Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

Вдобавок к этим двум разногласиям имелось еще и третье: место зарождения на Земле жизни. Многие ученые в этом вопросе поддерживали Опарина и Холдейна и считали, что она появилась в море. Для палеонтологов это вообще непреложная истина, поскольку все самые древние ископаемые животные вроде трилобитов обитали именно в морях. На сушу животные и растения выбрались много позже, в пределах последних полумиллиарда лет. Море рассматривалось как стабильная среда, в которой примитивные хрупкие формы жизни имели больше шансов уцелеть. Но если в море, то где именно? В мрачных глубинах или у поверхности воды? В водной толще или на дне? В 1970-е годы исследователи обратили внимание на гидротермальные источники, которые возникают там, где горячая вода проникает сквозь морское дно в холодный океан. В главе 11 мы убедимся, что мысль о таких источниках на дне океана как о колыбели жизни получила сильную поддержку.

Но возможно и иное. Возможно, что жизнь возникла на суше. Если, разумеется, таковая тогда существовала: некоторые геологи считают, что первые океаны были очень глубокими и континенты полностью находились под водой. Любопытно, что ученые, даже говоря о возникновении жизни на суше, часто имеют в виду водоемы. Не необъятный океан, а небольшое озерцо. Одни считают, что его наполняла дождевая вода и что оно представляло собой либо просто яму в земле, либо нечто более экзотическое – вроде кратера метеорита. Другие сценарии рассматривают особый химический состав воды – скажем, горячие источники или что-то типа грязевых вулканов Йеллоустоунского национального парка, которые насыщены поступающими из подземной магмы веществами.

И однако даже мнение о зарождении жизни в воде не является общепринятым. У химиков это вызывает определенные сомнения, поскольку сами по себе биологические молекулы очень нестойки. Шапиро подчеркивает, что в воде они быстро разрушаются. Загвоздка в том, что наши клетки, научившиеся “ремонтировать” подобные повреждения, никак не могли иметь подобные механизмы на ранней Земле. Хорошее решение тут – предположить, что жизнь появилась в небольшом озерце или каком-то другом периодически высыхающем на солнце водоеме.

По правде сказать, предложений насчет возможных локаций возникновения жизни очень много и далеко не все они стоят внимания. Ученые предполагали, что жизнь зародилась или в стекающих по леднику талых водах возле полюсов, или в зазорах между слоями минерала, называемого слюда[184], или на глубине сотен метров в толще горных пород[185], или в радиоактивных водах рядом с подземными залежами урана[186], или даже в безводных пустынях[187]. Однако все эти гипотезы имеют второстепенное значение. Большинство ученых рассматривают либо моря, либо водоемы на суше.

Четвертое и, к счастью, последнее разногласие касается того, что мы можем узнать при изучении жизни в ее современном виде[188]. Этот вопрос следует рассмотреть более подробно.

Из теории эволюции нам известно, что все организмы являются родственниками. Поэтому если вернуться по временной шкале далеко назад, мы встретим последнего универсального общего предка (Last Universal Common Ancestor, или LUCA). Так называют существо, от которого ведут свое начало все современные виды живого. Мы не знаем, когда именно жил LUCA, но ему явно больше 3 миллиардов лет. В то время еще не появилось никаких сложно организованных существ, так что LUCA был одноклеточным. Узнать побольше об этом существе равносильно тому, чтобы узнать больше и о зарождении жизни. Например, если окажется, что LUCA был приспособлен к определенному диапазону температур или нуждался в определенных химических веществах, то круг гипотетических мест возникновения жизни сужается.

Но есть у этого подхода и свои ограничения. Может, LUCA и является предком всего живого, но из этого еще не следует, что он сам и был первой жизненной формой. Жизнь могла развиваться миллионы лет, и виды исчезали и вымирали еще до появления LUCA. В этом случае LUCA был лишь одним из множества конкурировавших в то время микроорганизмов, которому повезло в конечном счете оказаться успешнее своих соперников. В итоге у LUCA есть сейчас живые родственники, а у его соперников их нет. Получается, что судить об исходной форме жизни по LUCA мы можем лишь с определенными оговорками. Так, если у LUCA не было определенного гена, мы можем предположить, что его не было и у более ранних форм жизни. В то же время наличие некоторого гена у LUCA еще не означает, что он был и у более ранних форм жизни.

Тем не менее биологи пытались построить единую родословную живого и понять, что из себя представлял LUCA. Решающим здесь оказался вклад Карла Вёзе (правильнее произносить “Воуз”)[189]. Он пытался установить степень родства различных одноклеточных организмов и на основании этого построить “фамильное древо” микробов.

К тому времени большинство биологов считали, что существуют только два главных типа клеток: прокариоты и эукариоты. Прокариоты меньше по размеру и устроены проще. Эукариотические клетки и крупнее, и сложнее. Некоторые из них (скажем, амебы) состоят из всего одной клетки, но многие являются многоклеточными – вроде растений и животных, а также людей. Совершенно очевидно, что эукариоты имеют более продвинутую организацию и возникли позднее. А прокариоты и проще, и древнее.

Вёзе сосредоточил свое внимание на прокариотах. Он проследил их родственные связи, рассматривая конкретные фрагменты РНК более ста различных микробов. Эти фрагменты очень похожи у родственных бактерий и сильно отличаются у представителей разных систематических групп. Вёзе с удивлением узнал, что некоторые прокариоты очень не похожи на большинство своих собратьев. Их РНК настолько же сильно отличалась от РНК других прокариот, как и от эукариотической РНК. Выходит, что существуют две различные группы прокариот, которые развивались независимо на протяжении миллионов лет. Одна из них – это бактерии, а вторая в настоящее время известна как “археи”[190].

Открытие архей означало, что все живое на самом деле следует разделять на три группы. Это археи и бактерии (и те и другие являются исключительно одноклеточными и очень древними), а также более продвинутые в эволюционном плане эукариоты. Любой клеточный живой организм обязательно относится к одной из трех групп.

Открытие Вёзе позволило биологам создать первый набросок истории жизни на Земле. После возникновения жизнь некоторое время развивалась до того, как появился LUCA. Затем случилось первое большое разделение живого. Одна группа микроорганизмов стала археями, а другая – бактериями. Из генетики следует, что этот раскол произошел примерно 3,4 миллиарда лет назад, после чего бактерии и археи на протяжении миллионов лет распространялись и становились все разнообразнее. Эукариоты появились много позже в результате одного очень необычного события, которое первой[191] описала Линн Маргулис[192]. Каким-то образом одна из бактерий поселилась внутри другой клетки и оказалась ее частью[193]. Предполагают, что этой большой клеткой была архебактерия[194].

Вёзе и Маргулис пришли к согласию по одному очень важному вопросу. Тот, кого интересует зарождение жизни, вообще говоря, может забыть об эукариотах, таких как животные и растения. Все эти организмы возникли позднее. Выходит, в данном случае нет нужды разбираться со всеми тонкостями эукариотической жизни вроде полового размножения и сложного устройства многоклеточных организмов. Для вопроса зарождения жизни важны только бактерии и археи, поскольку они гораздо старше эукариот и могут что-то поведать о LUCA.

Именно с этим связано последнее разногласие: какая из этих групп микробов больше похожа на LUCA? Бактерии или археи дают более ясное представление о самых первых формах жизни? Очень может быть, что в действительности ни те, ни другие. Чем больше генетики узнают о LUCA, тем больше убеждаются: он сочетает в себе признаки обеих групп.