Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Жизнь — это не только упорядоченная система, получающая энергию и химические питательные вещества из окружающей среды. Жизнь способна поддерживать себя и воспроизводиться, причем в процессе воспроизводства она обретает новые черты и приспосабливается к новым условиям. Эта способность к адаптации привела к разнообразию видов, к развитию новых качеств, таких как многоклеточность. Появление разнообразных стратегий выживания вызвало возрастание сложности организмов и экосистем. Развитие инстинктов и способности к обучению позвоночных видов усилило их адаптивность и выживаемость в новых экологических нишах. Рост умственных способностей привел к появлению социального поведения, любознательности и коммуникации внутри видов и даже между разными видами.

В нашу эпоху высочайший уровень умственных способностей достигнут родом человеческим. Эти черты проявляются у людей в том, что они расселились по всем пригодным для обитания областям Земли, которую они детально исследовали. Уже составлена перепись большинства других видов и заложены основы клеточной и молекулярной биологии. Этими исследованиями движет любознательность: мы хотим знать, что нас окружает и как это работает. Другой движущей силой служит стремление использовать естественные ресурсы, поэтому за последние несколько веков человечество заметно повлияло на биосферу Земли.

Мы многое узнали о мире и о жизни в том виде, в каком она сейчас существует. Но связь между жизнью и Вселенной все еще не ясна. В каких условиях и как зародилась жизнь? Возникновение жизни — это редкое событие или повсеместное? Имеют ли основные химические элементы живого вещества (С, Н, О, N, Р) врожденную способность к образованию сложных структур, ведущих к зарождению жизни? Должна ли жизнь непременно быть «нашего типа» или она может оказаться совершенно другой? Если пригодные для жизни места есть где-либо еще, то существуют ли там жизнь? Если внеземная жизнь существует, то какая она? Насколько разнообразной и сложной может быть жизнь? Способны ли разные формы жизни общаться друг с другом?

До сих пор мы не обнаружили жизнь где-либо за пределом Земли. Исходя из этого, можно предположить, что жизнь — не очень распространенное явление во Вселенной; но это может быть только отражением нашей неосведомленности, вызванной тем, что мы не способны заметить признаки жизни на больших расстояниях даже в пределах нашей Солнечной системы, и тем более — где-либо еще. С другой стороны, жизнь на Земле возникла довольно быстро, почти сразу же, как только условия для нее стали пригодными. Говорит ли это о том, что жизнь — рядовое явление во Вселенной? Но ведь мы даже не знаем, насколько особыми были начальные условия здесь, на Земле. Поэтому, даже если условия для поддержания жизни широко распространены, мы не знаем, смогла ли зародиться в одном из этих мест жизнь. Найти ответы на эти вопросы должна новая междисциплинарная область науки — астробиология.

Животные рождаются, размножаются и умирают. Растения растут и цветут в вегетационный период. Даже крошечные создания — невидимые одноклеточные микробы, способны размножаться в подходящих условиях и заполнить все доступное им жизненное пространство. У неодушевленных предметов нет этих способностей. Раньше считали, что неживой предмет может ожить, если получит «жизненную силу» — vis vitae, а в момент смерти эта сила должна покидать его. Теория «витализма» была широко распространена несколько столетий. Потребовалось сделать множество открытий, прежде чем от нее отказались и стали рассматривать жизнь как особый физико-химический процесс. Разносторонний естествоиспытатель Роберт Гук (см. главы 8 и 10, рис. 28.1) увидел в свой микроскоп клетки растений в 1665 году и впервые для их описания использовал слово «клетка». С того момента до начала полноценных исследований клетки прошло много времени. Шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) заметил в 1831 году темный объект внутри клетки. Это было ядро.

Рис. 28.1. Микроскоп Роберта Гука; рисунок из его книги «Микрография». Он автор термина «клетка».

Отцами теории клетки считаются немцы Маттиас Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882). Шлейден изучал право и стал адвокатом. Позже он заинтересовался биологией и в 1838 году выдвинул идею, что рост и развитие живых существ обусловлены рождением клеток. Он предугадал, что клетки растут вокруг ядер. В том же году Шванн предположил, что растения и животные обла-дают одной и той же основной единицей — клеткой. Таким образом, он разрушил барьер между миром растений и миром животных. Более поздние исследования показали, что основными частями клетки являются цитоплазма (род жидкости), ядро и огромное количество маленьких органелл.

Немец Оскар Гертвиг в 1876 году описал процесс оплодотворения как слияние сперматозоида с яйцеклеткой. В 1882 году (в этом десятилетии астрономы начали фотографировать туманности) Вальтер Флемминг продемонстрировал первые фотографии деления клетки и ее ядра. После этого клетку стали считать «атомом» жизни — не только структурной, но и операционной единицей. Особо выделенной оказалась роль ядра.

Жизнь на Земле очень разнообразна: она охватывает диапазон от гигантских секвой и китов до одноклеточных бактерий и от активно самовоспроизводящихся клеток до неподвижных или даже спящих стадий. Но при всем этом разнообразии формы земной жизни имеют в своей основе очень схожие химические структуры и реакции, управляющие их функциями. Клеточные функции даже простейших созданий чрезвычайно сложны и включают в себя множество химических реакций. Мы опишем только те особенности жизни, которые присущи всем ее формам, то есть основные признаки земной жизни. Единообразие этих особенностей указывает, что у них было общее происхождение — последний всеобщий предок (Last Universal Common Ancestor, LUCA) всех форм жизни.

Основная единица жизни — клетка (рис. 28.2). У нее могут быть разные формы, но в большинстве случаев она микроскопическая. Клетку можно рассматривать как мельчайшую фабрику, где постоянно происходит множество сложнейших действий. Клетка окружена полупроницаемой мембраной с «воротами» и «насосами», через которые снаружи в нее поступают питательные вещества и прочие молекулы. Эта мембрана работает и в обратную сторону, выпуская наружу молекулы отходов.

Внутренности клетки заполнены водным раствором — цитоплазмой и множеством различных макромолекул (крупные молекулы, которые фактически заполняют все пространство). В простейших клетках объем, огороженный мембраной, представляет собой единую ячейку.

Рис. 28.2. Два типа клеток. (а) Эукариотическая клетка (содержащая ядро); (б) прокариотическая клетка (без ядра).

У более развитых видов клетка имеет отдельный координационный центр — ядро. Те одноклеточные организмы, у которых нет ядра, называются прокариотами, а те, у которых есть ядро, — эукариотами. Прокариоты делятся на бактерии и археи. Археи (они часто процветают в экстремальных условиях, например при высокой температуре) до 1970-х годов не рассматривались отдельно от бактерий.

К эукариотам относятся многие одноклеточные животные и растения, а также многоклеточные существа (как мы с вами), состоящие из систем клеток. Вместе эукариоты, бактерии и археи образуют три известных домена жизни.

Белки — основная рабочая сила и структурный материал клетки. Они имеют различную форму и размер, и каждый из них выполняет в клетке свою задачу.

Некоторые белки формируют основные клеточные структуры, такие как нитевидный цитоскелет — каркас клетки, а также компоненты клеточных стенок и разнообразные «ворота» и «насосы» в клеточной мембране.

Другой важнейшей функцией различных белков является их работа в качестве химических сигналов и регуляция работы других белков. Например, экспрессия каждой единицы наследованной информации (гена) осуществляется через посредничество и под управлением многих других белков, так же как и активация или инактивация продуктов генов.

Среди важнейших задач белков — их работа в качестве ферментативных катализаторов. Эти катализаторы участвуют во всех биохимических реакциях, связывая вступающие в реакцию молекулы (субстраты) и удерживая их вместе в оптимальном положении, так чтобы они могли реагировать легко и эффективно. Присутствие ферментативных катализаторов может повысить скорость реакции на много порядков и заставить реакции протекать эффективно в умеренных условиях и при низкой концентрации вступающих в реакцию веществ, субстратов. Ферменты заботятся также о том, чтобы происходили правильные реакции и тормозились неправильные. Эти катализаторы действительно главные «помощники», необходимые для того, чтобы в клетке протекали биохимические реакции, большая часть которых просто остановилась бы при отсутствии ферментов (рис. 28.3). Пытаясь представить себе самые ранние формы жизни, мы сталкиваемся с проблемой: как они могли осуществлять любую из необходимых для своего размножения и выживания функций, если еще не были способны производить необходимые для этого ферменты?