Загадки возникновения жизни
Как известно, первыми живыми организмами на Земле были бактерии и археи (некоторые ученые горячо ратуют за существование тогда еще одного «царства жизни» - вирусного, но это пока остается в области гипотез). То были одноклеточные организмы, и их клетки не имели еще обособленного от протоплазмы ядра. Ядра впервые появились в клетках-эукариотах, давших начало всем более сложным организмам, вплоть до человека. По оценкам ученых, бактерии и археи возникли примерно 3 млрд лет назад. По тем же оценкам, появление эукариот потребовало чуть ли не полутора миллиардов добавочных лет и произошло лишь 1.56 млрд лет назад. На такую дату указывали самые древние окаменелые следы эукариотов, найденные в некоторых скалах. И вот недавно группа американских ученых под руководством Саммонса и Голда разом сдвинула эту оценку намного дальше в прошлое. По их утверждению, первые эукариоты появились уже 2.3 - 2.4 млрд лет назад.
К этой новой дате группа пришла в результате анализа некоторых генов, общих для всех нынешних эукариотов. Наличие таких генов во всех сложных клетках побуждало думать, что они возникли уже в самых первых из них. В качестве путеводной нити американские исследователи выбрали два гена, которые содержали программы построения эукариотами ферментов, помогающих им строить (из полученной пищи) вещество «сквален». Это очень важное для эукариота вещество – с него в клетках всех растений и животных начинается построение таких фундаментальных для нее веществ, как стеролы (одним из которых является известный нам всем холестерол), стероидные гормоны, витамин Д и т.д.
С помощью уже имеющейся «библиотеки генов», охватывающей тысячи организмов разного времени появления, авторы построили «генеалогические деревья» этих двух генов, уходящие в глубокую древность. Оба дерева оказались практически тождественны, что указывало на их совместную эволюцию. Но что интересней всего – оба в какой-то момент перешли к эукариотам от бактерий (в отличие от наследования генов от родителей, такой переход называется горизонтальным переносом). Ученым было известно, с какой скоростью происходили изменения этих двух генов при подъеме по эволюционной лестнице от одного вида эукариот к другому, более сложному. И продолжив такие «шаги эволюции» вниз по ее лестнице, к бактериям, они нашли, что горизонтальный перенос этих генов к эукариотам произошел 2.33 млрд лет назад. Это и можно считать минимально ранней датой появления эукариот.
Полученный результат (если его подтвердят дальнейшие исследования) очень интересен. Раньше считалось, что эукариоты появились на Земле так поздно, потому что прежде в земной атмосфере практически не было кислорода. В самом деле, тот кислород, который входил в состав первичной Земли, был очень быстро израсходован на образование окислов различных веществ, прежде всего – железа (древнейшие скалы буквально исполосованы красными слоями железистых окислов) В результате наступил длительный без-кислородный период.
В силу этого первые бактерии и археи, появившиеся, как уже сказано, 3 млрд лет назад, были анаэробными (то есть добывали себе энергию для жизни посредством ферментного разложения некоторых органических веществ - сахаров и т.п., - не используя кислород). Затем, однако, в ходе эволюции в некоторых бактериях появились такие ферменты, которые дали им возможность соединять (под влиянием света) воду и углекислый газ, которых вокруг было вдоволь, в молекулы углеводов. Сейчас за счет фотосинтеза живут практически все растения, но первыми его обладателями были т.н. цианобактерии. В ту пору их появление стало важнейшим шагом в истории Земли, потому что побочным продуктом фотосинтеза является выделение свободного кислорода.
Цианобактерии так энергично производили кислород, что, по современным оценкам, способны были за 2 года поднять его уровень в атмосфере до 20-21% (это его нынешний уровень на Земле). Но как мы знаем, этого не произошло. Почему? На этот долго мучивший ученых вопрос дала недавно весьма правдоподобный ответ статья английских ученых Лентона и Дэйнза, опубликованная в феврале 2017 г. в журнале Nature Communications. Они указали, что очередным возможным похитителем атмосферного кислорода могли быть богатые углеродом остатки бактерий и архей, накопившиеся в отложениях предыдущих миллионнолетий. И разработанные авторами методы изучения состава древних скал действительно показали, что они были богаты этой органикой. Атомы углерода в таких отложениях энергично соединялись с кислородом и тем самым изымали его из атмосферы. Вся работа цианобактерий уходила на то, чтобы «накормить» эту мертвую органику и уровень свободного кислорода в атмосфере расти не мог. А это препятствовало появлению более сложных эукариотических клеток.
Казалось бы, понятно, но неожиданно всплывает другой вопрос: разве запас этой мертвой органики был бесконечен? Верно, на первых порах на ее прокорм мог уходить весь кислород, созданный цианобактериями, однако затем, когда все мертвые останки были «окислены», рост концентрации свободного кислорода должен был бы возобновиться, не так ли?
Нет, не так. Мы упустили из виду, что именно в это время, примерно 2.4 млрд лет тому назад, кора земли уже раскололась на отдельные огромные плиты, несшие на себе моря и острова, а то и целые материки и океаны, и эти плиты медленно двигались по лежавшему под ними вязкому и раскаленному слою вещества, который геологи называют «верхней мантией». Это явление называется тектоникой плит, и оно сыграло большую роль в возникновении сложной жизни на Земле. Дело в том. что, двигаясь по мантии, плиты неизбежно наползали одна на другую и в таких местах более тяжелая плита (как правило, океанская) уходила под более легкую (материковую). Уходила – это значит тонула в мантии, и ее вещество переплавлялось в этом раскаленном подземном котле. Но переплавившись, спустя миллионы лет выходило наружу во время гигантских вулканических извержений. А выходя, выносило с собой и ту органику, которая побывала в земных недрах, но выносила уже без кислорода (поскольку он вступал в связь с веществом мантии). Так что в результате такого кругооборота на поверхности Земли опять появлялась органика, готовая поглощать свободный кислород и тем самым не давать его концентрации расти.
Казалось бы, цианобактерии были бессильны против этого «конвейера органики». Но и это оказывается не так. Исследования показали, что примерно 2.4 млрд лет назад уровень свободного кислорода в земной атмосфере все-таки начал расти, хотя поначалу и очень медленно. В силу своего значения для дальнейшей истории Земли это вторичное появление свободного кислорода в земной атмосфере получило торжественное название «Великое кислородное событие» (в русской научной традиции оно называется «кислородной катастрофой», потому что одним из его последствий было почти поголовное исчезновение анаэробных микроорганизмов). Примерно 2.3 млрд лет назад концентрация свободного кислорода уже достигла уровня 1-2%. И как мы видели, этого хватило для появления первых эукариот.
Но если так, значит наши рассуждения о «конвейере органики» были не вполне точны. Что-то нарушило работу этого конвейера, и он стал выносить наружу не всю ту органику, которая утонула в мантии вместе с унесшей ее туда тектонической плитой. Что же это могло быть?
Ответ на этот очередной вопрос дала статья нынешнего года, ставшая третьим звеном нашей «логической цепочки». Авторы этой статьи, опубликованной в апреле 2017 года в журнале Nature Geoscience, американские ученые Дасгупта и Дункан, провели тщательное изучение свойств тех скал, которые тонут в мантии, а затем выносят свой углерод назад на поверхность Земли через вулканы. Прежние исследования этих скал сосредотачивались на главном виде этих скал – на том, что богат магнием, плохо связывается с углеродом и потому отдает его наружу. Дасгупта и Дункан исследовали другой вид – т,н. риолиты, богатые кремнием и алюминием и бедные магнием, железом и кальцием. Они нашли, что риолитовая магма выносит на поверхность куда меньше углерода.
Это важное открытие означает, что за счет риолитов, которые хоронят свою органику в недрах Земли практически навсегда, на земную поверхность все время возвращается чуть меньше углерода, чем уходит вместе с мертвой органикой благодаря тектонике плит. В результате доля кислорода, поглощаемая органикой, все время чуть уменьшается, и стало быть доля оставшегося свободным кислорода все время немного растет. И в конце концов наступает «Великое кислородное событие»: уровень кислорода достигает 1-2% и становится возможным появление первых эукариотов.
Такой, вкратце, видится сегодня история возникновения сложной жизни на планете Земля.
*********************************************************************************
- Премия Фрезениуса, самая большая научная премия в мире (4 млн евро, из них 500 тысяч на личные нужды, остальное - на научные проекты), была присуждена в мае 2017 года Фондом Крёнер-Фрезениуса в Бад-Хомбурге (Германия) американскому ученому Карлу Диссероту и его лаборатории за разработку методов оптогенетики, позволяющих контролировать отдельные нейроны с помощью света. Премия присуждается раз в 4 года; предыдущая была присуждена американскому иммунологу Руслану Меджитову.
- Как утверждают ученые из Института Планетологии Мюнстерского университета (Германия) и американской Национальной Лоуренсовой лаборатории, Юпитер является не только самой массивной планетой Солнечной системы, но и самой старой в ней. К этому выводу их привел анализ изотопного состава метеоритов, показавший, что, начиная с 1 млн лет после образования Солнечной системы, метеориты, возникавшие в газо-пылевом облаке вокруг молодого Солнца были разделены поясом пустоты. Единственным, что могло проложить такую полосу, было образование газового гиганта юпитерианской массы.
- Ученые университета Вандербильта обнаружили на северном побережье Перу две древних насыпи, на которых когда-то существовали человеческие поселения, Раскопки в этих местах выявили огромное количество каменных орудий, корзины ручной работы и остатки морской и береговой еды. Радиоактивный анализ определил возраст самых древних находок в 15 тысяч лет. Это намного раньше принятой даты появления первых Гомо сапиенс в Америке, но близко к дате древнейшей человеческой стоянки Монте-Верде в Чили, и можно думать, что в Перу Гомо сапиенс пришел с юга, двигаясь вдоль берегов Южной Америки.
Рафаил Нудельман
"Окна", 20.7.2017