Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира

Итак, закон природы – это нечто общее, проявляющееся неизменно во множестве объектов и явлений, во всех остальных отношениях довольно различных.

Напротив, в гуманитарных научных дисциплинах объекты исследования обычно (хотя и не всегда) характеризуются своей уникальностью, единичностью[3]. Тем они и ценны. Утрата их невосполнима. Любое историческое событие, если его не задокументировать, быстро стирается из человеческой памяти. Мы уже никогда не прочитаем целиком второй том “Мертвых душ”, не услышим музыку, звучавшую на пирах в древних Афинах, не узнаем, кто и при каких обстоятельствах изобрел деревянную лодку, колесо, пуговицу… Гуманитарии обречены на бесконечные споры о том, писал ли Шекспир пьесы Шекспира и правда ли, что варяги были основателями древнерусского государства.

Жизнь на Земле, насколько сейчас известно, возникла единожды. По крайней мере, в современных условиях самозарождение живых существ из неживой материи (абиогенез) невозможно. Точку в этом вопросе поставил Луи Пастер еще в позапрошлом веке. Мы до сих пор не открыли ни одной биосферы за пределами нашей планеты, поэтому сравнивать не с чем. Даже степень уникальности земной жизни до сих пор не очень понятна. Крайняя точка зрения состоит в том, что жизнь в космосе возникает чрезвычайно редко, и, возможно, Земля – единственная планета в нашей Галактике, на которой возникла биосфера. До недавнего времени даже вопрос о существовании планет в других звездных системах оставался предметом догадок. Сегодня астрономам точно известно, что планеты у других звезд (так называемые экзопланеты) довольно обычны даже в нашем ближайшем звездном окружении. Обнаружение ранее неизвестной экзопланеты давно перестало быть научной сенсацией, и немудрено: сейчас таких объектов известно почти 4200[4]. Некоторые из них по ряду характеристик (размеры, величина силы тяготения у поверхности, удаленность от своего светила) напоминают Землю, и, вполне вероятно, на них тоже возникла жизнь. Однако пока мы можем лишь гадать о том, действительно ли внеземная жизнь существует, и если да, то насколько она похожа или непохожа на земную.

Исследовать событие, произошедшее только один раз, причем в очень далеком прошлом, крайне сложно. Даже самые продвинутые научные технологии при этом пробуксовывают. В условиях, когда от некоего события не осталось ровным счетом ничего, задача его реконструкции выглядит практически невыполнимой. Даже от второго тома “Мертвых душ” сохранились хоть какие-то отрывки. В случае с абиогенезом нам не настолько повезло.

Ученые должны объяснить, как произошел переход от химического уровня организации материи к биологическому. Бактериальная клетка по сравнению с организмом человека покажется нам крайне просто устроенной, но даже она значительно сложнее, чем самая сложная и “умная” макромолекула, такая как молекула ДНК. Многие свойства живых существ отсутствуют у объектов неорганического мира[5]. Должен был произойти великий качественный скачок, обеспечивший переход “от вещества к существу”[6]. Должны были появиться механизмы передачи признаков по наследству, биохимические процессы, с помощью которых первобытная клетка могла обмениваться веществом и энергией с внешним миром, а также поддерживать свой гомеостаз. Но как это произошло?

В последние сто лет над загадкой абиогенеза трудились изощреннейшие умы, составляющие интеллектуальную элиту человечества, причем не только биологи, но и физики, химики, геологи и астрономы. Однако по описанным выше причинам даже самые остроумные и популярные концепции, такие как гипотеза РНК-мира, все равно остаются в ранге гипотез.

Поразительна та быстрота, с какой на Земле “завелась” биосфера. Принято считать, что астрономический возраст нашей планеты составляет приблизительно 4,5 млрд лет. Новорожденная Земля была местом, не очень привлекательным для проживания, и напоминала, возможно, картины Ада, созданные фантазией Иеронима Босха. Жидкая вода – необходимое условие для возникновения жизни – появилась около 4,3 млрд лет назад, а самые ранние следы пребывания в земном океане живых существ датируются временем 3,7 млрд лет назад, причем есть веские основания думать, что земная биосфера на самом деле еще старше[7]. В любом случае древнейшие из горных пород, в которых теоретически можно отыскать свидетельства о ранней жизни, имеют возраст около 4 млрд лет[8]. Сведения обо всем, что происходило в первобытном океане раньше этого времени, до нас в принципе не могли дойти.

Итак, первые обитатели нашей планеты появились в период с 4,3 до 3,7 млрд лет назад, то есть в промежутке, примерно равном 600 млн лет. Много это или мало? По человеческим меркам это баснословно продолжительная эпоха, но если ее сравнивать с абсолютным возрастом Земли и тем более с возрастом Вселенной (составляющим, как ныне установлено, около 13,8 млрд лет[9]), грандиозность данной величины несколько меркнет. К слову сказать, от появления первого в истории Земли животного до пришествия в этот мир Homo sapiens прошло от 600 до 700 млн лет. Выходит, что на временно́й шкале, с которой привыкли работать современные астрономы и геологи, абиогенез занимает совсем небольшой отрезок, то есть он свершился если не совсем уж мгновенно, то, во всяком случае, довольно быстро. Вкупе с отсутствием материальных следов этого процесса такая быстрота открывает простор для альтернативных гипотез, включая ненаучные.

Например, можно предположить, что живые существа возникли совсем не на Земле, а где-то на другом небесном теле, откуда таинственным образом попали на нашу планету. Говорили и писали об этом немало, но прямых доказательств нет как нет, что не позволяет вывести дискуссию за пределы спекулятивных рассуждений. К тому же нерешенным остается фундаментальный вопрос о том, как возникла жизнь в этом загадочном “где-то”, откуда она к нам затем и попала. Но эта гипотеза вполне респектабельна с научной точки зрения, и отказаться от нее априори, потому что, как выражался у Чехова автор письма к ученому соседу, “этого не может быть, потому что этого не может быть никогда”, непозволительно.

Другой сорт гипотез, для которого в современной научной картине мира места не находится, сводится к тому, что возникновение жизни на Земле было результатом творческой деятельности некоего сверхъестественного существа, создавшего живые организмы сверхъестественным же способом. Такие гипотезы принято называть креационистскими (от лат. “creatio” – сотворение). Споры со сторонниками креационизма в мою задачу тоже не входят, но и в этом случае надо сделать небольшой экскурс в сторону и, перед тем как вернуться к рассказу о LUCА, поговорить о соотношении религиозной и научной картин мира.

Рассказывают, что однажды всемогущий император Франции Наполеон I посетил великого французского астронома Лапласа и много расспрашивал его об устройстве мироздания. Бывали такие времена в прошлом, когда монархи искренне интересовались последними достижениями в области естественных наук. Выслушав рассказ Лапласа, Бонапарт спросил, а какое же место в системе мира он отвел Господу Богу. “Сир, – гласит легендарный ответ астронома, – я не нуждался в этой гипотезе!”

Если это и апокриф, то очень хорошо придуманный, недаром его раз за разом пересказывают в книгах по истории науки. Вот уже более 200 лет создатели естественно-научной картины мира не принимают в расчет божественное вмешательство, пытаясь объяснить природные явления природными же причинами. И это вовсе не значит, что все естествоиспытатели как один атеисты, нигилисты и скептики. Причина лежит несколько глубже.

С тех пор как философы и сами ученые, склонные к рефлексии, начали задумываться о том, что же такое научное знание и чем оно отличается от ненаучного, было сформулировано немало критериев, позволяющих отличить первое от второго. Наибольшую популярность, пожалуй, получил критерий фальсифицируемости, предложенный около 80 лет назад философом Карлом Поппером. Поппер считал, что любое предположение, претендующее на научность, должно заключать в себе возможность своего опровержения или, выражаясь его языком, фальсификации. Высказывание, которое в принципе нельзя опровергнуть, может быть чем угодно – мифом, религиозной догмой, художественным образом, но только не элементом научного познания.

У Гоголя в “Записках сумасшедшего” г-н Поприщин утверждает, что Луну делает в Гамбурге хромой бочар, и делает ее довольно скверно (“видно, что, дурак, никакого понятия не имеет о луне”). При всей абсурдности и смехотворности этого утверждения оно все-таки является фальсифицируемым, то есть, по Попперу, “научным”. Можно ведь отправиться в Гамбург, отыскать хромого бочара и выяснить, так ли обстоит дело. А вот если некто выдвигает предположение, что Луна создана в далеком прошлом сверхъестественным Творцом, к примеру Летающим макаронным монстром, то как мы можем опровергнуть такое утверждение? По крайней мере, используя научные методы, – никак. Наука по определению работает только с материальными причинами, а любые чудеса и разные виды сверхъестественного вмешательства оставляет за рамками своего рассмотрения. Не в последнюю очередь потому, что, апеллируя к гипотезам креационистского типа, можно доказать или опровергнуть вообще все что захочется. Можно видеть в этом добровольное самоограничение или даже “зашоренность” научного способа познания, но факт остается фактом: современное естествознание в принципе выводит сверхъестественное за рамки своей картины мира, не посягая при этом на право каждого человека самому решать, верить ему в “гипотезу Творения” или нет. Но в рамках строго научного подхода эта гипотеза всерьез рассматриваться не может.

То же самое относится и к концепциям эволюционной биологии, включая идею об эволюционном происхождении человека (часто совершенно неправильно выражаемую фразой “человек произошел от обезьяны”). Современная биология и большинство мировых религий имеют резко противоположные точки зрения на этот вопрос. Даже спустя 150 лет после Дарвина споры об эволюции не утихают, и все такими же актуальными остаются ехидные строки графа Алексея Толстого (того, который написал “Князя Серебряного”, а не “Приключения Буратино”), написанные в далеком 1872 г.:

Всход наук не в нашей власти,Мы их зерна только сеем;И Коперник ведь отчастиРазошелся с Моисеем.Ты ж, еврейское преданьеС видом нянюшки лелея,Ты б уж должен в заседаньеЗапретить и Галилея.‹…›Способ, как творил Создатель,Что считал Он боле кстати –Знать не может председательКомитета о печати[10].

Одним словом, религиозные представления о происхождении Вселенной, живых существ и человека, какими бы почтенными по возрасту и дорогими для многих людей они ни были, остаются с научной точки зрения “великим «Может Быть»” (Ф. Рабле), рассуждения о котором естественные науки оставляют философии и богословию.

Конечно, на первый взгляд может показаться, что и некоторые гипотезы, всеми почитаемые за вполне научные, не выдерживают проверки критерием Поппера. Вспомним хотя бы предположение о заносе живых организмов из космоса на Землю. Как можно его фальсифицировать? Это вам не приятная поездка в Гамбург в поисках “хромого бочара”. Тем не менее опровергнуть эту гипотезу можно хотя бы теоретически (а в будущем, возможно, и практически). Предположим, что нам удалось отыскать живые существа за пределами Земли, например на спутниках Сатурна Титане или Энцеладе (я не случайно назвал именно эти два космических тела: есть некоторые основания думать, что если в Солнечной системе и могли возникнуть другие биосферы, то, скорее всего, именно там). Если сравнение генетических и биохимических особенностей этих существ с таковыми у земных организмов выявит резкие различия, например принципиально несхожий с нашим вариант кодирования наследственной информации, то, вероятнее всего, жизнь на этих космических телах возникала независимо, а не мигрировала с одного на другое. Если же окажется, что и в генетическом, и в биохимическом отношениях земные и внеземные формы жизни схожи, тогда все шансы будут на стороне “космической” гипотезы происхождения жизни.

Но довольно об этом. От начала начал перейдем к началу нашей истории, а именно к происхождению, образу жизни, нравам и обычаям LUCА.

Я открываю свежий номер авторитетного научного журнала Nature, на страницах которого публикуются новости о самых замечательных открытиях, сделанных в области естественных наук. (“Открываю” – следует понимать прокручиваю веб-страницу с оглавлением очередного выпуска журнала. Удовольствие листать свежие журналы, вдыхая исходящий от них запах типографской краски, уходит в прошлое так же стремительно, как привычка писать на бумаге обстоятельные письма друзьям и знакомым, аккуратно складывать исписанные листы в бумажный конверт и бежать к ближайшему почтовому ящику… А помнит ли кто-нибудь, что еще лет сто назад страницы вновь напечатанной книги нужно было разрезать особым ножом, чтобы добраться до текста?)

Среди сообщений о том, что благополучию акул в Мировом океане серьезно угрожает рыбный промысел, и совершенно непостижимых для моего ограниченного ума заголовков вроде “Гигантская нереципрокная генерация второй гармоники из антиферромагнитного бислоя CrI3” (я понимаю, что это из области химии, но не более того) натыкаюсь на статью под названием “Трудности, связанные с древнейшими свидетельствами существования жизни”[11]. Ага, кажется, это что-то интересное! А не найдется ли в тексте чего-нибудь про нашего героя? Отправляюсь на сайт нашей университетской библиотеки, скачиваю файл со статьей, бегло пролистываю. Так и есть.

Автор обзора, бельгийский палеобиолог Эммануэль Жаво, иллюстрирует свою статью небольшим рисунком, где наглядно представлены важнейшие этапы ранней истории биосферы, наложенные на шкалу геологического времени. Я привел этот рисунок здесь (рис. 1.1), немного его упростив и переведя часть терминов с английского языка на русский.

Итак, как говорится, “что мы видим на картине”? Наш замечательный LUCA располагается в левой части графика, но довольно далеко от самого начала, от момента возникновения жизни на Земле. Это означает, что он никак не мог быть самым первым живым существом на нашей планете. Очевидно, что до него (и даже одновременно с ним) в биосфере существовали и другие организмы, но идущие от них родословные линии со временем прервались, а значит, все потомки этих первопоселенцев Земли вымерли… В живых остались только те, которые напрямую происходят от LUCА. Это хорошо видно на следующем рисунке (рис. 1.2), который я тоже взял из статьи Э. Жаво и немного переформатировал для русскоязычного читателя. Обратите внимание на датировки, представленные на обоих рисунках. Современные специалисты относят время существования LUCА к периоду между 4 и 3,5 млрд лет назад. В эту эпоху уже формировались сохранившиеся до наших дней горные породы, и, чисто теоретически, можно ожидать, что в них сохранились остатки LUCА. Тут внимательный читатель вспомнит мое категорическое утверждение о том, что эти остатки все же никогда не будут найдены. Отчего бы, если физическая возможность сохранения микроскопических ископаемых имеется? Ответ очень простой: даже если нам посчастливится обнаружить окаменелые остатки LUCА, как распознать, что они принадлежали именно ему? Выделить и проанализировать ДНК из таких окаменелых прапраклеток, видимо, не получится и в самом отдаленном будущем. По внешнему же виду судить крайне затруднительно, а точнее, совсем невозможно. LUCA – в определенной степени научная абстракция, хотя, в отличие от нигде и никогда не существовавшего “идеального газа” физиков, он был в свое время и в своем месте очень даже материален.

Продолжим рассматривать эти два интереснейших графика. На обоих наш LUCA предстает родоначальником трех основных подразделений (доменов) жизни: бактерии, архебактерии (археи) и эукариоты. С бактериями каждый из нас знаком хотя бы понаслышке. Это микроскопически малые, вездесущие одноклеточные создания, лишенные клеточного ядра и хромосом. Общий предок всех бактерий сокращенно именуется LBCA (см. рис. 1.1), что расшифровывается как “последний бактериальный общий предок” (Last Bacterial Common Ancestor). Именно бактерии в свое время, не ранее чем 3,42 млрд лет назад, “изобрели” фотосинтез, что сыграло ключевую роль в дальнейшей эволюции биосферы, в частности обеспечило возможность выхода жизни на сушу и появления разумных существ.

Об археях широкой публике известно гораздо меньше. Долгое время их не отличали от бактерий, настолько они похожи, и только в 1977 г. были опубликованы сенсационные на тот момент данные о том, что эти две группы одноклеточных организмов резко различны генетически и никак не могут быть объединены в рамках классификации. Сейчас уже почти никто не сомневается, что археи – совершенно особая ветвь эволюции живого, представленная в наши дни большим числом видов. Их важнейшим эволюционным приобретением был метаногенез, также упомянутый на первом рисунке (кстати, вполне возможно, что метан умел вырабатывать и LUCA, по меньшей мере у него были необходимые для этого генетические предпосылки). В отличие от оксигенного фотосинтеза, побочным продуктом этого биохимического процесса является не кислород, а метан (CH4). Археи – единственные микроорганизмы, способные производить этот газ, причем они экологически весьма пластичны и встречаются в самых разнообразных средах, от дышащих паром гейзеров до холодных почв зоны вечной мерзлоты. Их можно обнаружить даже в человеческом теле, например в недрах толстого кишечника. По аналогии с общим предком всех бактерий родоначальник (то есть последний общий предок) архей назван LACA (Last Archaea Common Ancestor).

К третьему домену биосферы принадлежим мы с вами, люди, но не только мы, а вообще все организмы, в клетках которых есть клеточное ядро и хромосомный аппарат. Этот домен называют “эукариоты”, или ядерные организмы. Сюда относятся все животные, растения и грибы, а также большое число видов одноклеточных эукариот, традиционно называемых “простейшими”, или протистами. Некоторые из них, вероятно, запомнились вам со школьных времен (амеба, инфузория-туфелька, эвглена зеленая). Обратите внимание на то, как возникают эукариоты на родословном древе (рис. 1.1): этот домен не имеет единого истока, являясь потомком одновременно и архебактерий, и просто бактерий. Почему это так, мы рассмотрим в главе 5 и тогда снова обратимся к изучению рисунка. Первый на свете представитель эукариот, столь же неуловимый, как LUCA, обозначается аббревиатурой FECA (First Eukaryota Common Ancestor – первый общий предок эукариот). Легко догадаться, что организм, называемый LECA (он тоже есть на рисунке), был последним (last) общим предком эукариот.

Остается только гадать, какие существа населяли Землю до LUCА, как они были устроены и почему сошли с эволюционной сцены, не оставив потомков. Обратимся лучше к тому, что современные ученые смогли узнать о LUCА. Почти все это знание основано на анализе генетических и биохимических признаков ныне живущих видов. Если они происходят от единого первопредка, то непременно должны нести в своих геномах полученное от него “наследство”. Путем сравнения генетических признаков множества видов современных живых существ исследователям удалось идентифицировать 355 генов, которые, как они предполагают, входили в геном LUCА[12].

Зная конкретные гены, можно установить, за производство каких белков они отвечали, а значит, еще немного приблизиться к реконструкции нашего общего предка. Одним из наиболее важных результатов изучения LUCА стал вывод о том, что его белки были в высокой степени термоустойчивы. На основе этого биохимики делают вывод, что их владелец, первобытный одноклеточный организм, жил в весьма теплой, даже горячей среде. По некоторым оценкам, ее температура могла превышать 90 ℃[13], иными словами, наш герой обитал чуть ли не в крутом кипятке! Для большинства современных живых существ даже гораздо меньшие температуры являются смертельными, хотя среди бактерий и архей известны очень термоустойчивые виды, прекрасно себя чувствующие даже в воде исландских гейзеров. Но большинство исследователей склонны думать, что LUCА жил не в гейзерах, а на дне первобытного океана, где тоже были (да и сейчас есть) подходящие места для любителей поплескаться в кипятке. Я имею в виду подводные гидротермальные источники, такие как, например, знаменитые “черные курильщики”, образующиеся там, где из-под земной коры бьют фонтаны очень горячей и обогащенной минеральными веществами воды. В таких местах процветают сообщества бактерий и архей, а также микробоядных многоклеточных организмов (и многоклеточных организмов, которые питаются последними). Самое место для проживания нашего LUCА!

Значит ли это, что жизнь тоже возникла в подобном “черном курильщике”? Некоторые ученые отвечают на этот вопрос утвердительно, ссылаясь на необычайную теплолюбивость (“гипертермофильность” на профессиональном языке микробиологов) LUCА. Другие возражают, что жизнь могла возникнуть вовсе не в первобытном океане, а в гораздо более специфических местообитаниях, расположенных прямо на поверхности нашей планеты, – жерлах грязевых вулканов или горячих источниках. Еще в 1871 г. Чарльз Дарвин в частной переписке высказал догадку, что первые живые существа могли зародиться на поверхности земли в какой-нибудь “маленькой теплой луже” (warm little pool)[14]. Исследования последних десятилетий как будто бы подтверждают его удивительное научное предвидение. В качестве современных аналогов такой “колыбели” первобытной жизни рассматриваются, например, гейзеры Камчатки[15].

Мы помним, что LUCA был далеко не первым организмом в биосфере: между зарождением жизни и появлением последнего общего предка всех современных видов могли пройти многие десятки миллионов лет. Вполне вероятно, что жизнь, возникнув в этой гипотетической “теплой луже”, проникла в воды Мирового океана и там дала множество разнообразных потомков, одним из которых и стал теплолюбивый LUCA. Но оставим споры по этому интереснейшему вопросу специалистам…

Что еще удалось узнать о нашем далеком первопредке?

Жил он примерно 3,8 млрд лет назад. Как получена эта датировка, поговорим чуть позже, в главе 3. Наследственную информацию LUCA хранил, используя молекулы ДНК, но он еще не имел хромосомного аппарата. Считывание (транскрипция) этой информации проводилось, как и во всех современных клетках, с помощью рибосом и молекул РНК. Белки, которые он мог синтезировать, состояли из тех же 20 базовых аминокислот, которые входят в состав белков нынешних организмов. Был LUCA роста совсем небольшого, прямо скажем, микроскопического, но уже обладал всем необходимым внутриклеточным оснащением, чтобы размножаться и обмениваться с окружающей средой энергией и веществами, необходимыми для жизнедеятельности. Возможно, что его тело (клетку) окружала вполне сформированная мембрана, похожая на те клеточные мембраны, которые есть у современных бактерий и эукариот (правда, с этим согласны не все специалисты). Через нее LUCA получал извне все необходимое и избавлялся от ненужных веществ. Что касается его способа питания, то биологи величают LUCА “анаэробным хемоавтотрофом”. В переводе на более простой язык это значит, что LUCA не нуждался в кислороде для своего существования и мог сам производить нужные ему питательные вещества, используя для этого неорганические соединения, в изобилии представленные в его среде обитания. Это были самые простые вещества – молекулярный водород (H2) и углекислый газ (CO2). LUCA получал необходимую для жизни энергию, окисляя водород. Углекислый газ он использовал как источник углерода для построения органических молекул. Да, несмотря на всю простоту своего клеточного устройства, наш герой был весьма искусным химиком. Собственно, почти все его современники, древнейшие микробы, вели сходный образ жизни. Фотосинтез – важнейший биохимический процесс, появление которого предопределило всю последующую историю земной биосферы, – еще только предстояло “изобрести” (см. рис. 1.1). Когда это произойдет, живые организмы получат в свое распоряжение изобильный и очень надежный источник энергии – солнечный свет. Пока же LUCA и его собратья извлекают энергию, содержащуюся в неорганических молекулах, чем и добывают свой “хлеб насущный”. Свободного кислорода в оболочках Земли пока тоже маловато, да и не могло его быть много до появления фотосинтезирующих бактерий, усердным трудом которых за многие миллионы лет сформировалась современная, богатая O2, атмосфера нашей планеты. Совсем не случайно, что в биохимической конституции LUCA присутствовало много железосодержащих ферментов. Как и другие микробы, наш предок нуждался в этом элементе для роста и жизнедеятельности. В современной атмосфере железо быстро окисляется и переходит в нерастворимую в воде трехвалентную форму (нам она хорошо знакома в быту в виде ржавчины). В наши дни в водах Мирового океана растворено сравнительно мало железа, и его обитатели вынуждены обзаводиться сложными химическими механизмами для добывания данного элемента. LUCA, живший в бескислородной среде, богатой хорошо растворимым двухвалентным железом, не знал такой трудности и мог позволить себе роскошь обладания железосодержащими ферментами[16].