Естественно, начались поиски новых источников энергии – и оказалось, что «питаться» можно не только органическими, но и простейшими минеральными веществами, самостоятельно строя из них потребную для жизни «органику». Так микроорганизмы первыми освоили биологический синтез углеводов и превратились в автотрофов. Понятно, что они получили значительные преимущества перед первичными гетеротрофами, поэтому к настоящему времени их сохранилось гораздо больше.
Первые «опыты» включения бактерий-автотрофов в общий круговорот веществ в природе были достаточно разнообразны. Основным «строительным материалом» для микроорганизмов стали углекислый газ и водород, а энергию для их «сшивания» в макромолекулы поставляли сера, метан, иногда даже соединения железа, то есть то, что более организованные существа использовать совершенно не способны. В эволюции часто так бывает: она начинает с широкого поиска возможных путей развития, а потом останавливается на тех, которые оказались оптимальными, и вся дальнейшая специализация идет уже по этим «избранным» путям.
Именно такой путь нащупали цианофиты: они освоили фотосинтез, при котором для получения углеводов молекула углекислого газа соединяется с молекулой воды, а энергия черпается из… солнечного света. Для этого они «изобрели» молекулы хлорофилла, которые способны «отнимать» у падающего на них света кванты энергии и передавать их на внутриклеточный биохимический «конвейер», где собираются молекулы углеводов.
Что же это им дало? Во-первых, цианофиты стали использовать огромные запасы одного из самых распространенных веществ на Земле – воды. Во-вторых, они получили доступ к беспредельному количеству световой энергии, поступающей из Космоса. В-третьих, биохимические реакции, происходящие в клетке при фотосинтезе, дают значительно больше энергии, чем любые другие, обеспечивая более высокий уровень жизнедеятельности. Это все дало цианофитам огромное преимущество перед другими видами бактерий. Но не только им, потому что, в-четвертых, - и это крайне важно – в результате метаболизма цианофитов стал выделятся свободный кислород.
…С этаким «неравновесными» системами всегда так: маленькая причина приводит к огромным по своим масштабам последствиям. Ну что, казалось бы, особенного: какие-то микроорганизмы научились извлекать энергию из солнечного света и запасать ее в несколько раз больше, а побочным продуктом их метаболизма стал кислород. Но все дело в том, что этот химический элемент сыграл в развитии жизни на Земле поистине выдающуюся роль. Именно появление кислорода создало предпосылки для развития высших форм жизни, без него вся планетарная биота так и оставалась бы по сей день «бактериальной.
Одной из таких предпосылок стало новшество, которое появилось в метаболизме живых организмов, - дыхание. Дело в том, что дыхание сопровождается выделением большого количества энергии в сравнении с брожением. И это стало своего рода «энергетическим трамплином» для эволюции более сложных организмов: ведь они просто не могли возникнуть на основе метаболизма, ограниченного брожением, не способного обеспечить их полноценное существование!
Появление фотосинтезирующих организмов, умеющих строить свое тело чуть ли не из воздуха, стало предпосылкой для развития «вторичных гетеротрофов», то есть живых существ, питающихся другими же живыми существами. С точки зрения все той же энергетики это оказалось чрезвычайно выгодным и, следовательно, было тут же подхвачено эволюцией: появились самые разные одноклеточные, а затем и многоклеточные хищники. Действительно, много ли толку от поедания отдельных молекул? А тут сразу целый «винегрет» из самых разных необходимых для жизни органических веществ, которые кто-то заботливо собрал как будто специально для тебя…
Еще одной предпосылкой стало развитие озонового слоя вокруг земной атмосферы. Получился он в результате «бомбардировки» космическими лучами атомов кислорода, появившихся в атмосфере, и стал непробиваемой броней для этих самых же лучей. Живые существа оказались под надежной защитой от ультрафиолетового облучения. Благодаря этому жизнь в конечном итоге смогла покинуть свою «колыбель» - водную среду и освоить сушу.
Но вот парадокс: став предпосылкой для развития высших форм жизни, кислород уничтожил условия для возникновения ее низших форм. Ведь в результате был наложен «запрет» на протекание тех химических реакций, благодаря которым образовался «первичный бульон». Вот почему все опыты по зарождению жизни в пробирках были с самого начала обречены на неудачу: в них присутствовала кислородная атмосфера и не было исходных химических соединений. И этим мы также обязаны все тем же цианофитам: воистину, «мышь родила гору»!
Всякому развитию присуща инерция: проще развивать уже приобретенные свойства, нежели заниматься поисками каких-то новых. Это, конечно, ограничивает эволюционные возможности развивающихся систем, но зато служит определенной гарантией успеха по крайней мере на некоторое не слишком отдаленное будущее – ведь используется продукт, уже прошедший испытания. Поэтому дальнейший ход эволюции живого организма представить себе достаточно легко: как бактерии «усовершенствовали» особенности строения и функционирования коацерватных капель, точно также более высокоразвитые организмы сначала закрепили и преумножили те достижения, которые оказались посильны бактериальной клетке.
Прежде всего, вся «после-бактериальная» жизнь стала целиком и полностью «дышащей» и, следовательно, зависящей от кислорода. Но не только зависящей, но и производящей кислород. Ведь именно многоклеточные растения внесли наибольший вклад в накопление атмосферой того количества кислорода, который необходим для существования высших форм жизни – теплокровных животных.
Конечно же, важнейшей задачей эволюции стало дальнейшее совершенствование клетки – в первую очередь, ее усложнения на основе дифференциации* частей, каждая из которых отвечала бы за определенный «участок работы» одноклеточного организма. Здесь эволюция шла одновременно по нескольким основным направлениям, решая разные задачи.
Для начала, потребовалось повысить эффективность производства и накопления энергии в клетке. Это было достигнуто за счет формирования особых органелл: в хлоропластах сконцентрировался весь хлорофилл, а в митохондриях – рибосомы. Их появление долгое время было загадкой: уж очень необычно они вели себя при размножении, делясь вместе с клеткой, словно жили какой-то самостоятельной жизнью.
Совершенно неожиданный ключ к отгадке дало обнаружение в каждой из этих органелл молекулы ДНК, в митохондриях к тому же свернутой в кольцо. Такая молекула есть у бактерий. И теперь считается, что эти важнейшие для жизнедеятельности клетки органеллы некогда были самостоятельными бактериальными клетками. А потом несколько разных «микроклеток» объединились в одну «суперклетку» и каждая из них взяла на себя определенную функцию. Очевидно, эволюция не тратит зря времени на поиски каких-то новшеств, если есть возможность использовать «подручный материал», полученный на каком-то из предшествующих ее этапов.
Важнейшим событием стало обособление ядра, содержащего почти весь генетический материал клетки. При этом отдельные нити ДНК «обросли» защитной белковой оболочкой, в результате чего образовались хромосомы. Благодаря этому была повышена надежность как хранения генетической информации, так и передачи ее от родительской клетки к дочерним. Может ядро является «потомком» еще одной бактериальной клетки, вошедшей в состав формируемой «суперклетки», взявшей на себя роль «хранительницы» генотипа?
Формирование ядра оказало столь сильное влияние на всю жизнедеятельность организмов, что провело своего рода «демакрационную линию» между бактериальной прокариотной клеткой и эукариотной клеткой с ядром. В частности, из-за того что генетическая информация оказалась записанной в разных хромосомах, эукариотные организмы выработали особые, довольно сложные механизмы клеточного деления – митоз и мейоз, в которых особая роль отведена именно «воспроизведению» хромосом. Митоз надежно гарантирует, что все потомство родительской клетки получает один и тот же хромосомный набор и тем самым унаследует полностью всю ее генетическую информацию. А мейоз стал составной частью полового деления, присущего всем высокоорганизованным существам.
Так постепенно в ходе долгой эволюции возник эукариотный организм. Впрочем, «одноклеточным» его можно считать лишь с определенной натяжкой: ведь фактически это «суперклетка», «собранная» из нескольких наиболее просто устроенных прокариотных клеток.
На этом этапе развития живого одним из величайших достижений биологической эволюции стало «изобретение» пола и полового размножения. Самые первые организмы унаследовали от коацерватных капель простое клеточное деление – бесполое размножение. От них оно перешло и к более высокоразвитым животным: даже для некоторых червей способность делиться составляет важную часть их жизненного цикла. А уж про растения и говорить не приходится – те с легкостью могут плодить потомство черенкованием и из корневых отпрысков. Но среди животных именно половое размножение по мере повышения уровня их организации становилось ключевым: у высших беспозвоночных и позвоночных животных оно – единственный способ воспроизводства.
Все это было потом. А пока совершенствование «кирпичиков» живого пошло по уже построенному пути: усложнение за счет сначала объединения, а потм дифференциации отдельных клеток. В результате получился истинный многоклеточный организм, состоящий из множества клеток – от нескольких тысяч до нескольких миллионов, каждая со своим набором органелл.