергию от накопления разницы потенциалов на клеточной мембране, засовывая протоны на одну ее сторону, а электроны на другую, появился задолго до появления про-митохондрий. Именно этот способ и был тем, что позволило существовать первым одноклеточным организмам.
Разница потенциалов возникает в ситуации, когда находящиеся снаружи мембраны протоны создают положительный заряд, а находящиеся внутри клетки электроны — отрицательный, и эти заряды притягивают с разных сторон эти частицы к мембране, которая не дает им воссоединиться в электрически нейтральные атомы. В некоторых местах мембраны существуют ворота, через которые протоны могут пройти внутрь клетки, но не «за так», как бараны на фотке, а совершив определенную работу: повернув «рычаг», который прижимает две определенные молекулы друг к другу, создавая АТФ. Собственно, ради производства АТФ вся эта разность потенциалов и создается, и эта молекула является одной из важнейших вещей в клетке.
АТФ, или аденозинтрифосфат — это универсальная «валюта» клетки, которой она «расплачивается» в любом процессе, требующем выделения энергии. Ее схему, для удобства окрашенную в разные цвета, ты видишь справа (в реальности эти атомы не имеют таких цветов! Просто так удобнее ее рассматривать). Три красно-оранжевые группы атомов легко отсоединяются от основной молекулы одна за другой, при этом высвобождается энергия. Достаточно в нужном месте клетки расщепить такую молекулу, чтобы выделившаяся энергия совершила какую-нибудь работу, например присоединив еще одну аминокислоту к строящемуся протеину. Если хочется запомнить полное название АТФ, можно разобрать ее на части: с правой стороны на картинке находится черно-синий двухкольцевой аденин, один из «кирпичиков», из которых состоит ДНК. Вместе с рибозой (черно-красно-серебристой серединой молекулы АТФ) он образует аденозин. А слева находятся три яркие фосфатные группы.
Производство АТФ очень подробно изучено современной наукой, процесс это сложный и заслуживающий отдельной главы даже для поверхностного его описания. Пока достаточно знать, что в поворачиваемом протонами «рычаге», который называется АТФ-синтаза происходит присоединение к аденозиндифосфату (по названию понятно, что от АТФ он отличается только количеством фосфатных групп: у него их две) третьей фосфатной группы. На ролике ниже — анимация этого процесса, пока просто для впечатлений:
Создаваемые в митохондриях молекулы АТФ используются во всех уголках содержащих эти митохондрии клеток для поддержания всех процессов их жизнедеятельности. Лишенная митохондрий, эукариотическая клетка погибнет, так как она давно утратила функцию самостоятельного производства АТФ, передав ее митохондриям. Но и митохондрии не выживут вне эукариоты, потому что она поставляет им питание и вещества для дыхания, а так же производит большую часть строительного материала для митохондрий. Более того, почти все митохондриальные гены за многие миллионы лет совместной эволюции перекочевали в клеточное ядро. Эти симбионты так плотно слились, что их раздельное существование уже невозможно.
На картинке справа изображена эукариотическая клетка с обозначением ее органелл. Их краткое описание содержится в главе 3 «Живомордности».
Большинство животных, растений и грибов имеют митохондрии в своих клетках. Современные ученые считают попадание про-митохондрий в качестве симбионтов внутрь другой клетки главной причиной появления многоклеточных организмов. Прежде всего без митохондрий у клетки не будет дополнительной энергии, позволяющей обзавестись такой роскошью, как большой размер и клетки, и ее генома. Производящие энергию своими силами бактерии и археи просто не могут превысить определенные размеры клетки и генома, очень небольшие по сравнению с гигантами-эукариотами (про это подробнее — в одной из следующих глав про митохондрию). Эукариотические клетки в среднем в 10 000 — 100 000 раз крупнее, чем бактерии. Без большого объема клетки невозможно (да и не нужно) выполнение разнообразных функций, присущих эукариотам. А без большого размера генома невозможна многоклеточность, ведь в нем должны содержаться инструкции и для построения разнообразных клеток, и для их слаженной работы в качестве органов, и для объединения этих органов в одно целое существо.
Несмотря на безусловное численное преобладание прокариот (бактерий и архей) над эукариотическими организмами, наш мир, каким мы его видим, это именно мир эукариот. Поэтому так сложно представить до-эукариотическую Землю, но еще сложнее — поверить в невероятную цепь событий, результатом которой является современное разнообразие жизни на ней. И ключевую роль в этом событии играет появление «той самой клетки», в которой прижились про-митохондрии. Анализируя геном современной эукариотической клетки, ученые смогли выяснить достаточно подробностей для создания непротиворечивой теории того, как и почему это происходило, и почему неизбежным результатом возникновения «той самой» является современный мир.
Сначала исследование генома давало больше казавшихся неразрешимыми противоречий, чем ответов на накопившиеся к эукариотам вопросы:
1. генетически подтверждено, что та клетка, в которую попала про-митохондрия, была археей. На это указывают например особенности строения мембраны эукариотических клеток, которые гораздо ближе к археям, чем к бактериям. И генетически эукариоты оказались ближе к определенному виду архей: метаногенам, чем к любым другим археям и тем более бактериям.
Метаногенам для жизни нужно только поступление углекислого газа (СО2) и водорода, ими они дышат и из них строят все нужные органические соединения. В кишечнике человека тоже живут метаногены, и если их слишком много, то.. ну понятно. Пока вроде никакой проблемы (кроме моральных страданий особенно нежных индивидуумов, травмированных своим происхождением от таких неблаговонных архей) не обнаружено, но стоит копнуть глубже, и они врываются в твою жизнь так же резко и бесцеремонно, как те самые продукты жизнедеятельности наших далеких предков, и сейчас обитающих в наших кишечниках.
2. Метаногены избегают мест с большим содержанием свободного кислорода, так как попадая в них кислород своей окислительной активностью повреждает их клеточные стенки, ДНК и т.д. и т.п. В общем, для метаногена кислород — это разрушительный яд.
3. Современные митохондрии используют для вырабатывания энергии именно кислород, а значит живут в тех местах, где его достаточно. Если предположить, что и про-митохондрия занималась тем же, становится непонятным: как метаноген мог настолько плотно провзаимодействовать с про-митохондрией, чтобы произошло то самое уникальное слияние, давшее начало эукариотам, если они жили в принципиально разных условиях?
4. Если этого мало и зарождение эукариот все еще кажется тебе возможным, то есть еще такой «мелкий» вопрос: как про-митохондрия попала в метаноген?
Современные археи не являются хищниками, заглатывающими другие организмы. Возможность гоняться за добычей, захватывать ее, втягивать внутрь весьма энергоемкое удовольствие. У прокариотических клеток не было ни энергии, ни гибкой мембраны с подвижным цитоскелетом, позволяющих осуществлять охотничьи действия наподобие тех, которые легко наблюдать на примерах поедания амебой каких-нибудь одноклеточных водорослей, или поглощения клетками твоей иммунной системы болезнетворных бактерий. Нет никаких доказательств, что когда-то у архей была эта функция, наоборот: то отличие эукариот от архей, которое позволяет ядерным клеткам охотиться, захватывая внутрь себя добычу, обеспечивается генами, возникшими после объединения метаногена и про-митохондрии в один организм. То есть вот такого процесса поглощения одной клеткой (археей) другой клетки (про-митохондрии), как на видео охотящейся амебы под этим абзацем, просто не могло произойти.
Поэтому можно наконец признать существование эукариот невозможным, закрыть эту главу и погрузиться в не озадачивающий такими противоречиями сериал. Ну или узнать из второй части этой главы,
каким образом все-таки возник симбиоз этих двух клеток (обоснованная теория):
1. про-митохондрия могла иметь не один способ выработки энергии (с использованием кислорода), а два: во время дыхания вторым способом она использовала водород, а кислород ей был не нужен. У некоторых живых существ (например, у Trichomonas vaginalis) вместо митохондрий энергию вырабатывают гидрогеносомы, которые как раз и выдыхают водород.
Многие современные бактерии (а про-митохондрия была именно бактерией, что доказывают особенности строения мембран ее потомков и митохондриальные гены) тоже умеют переключаться с одного вида выработки энергии на другой в зависимости от того, каких веществ в окружающей среде больше, так что это вполне обоснованное предположение. Кроме того, схожесть генов гидрогеносом и митохондрий подтверждает высокую вероятность того, что они произошли от одного предка.
Так что про-митохондрии вполне могли жить и без кислорода, то есть в том же месте, где обитали метаногены.
2. В этом самом общем месте обитания метаногенам было выгодно держаться поближе к про-митохондриям, так как эти бактерии выдыхали тот самый водород, который жизненно необходим метаногенам. Это не просто предположение: обнаружена современная морская инфузория Plagiopyla frontata, в клетках которой в качестве симбионтов существуют мелкие метаногены и гидрогеносомы. На фотографии внутренностей этой инфузории видно, как плотно прижаты друг к другу светло-серые метаногены и темно-серые гидрогеносомы. Такое прижимание не случайно: выделяемый гидрогеносомами свободный водород слишком легко вступает в реакцию с кислородом, образуя молекулы воды. Поэтому необходимо его перехватить, лучше всего притиснувшись к его источнику.
Это невероятный гибрид: эукариота, в которой прижились и археи (которые сами вообще-то являются предками эукариот), и сохранившая нетипичную специализацию про-митохондрия. Своим существованием он подтверждает не менее невероятную теорию образования эукариотической клетки, которая выглядит так:
3. предполагают, что метаногены постепенно все более страстно прижимались к источнику жизненно важного водорода, и в результате все сильнее «оборачивались» вокруг про-митохондрий, пока полностью не поглотили их.
Чтобы в результате этого поглощения образовалась жизнеспособная химера, состоящая из двух симбионтов, необходимо соблюдение некоторых условий. Прежде всего метаноген должен «жрать за двоих», поставляя питательные вещества не только для своих нужд, но и для живущих внутри него про-митохондрий. На первый взгляд здесь нет ничего сложного, но стоит вспомнить, что метаноген и про-митохондрия были не просто двумя независимыми существами: их пищевые и дыхательные пристрастия были совершенно разными. У метаногена просто не было генов, которые обеспечивали бы поступление в него тех веществ, которые были необходимы про-митохондриям. Ведь в клетку не просачивается в качестве пищи и дыхательного газа «что попало»: на ее мембране существуют механизмы, захватывающие исключительно нужные молекулы, и захватить все нужное для про-митохондрии самостоятельно метаноген не мог. У него элементарно не было чертежей для постройки тех самых хваталок.
Проблема разрешилась просто и изящно: необходимые чертежи (гены) метаноген получил от поглощенных им про-митохондрий. Произошло это примерно так:
— первые поглощенные митохондрии просто задыхались внутри метаногена. А может быть, раньше умирали от голода, это не важно (для всех, кроме них самих, конечно. Хотя и для них уже не важно, все равно сдохли). Важно то, что их клеточная стенка разрушалась, и содержимое (в том числе ДНК) оказывалось в цитоплазме метаногена. Большинство метаногенов очевидно разбирали такой «подарок» на запчасти, что могли — использовали, а остальное выкидывали. Но были и другие варианты развития событий, и мы являемся живым доказательством того, что как минимум один раз произошло
— встраивание в геном метаногена попавшей в его цитоплазму ДНК про-митохондрии. Такое добавление к своему геному случайно оказавшейся внутри клетки чужеродной ДНК достаточно часто встречается в мире бактерий и архей. А гены бактерий всегда организованы очень рационально: отвечающие за один процесс (например, за питание) гены собираются вместе в группу, называемую оперон. Главная особенность оперона состоит в том, что входящие в него гены активируются для считывания одновременно, или же активируют друг друга по очереди. Считывается первый ген, по нему производится протеин, который выполняет какую-то одну мелкую функцию процесса питания и одновременно запускает считывание второго гена. А тот тоже что-то полезное для достижения общей цели генов этого оперона делает, и заодно запускает считывание третьего гена, и так далее. Стоит запустить один ген, и обеспечено производство всего комплекта, необходимого для питания: от механизмов захвата пищи до ферментов для ее расщепления и переработки.
Так что достаточно было встроить в ДНК метаногена такой пищевой оперон про-митохондрии, и он начинал считывать вместе со своими генами и митохондриальные. А по считанным чертежам производились нужные молекулы: встраивались в мембрану хваталки, заточенные под пищу для митохондрий, внутри цитоплазмы метаногена появлялись ферменты, нарезающие ее на удобные кусочки, и следующие поглощенные этим метаногеном (или, что более вероятно, его потомками) про-митохондрии были обеспечены питанием. А значит, отлично выживали, образуя полноценный симбиоз: метаноген защищал про-митохондрий от внешнего мира и поставлял им питание, а они взамен производили необходимый ему водород прямо в его недрах.
Со временем симбиоз становился все более выгодным. Например, такой химерный организм мог существовать и в присутствии кислорода, в отличие от обычных метаногенов. Если не отягощенные про-митохондриями метаногены серьезно повреждались попадающим в них кислородом, то у химер он эффективно утилизировался про-митохондриями, переключавшимися в его присутствии на кислородный тип дыхания. Важно, что использование для дыхания кислорода намного энергетически выгоднее, чем водородное дыхание. Возможно, что это было одной из причин, которая позволила сохранить внутри метаногенов, избегающих мест скопления кислорода тех генов, которые отвечали за его переработку. Ведь даже при очень маленькой концентрации кислорода шансов на выживание было больше у тех химер, кто мог его утилизировать, не дав повредить метаноген, еще и с пользой от повышенной энергоотдачи.
Если бы в среде, где жили химеры, кислорода не было совсем, через какое-то время гены, отвечающие за его переработку, были бы повреждены в результате мутаций (так происходит с любыми не используемыми генами, подробнее про этот процесс смотри в одной из следующих глав про мутации). То, что этого не произошло, свидетельствует о присутствии в среде, где появились первые химеры, небольшого количества кислорода. Именно это небольшое количество, поддержавшее в рабочем состоянии гены для кислородного дыхания, было причиной следующего бурного этапа развития химер. Наступил он тогда, когда
4. содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться. Фактически, симбионты получили доступ к резкому увеличению доступной энергии, которую метаноген смог в итоге забирать у митохондрий в виде молекул АТФ. Это привело к возможности сначала усложнять и увеличивать одиночные клетки, а затем и создавать многоклеточные организмы. Водородное дыхание у подавляющего большинства химер было забыто, ведь кислорода становилось все больше, и незачем было использовать неэффективный водородный дыхательный путь. Неиспользуемые гены, отвечающие за его функционирование, подверглись не контролируемым естественным отбором мутациям, и частично исчезли, частично превратились в другие, выполняющие возможно совсем не схожие с первоначальными функции. Это один из часто встречающихся путей в эволюции: приспосабливание более не используемых генов, случайная мутация в которых привела к появлению у них новой функции, для текущих нужд.
Это «всего-лишь-теория» о том, каким образом из примитивных прокатиотических клеток, сохранивших свои особенности от зарождения жизни до наших дней, возникли настолько не похожие на них существа, как амебы и носороги, бабочки и страусы. Митохондрии, прижившиеся внутри архей, не просто сделали возможным появление этих гигантов. Их присутствие повлияло на половое разделение внутри видов и на особенности полового размножения. На необходимость запрограммированного старения и смерти, которые регулируются именно митохондриями. Подробнее о механизме производства энергии и о других функциях митохондрий напишу в следующих главах этой линии.