Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Как только Дарвин применил свою теорию к происхождению человека, у него начался конфликт с религиозными кругами. Вероятно, именно по этой причине он затягивал публикацию своей теории. Хотя сам Дарвин не участвовал в диспутах, мнение людей резко разделилось: у него появились сторонники и оппоненты. Говорят, во время дебатов между сторонником Дарвина Томасом Хаксли (устар. Гекели) и Оксфордским епископом Самюэлем Уилберфорсом последний спросил у Гекели, по линии деда или бабки тот ведет свое происхождение от обезьяны. Хаксли парировал, что обезьяну в качестве предка он предпочел бы человеку, который расходует свои способности и влияние на превращение серьезной научной дискуссии в балаган.

Впечатление, которое производит этот знаменитый анекдот, можно уравновесить тем, что ранее писал Уилберфорс в рецензии на книгу Дарвина «Происхождение видов»: он полагал, что научные теории следует оценивать лишь на научной основе и что нельзя отвергать какой-либо вывод только потому, что он кажется вам странным: «Настойчивые размышления Ньютона позволили ему в падении яблока открыть закон, управляющий величественным движением звезд. Если мистер Дарвин сможет так же аргументированно доказать нам наше происхождение от поганок, мы смирим свою гордыню и с характерной для философов скромностью признаем наше неожиданное родство с грибами».

После обсуждения всех известных ему в том далеком 1860 году фактов Уилберфорс заявил, что теория Дарвина, по его мнению, неверна. Но для наших современных спорщиков, у которых эволюция в целом и ее приложение к человеку все еще вызывают сильные эмоции, Уилберфорс оставил послание:

«Мы не симпатизируем тем, кто противится любому, пусть даже подозрительному факту в природе или же любому заключению, логически выведенному из этих фактов, лишь только потому, что, как им кажется, это противоречит учению Библии. Нам представляется, что подобные возражения отдают робостью, которая, в действительности, несовместима с твердой верой».

Вспомним, что сущность теории Дарвина состоит в появлении небольших изменений в генетическом материале и, в результате, в организме. В то время механизм этих изменений еще не был известен. Мы уже говорили, что избыточность генетического кода допускает некоторые изменения нуклеотидной последовательности без изменений в кодируемых белковых продуктах. Кроме того, аминокислоты, кодируемые подобными последовательностями, структурно похожи друг на друга. Далее, формирование конечных трехмерных белковых продуктов допускает такие изменения в коде, что созданные белки получаются не идентичными, но похожими и могут выполнять те же функции. Если аминокислота в белке заменена на другую, имеющую похожие химические свойства (тот же заряд или полярность), то в полипептидной цепочке она будет вести себя так же, как исходная, и создавать те же или похожие объемные структуры, которые будут выполнять те же функции. Поскольку именно функция белков является наиболее важным их свойством, которое необходимо сохранить, последовательности могут в некоторой степени изменяться при передаче генов от поколения к поколению, но трехмерная структура и функции генных продуктов (белков) остаются неизменными. На основании неизменных свойств ген, унаследованный от общего предка двумя линиями потомков, может быть признан как родственный (гомологичный) ген этих двух линий, хотя в каждой из них в нем накопился определенный уровень мутаций с момента отхода от общего предка. Так видоизменяются постулаты Дарвина.

Количество мутаций у двух родственных видов напрямую связано со временем, в течение которого они эволюционировали врозь, так что это различие можно использовать для статистических измерений родственных связей между двумя видами. Эти связи удобно изобразить в виде филогенетических деревьев, где ветви представляют родственные связи организмов, а длина ветвей указывает на генетическое расстояние (расхождение) между видами после их разделения. Большинство мутаций либо незначительны, либо вредны, но некоторые действительно способствуют выживанию. Таково современное представление о корневом механизме эволюции.

Все упомянутые выше основные свойства жизни, такие как структура и состав генетического материала, генетический код и 20 аминокислот, используемых во всех белках, а также аппарат трансляции, почти совершенно идентичны у всех видов, живущих сегодня на Земле. Очевидно, эти свойства были приобретены еще на ранних стадиях эволюции и, по-видимому, имелись у последнего общего предка в то время, когда из него выделились три ветви жизни. Связь всех этих форм жизни можно исследовать путем сравнения последовательностей тех РНК (например, 16S РНК), которые участвуют в трансляции — одном из наиболее эволюционно консервативных процессов. На основании последовательности 16S РНК первое филогенетическое дерево построили в 1990 году Карл Вёзе и его коллеги. Это дерево показывает, что сначала две линии прокариотов отделились от популяции последнего общего предка, а затем от них отделились эукариоты (рис. 28.10).

Рис. 28.10. Филогенетическое дерево, основанное на последовательности 16S РНК разных организмов и предполагаемом универсальном общем предке в качестве «ствола».

Заметим, что позже филогенетическое дерево и порядок происхождения трех его ветвей были поставлены под вопрос, так как по другим последовательностям генов были получены другие филогенетические связи между многими организмами. Эти различия можно объяснить тем, что многие гены обменивались между разными видами уже после их разделения по разным филогенетическим линиям, а также тем, что эволюцию разных генов, по-видимому, невозможно сравнивать на больших отрезках времени, поскольку она происходит с разной скоростью.

Кроме упомянутых выше генетических элементов жизни, еще одним вездесущим свойством жизни, берущим свое начало у очень ранних ее форм, является гомохиральностъ «строительных блоков» нуклеиновых кислот и белков. Хиральность — это свойство молекул, имеющих атом (например, углерод) с четырьмя разными связями. Так как эти связи направлены в четыре разных угла тетраэдра, структура молекулы несимметрична, и ее можно построить в двух разных ориентациях, являющихся зеркальными отражениями друг друга. В нашу эпоху связи центрального (а) углерода во всех аминокислотах несимметричны (рис. 28.11), так же как и связи углерода номер 4 в рибозе и дезоксирибозе сахаров (см. рис. 28.4).

Рис. 28.11. Две возможные хиральности аминокислот. R обозначает переменную боковую цепочку.

В искусственно синтезированных аминокислотах и сахарах эти молекулы с углеродными связями, направленными и в ту и в другую сторону, обычно встречаются в равном количестве (поэтому они не гомохиральны). Но все биогенные аминокислоты гомохиральны и имеют α-углеродные связи в L-конфигурации (L = levo, левый), и все сахара тоже гомохиральны и имеют связи у 4-го углерода в D-конфигурации (D = dextro, правый). Происхождение этой особой гомохиральности до сих пор не получило объяснения. Ясно, что гомохиральность по сути является химическим «диктатором», позволяющим связать мономерные звенья в изящный линейный полимер, тогда как обратная хиральность перегибает структуру, закручивая ее в противоположную сторону. Но непонятно, почему и как жизнь выбрала левые аминокислоты и правые сахара. Пока мы лишь начинаем понимать, почему именно 20 аминокислот используются в белках и почему именно эти четыре разных нуклеотида применяются в ДНК и РНК. Сейчас нам кажется, что это мог быть случайный выбор молекул, которые существовали в древней окружающей среде, и этот «случай» закрепился и стал «правилом». Как бы то ни было, сейчас мы знаем несколько важнейших свойств жизни на Земле. Если мы когда-нибудь найдем жизнь где-то еще, то будет очень интересно узнать, обладает ли она теми же свойствами. Это покажет, имеет ли обнаруженная жизнь то же происхождение, что и наша, или она возникла самостоятельно.

Хотя жизнь основана на клеточной структуре, генетической информации и ее репликации и эволюции со временем, всего этого еще не достаточно для того, чтобы жизнь могла существовать. Структуры и функции создают жизнеспособную единицу только в той окружающей среде, которая способна ее поддержать. Для всех своих процессов жизнь нуждается в энергии. Практически единственный исходный источник энергии для жизни на Земле — это Солнце. Его энергию используют даже животные, питающиеся растениями, которым для роста нужен солнечный свет. Впрочем, некоторые бактерии и археи живут за счет энергии, добываемой химическим путем из минералов, но эти источники энергии очень ограничены и не могут поддерживать существование биосферы значительного объема. Жизнь также нуждается в питательных веществах — строительном материале для поддержания и воспроизведения своей структуры. Это органические соединения, а также и минеральные, существующие в окружающей среде и циркулирующие между органическими и неорганическими соединениями. А еще жизни нужен растворитель чтобы растворять и переносить все эти химикаты. Здесь на Земле растворителем служит вода, которая к тому же является важным компонентом живых организмов.