Алан Бёрдик - Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени

Тину и водоросли часто называют плесенью на теле земли, но едва ли они заслуживают столь дурной славы. То, что мы привыкли называть тиной, как правило, оказывается колонией цианобактерий, или сине-зеленых водорослей, составляющих одну из самых многочисленных групп прокариотов – безъядерных одноклеточных организмов, которые обитают в толще воды и процветают в условиях активной инсоляции. Цианобактерии не похожи ни на обычные бактерии (микробы, живущие у вас дома, едва ли способны к фотосинтезу), ни на одноклеточные водоросли, которые представляют собой эукариотические клетки с оформленным ядром, но это не помешало им заполонить собой весь мир. На долю цианобактерий, находящихся в первых звеньях трофических цепей, приходится внушительная доля всей совокупной биомассы планеты. Помимо прочего, цианобактерии считаются одной из древнейших форм жизни на Земле, возраст которой приблизительно оценивается в 4,5 миллиарда лет. Они появились на планете по меньшей мере 2,8 миллиарда лет назад; наиболее вероятное время возникновения – примерно за 3,8 миллиарда лет до насыщения атмосферы Земли кислородом, которое, к слову, приписывается именно цианобактериям: у этих одноклеточных кислород выступает побочным продуктом фотосинтеза. Как бы там ни было, в один момент сухой концентрат пространства-времени был освоен и преображен живыми существами. Если к истории существования жизни на Земле применимо понятие первоистоков, то жизнь, по всей видимости, начинается с цианобактерий и, вероятно, на них же и закончится.

Биологические часы оказались очень полезны для адаптации живых существ к условиям окружающей среды. Начнем с того, что они выступают главной опорой жизнедеятельности в целом. Теоретически без них можно обойтись: хронометрирование физиологических процессов может осуществляться автономно за счет внутренних ресурсов организма. Наш внутренний хронометр в состоянии обеспечить координацию физиологических процессов, протекающих во внутренней среде организма, напрямую поддерживая постоянную связь с тактовыми импульсами двадцатичетырехчасового суточного ритма, которые задает солнечный свет. Но в таком случае наш организм по ночам и в пасмурные дни неизбежно отправлялся бы в свободное плавание по рекам времени. (Представьте себе, что у ваших радиоконтролируемых часов приемник регулярно выходит из строя, из-за чего они теряют способность отсчитывать время.) До конца восьмидесятых годов XX века большинство биологов стояли на том, что у микроорганизмов, таких как цианобактерии, циркадные ритмы вовсе отсутствуют, по той простой причине, что жизнь среднестатистического микроба слишком коротка, чтобы вписаться в них. Деление типичной одноклеточной цианобактерии происходит каждые несколько часов. При солнечном свете размножение клеток активизируется, в темноте интенсивность клеточных делений снижается. В течение двадцати четырех часов один материнский одноклеточный организм дает начало шести и более поколениям дочерних клеток, которых насчитывается невероятное множество. Как метко выразился в разговоре со мной Карл Джонсон, микробиолог из Университета Вандербильта: «Какой смысл обзаводиться часами, если на следующий день вы будете уже другим человеком?»

Более двадцати лет Джонсон находится в авангарде исследований, которые дают понять, что у бактерий все-таки есть свой циркадный хронометр, причем поразительно точный. Более того, клеточные часы бактерий настолько не похожи на молекулярные часы животных, растений и грибов, что в отношении первых напрашивается вопрос о причинах эволюции внутреннего часового механизма и о том, как могли быть этимологически связаны между собой последующие модификации биологических часов.

Цианобактерии производят кислород в ходе фотосинтеза; многие виды также обладают способностью фиксировать атмосферный азот и превращать его в соединения, легко усваиваемые растениями. Единовременное осуществление фотосинтеза и азотфиксации – невероятно сложная задача, так как присутствие кислорода угнетает активность фермента, задействованного в каптаже азота. Тем не менее высокоорганизованные нитчатые цианобактерии могут параллельно осуществлять оба процесса, распределяя обязанности между специализированными клетками. У одноклеточных цианобактерий нет внутриклеточных отсеков, поэтому они вынуждены распределять функции по времени: фотосинтез осуществляется днем, а фиксация азота – ночью.