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

Выходит, что ферменты вели себя в соответствии с законом экологии – законом конкурентного исключения[555]. Он утверждает, что живущие бок о бок виды постепенно изменяют свой образ жизни так, чтобы избежать прямой конкуренции. Примером служат обитающие на Галапагосских островах так называемые дарвиновы вьюрки. Кое-где на островах можно встретить сразу несколько видов вьюрков, которые при этом отличаются своими пищевыми пристрастиями, изменившими и форму их клюва[556]. Этим вьюрки в каком-то смысле напоминают молекулы из первозданного сообщества на молодой Земле.

Может показаться, что вышеописанное создает дополнительные сложности, но на деле все это скорее упрощает картину. Если на заре жизни множество организмов действительно жили в тесном соседстве, то отсутствие у какого-то из них отдельных компонентов было не слишком существенно. Все они функционировали как единое целое. Это не следует считать проявлением сознательного выбора: первые клетки еще попросту “не научились” удерживать содержимое внутри себя, поэтому неизбежно оказывались связаны. Если одна из таких клеток не умела создавать определенный нуклеотид, то это наверняка умел кто-то из ее соседей (и этот “кто-то” еще и выпускал свое содержимое наружу). Следовательно, часть нуклеотидов могла попадать в окружающую воду, где их подбирал кто-либо из членов сообщества.

Карл Вёзе предполагал это еще в 1990-е: “Универсальный предок не был какой-то отдельной сущностью. Скорее это было разнообразное сообщество клеток, которое поддерживало свое существование и эволюционировало как единое целое”[557]. Каждая клетка по отдельности могла немного, но вместе им удавалось сделать все нужное. По сути это та же идея, что лежит в основе каталитических наборов Кауфмана (только применительно к группам клеток, а не к группам молекул). Вёзе считает, что “на этой стадии происходила эволюция на уровне сообществ”[558].

Похожую мысль в 1970-е годы высказывал в своих статьях о самореплицирующихся гиперциклах Манфред Эйген (см. главу 6). Эйген вообразил группу примитивных организмов, у каждого из которых имеется небольшой комплект генов. Но из-за постоянных ошибок при копировании генов ни один из организмов не обладал полным их набором. Эйген называл этих существ “квазивиды”. И, подобно Вёзе, считал, что они эволюционировали как группа, а не как отдельные индивиды.

И сейчас некоторые микроорганизмы являются сильно зависящими друг от друга. Существуют миллионы различных микробов, однако большая их часть никогда не выращивалась в лаборатории – и не потому, что ученые не пытались это сделать. Оказалось, что множество микробов попросту невозможно содержать в искусственных условиях[559], [560]. Отчасти это связано с их неспособностью к самостоятельному росту. Любой из них нуждается хотя бы в еще одном микробе из того же местообитания. Очевидно, что они очень сильно зависят друг от друга: некоторые бактерии не имеют тех генов, которые совершенно необходимы для их выживания – стало быть, они могут существовать только в составе сообщества[561].

Такая модель первых форм жизни также позволяет решить давнюю проблему, с которой мы встретились в главе 10: как смогли выжить первые организмы? И Вэхтерсхойзер, и Рассел считали, что первые организмы были автотрофами и умели создавать собственные строительные блоки. Эта мысль имеет ключевое значение для гипотезы щелочных гидротермальных источников. Гипотеза сообщества, напротив, предполагает гетеротрофность первых клеток, то есть то, что они получали свои строительные блоки из окружающей среды.

Но на самом деле этот вопрос может быть лишен смысла. Первая жизнь была настолько тесно связана со своим окружением, что отделить одно от другого достаточно сложно. Скажем, если происходящая в каком-то участке сообщества реакция создает белок, а ближайшая РНК в это время находится в миллиметре от него, – как все это следует назвать? Чтобы ответить на этот вопрос, нам сперва необходимо разграничить живую часть сообщества от неживой. Но в отсутствие липидной мембраны на внешней границе клеток для этого нет надежного критерия, и потому нам следует считать все компоненты экосистемы в каком-то примитивном понимании живыми. В таком случае все сообщество в целом является автотрофом – если только необходимые ему химические вещества не попадают извне, что означало бы его гетеротрофность. Все это можно сказать и о совокупности протоклеток в подобном сообществе. Многие из ключевых реакций могли происходить вне клеток либо в отдельных клетках, которые затем “делились” полученными веществами. Подобрать какой-то определенный ярлык опять же оказывается сложно. Но, так или иначе, “строительные блоки” живого как-то образовались; локализация же этого процесса (в самих первых организмах либо в окружающей их среде) – это скорее вопрос семантики.

Подведем некоторые итоги. Мы увидели, что все основные строительные блоки живого могут образоваться из одних и тех же исходных веществ. Это делало возможным образование на ранней Земле напоминающих хемотон протоклеток (тех, что исследовал Шостак). Наверняка такие протоклетки были далеки от совершенства, однако сообща они вполне могли выжить. Данная гипотеза вобрала в себя все лучшее, что было в ее предшественницах (вроде гипотезы Мира РНК), обойдя при этом стороной мешающие им парадоксы “курицы и яйца”. И сейчас она дает лучший ответ на вопрос о том, как зародилась жизнь на нашей планете.

Но остается еще одна загадка: где именно все это могло произойти? Последние десять лет многие ученые склоняются к тому, что жизнь возникла в горячих, насыщенных химическими веществами озерах на древних вулканических островах. Так думают Сазерленд, Шостак, Димер и некоторые другие исследователи. Несмотря на различия в их гипотезах, все они рассматривают как место действия небольшие водоемы на суше.

Это оспаривают Рассел и его сторонники, по-прежнему убежденные в том, что жизнь зародилась в щелочных гидротермальных источниках. По их мнению, суши поначалу не существовало вовсе, так как океаны были слишком глубокими. Данной проблеме уже много лет: гипотезы зарождения жизни часто противоречат новым данным об условиях на ранней Земле (мы обсуждали это в главе 6). Многие тешат себя словами, которые приписывают Лесли Орджелу: “Подождите несколько лет, и условия на древней Земле опять изменятся”[562]. Звучит довольно цинично, но зато хорошо отражает суть того, как резко меняются представления ученых.

На самом деле все больше фактов свидетельствует о том, что суша на ранней Земле тем не менее была. Вероятно, первые два миллиарда лет наша планета и вправду просуществовала без крупных континентов. (Об этом говорит тот факт, что не было найдено особых горных пород, которые могли возникнуть только на крупных материках, возрастом более 2,5 миллиарда лет[563].) Однако отсутствие континентов не обязательно означает отсутствие суши. Тогда на Земле активно росли вулканы – что, видимо, означает и существование вулканических островов (вроде современных Гавайев)[564]. То есть суша могла быть уже 3,5 миллиарда лет назад. Как мы помним из главы 1, самые древние достоверные образцы микроорганизмов относятся как раз к этому времени – их удалось обнаружить в Австралии. Последние данные говорят о том, что эти микроорганизмы были обитателями вулканической кальдеры, усеянной горячими источниками, – то есть жили на суше[565].

Димер полагает, что колыбелью жизни стал водоем геотермального происхождения: вода в нем подогревалась, проходя сквозь нагретые горные породы, и была насыщена растворенными веществами[566]. На современной Земле подобные водоемы есть, например, возле Лэссен Парк – это действующий вулкан в Калифорнии. Там находится долина кипящих источников и участков, где на поверхность выходит горячий пар; вокруг стоит резкий запах серы. Это место было названо Бампас Хелл в память о ковбое, который, имея несчастье зваться Кендалл Ванхук Бампас[567], стал еще несчастнее, когда лишился ноги – после того, как она провалилась в обжигающе горячую грязь. Похожие горячие водоемы есть также на Камчатке на российском Дальнем Востоке, неподалеку от Мутновской Сопки[568].