В гостях у ведущего канала «ОСНОВА» Бориса Виденского — эволюционный биолог, научный сотрудник МГУ и автор фундаментального труда «От туманности до клетки» Михаил Никитин. В ходе глубокого научного интервью собеседники обсудили ключевые загадки возникновения жизни: от роли полового размножения и доисторического соперничества синапсид с диапсидами до гипотезы марсианского происхождения земных организмов. Ученый подробно описал механизмы работы «микробной темной материи», парадоксы поведения простейшего многоклеточного трихоплакса и то, как древние вирусы подарили млекопитающим плаценту.
🧬 Роль полового размножения и эволюция полов 0:00
Половое размножение сыграло колоссальную роль в истории земной биосферы: без него на планете не появились бы животные, включая червей, насекомых и млекопитающих . В то время как бактерии, часть грибов и растений успешно обходятся бесполым путем, животные за редчайшими исключениями полностью зависят от полового процесса .
Главное преимущество секса перед клонированием — способность быстро создавать уникальные комбинации генов двух родителей в надежде получить более жизнеспособное потомство . Альтернативные механизмы, такие как горизонтальный перенос генов у бактерий, крайне неэффективны: они происходят в среднем раз в миллионы делений, а подбор генетического материала носит случайный характер . Половое размножение позволяет выбирать партнера своего вида с наиболее совместимым геномом. Например, рыбы и лошади выбирают партнеров по запаху, ориентируясь на гены главного комплекса гистосовместимости (MHC) . Чем сильнее различаются гены MHC у родителей, тем шире спектр распознаваемых патогенов и тем крепче иммунитет потомства .
Для полового размножения не обязательно иметь два пола. Среди животных широко распространен гермафродитизм :
- Дождевые черви;
- Пиявки;
- Наземные улитки;
- Многие морские моллюски.
Виноградные улитки практикуют полностью симметричный обмен спермой, при котором каждая особь становится и мамой, и папой. Для стимуляции спаривания они используют специальные известковые иглы («любовные стрелы»), вонзая их в тело партнера . У грибов и инфузорий количество полов («типов спаривания») может исчисляться десятками, что повышает шансы встретить подходящего партнера .
Разделение половых клеток на мелкие подвижные сперматозоиды и крупные питательные яйцеклетки возникло раньше, чем разделение самих организмов на самцов и самок . У сидячих морских организмов (кораллов, губок) половые клетки просто выбрасываются в воду, где происходит их встреча .
Переход к двум обособленным полам у подвижных существ мог быть спровоцирован эволюционным «жульничеством» . Поскольку производство сперматозоидов обходится организму намного дешевле, чем производство богатых ресурсами яйцеклеток, у гермафродитов возникает соблазн вложиться только в мужскую функцию, переложив затраты на вынашивание потомства на партнера . Морские плоские черви (планарии) решают этот конфликт буквально: они устраивают «фехтование на пенисах» . Тот, кто проигрывает дуэль и оказывается оплодотворенным, берет на себя роль самки .
Смена пола в течение жизни (последовательный гермафродитизм) часто встречается у рыб и земноводных . Яркий пример — рыбы-клоуны (амфиприоны). В их сообществах пол определяется социальной иерархией :
- Мальки амфиприонов изначально бесполы;
- Выращенный в одиночестве малек всегда становится самкой;
- Подсаженный к одинокой самке малек превращается в самца;
- В сложившейся паре третий малек остается бесполым ;
- Если самка погибает, доминантный самец за неделю превращается в самку, а самый крупный бесполый малек созревает в нового самца .
💥 Кембрийский взрыв и цепные реакции видообразования 11:17
За 4,5 миллиарда лет истории Земли темпы эволюции распределялись неравномерно. Первые 4 миллиарда лет биосфера состояла преимущественно из одноклеточных форм, и лишь последние 600–700 миллионов лет ознаменовались развитием животных .
Эволюционные скачки происходят волнами, ускоряясь после массовых вымираний за счет освобождения экологических ниш. Так, гибель динозавров в конце мезозоя позволила мелким млекопитающим и птицам дать гигантское разнообразие крупных форм . Эволюция биоразнообразия идет с постоянным автокаталитическим ускорением: появление каждого нового вида создает ниши для его паразитов, хищников и симбионтов .
В тропических экосистемах ключевым двигателем разнообразия выступает химическая война растений и насекомых. Почти все растения ядовиты . Для хищников растительные токсины смертельны: например, привычные человеку чеснок, шоколад и кофе ядовиты для домашних кошек из-за особенностей их печени . Никотин по своей токсичности для насекомых сопоставим с нервно-паралитическим газом «Новичок» . Борьба за выживание заставляет насекомых специализироваться: колорадский жук переносит яд картофельной ботвы, но гибнет от табака, тогда как гусеница табачного бражника легко обезвреживает никотин, но не способна есть картофель . Эта непрерывная гонка вооружений разгоняет видообразование экспоненциально .
Скорость этого процесса поразительна. Городские подвальные комары отделились от своего дикого предка Culex pipiens всего за 100 лет обитания в затопленных подвалах и канализациях . Они приобрели уникальные свойства:
- Способность летать при температуре до -2°C ;
- Умение зимовать во взрослом состоянии, а не только на стадии яйца;
- Способность откладывать первую порцию яиц без употребления крови за счет личиночных запасов белка .
При этом городские комары полностью потеряли способность скрещиваться с дикими предками. Михаил Никитин отметил, что лично участвовал в исследовании, доказавшем независимое и генетически схожее приспособление комаров к подземным условиям в Москве, Туле и Сакраменто (Калифорния) .
Кембрийский взрыв (около 540 млн лет назад) стал еще одним примером цепной реакции . Появление у животных твердых скелетов не только улучшило их сохранность в палеонтологической летописи, но и спровоцировало взрывной рост разнообразия следов ползания . Скелеты позволили развиться специализированным хищникам: появились существа, способные дробить панцири, сверлить раковины (подобно современным рапанам) и эффективно выкапывать жертв из грунта .
🦖 Судьбоносные развилки: Синапсиды против Диапсид 21:51
Эволюция наземных позвоночных определялась жестким соперничеством двух ключевых ветвей: синапсид (предки млекопитающих) и диапсид (динозавры, птицы, современные ящерицы и змеи) .
В пермском периоде доминировали синапсиды — крупные травоядные и хищники размером с корову (пареязавры, иностранцевии, диметродоны) . Однако Великое пермское вымирание, спровоцированное масштабным вулканизмом, обнулило их лидерство . В мезозое вперед вырвались диапсиды, точнее — динозавры. Их главным козырем стало прямохождение: они повернули задние конечности под туловище (в отличие от «раскоряченных» крокодилов и ящериц) и смогли бегать с огромной скоростью, сопоставимой с бегом современных страусов .
Вытесненные синапсиды ушли в глубокое экологическое подполье . Став мелкими, норными и ночными существами, предки млекопитающих развили качества, которые позже определят их триумф:
- Острое обоняние и вибриссы (осязательные усы на морде) для навигации в темноте ;
- Теплокровность для выживания в холодные ночи ;
- Сложный головной мозг для обработки сенсорных сигналов.
В конце мелового периода очередная катастрофа (падение астероида Чиксулуб и излияние деканских трапп в Индии) уничтожила динозавров . Млекопитающие заняли пустующую сушу. По мнению Михаила Никитина, доминирование теплокровных зверей — во многом историческая случайность . Не существует никаких фундаментальных ограничений, мешавших птицам (прямым потомкам динозавров) или осьминогам развить разум первыми . Интеллект ворон и крупных попугаев при гораздо меньшем объеме мозга не уступает приматам, поскольку птицы используют структуру мозга эффективнее .
🧪 Добиологическая эволюция и происхождение жизни 32:16
Реконструировать события добиологической эволюции (около 4 млрд лет назад) крайне сложно, поскольку ученые вынуждены моделировать их в лаборатории без строгой гарантии исторической достоверности . Одним из ярких доказательств жесткого добиологического отбора является структура ДНК и РНК. Их природные молекулы обладают феноменальной устойчивостью к ультрафиолету — она в сотни и тысячи раз выше, чем у близких искусственных аналогов, способных образовывать двойную спираль . Это указывает на то, что РНК-мир формировался на освещенной Солнцем поверхности молодой Земли в условиях отсутствия озонового слоя, когда уровень УФ-излучения превышал современный примерно в 100 раз .
Выбор химических элементов жизнью также неслучаен. Углерод, азот, водород, кислород, сера и фосфор относятся к числу самых распространенных элементов во Вселенной . По этой причине идеи фантастов о кремниевой жизни или океанах из фтороводорода выглядят антинаучно: термоядерные процессы в недрах звезд производят фтор в тысячи раз неохотнее, чем кислород .
В научном сообществе ведутся споры о локализации прародины живых организмов. Биохимик Ник Лейн и его сторонники отстаивают гипотезу глубоководных щелочных гидротермальных источников, однако Михаил Никитин является сторонником теории наземных грязевых котлов (геотермальных полей) . Его ключевой аргумент — солевой состав клеток.
Если солевой состав крови и межклеточной среды млекопитающих напоминает морскую воду с доминированием натрия ($Na^+$) , то внутренняя среда самой клетки принципиально иная. В цитоплазме критически мало натрия, но очень много калия ($K^+$), фосфора и тяжелых металлов (цинка, марганца, меди, железа) . В любом современном водоеме поддерживать такой баланс крайне энергозатратно: клетки в покое тратят около 20% своего энергетического бюджета на работу мембранных насосов, выкачивающих натрий и закачивающих калий . Единственные природные резервуары с высоким содержанием калия и тяжелых металлов — это наземные геотермальные грязевые источники .
Точно смоделировать весь процесс зарождения жизни на компьютерах пока невозможно. Вычисление взаимодействий атомов на уровне квантовой химии требует колоссальных мощностей: современные суперкомпьютеры способны просчитать поведение лишь одной белковой молекулы . Поэтому ученые исследуют процесс поэтапно :
- Синтез органических кирпичиков (нуклеотидов) ;
- Сборка нуклеотидов в полимерные цепочки;
- Возникновение автокатализа — химической авторепликации информационных молекул .
Жизнь с точки зрения химии — это сложная система автокатализа, где ДНК через посредников катализирует синтез собственных копий . Стремление к размножению — не сознательная воля, а следствие отбора: выжили только те молекулярные системы, которые научились воспроизводить себя лучше других . Наша склонность видеть разумный замысел в неживой природе — эволюционное наследие социальных приматов. Для выживания в племени было критически важно подозревать сородичей в скрытых интригах, поэтому мозг человека эволюционно адаптирован видеть чью-то целенаправленную волю во всем, вплоть до движения небесных светил .
🕊️ Развенчание мифов: «Выживает сильнейший» 47:31
Популярная формулировка «выживает сильнейший» некорректна. Главная цель эволюции — не просто выжить, а оставить максимальное число плодовитых потомков . В природе выигрывает не мышечная сила, а сбалансированность качеств. Организму приходится решать множество противоречащих друг другу задач: эффективно искать пищу, избегать хищников, находить и привлекать партнера .
Яркий павлиний хвост снижает шансы самца на выживание, мешая летать, но без него размножение невозможно . Эволюционный успех напоминает пятиборье: важно не провалиться ни в одной из дисциплин . В природе, как и в инженерии, дольше всего сохраняются сбалансированные «модели» (как автомобиль Volkswagen Beetle или самолет Boeing 737) .
Интенсивность полового отбора легко определить по внешнему виду животных:
- При острой конкуренции за самок (павлины, морские львы) выражен половой диморфизм. Вся забота о потомстве ложится на самку, а самцу достаточно победить соперников .
- При совместной заботе о потомстве (большинство видов сов) самцы и самки выглядят абсолютно одинаково, так как они выполняют идентичную работу по выкармливанию птенцов .
☄️ Космическая одиссея: Зародилась ли жизнь на Марсе? 52:04
Гипотеза литопанспермии — переноса микроорганизмов внутри метеоритов — сегодня не считается маргинальной . Межзвездные перелеты живые системы вряд ли способны пережить из-за миллионов лет воздействия жесткой радиации, но путешествие в пределах Солнечной системы вполне реально. Метеорит, выбитый с поверхности Марса сильным ударом астероида, может достичь Земли всего за несколько лет .
В древности Марс был пригоден для жизни: на нем существовали жидкая вода, плотная атмосфера и океан глубиной до 1 километра . Более того, Марс остыл и стал обитаемым на 100 миллионов лет раньше Земли . Земля из-за своей большой массы (в 10 раз массивнее Марса) притягивала падающие планетозимали с большей силой. Энергия ударов испаряла океаны, превращая планету в магматический ад . Первые 150 миллионов лет Земля напоминала горячую Венеру с плотной углекислотной атмосферой и температурой около 300°C . Марс же остыл всего за 20–30 миллионов лет .
Если жизнь возникла в марсианских грязевых котлах на 100 миллионов лет раньше, ее споры могли колонизировать Землю и вытеснить местную первичную органику . Чтобы проверить эту гипотезу, необходимы марсианские экспедиции с буровым оборудованием, способным взять пробы грунта с глубины от 500 метров до 1 километра, где микроорганизмы могли укрыться от космического излучения и сухости .
Теоретический план терраформирования Марса рассчитан на тысячи лет и включает в себя несколько этапов :
- Создание искусственного магнитного поля путем прокладки сверхпроводящего кабеля по экватору и строительства электростанции ;
- Бомбардировка планеты ледяными кометами из внешних областей Солнечной системы для восстановления водных ресурсов ;
- Заселение планеты генетически модифицированными цианобактериями для связывания углекислого газа и насыщения атмосферы кислородом .
🔬 Универсальные константы жизни и новые открытия 1:00:31
Палеонтологические свидетельства древнейшей жизни возрастом 3,5 млрд лет (найденные в Австралии) представляют собой окаменевшие нитчатые цианобактерии . Они демонстрируют высокую степень специализации: цепочки клеток содержат крупные гетероцисты, предназначенные исключительно для фиксации азота .
Все клеточные организмы на планете обладают фундаментальным сходством: они используют четырехбуквенный алфавит ДНК , универсальную таблицу генетического кода и поддерживают на мембране электрический потенциал в 100–150 мВ для работы транспортных белков-насосов . Как шутят биохимики, «после гомогенизатора все организмы выглядят одинаково» .
Одним из величайших прорывов биологии начала XXI века стало открытие «микробной темной материи» с помощью метагеномики . Чтение ДНК напрямую из образцов воды и почвы показало, что 99% существующих на планете микробов не поддаются культивированию стандартными лабораторными методами .
Благодаря метагеномике были открыты локиархеи (Lokiarchaeota) — группа микроорганизмов, являющаяся ближайшим эволюционным «родственником» хозяина, который приютил бактериального симбионта около 2 млрд лет назад, что привело к возникновению эукариот (ядерных клеток) .
Японские и европейские ученые совершили научный подвиг, потратив 12 лет на культивирование двух видов локиархей . Эти микроорганизмы делятся крайне медленно — всего раз в две недели . Исследования показали, что локиархеи обладают прото-цитоскелетом . Они образуют длинные гибкие выросты («макаронины»), которыми обнимают бактерий-симбионтов для эффективного обмена водородом, что наглядно иллюстрирует промежуточный этап на пути к возникновению сложных клеток .
🦠 Кошмар Дженкинса, нейтральная теория и вирусы 1:14:47
Со времен Чарльза Дарвина эволюционная теория претерпела ключевые дополнения:
- Синтетическая теория эволюции (СТЭ): в первой половине XX века объединила дарвинизм с генетикой, превратив эволюционную биологию в точную количественную науку . Она разрешила «кошмар Дженкинса» — страх перед тем, что полезный признак единичного мутанта растворится при скрещивании с обычной популяцией . Генетика доказала дискретность наследования генов .
- Нейтральная теория молекулярной эволюции: сформулированная Мотоо Кимурой в 1960-х годах . Она постулирует, что большинство мутаций на уровне ДНК нейтральны и не подвержены естественному отбору. Из 3 миллиардов букв человеческого генома любые два неродственных человека различаются примерно на 300 000 нуклеотидов . На уровне ДНК нейтральная эволюция составляет около 90%, а отбор по Дарвину — лишь 10% .
- Вирусная эволюция: вирусы оказались важнейшим фактором горизонтального переноса генов и двигателем «гонки вооружений» . Огромная часть генома млекопитающих — это «кладбище» древних ретровирусов . Например, белок синцитин, обеспечивающий слияние клеток плаценты при беременности, имеет вирусное происхождение и был заимствован млекопитающими у древнего вируса .
Уникальный пример вирусного симбиоза демонстрируют осы-наездники . Около 80 миллионов лет назад вирусный геном встроился в ДНК осы . Теперь в яйцеводах наездника активируются вирусные гены, производя вирусные частицы. При откладке яйца в гусеницу оса впрыскивает эти частицы, которые целенаправленно разрушают иммунную систему жертвы, защищая личинку осы . Вирус потерял способность размножаться самостоятельно, став неотъемлемой частью жизненного цикла насекомого .
🧫 Трихоплакс: Живой символ древней простоты 1:26:11
Любимым объектом исследований Михаила Никитина является трихоплакс (Trichoplax) — простейшее многоклеточное животное на Земле . Внешне он похож на крошечное пятнышко грязи размером 1 мм и толщиной 20 микрон . Трихоплакс состоит всего из трех слоев клеток . У него полностью отсутствуют нервная система, мышцы и рот, однако он демонстрирует сложное координированное поведение: активно ползает и переваривает бактериальные пленки всей нижней поверхностью тела .
Трихоплаксы способны к коллективному поведению: при обилии пищи они соединяются краями по принципу «застежки-молнии» для совместного переваривания крупной добычи . Им свойственна своеобразная «социальная вежливость»: трихоплаксы никогда не наползают друг на друга. Если перенести одну особь на спину другой, гость сожмется в комочек и не расправится, пока не сползет на субстрат .
При этом геном трихоплакса содержит практически все белковые компоненты, необходимые для полноценной нервной системы . У него функционирует вся химическая палитра нейромедиаторов: серотонин, ацетилхолин, глутамат, глицин и окситоцин . На трихоплакса оказывает влияние человеческая психофармакология: под действием антидепрессанта флуоксетина (Прозака) они теряют аппетит и начинают двигаться быстрее . Глутамат воспринимается ими как вкусная пища: при его добавлении трихоплаксы начинают совершать глотательные движения даже на чистом стекле .
У трихоплаксов обнаруживаются зачатки «свободы воли» . В лаборатории они размножаются бесполым путем и являются абсолютными генетическими клонами. Тем не менее в одинаковых условиях они ведут себя по-разному :
- При освещении чашки Петри большинство особей движется к свету, но часть принципиально его игнорирует ;
- При создании течения большинство плывет по течению, но некоторые особи упорно движутся против потока .
Эти предпочтения не закреплены жестко и меняются в течение нескольких дней . Естественный отбор поддерживает такое поведенческое разнообразие: если вся популяция будет действовать единообразно, любая резкая перемена среды может погубить ее целиком. Наличие «нонконформистов», идущих против течения, дает виду шанс на выживание .
