Выход растений на сушу стал поворотным моментом в истории биосферы, ведь животные смогли сделать этот шаг только благодаря растениям, которыми можно было питаться. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Nature Plants, помогло ученым понять генетические механизмы этого процесса.
В поисках аленького цветочка
У большинства людей смутное представление о классификации живого. Сведения, почерпнутые из школьных учебников, основательно подзабыты, да и во многом устарели. В итоге «народная систематика» выглядит примерно так. Есть микробы, а есть многоклеточные. Многоклеточные делятся на три царства: растений, животных и грибов. Водоросли — это растения, живущие в воде. Очень простая и красивая схема, в которой неправильно абсолютно все.
Оставим в покое животных и грибы и сосредоточимся на растениях. Начнем с того, что биологи все чаще отказываются выделять царство растений (Plantae). Эта категория, унаследованная наукой от древних греков, плохо описывает разнообразие живого.
Классификация сосны, картофеля или «аленького цветочка» начинается с домена эукариот. К нему принадлежат все организмы, в клетках которых есть ядра и другие внутриклеточные «органы» (органеллы). Это первая и последняя категория живого, к которой принадлежат одновременно и растения, и человек. Миновав поддомен двужгутиковых, окажемся в надцарстве архепластид. Это организмы, имеющие органеллы для фотосинтеза — хлоропласты. Иногда их называют растениями в широком смысле. Только в этом смысле являются растениями многие водоросли (бурые, красные, золотистые и т.д.).
В надцарство археопластид входит царство зеленых растений. В нем тоже хватает водорослей, которые так и называются — зеленые. Многие из них одноклеточные, несмотря на гордую принадлежность к растительному царству, а не каким-нибудь там бактериям. Но главное, что все наземные растения — зеленые.
Дальше путь к родным лесам и огородам лежит через стрептофитов. Так называется один из отделов царства зеленых растений. К нему относятся все наземные растения и часть зеленых водорослей.
Некоторые стрептофиты одноклеточные. Другие занимают промежуточное положение между одноклеточными и многоклеточными. Они состоят из множества клеток, но все эти клетки одинаковые. В сущности, подобный организм можно считать глубоко интегрированной колонией одноклеточных, поэтому такие растения называются колониальными. Остальные стрептофиты истинно многоклеточные, или многотканевые. У них клетки разных типов сильно отличаются друг от друга и образуют специализированные ткани и органы. Многотканевые стрептофиты называются высшими растениями. И это последняя категория, объединяющая всех зеленых обитателей суши, от мхов до цветковых.
Впрочем, некоторые высшие растения живут и в воде, и они — последний сюрприз! — не называются водорослями.
Выдержать стресс
Сравнение ДНК однозначно свидетельствует: все стрептофиты произошли от одного предка. Первые покорители суши несли в себе гены этого древнейшего прародителя. Именно они помогли «смельчакам» освоить глубоко чуждую среду.
Несколько лет назад геномный анализ преподнес сюрприз даже самым искушенным исследователям. Ученые искали среди зеленых водорослей ближайшего родственника высших растений. Ими оказались водоросли из класса сцеплянок. Многие из них одноклеточные, другие — колониальные. Это удивительный факт, учитывая обилие более сложных зеленых водорослей, но с ДНК не поспоришь. Последний общий предок сцеплянок и высших растений жил около 600 млн лет назад, примерно за 200 млн лет до выхода зеленых первопроходцев на сушу.
Теперь другая научная группа взялась за пресноводную сцеплянку вида Mesotaenium endlicherianum. Ученые собирались выяснить, как ее клетки справляются со стрессом. В данном случае стресс — это ответ организма на неблагоприятное воздействие. Так что стрессу подвержены не только офисные работники, но и одноклеточные водоросли. Любая акклиматизация ведет к стрессу, а уж тем более смена водной среды обитания на наземную.
Биологи выбрали два очевидных фактора, донимавших первых обитателей суши: изменение температуры и освещенности. В эксперименте температура варьировалась от 8°C до 29°C, освещенность тоже в широких пределах. Ученые испробовали 126 различных сочетаний этих параметров.
В подопытных клетках активно работали почти 18 000 генов. Чтобы разобраться в их функциях, биологи прочитали 10 млрд фрагментов РНК (это вещество — биохимический сигнал, который ген посылает клетке). Выловить из этого океана информации регуляторы стресса — головоломная задача. Некоторые гены управляют другими генами, а те имеют собственных «подчиненных», причем уровни иерархии подчас перекрываются.
Система управления клеткой так сложна и запутанна, потому что она не проектировалась по единому плану, а складывалась по кусочку за миллиарды лет эволюции. Естественный отбор постоянно ставит жизнь в положение, хорошо знакомое программистам. Есть задание добавить в функционал «это и вот это», и чтобы к утру работало. Много кода за ночь не перепишешь, вот и приходится громоздить костыль на костыль.
Используя изощренную математику, биологи выявили гены-концентраторы. Это топ-менеджеры клеточного управления, запускающие и координирующие защиту от стрессовых факторов. Оказалось, что у невзрачной одноклеточной сцеплянки эти гены в основном те же, что и у гордых наземных растений. Последние 600 млн лет мало отразились на них: эволюция не чинит то, что работает.
Зеленый марш
Оставим специалистам подробности молекулярной кухни и кратко поговорим о заселении суши растениями.
Первые достоверные остатки наземных растений появляются в палеонтологической летописи 430 млн лет назад, в силурийском периоде. Что вообще понадобилось им на тогдашних бесплодных берегах? «Ингредиенты» для фотосинтеза — свет и углекислый газ. Того и другого на суше куда больше, чем в воде. И первые виды, робко осваивающие этот ресурс, получали эволюционное преимущество.
Впрочем, силурийские растения едва приподнимались над водой. «Первопоселенцам» было в новинку главное качество суши — ее сухость. Им пришлось решать неразрешимую, казалось бы, задачу: предотвратить потерю воды и при этом не остаться без воздуха. Ведь для фотосинтеза нужен углекислый газ, а для дыхания — кислород. Решение оказалось изящным. Листья наземных растений покрыты толстым слоем непроницаемого воскообразного вещества. В них открываются и закрываются микроскопические устьица. Эти экономные «клапаны» обеспечивают лист нужными газами, не приводя к слишком большим потерям воды. Еще одним прорывным изобретением оказался спорополленин — напоминающий пластмассу биополимер, защищающий от высыхания споры и пыльцу.
Все эти «инновации» привели к тому, что 380 млн лет назад, в девонском периоде, на суше раскинулись первые леса. И если на скудные силурийские пастбища польстились только беспозвоночные, то на девонский берег выползли рыбы. Студенты-палеонтологи запоминают этот факт с помощью нехитрой мнемоники: «силур шур-шур, девон — рыбы вон». Мы — прямые потомки этих рыб, так что нам есть за что благодарить гены силурийских растений.