Книга: Эволюция. От Дарвина до современных теорий
Назад: Самые древние следы жизни на земле
Дальше: Горизонтальный перенос генов: выкорчевывание древа жизни
Жизнь на Земле могла зародиться не один, а много раз
За 4,5 миллиарда лет земной истории жизнь в известной нам форме возникала всего один раз. Все живые существа на планете имеют одинаковую химическую структуру, которую можно отследить до LUCA – последнего общего предка. Поэтому мы предположили, что зарождение жизни было поистине сложным процессом, возникшим при стечении практически невозможных обстоятельств.
Так ли это? Простые биологические эксперименты, направленные на воссоздание самых ранних моментов жизни, готовы оспорить это предположение. Кажется, что жизнь сводится к основам химии – никакой магии, никаких редких составляющих, никаких внезапных неожиданностей.
Вот здесь и открывается еще более интригующая возможность. Вместо единичного возникновения в химически насыщенном древнем водоеме жизнь могла зарождаться многократно. В течение сотен тысяч лет данный процесс мог бы повторяться снова и снова, принимая различные формы и становясь тем, что мы видим сегодня после первого массового вымирания на Земле. В самые первые дни на планете жизнь, какой мы ее знаем, могла быть не одна.
Уточним один момент: то, о чем мы рассказываем, произошло задолго до появления животных, растений и даже микробов. Мы вернемся к самому началу, когда единственное, что подпадало под определение «жизни», было не больше молекулярной машины. Даже тогда, не имея тел, органов и клеток, сократив все до самых необходимых реакций – все казалось невероятно сложным. Жизнь нуждается как минимум в определенном коде, который будет использоваться для создания полезных молекулярных машин и самовоспроизведения.
На протяжении десятилетий люди обращались ко всевозможным внешним силам для объяснения создания некоторых исходных компонентов. В знаменитых экспериментах Юри-Миллера в 1950-х годах спусковым крючком являлся разряд тока, имитирующий удар молнии о воду (см. «Нужен ли гром среди ясного неба для создания жизни?»). Другие теории сводились к инопланетному заселению, благодаря метеоритам или кометам.
Нужен ли гром среди ясного неба для создания жизни?В 1950-х годах два химика Стэнли Миллер и Гарольд Юри первыми показали, что некоторые ключевые компоненты для создания жизни можно изготовить из более простых материалов. Критическим шагом было электричество. Ученые смешали воду с газами, которые, по их мнению, присутствовали на древней Земле, и поразили их искусственной молнией. В результате были образованы аминокислоты – молекулы, из которых состоят все современные белки.Жизни не обязательно требовались белки для старта, но они, безусловно, стали необходимым звеном далее, поскольку все ныне живущие существа используют те же самые 20 аминокислот для производства белков. Вполне очевидно, что аминокислоты действительно должны образовываться с невероятной легкостью, ведь они были найдены почти повсеместно в космосе, исследованном астробиологами.Некоторые аминокислоты были обнаружены и на метеоритах «Розеттой» – космическим зондом для исследования орбитальной кометы 67P/Чурюмова – Герасименко. Эксперименты все еще предполагают возможное участие энергии при создании аминокислот, будь то ударные волны от столкновения с метеоритом или тепло, выделяемое из недр Земли через гидротермальные источники. Получается, что для создания генетического кода никакого грома среди ясного неба не требовалось. Однако он был нужен для образования белков.
Где все началось?
Не так давно химики, заинтересованные в вопросах происхождения жизни, нашли более методичный подход к проблеме. Разделив начальный процесс на составные этапы (см. рис. 4.1) ученые смогли убрать ореол мистицизма, окружающий первую искру жизни на Земле. То, что они обнаружили, указывало на совершенно иное начало.
Для Филиппа Холлигера из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже (Великобритания) разницей между жизнью и не жизнью служит генетический код. «У биологии есть память, а у химии ее нет», – говорит он. «Для меня само зарождение жизни является первоисточником информации». Многие биологи пытаются объяснить сотворение жизни через гипотезу мира РНК, которая гласит, что до появления ДНК вся информация содержалась в ее ближайшем родственнике – РНК. Обе молекулы представляют собой длинные цепочки из повторяющихся звеньев, или «букв». Итак, первый шаг к образованию жизни в данном случае – заложить фундамент для РНК.
В мае 2016 года Томас Карелл, биомолекулярный химик из Мюнхенского университета Людвига и Максимилиана (Германия) заявил, что его команда нашла простой способ по изготовлению необходимых компонентов – из субстанций, которые могли существовать на древней Земле: цианистый водород, аммиак и муравьиная кислота. Полученные реакции указывают на то, что создать мир РНК было не так уж и сложно. «Вам действительно не нужны особые условия», – говорит он. «Эти реакции могут происходить повсеместно: небольшой водоем, глубокое море и т. д.»
Таким образом, у нас появились буквы кода, пусть и редко используемые в ненаправленной форме. Следующий шаг также предельно прост. Двадцать лет назад британский химик Лесли Орджел показал, что если катализировать создание компонентов РНК, сами молекулы начнут хаотично собираться в цепочки. Все, что нам требовалось, – это глина. Происходит это потому, что кристаллы в некоторых глиняных породах обладают электрическим зарядом, как бы притягивающим буквы РНК и побуждающим их выстраиваться в цепочки и объединяться.
От кода к машинам
Но мы пока что не до конца приблизились к проявлению жизни. Код полезен только в том случае, если служит шаблоном для создания таких структур, как белки, представляющие собой строительный материал и двигатель всего живого на Земле. В нашем организме отмечается такое явление, как экспрессия генов. Это невероятно сложный процесс, контролируемый сложными молекулярными машинами. Весьма сомнительно, что такие машины могли появиться именно из древней грязи. Так как же все происходило в самых ранних формах жизни? Майкл Ярус из Колорадского университета в Боулдере уверен, что нашел решение. Его команда обнаружила на удивление простую реакцию, которая, по их словам, выглядит элементарной экспрессией генов. Смешав повторяющиеся нити РНК в воде с дополнительными свободно плавающими буквами РНК, ученые заметили, что буквы самопроизвольно упорядочиваются, образуя новые молекулы.
Исходная цепочка РНК выступает как бы в роли шаблона. Удивительно, но внутри наших тел новые молекулы выглядят как простейшие химические машины под названием «коферменты».
Однако для создания жизни требуются и другие шаги. Попросите кого-либо перечислить главные признаки жизни, и рано или поздно большинство скажет: «размножение». Живые организмы создают свои копии, а инертные элементы (например, камни) – нет. Без размножения жизнь зайдет в тупик.
Сейчас у нас есть специальные ферменты, отвечающие за репликацию ДНК. Но в июне 2016 года команда под руководством Джека Шостака, химика-эволюциониста из медицинской школы Гарвардского университета, продемонстрировала, что РНК может эффективно копировать себя без помощи каких-либо ферментов. Они смешали шаблон РНК со свободно плавающими строительными блоками РНК, как это в свое время сделал Ярус. Но Шостак добавил несколько фрагментов РНК, которые соответствовали частям шаблона. И это все изменило. Казалось, что эти фрагменты положили начало процессу репликации, и вскоре команда получила достаточно точные копии шаблонов.
Рис. 4.2. Четыре шага к созданию жизненно важных элементов.
– Эти реакции начинаются очень просто, – говорит Шостак. Другим ученым и раньше удавалось скопировать РНК без ферментов, однако эти реакции оказались быстрее. Шостак утверждает, что небольшие фрагменты-ускорители настолько малы, что могли спонтанно самообразоваться 4 миллиарда лет назад.
Команда Шостака полагает, что эти реакции или подобные им могут являться древней формой репликации, пусть даже и не создававшей идеальные копии каждый раз. Со временем появились бы новые шаблоны, кодирующие действительно полезные объекты (например, образование клеточных стенок). Именно в этот момент было бы важно идеальное копирование.
Несколько начал
Если собрать все эти открытия воедино, то можно предположить, что, быть может, создание рудиментарного мира РНК было не таким особенным и уникальным событием, как мы привыкли думать. И перед нами открывается интригующая возможность: что если самые ранние этапы жизни образовывались не однократно, а много раз?
Если это так, то первая эпоха жизни была эпохой великих экспериментов. В первичном бульоне появилось бы множество разновидностей молекулярных машин – часть из них была бы успешнее остальных. Какое-то время они бы вместе сосуществовали, а затем бы остались только самые успешные представители живого, потому что они были лучше других, окружающие условия изменились и стали более благоприятными для них, либо по счастливой случайности. Этот случай стал бы самым первым массовым вымиранием на Земле миллиарды лет назад.
Неправдоподобная эволюция сложной жизни и жизнь на других планетахОбычно считается, что при правильных условиях простые формы жизни постепенно эволюционируют в более сложные. Но на Земле случилось нечто иное. После появления первых простых клеток последовал необычно долгий период ожидания до возникновения более сложных форм. И длился он почти половину жизненного цикла на планете. Кроме того, эти простые клетки образовали более сложные лишь раз в 4 миллиарда лет эволюции – это шокирующая и редчайшая аномалия, наводящая на мысли о невероятном случае.Если бы за миллиарды лет простые клетки постепенно эволюционировали в более сложные, то существовали бы различные виды промежуточных клеток. При этом часть из них все еще существовала бы. Но их нет. Вместо них зияет пропасть. С одной стороны, есть прокариоты, бактерии и археи – крошечные структуры как по объему клеток, так и по размеру генома. С другой стороны, существуют огромные и неупорядоченные клетки эукариотов. Если сравнивать размеры генома, то типичный одноклеточный эукариот будет примерно в 15 000 раз больше бактерии.Все сложные формы жизни на Земле – эукариоты (животные, растения, грибы и т. д.). И все они произошли от одного предка. Таким образом без единичного события, создавшего предка эукариотических клеток, не было бы растений и рыб, динозавров и приматов. По словам биолога Ника Лейна из Университетского колледжа Лондона, простые клетки просто не имеют правильной клеточной архитектуры, способной превращаться в более сложные формы.Он утверждает, что для увеличения размера и сложности клетки она должна генерировать больше энергии. Эукариоты нашли, как решить эту проблему: они присоединили к себе другую бактерию, которая в дальнейшем эволюционировала в крошечные источники энергии, которые мы называем «митохондриями». Это обеспечило клетку энергией, необходимой для создания сложной жизни. «Трудно представить себе иной способ решения проблемы с энергией. Мы знаем, что на Земле это случилось лишь однажды, ведь все эукариоты произошли от общего предка», – говорит ученый.Похоже, что все сложные формы жизни возникли благодаря одной случайности – присоединения одной простой клетки к другой. Лейн также утверждает, что необычайно низкая вероятность подобного события и объясняет тот факт, что мы до сих пор не нашли доказательств внеземной жизни.
Назад: Самые древние следы жизни на земле
Дальше: Горизонтальный перенос генов: выкорчевывание древа жизни
