Заслуживает упоминания то, как аэробные организмы используют сахар, чтобы получить энергию в процессе дыхания. Когда сахар (или углеводород) просто сгорает при взаимодействии с кислородом, запас органического углерода из обладающих запасом энергии электронов, возникших в результате фотосинтеза, захватывается кислородом и переходит на более низкий уровень энергии в кислородной атомной структуре или «валентном электронном слое», высвобождая энергию в виде тепла и света. Если же сахар используется аэробным организмом, реакции метаболизма приводят к тому, что электроны органического углерода медленно просачиваются назад к «жадному до электронов» кислороду и создают электрическое напряжение. Его энергия используется для создания АТФ, что поддерживает механизмы жизнедеятельности клетки. Часть накопленной энергии сахара выделяется в виде тепла, что позволяет теплокровным существам оставаться теплыми. И при сгорании сахара, и при его аэробном потреблении, как только к кислороду присоединяется электрон, он уходит с побочным углекислым газом и водой.
Как отмечалось в главе 5, азот составляет большую часть оставшихся 80 % массы атмосферы, представляющей собой резервуар биологических строительных блоков. При этом азот относительно инертен, не так легко вступает в химические реакции. Требуется долгая работа бактерий и архей в океанах и почве, чтобы образовался, например, аммиак, который более крупные организмы, например растения, используют для создания аминокислот. Напрямую мы атмосферный азот не используем. (Хотя производство удобрений, обеспечивающих необходимые для населения Земли урожаи, стало возможным благодаря процессу синтетического связывания атмосферного азота. Открывший его более 100 лет назад немецкий ученый Фриц Габер был удостоен Нобелевской премии по химии.)
На протяжении первых миллиардов лет существования биосферы Земли в ней по большей части преобладали простые одноклеточные прокариоты – бактерии и археи. Сложные клетки, из которых состоят животные, растения и такие сложные одноклеточные организмы, как грибы, амебы и инфузории, возникли около 2 млрд лет назад. Они называются эукариотическими и сильно отличаются от прокариотических клеток. Типичная эукариотическая клетка имеет мембрану, поддерживаемую цитоскелетом, а ее ядро удерживает в себе ДНК, не позволяя ей свободно плавать, и имеет так называемые органеллы – компоненты клетки, необходимые для ее существования. Помимо этого клетки эукариоты могут изменять свою форму и имеют мембраны, чтобы поглощать и есть другие организмы. Но как же эукариоты возникли?
Происхождение эукариот обычно объясняют теорией симбиогенеза, предполагающей, что вначале объединились две прокариоты. Возможно, одна из них поглотила другую или же вторглась в нее: разницы здесь практически нет. Это могли быть археи, «поглощающие» бактерий, или наоборот. По мере того как это происходило, выработались комбинации симбиотического обмена. Аэробные бактерии, способные удалять кислород, потребляя его и используя вместе с сахаром для производства энергии, были бы полезными партнерами для архей, для которых кислород является ядовитым. Фотосинтезирующие бактерии внутри крупных клеток могли бы генерировать сахар для их хозяина. Симбиотические комбинации такого рода могли дать большое эволюционное преимущество в условиях насыщающейся кислородом атмосферы, и поэтому эукариоты смогли выжить.
Считается, что органеллы, компоненты клетки, необходимые для ее существования, сформировались в результате симбиотического партнерства. Доказательством служит то, что наши «человеческие» клетки содержат органеллы, весьма похожие на бактерии, – у них даже есть собственные маленькие цепочки ДНК. Эти органеллы называются митохондриями, и заняты они преобразованием большей части энергии внутри наших клеток. Растения также имеют выглядящие как бактерии органеллы – хлоропласты, благодаря которым осуществляется фотосинтез. В любом случае симбиотические отношения хорошо подходят для использования возрастающего уровня кислорода на планете вместе со всеми сахарами и липидами, накопленными фотосинтезирующими бактериями. Сахара и жиры – гораздо более эффективные и мобильные источники энергии, чем солнечный свет, улавливая который организмы проводили весь день неподвижно. Теперь мы можем не только запасать сахар и жиры для питания, но и использовать их в качестве топлива для автомобилей и самолетов, увеличивая свою мобильность.
Эукариотическая клетка – это, по сути, комбинация нескольких предковых клеток. Поэтому естественно, что сами эукариоты крупнее прокариот и могут достигать гораздо большего размера. Размер эукариот не ограничен, потому что их органеллы распределены по всей клетке, так что по мере увеличения клетки пропорционально увеличивается и количество органелл. Прокариоты, как полагают, почти не изменили свой размер (или форму) за почти 4 млрд лет в первую очередь потому, что большинство их клеточных структур находятся на внешней клеточной мембране в виде трубочек и насосов для перекачивания химических веществ, в то время как их внутренняя часть представляет собой просто химический бульон и свободно плавающую ДНК. По мере увеличения клетки вся нагрузка по обслуживанию дополнительного объема падает на мембрану и ее структуры; если радиус прокариотической клетки увеличивается вдвое, то площадь ее поверхности растет в четыре раза, а объем – в восемь раз. В итоге поверхность клетки будет не в состоянии угнаться за объемом, и поэтому рост прокариотам попросту невыгоден.
Большее разнообразие эукариот также объясняется отличиями в воспроизводстве. Прокариоты обычно совершают деление клеток (митоз), клонируя себя. Неудивительно, что они почти не изменились. Простые одноклеточные эукариоты совершают не просто деление клетки – они еще разделяют и перетасовывают собственную ядерную ДНК, а потом соединяют ее часть с ДНК партнера посредством мейоза и полового размножения. Преимущество этих перетасовок и обмена в том, что они повышают разнообразие, а также уменьшают вероятность летальных генетических ошибок, вызванных повреждением фрагментов ДНК: поврежденные фрагменты теряются при перетасовке, зато сохраняются при простом клонировании. Разнообразие и контроль возникновения генетических ошибок стали эволюционным преимуществом, что привело к их закреплению.
Возникновение многоклеточных животных и растений, по всей видимости, началось с формирования колоний одноклеточных. В колонии все клетки идентичны, а в многоклеточном организме есть клетки специализированные, которые выполняют различные роли (как клетки наших мышц, мозга, костей, глаз). Прокариоты могут образовывать лишь простые нитевидные колонии и цианобактериальные маты; одноклеточные эукариоты могут создавать колонии различных структур, например вольвокс (подвижные шарообразные колонии водорослей, о которых шла речь в главе 1) или слизевик. Переход от колонии к многоклеточному организму, вероятно, был довольно простым, учитывая разнообразие путей адаптации
