Жизнь фанерозоя оставила хорошо видимые окаменелости. По образцам, сохранившимся в осадочных отложениях, можно проследить эволюционные тенденции в четырех главных подразделениях — в царствах протоктистов, животных, грибов и растений. Многоклеточность выработалась независимо в нескольких группах прокариот и протистов задолго до возникновения многоклеточных эукариот; по крайней мере Metazoa появились, вероятно, во времена эдиакарской фауны, т. е. 680 млн. лет назад. Причина внезапного изменения на границе дофанерозоя и кембрия около 600 млн. лет назад заключается в выработке скелетных структур — в явлениях биоминерализации в больших масштабах.
Есть ли связь между эволюцией эукариотических клеточных механизмов, имеющих дело с кальцием, и появлением известковых скелетов? В дофанерозое произошел взрыв эволюции эукариот, но поскольку организмы были мягкотелыми и главные пути расхождения находились на биохимическом уровне, они оставили очень слабые следы. Многоклеточные животные могли возникнуть в протерозое раньше, чем обычно считают, или же они могли не появляться вплоть до времен эдиакарской фауны. В любом случае факт внезапного появления эукариот, имеющих твердые части, в томмотском ярусе (ранний кембрий) остается в силе. Были предложены многочисленные объяснения этого факта, от уничтожения более ранних следов в результате различных геологических процессов до физических или средовых факторов и эволюции экосистем. Ответ на эту интригующую загадку заключается, по крайней мере отчасти, в природе сохранившихся частей. Образованию скелетов должна была предшествовать внутренняя способность к минерализации. Клеточное регулирование обмена кальция — вот возможный ключ к разгадке.
Неорганические компоненты твердых частей у современных организмов, отдаленно родственных ранним эукариотам фанерозоя, это безводные карбонаты кальция, кристаллические карбонаты (кальцит и арагонит), фосфаты кальция (апатиты) и кремнезем в форме кварца. Организмы позднего дофанерозоя и начала кембрия больше синтезировали апатиты, чем последующие организмы. Карбонаты кальция, которые исходно синтезировались лишь несколькими эукариотами, к середине кембрия стали самыми обыкновенными продуктами биоминерализации. С тех пор и до сегодняшнего дня они остаются главными компонентами твердых частей. Со временем на основе биогенных карбонатов кальция возникли новые обширные сообщества — микроскопические и макроскопические, из которых лучше всего известны коралловые рифы. Появились эндолиты — цианобактерии, грибы и черви, образ жизни которых связан с проникновением вглубь карбонатных субстратов.
Кремний вначале откладывался только губками. Позднее он стал использоваться более широко, например хризофитами, солнечниками, радиоляриями, диатомовыми, а также некоторыми зелеными растениями, откладываясь в их клеточных стенках. Хотя кремний всегда играл важную роль в биоминерализации, он неизменно уступал кальциевым минералам в обилии и разнообразии соединений и в непрерывности ископаемой летописи. Поскольку клеточные механизмы использования кремния недостаточно хорошо поняты, широко распространенное полифилетическое появление в фанерозое кремневых остатков пока не имеет объяснения. Как бы то ни было, соединения кальция, главным образом карбонаты и фосфаты, всегда были самыми важными биоминеральными веществами. В последние годы понимание метаболизма кальция настолько улучшилось, что появились новые возможности для понимания взаимосвязи между усовершенствованием клеток и фоссилизацией.
Биоминеральные вещества создаются главным образом многоклеточными животными и протистами. Минерализация находится под генетическим контролем; она часто зависит от стадии развития организма. Наиболее обычное местонахождение биоминералов — это скелет, но они могут находиться также в отолитах или статолитах, зубах и других твердых частях. Было идентифицировано около трех десятков биоминеральных веществ разного рода. В состав почти двух третей из них входит кальций. Наибольшим количеством и разнообразием биоминеральных кальциевых материалов отличается царство животных. Протоктисты и растения минерализованы меньше. У грибов в естественных условиях кальциевая биоминерализация, по-видимому, составляет исключение и носит в основном экскреторный характер. У монер биосинтез кальциевых твердых частей почти полностью отсутствует. Содержащие кальций биоминерализованные продукты впервые, по-видимому, появились (в томмотии) в твердых частях у довольно крупных морских животных, первичноротых целомат, и лишь затем (в атдабании) — у морских вторичноротых и менее сложных форм. У более мелких и предположительно раньше развившихся протистов обызвествленные части, возможно, возникли только в позднем девоне и уж во всяком случае не раньше позднего кембрия. Почему содержащие кальций минералы доминировали в биоминерализации от начала фанерозоя до настоящего времени?
В эукариотических клетках, и особенно явно у животных, регуляция концентрации ионов кальция необходима для многих важных физиологических процессов (так ли это и у прокариот, неизвестно). Кальций в регулируемом количестве нужен для амебоидного движения клеток, мышечного сокращения, секреции, клеточной адгезии и многих других клеточных процессов. Кроме того, кальций играет информационную роль. Внутриклеточная концентрация свободного Са2+ у эукариот варьирует в пределах от 10-7 до 10-8 М. Внеклеточные концентрации кальция обычно гораздо выше. Например, в тканевой жидкости и плазме крови содержание кальция близко к его концентрации в морской воде и колеблется от 10-2 до 10-4 М. Клетки используют это различие на 4 порядка величины в информационных процессах: любое раздражение поверхности клетки вызывает сдвиг мембранного электрического потенциала, что сопровождается быстрым переходом Са2 + внутрь клетки. Ответ на этот приток кальция зависит от природы клетки; он может привести к движению, к разряду нервных импульсов, к биолюминесценции, определенным биосинтезам и т. д. Регуляция Са2+ нужна и для самого митоза. Полимеризация белка микротрубочек (по крайней мере in vitro) очень чувствительна к концентрации Са2+. Таким образом, если бы внутренняя концентрация кальция повысилась до уровней, характерных для окружающей среды, то многие фундаментальные процессы были бы подавлены.
Содержание ионов кальция играет также важную роль в агрегации клеток губок. Например, у Microciona и Haliciona кальций влияет на видоспецифическую агрегацию клеток через посредство гликопротеида с мол. массой около 20 млн., богатого уроновой кислотой, каждая молекула которого имеет 1150 мест, связывающих Са2+. Если концентрация Са2+ в среде падает ниже 10-5 М, клетки губок диссоциируют; после восстановления прежней концентрации кальция они реагрегируют, образуя студенистую массу.
Таким образом, внутриклеточная регуляция Са2+ имеет решающее значение для функций митоза и клеточной агрегации — непременных условий для поддержания многоклеточности у животных. Почему же кальций играет столь важную роль? Это неизвестно, однако Р. Кретсингер высказал несколько соображений. Он полагает, что из ионов именно катионы лучше подходят для быстрой передачи внутриклеточной информации, поскольку «в биологических молекулах значительно преобладают отрицательно заряженные лиганды, и поэтому есть больше возможностей для специфического сродства к катионам». Но почему именно к Са2+, а не к другим широко распространенным и физиологически важным катионам, таким как Na+, К + или Mg2+ ?
Одно из предположений состоит в том, что карбонаты и фосфаты кальция первыми выделялись в гидросферу и были использованы как скелетный материал; их откачка из клетки и внутриклеточная регуляция развились позднее, и это привело к использованию Са2+ во внутриклеточной информационной системе. Этот сценарий не очень правдоподобен, так как явно не все эукариоты эволюционировали от предков с кальциевыми скелетами, а между тем внутриклеточная регуляция кальция имеется у всех изученных эукариот. Например, мышечная ткань требует регулируемого освобождения и секвестрирования внутриклеточного кальция, а ведь мышцы более характерны для многоклеточных животных, чем скелет.
Позднепротерозойская фауна Эдиакары, впервые описанная по образцам из Южной Австралии, теперь обнаружена в нескольких других местах, разбросанных по всему свету: в Англии, Канаде и Намибии (Н. A. Lowenstam, 1979, личное сообщение). Около 700 млн. лет назад произошла диверсификация в нескольких главных типах Metazoa (по меньшей мере среди кишечнополостных, аннелид и членистоногих) и наступил их расцвет. Эти животные, в основном обитатели морской литорали, достигали размеров в несколько дециметров. По крайней мере некоторые из них были подвижны. Как и у ближайших современных форм, их подвижность, вероятно, обеспечивалась мышечной тканью. Эти животные предшествовали первым биоминерализованным животным и намного превосходили их по размерам. Это значит, что механизмы внутриклеточной регуляции кальция появились еще до образования скелетов. Мышечная ткань состоит из ряда гомологичных белков. Легкие цепи миозина и тропонин — это белки, связывающие кальций; они оба нужны для преобразования химической энергии в механическую. В этих белках имеются гомологичные альфа-спиральные участки, которые непосредственно связывают кальций и могут влиять на его внутриклеточные концентрации. Наличие мускулатуры у представителей эдиакарской фауны означает, что регуляция внутриклеточного кальция получила развитие по меньшей мере за 150 млн. лет до появления твердых скелетных частей; более того, она должна была предшествовать развитию мышечной ткани.
Инфузории обладают необычной ядерно-генетической системой; вероятно, они возникли раньше, чем Metazoa. Они тоже используют кальций в информационных целях: сдвиги внутриклеточных концентраций Са2+ определяют характер поведения этих животных, включая конъюгацию. Изменения в концентрации кальция сильно влияют также на поведение протистов-солнечников и вызывают сокращение ризопласта у Platymonas. Эти наблюдения согласуются с гипотезой о том, что модулирование кальция у протистов развилось раньше, чем появились твердые скелеты у многоклеточных животных. Что еще требовалось для развития биоминерализации в нескольких типах?
Хотя на этот вопрос еще нельзя окончательно ответить, данные ископаемой летописи поучительны. В слоях, содержащих древнейшие минерализованные скелеты, встречаются самые ранние недвусмысленные свидетельства хищничества, например просверленные твердые ткани Colellela billingsi и одной гиполитиды. Ранние Metazoa, обладавшие скелетом, имели небольшие размеры; это, разумеется, означает, что на единицу объема у них приходилась большая поверхность, чем у бесскелетных форм. Хотя ранние многоклеточные со сложными скелетами хорошо известны, они часто предваряют направление развития сообществ организмов с плохо развитым или слабым скелетом; примерами служат губки, остракоды и трилобиты, которые появились чуть позже томмотия, в атдабании. У них у всех фракция органического вещества намного больше биоминеральной фракции (Lowenstam, неопубликованные данные). В совокупности эти наблюдения означают, что предпосылка для скелетизации, а именно потребность в выделении во внешнюю среду растворимых ионов кальция, во многих группах организмов возникла очень рано, и она привела к фактическому образованию скелета, когда появились другие факторы отбора, одним из которых, вероятно, было усиление хищничества, как отмечают Хатчинсон и Стэнли. Как действовали эти факторы? Жертва, вынужденная избегать более эффективных хищников, развивала высокоинтегрированные сенсорные и двигательные системы, которые увеличивали координацию и скорость движений. Высвобождение кальция непосредственно вызывает сокращение мышц. Клетки мышечной ткани контролируют секвестрацию и высвобождение кальция; в них дифференцировались места накопления кальция (в саркоплазматическом ретикулуме и в митохондриях). У протастов и мелких Metazoa такие специализированные клеточные комплексы располагались вблизи их обширных поверхностей, тогда как у крупных многоклеточных кальций накапливался во внутренних областях организма. Некоторые группы организмов разрешили проблему регуляции кальция путем экскреции его на кутикулы и покровные ткани.
У водорослей, росших в богатой карбонатами воде, создавались сходные, но, вероятно, менее жесткие ограничения на внутриклеточную концентрацию кальция. Не имея мышечной и сенсорной систем, непосредственно реагирующих на кальций, водоросли могли быть более устойчивыми, чем Metazoa, к изменениям внутриклеточной концентрации этого иона. Было бы полезно узнать ее величины и пределы колебаний у близко родственных обызвествленных и необызвествленных видов красных, бурых и зеленых водорослей. Некоторые группы, такие как известковые водоросли, либо были неспособны переводить в раствор образующийся внутри них карбонат кальция, либо получали преимущество от его присутствия, поскольку этот карбонат предохранял их от поедания животными. Возможно, что развитие восковых кутикулярных веществ у водорослей было прогрессивным усовершенствованием, которое противодействовало более примитивной тенденции нагружаться кальцием просто в результате его экскреции.
Кретсингер проводит различие между кальций-модулирующими и кальций-связывающими белками. Первые содержат конформацию, называемую «EF-ловушкой» («EF hand»), петлю, содержащую шесть кислородных лигандов, координирующих Са2+, и вторую альфа-спираль («thumb», т. е. «большой палец»). Многие другие белки, большей частью внеклеточные, связывают кальций. У них нет EF-ловушек, и связывание кальция, видимо, приводит у них в основном к их собственной структурной стабилизации. Они не имеют конформации, которая была бы непосредственно чувствительна к кальцию, и потому они не влияют на его внутриклеточную концентрацию. Стабильные кальций-связывающие белки, вероятно, не гомологичны ни друг другу, ни белкам с EF-ловушкой. Например, был описан гликопротеид, который, по-видимому, образует матрицу для осаждения карбоната кальция, но, вероятно, не имеет EF-ловушки. С другой стороны, аминокислотная последовательность и трехмерная структура определенных белков, о родстве которых даже не подозревали, дают веские основания полагать, что они на самом деле произошли от общего предка, у которого возникла EF-ловушка. К этим гомологичным чувствительным к кальцию белкам относятся тропонин, мышечный парвальбумин карпа, миозин, бычий Са2+-связывающий белок, индуцируемый витамином D, и, вероятно, мембранная Са2+-АТРаза. Эти белки распределены между организмами, относящимися к весьма отдаленным группам. В настоящее время исследуется возможность того, что этим белкам гомологичен и белок микротрубочек. Что касается прокариот, неизвестно, есть ли у них белки с EF-ловушкой или внутриклеточная регуляция Са2 +.
Быстрая выработка твердых скелетов в фанерозое была поздним достижением в длинной серии новаций, которые большей частью происходили внутри клеток и не оставили следов в ископаемой летописи. К этим новациям относится появление атмосферного кислорода в количествах, достаточных для дыхания, за которым последовало симбиотическое приобретение митохондрий; дальнейшим результатом явилась дифференциация внутриклеточных мембранных систем ядра, эндоплазматического ретикулума и наружной митохондриальной мембраны. Такие мембранные системы предполагают способность к синтезу стероидов и полиненасыщенных жирных кислот; они, вероятно, послужили преадаптацией для эндо- и экзоцитоза. Эти эволюционные усовершенствования привели к возникновению первых протестов. Приобретение системы микротрубочек сопровождалось усиленным давлением отбора в направлении точной регуляции внутриклеточного кальция. Возможно, что первоначально кальций выводился для защиты магнийсодержащих ферментов, которые участвуют в репликации нуклеиновых кислот и синтезе белка, а также для того, чтобы предотвратить осаждение апатита. Однако регулирование уровня кальция было необходимым условием полимеризации микротрубочек при обилии кальция в среде. В связи с этим регулированием у основания ресничек возникли особые пузырьки, изолирующие ионы Са2+. Появление митоза в нескольких группах протестов привело к выработке гаплоидно-диплоидных жизненных циклов и в конце концов — к многоклеточности, гистогенезу и органогенезу, включая развитие специализированных межклеточных соединений: десмосом, плотных и щелевых контактов и т. д. Усилению межклеточной и внутриклеточной регуляции и высвобождению кальция сопутствовало повышение специализации мембранных систем, в том числе саркоплазматического ретикулума в мышечной ткани. Увеличение подвижности, в частности ускорение процессов ретракции (втягивания отростков) у сидячих многоклеточных животных, привело к эволюции более эффективных хищников. Возникло давление отбора, стимулировавшее развитее более действенных механизмов избегания. К тому времени все эти сенсорные и двигательные приспособления существенно зависели от кальций-модулирующих белков с EF-ловушкой. Таким образом, внутриклеточное образование и транспорт кристаллов кальцита и арагонита с построением из них сложных известковых скелетов, как у кораллов, было важным эпифеноменом. Такие скелеты могли появиться лишь после того, как в популяциях эукариот позднего дофанерозоя хорошего развития достиг ряд других клеточных физиологических процессов.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963