Кратчайшая история жизни
Увы, история жизни на Земле все еще полна загадок. Известно, например, что для появления земной жизни была необходима вода. Но мы не знаем, когда она появилась на Земле. Это зависит от того, как она появилась. Если вода появилась в результате выделения газов из постепенно осаждавшихся твердых пород, то это требовало большого времени – порядка 700-800 млн лет после образования нашей планеты. Если же, как считают другие ученые, вода была занесена на Землю кометами, то жизнь могла возникнуть много раньше.
В любом случае, уже в гренландских образцах органических веществ возрастом 3.5 млрд лет, соотношение легкого и тяжелого изотопов углерода (С-12 и С=13) соответствует тому, которое производят живые организмы в процессе обмена веществ. Поэтому некоторые ученые думают, что первые бактерии появились уже 3.8 млрд лет назад. Другие утверждают, что это невозможно, т.к. как раз в то время Земля (и другие внутренние планеты Солнечной системы) переживала интенсивную бомбардировку крупными метеоритами (их вытолкнули в сторону Солнца медленно отодвигавшиеся на свои нынешние орбиты гиганты Юпитер и Сатурн). Однако некоторые специалисты думают, что удары этих метеоритов, при всей их катастрофичности, не могли остановить процесс повторного возникновения жизни после каждого удара. А самые новейшие исследования (сентябрь 2016 года поставили под сомнение реальность этой бомбардировки вообще
Как видите, сегодня трудно назвать даже самое время возникновения земной жизни. Но не менее трудно обстоит дело с ответом на вопрос, что было первой «живой» (т.е. способной к само-воспроизведению) молекулой – ДНК, РНК или какой-нибудь простейший белок? Напомню, что двух-цепочечная молекула ДНК – это носитель всей той генетической информации, которая необходима для воспроизведения и функционирования организма, тогда как одно-цепочечные молекулы РНК разных видов (слегка отличающиеся по составу от ДНК) – это основной переносчик этой информации в клетке; и, наконец, молекулы различных белков (а их тысячи тысяч) – основные исполнители всех жизненных функций как в самой клетке, так и в ее взаимодействии с окружающей средой.
Хотя все эти молекулы в их самом примитивном виде могут возникать спонтанно из тех веществ и в тех условиях, которые имелись на первичной Земле и в ее океанах, но большинство специалистов сегодня склоняются к мысли, что первой «живой» молекулой была все-таки относительно короткая (несколько десятков звеньев) молекула РКН, которая по счастливой случайности обрела способность стимулировать и ускорять свое собственное самовоспроизведение и образование себе подобных. (Такие РНК-молекулы называются рибозимами и о них рассказывалось в статье «Кто был первым?», «Окна», 29.9.2016).
Постепенно усложняясь, первая рибозима могла, наконец, привести к образованию первой «полноценной» молекулы РНК, а затем и первых ДНК. Но в действительности эти «живые» молекулы еще не были «жизнью» в полном смысле этого слова. Ничем не защищенные, они были неустойчивы и могли разрушаться при соударениях с себе подобными. А такие соударения наверняка были возможны.
Так что появление жизни в точном смысле этого слова требовало еще одного шага – возникновения первой клетки, где ДНК и РНК были бы защищены от губительных внешних воздействий и могли бы не только усложняться в ходе случайных мутаций и сохраняться в измененном виде, но также (благодаря делению этой клетки) передавать эти приобретенные усложнения своим потомкам.
И тут в современных научных знаниях опять зияет провал: неизвестно, когда и как образовалась такая «первая клетка». Правда, Опарин когда-то выдвинул гипотезу спонтанного образования жировых шариков, в которых могли бы происходить процессы усложнения попавших туда органических веществ. Вслед за де Ионгом, открывшим такие шарики, он назвал их коацерватами, и какое-то время думали, что такие коацерваты, случайно поглотившие первые ДНК И РНК, как раз и дали начало первым простейшим организмам. Позже, однако, выяснилось, что в то время, как типичные размеры таких коацерватов составляют десятки и сотни микрометров, самые простые, мельчайшие бактерии имеют размеры в сотни раз меньше. Можно думать, что следующий этап истории жизни состоял как раз в появлении таких мельчайших бактерий, хотя, повторим, как это произошло, пока непонятно.
Те первые организмы (т.е. клетки, содержащие ДНК, РНК и белки), которые появились на этом этапе (наука называет их «про-кариотами») обладали одной фундаментальной особенностью: у них не было того внутреннего ядра, которое есть у всех более сложных клеток (т.е. «эу-кариот») и в котором укрыты их ДНК. У прокариот ДНК представляла собой кольцевую молекулу, прикрепленную к мембране (оболочке) клетки, тогда как у эукариот ДНК имеет вид линейной палочки и, как уже сказано, укрыта в оболочке ядра. Как же мог произойти переход от прокариот к эукариотам? Как могло появиться клеточное ядро?
Ответы на эти вопросы опять с неизбежностью являются гипотетическими. На данный момент ведущая в этом плане гипотеза исходит из того, что та ранняя Земля (3-4 млрд лет назад), где появились первые прокариоты, не имела свободного кислорода, потому что кислород активно окисляет металлы, в т.ч. железо, и потому поначалу весь он был связан с железом и другими элементами и в виде таких окислов составлял минералы, медленно погружавшиеся в глубины земли. И господствующей формой жизни в те времена должны были быть без-кислородные, т.е. анаэробные, прокариоты, которые получали вещества и энергию за счет обмена с окружающей средой с помощью фотосинтеза или хемосинтеза. Замечательные работы Карла Вёзе показали, что эти прокариоты были двух видов – бактерии и археи (последние, в частности, отличаются тем, что способны жить в экстремальных, по температуре, кислотности и т.д., условиях и питаться такими веществами, которые бактерии использовать не могут - например, метаном, как археи-метаногены).
Так вот, на следующем этапе эволюции основную роль сыграли, видимо, прокариоты типа нынешних цианобактерий (сине-зеленых водорослей), которые получали энергию в виде солнечного света, а «пищу» – в виде углекислого газа. Используя эти два источника, такие фотосинтезирующие прокариоты продуцировали внутри себя вещества, необходимые для роста и деления своих клеток. Огромные скопления омертвевших бактерий такого рода – т.н.строматолиты – и сегодня обнаруживаются в некоторых местах Земли (например, в Австралии). Эти бактерии непрерывно выделяли наружу кислород, но на первых порах он все еще уходил в окислы. Однако небольшие его пузырьки могли застрять в «карманах» строматолитов, и этого, видимо, было достаточно, чтобы в таких карманах нашли убежище первые аэробные прокариоты. И когда (1-2 млрд лет спустя) все железо было уже насыщено кислородом, и этот газ стал накапливаться в атмосфере в свободном виде, такие аэробные прокариоты¸ выйдя из строматолитов, оказались хозяевами положения, тогда как анаэробы, напротив, вынуждены были теперь прятаться в тех жизненных нишах, куда свободный кислород не проникал.
Этот перелом произошел примерно 2 млрд лет назад, когда доля кислорода в атмосфере Земли достигла 1% и более, и крайне любопытно, что генетический анализ нынешних эукариотов относит появление их предков именно к этому времени. Не случайно подавляющее большинство эукариотов – аэробны. И эта особенность подсказывает возможный путь их появления. Как полагают некоторые ученые, первой эукариотой могла быть анаэробная прокариотная клетка, которая заглотала какую-то простейшую аэробную. Такая комбинация была взаимовыгодной. Обеднив за пару миллиардов лет имевшиеся в окружающей среде запасы необходимых для извлечения энергии химических веществ, анаэробные прокариоты нуждались в дополнительных источниках энергии, и аэробная «жиличка», умевшая извлекать энергию за счет нараставшей доли свободного кислорода, могла дать «хозяйке», в случае необходимости, часть этой энергии; сама же она могла получить от нее - в готовом виде - многие химические вещества, включая и те, которые не могла произвести сама.
Такой путь «усложнения путем заглатывания» получил в науке название «эндосимбиоз» («эндо» - это «внутренний»). Впервые на возможность такого пути эволюции указал в 1887 году Фаминцын, показавший, что лишайники могут быть взаимовыгодной ассоциацией двух организмов - грибов и водорослей. В 1907 г. Фаминцын развил эту идею, указав, что энерго-производящие органеллы растений, т.н. хлоропласты, тоже могут быть потомками одноклеточных водорослей, некогда вступивших в эндосимбиоз с растениями.
Эта идея была поддержана и развита далее К.С. Мережковским и Б.М. Козо-Полянским, которые предположили, что энерго-производящие органеллы всех животных, т.н. митохондрии, тоже являются симбионтами. В доказательство этого они указывали, что при делении клетки-хозяина хлоропласты и митохондрии делятся так, как будто они представляют собой отдельные самостоятельные клетки.
Все эти ранние гипотезы обрели новую жизнь, когда, изучение различных ДНК, развернувшееся в конце 50-х - начале 60-х годов, показало, что внутри хлоропластов и митохондрий имеются свои ДНК, причем как раз того кольцевого вида, как ДНК прокариот. И процесс синтеза белков внутри этих органелл тоже оказался сходным с таковым у прокариот, а не у эукариот.
А затем появились работы американской исследовательницы Линн Маргулис, которая показала очень большую структурную близость жгутиков и некоторых элементов клеточного скелета эукариотов со спирохетами - бактериями, обладающими спиралевидной формой клеток. Маргулис предположила, что и ядро эукариот могло появиться таким же путем – не случайно у современных простейших эукариот, т.н. динофлагеллят, ядро содержит кольцевую ДНК, свойственную первым прокариотам. Всем этим «сожительствам» наверняка предшествовало появление клеток, способных к фагоцитозу, т.е., фактически, к поеданию, заглатыванию друг друга (на что первичные, да и нынешние прокариоты принципиально не способны). Такое заглатывание как раз и могло привести к тому, что в клетках этих прокариот-«хищников» могли появиться многие внутриклеточные структуры эукариотических клеток, вроде митохондрий, рибосом, жгутиков и ресничек. Новейшие исследования показывают, что часть этого материала современные эукариоты заимствовали у архей, а часть - у бактерий. Не исключено, что и сама «Ее Величество Первая Эукариота» могла появиться тем же путем «Великого Симбиоза», когда первая ДНК, попавшая, скажем, в жировой микро-шарик, начала создавать там белки-переносчики холестерина, делавшего более прочной мембрану этого шарика (будущего ядра).
Все эти догадки, сведенные воедино, рисуют нам такую картину: из хаотической сумятицы первых рибозим рождаются РНК и ДНК; они находят себе мембрану, и в образовавшейся клетке начинают производиться белки, открывающие ей всё новые возможности питания и выживания, а затем, все более усложняясь, одна из таких клеток становится той, которая дает начало первым бактериям и археям (это знаменитый LUCA, или «последний общий предок» всех ныне живущих существ); потом проходят миллиарды лет эндосимбиоза, завершающиеся появлением одноклеточных, а затем и многоклеточных эукариот. Дает ли такая сложная картина что-нибудь для суждения о вероятности существования жизни на других планетах? Наверняка дает – она эту вероятность несказанно уменьшает. Ну, вот, к примеру¸ не так давно американские астрономы Рамирес и Кальтенегер рассчитали, что в окрестностях звезд типа красного гиганта время жизни пояса обитаемости составит порядка 500 млн лет. Мы сразу видим, что даже если в этом поясе есть планеты, для возникновения жизни на них времени явно не хватит.
Увы.
Рафаил Нудельман
"Окна", 12.1.2017