Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Назрела потребность в чем-то, что Шостак обозначил как “нечто среднее между совсем хаотичным и слишком упрощенным”[545]. Карл Саган имел в виду как раз что-то подобное, когда еще в 1963 году задавался вопросом: “Не увела ли чистота лабораторных реагентов нас в сторону от реальной последовательности реакций, произошедших в те давние и не слишком чистые времена?”[546] Основания для таких сомнений дают, в частности, современные исследования сетей молекул РНК. В главе 8 мы упоминали, что совокупность РНК может стать автокаталическим набором. В нем одна молекула будет создавать вторую, та – какую-то третью, и это продлится до тех пор, пока не окажется воссозданой самая первая молекула. Тогда процесс создания набором своей полной копии завершится. В 2019 году Рио Мидзуучи и Найлс Леман[547] с помощью компьютерного моделирования доказали, что такой самореплицирующийся
Иными словами, первые формы жизни могли быть достаточно сложными в том случае, если им удавалось “стерпеть” ошибки в своей конструкции. Предположим, что первый организм состоял из примерно пятидесяти сортов молекул, которые могли собраться в одном месте. Эта вероятность возрастает, если они и впрямь образовались из общей исходной смеси. Подобный организм неправдоподобен только в том случае, если он окажется совсем хрупким. Скажем, погибает уже при удалении всего одной из его молекул. А теперь представим себе, что каждый из его компонентов заменим. Ведь есть основания считать, что гены не обязательно должны состоять только из РНК. Это может быть и ДНК, и ТНК, и множество каких-то иных нуклеиновых кислот. Такой организм будет довольно нелепым и медлительным. Этакий сырой вариант, собранный из мешанины слепленных как попало фрагментов. Он ни за что не выжил бы в наше время: другие микроорганизмы им бы буквально позавтракали. Но вначале-то хищников не было!
Первые ферменты могли оказаться очень неповоротливыми. Однако и РНК способны образовывать структуры с каталитическими свойствами – они называются рибозимы. В 2002 году Джон Ридер и Джеральд Джойс создали рибозим, содержавший в себе только 2 из 4 нуклеотидов РНК[550]. И тем не менее этот рибозим мог соединять две молекулы РНК в одну, из чего следует, что примитивные рибозимы могли возникнуть и успешно работать даже без некоторых своих компонентов.
У первых клеток был и другой способ сладить с собственной “топорностью”. Ключевым здесь является утверждение о “первых клетках”. Думая о возникновении жизни, многие представляют себе одинокий организм, живущий в полной изоляции. Но сейчас у нас есть две причины в этом усомниться.
Во-первых, если образование живого имеет высокую вероятность (а описанные в последних двух главах данные говорят именно об этом), то жизнь могла сразу возникнуть в больших количествах. Вспомним липидные протоклетки Димера, которые высыхают с образованием слоистых структур и снова намокают, образуя при этом сотни новых протоклеток. Так что первая клетка не была одинока: она возникла вместе с большой компанией.
Во-вторых, каждый современный организм тесно связан с множеством других. Гарольд Моровиц пишет[551]: “В современных условиях устойчивая жизнь представляет собой не совокупность отдельных организмов и видов, а скорее собственность какой-то конкретной экологической системы”. Или, если перефразировать Джона Донна, “ни один организм не остров”[552]. Отдельное существо может казаться независимым, но это всего лишь иллюзия. Представим себе лошадь, одиноко стоящую посреди поля. В действительности ни о каком одиночестве здесь речи не идет: тело животного служит домом для миллионов микроорганизмов, причем многие из них этой лошади совершенно необходимы. Кроме этого, лошадь нуждается в пище и потому очень сильно зависит от злаков и прочих растений. Тем, в свою очередь, необходима почва, в создании которой участвуют какие-то другие организмы. Наконец, для того, чтобы лошадь могла передать свои гены потомкам и поучаствовать в эволюции, ей потребуется конь. Выходит, что лошадь является частью экосистемы и не может выживать и размножаться сама по себе. На самом деле всякий организм зависит от своих соседей[553] и встроен в многоуровневую систему из переплетенных циклов, которые охватывают всю нашу планету.
Из этого следует, что вопрос о начале жизни не относится к какому-то одному организму, – речь идет о том, как возникла первая экосистема.
Проведенный в 2009 году Сарой Войтек и Джеральдом Джойсом эксперимент помог разобраться, действительно ли жизнь с самого начала существовала в виде экосистемы. Они синтезировали из РНК два рибозима, каждый из которых мог создавать свои копии из определенного “сырья”[554]. Причем если первый рибозим более успешно использовал в качестве “сырья” одни вещества, то второй предпочитал какие-то другие. А когда оба использовали один и тот же ресурс, более расторопный рибозим вскоре начинал преобладать, и второй “вымирал”. Но если им давали разом оба типа “сырья”, они могли сосуществовать и даже эволюционировать так, чтобы специализироваться
на своем любимом ресурсе.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.