Rating@Mail.ru
Происхождение жизни: от РНК-мира до последнего общего предка всего живого

Краткая история всего

Происхождение жизни: от РНК-мира до последнего общего предка всего живого

Что мы называем жизнью? Если мы рассматриваем этот вопрос применительно к Земле, не затрагивая что-то инопланетное, и ограничиваемся тем, что существовало в природе до человека, становится понятно, что вирусы, бактерии, археи, грибы, животные, растения и их одноклеточные родственники — это живое, а все остальное — нет. В итоге жизнь можно определить как химическую систему, способную к дарвиновской эволюции.

Раз система химическая, она должна состоять из атомов и молекул, между которыми происходят реакции. А способность к дарвиновской эволюции подразумевает четыре условия. Во-первых, нужно размножение: какая-то группа организмов, клеток или еще каких-то единиц, которые могут производить себе подобных. Во-вторых, необходима изменчивость, то есть потомки не должны копировать предков. В-третьих, должна быть наследственность, то есть отличия потомков должны передаваться следующим поколениям, а не исчезать у внуков. И нужен отбор, то есть эти отличия должны влиять на вероятность размножиться дальше.

На каком материальном носителе пойдет эволюция — не так важно. На Земле таким носителем информации о жизни являются нуклеиновые кислоты, но существует, например, эволюционное программирование, в котором все эти процессы происходят с нулями и единицами в памяти компьютера. Для задач изучения эволюции такую систему можно считать жизнью, а вот в экзобиологическом определении уже нет, потому что сложно представить, что компьютер может возникнуть сам по себе, без чьей-то разработки и сборки.

Но и с экзобиологическим определением жизни есть проблемы: если мы возьмем одного рабочего муравья, то он не может считаться живым, потому что он не может размножаться. Соответственно, вся часть про эволюцию к нему не относится. Или если у нас очень хорошо разовьется медицина, если мы будем заранее предсказывать наследственные болезни и делать генетическую коррекцию, если каждый ребенок будет иметь дизайнерский геном, то люди как вид уйдут от дарвиновской эволюции. У нас будет совсем другой режим эволюции, который даже названия не имеет. Но перестанем ли мы от этого быть живыми?

Химические признаки живого

Признаки, по которым можно удобно и быстро отличать живое от неживого, скорее химические. Во-первых, это хиральная чистота. Молекулы аминокислот, нуклеотидов и многих других сложных веществ могут иметь две зеркальные формы — левую и правую. Но при этом живые организмы явно предпочитают из них одну, то есть все наши белки построены из левых аминокислот, а вся ДНК и РНК содержат правый вариант сахара рибозы, и исключений из этого правила нет.

Правые аминокислоты в живых организмах встречаются, но они не входят в состав белков, и функции их гораздо скромнее. Поэтому если мы найдем на другой планете комочек органических веществ, в котором видна хиральная чистота, то, даже если он не двигается и не размножается, мы можем считать, что это если не живое, то как минимум когда-то было живым.

Есть еще второй признак, который даже скорее физический. Атомы многих химических элементов бывают нескольких сортов, они различаются массой и называются изотопами. У углерода есть обычный легкий изотоп с атомной массой 12 и другой, более тяжелый, с атомной массой 13. Есть и еще более тяжелый изотоп с атомной массой 14, но он радиоактивный и быстро распадается.

А вот 12С и 13С стабильные, они существуют неограниченно долгое время. 13С в природе примерно один атом на сто обычных 12С , и наша земная жизнь предпочитает легкий углерод. Если мы будем сравнивать изотопный состав углерода в растениях или животных с изотопным составом углерода в неживой природе, то доля 13С в живом веществе меньше.

Весь углерод входит в биосферу через растения, которые осуществляют фотосинтез и делают из углекислого газа сахара. Это довольно длинный путь химических реакций, который называется цикл Кальвина. Промежуточные продукты этого цикла путешествуют от одного фермента к другому путем простой диффузии, которая идет тем быстрее, чем легче молекула. Поэтому молекула, в которую попал тяжелый атом углерода, проходит каждый этот шаг чуть медленнее и в результате отстает к финишу.

У животных, которые эту глюкозу съедают и делают из нее свои жиры и белки, этот процесс повторяется, и доля 13С становится еще ниже. Таким способом сейчас анализируют пищевые цепи: можно поймать какое-то животное в тропическом лесу или на океанском дне и по одному мертвому экземпляру, никогда не наблюдая, что он делал в природе, по изотопному анализу примерно прикинуть, чем он питался. Иными словами, был он травоядным, хищником или падальщиком.

Мелвин Эллис Кальвин (1911-1997) – американский биохимик, установивший механизм усвоения растениями углекислого газа при фотосинтезе.

Зазеркальная жизнь

Белки и нуклеиновые кислоты имеют свойство хиральности: эти молекулы не совпадают со своим зеркальным отражением, то есть возможны левые формы и правые формы. При этом в реальных клетках белки всегда находятся в левой форме, а ДНК в правой, и исключений из этого правила нет. Можно представить зазеркальную жизнь, у которой будут правые белки и левая ДНК. Она может ничем другим принципиально от нас не отличаться, но будет несовместима, то есть естественные вирусы из нашей биосферы такой зазеркальной клетке угрожать не смогут. И обмениваться генетическим материалом зазеркальная жизнь с нашей жизнью тоже не сможет.

Это очень полезно для приложений в биотехнологиях. Например, если мы делаем зазеркальную бактерию, которая очень хорошо поглощает пластик, мы хотим, чтобы она жила только на мусороперерабатывающем заводе, не могла попасть в окружающую среду и есть пластик у нас в домах. Поэтому если мы ее сделаем неспособной производить какие-то жизненно важные для нее витамины, то она будет жить только там, где ее этими витаминами подкармливают, то есть на заводе, и сбежать не сможет. И передать свои гены поедания пластика диким бактериям она тоже не сможет, потому что у одних ДНК левая, а у других правая.

Молекулярная модель двух энантиомеров аминокислоты в общем виде
Поделиться
Молекулярная модель двух энантиомеров аминокислоты в общем видеИзображение: © wikipedia.org

Последние достижения китайских ученых связаны с тем, что они сделали зазеркальный работающий фермент Taq-полимеразу, которая копирует зазеркальную ДНК. До зазеркальной клетки они пока, конечно, не дошли, но они в этом направлении явно идут.

Почему у жизни на нашей планете именно такая асимметрия — очень сложный вопрос. Интересно, что хиральная асимметрия, похоже, старше жизни, потому что аминокислоты есть не только в живых клетках. Есть типы метеоритов, в состав которых входят органические вещества, в том числе аминокислоты. И левых изомеров аминокислот там немножко больше, чем правых, — на 1–2%. Нельзя сказать, что там чисто левые аминокислоты и правых нет, как в клетках, но некоторый перекос в сторону левых уже есть. Причем это такие аминокислоты, которые в биохимии не встречаются, то есть клетки их не вырабатывают и не едят. Получается, это продукт жизни, не имеющей отношения к земной.

Эти метеоритные аминокислоты открыли в 1960-х годах, и сначала предположили, что это подтверждение панспермии: найдена жизнь в метеоритах. С другой стороны, были скептики, которые говорили, что метеориты заросли земными бактериями. Но более подробные анализы показали, что никакая жизнь — ни земная, ни инопланетная — к этим аминокислотам не имеет отношения, они возникли абиогенно. А вот откуда там возник перекос в сторону левых форм — это история из физики, а не из биологии.

Есть разные механизмы, которые могут избирательно разрушать одни оптические изомеры и аминокислоты и оставлять другие с помощью поляризованного излучения: ультрафиолета, рентгеновского излучения или поляризованных электронов. Источники поляризованного ультрафиолета в космосе — это некоторые типы звезд с сильными магнитными полями. Например, в туманности Ориона, где активно образуются новые звезды, создается поляризованный ультрафиолет и видимый свет за счет рассеяния на межзвездной пыли. Если Солнечная система рождалась в каком-то таком облаке типа туманности Ориона, это могло стать причиной того, что еще до появления планет в составе космической пыли правых аминокислот осталось меньше, чем левых.

Источник поляризованных электронов — это бета-распад, один из типов ядерного распада. При бета-распаде электроны всегда получаются с левой поляризацией, и они активнее разрушают правые формы аминокислот. Почему при бета-распаде всегда получается левая поляризация электронов — это один из тех вопросов, ответ на который должна дать новая физика за пределами Стандартной модели.

Бета-распад

тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу. При этом распаде ядро излучает бета-частицу (электрон или позитрон), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино).

Эти два механизма мы, находясь на Земле, различить не можем, а разница между ними такая: бета-распад во всей Вселенной работает одинаково, он дает левополяризованные электроны и будет давать избыток левых аминокислот. А в звездных источниках поляризованного ультрафиолета всегда есть магнитное поле с двумя полюсами — северным и южным. Любой такой источник с одной стороны дает один знак поляризации, а с другой — другой. То есть Солнечная система, возможно, была просто с нужной стороны от такого источника. А окажись она с другой, может, жизнь была бы с другой хиральностью.

По-хорошему надо слетать к планетам у других звезд, найти несколько примеров внеземной жизни и посмотреть, бывает ли там правоаминокислотная жизнь. Если мы везде в Галактике будем находить левоаминокислотную жизнь, значит, виновата ядерная физика. А если лево- и правоаминокислотные встречаются примерно поровну, значит, виноваты звезды.

Как изучать жизнь

Когда мы изучаем какие-то события прошлого, будь то космология, происхождение жизни, история или археология, полного консенсуса ученым достичь не удается, потому что эксперимент для проверки поставить нельзя: все уже случилось. Поэтому приходится, как в криминалистике, по прямым и косвенным уликам устанавливать, что и как было.

Каждое исследование, пытающееся найти ответ на вопрос «Как появилась жизнь?», моделирует какую-то одну стадию всего процесса: от появления первых молекул до зарождения жизни. А вот в одном эксперименте все вместе еще не собирали. Наибольших успехов достигли люди, которые пытались восстановить РНК-мир. Они в первую очередь пытались получить молекулу РНК, которая могла бы копировать сама себя или хотя бы какие-то другие молекулы РНК сравнимой сложности. За двадцать с лишним лет они этого результата так и не добились. Похоже, что чистая РНК на это все-таки неспособна. Нужна помощь со стороны какой-нибудь минеральной подложки, аминокислот, причем, наверное, даже соединенных в короткие пептиды. То есть одним типом молекул обойтись не получается.

С исследованиями происхождения жизни есть также организационные проблемы, потому что это междисциплинарная область, вместе должны работать ученые самых разных специальностей. Химики, которые лучше знают, как проводить всякие синтезы. Биологи, которые лучше знают, как жизнь, которая у нас появилась, на самом деле устроена. Геологи, которые лучше знают, какие на древней Земле могли быть условия, какие там были минералы, а каких еще не было. И эти междисциплинарные команды образуются далеко не всегда.

Грязевые котлы как колыбель жизни

Отличный пример междисциплинарных исследований — это совместные работы биолога Армена Мулкиджаняна и геолога Андрея Бычкова. Армен Мулкиджанян в начале 2000-х годов начал с того, что хотел обоснованно возразить распространенным тогда мнениям о происхождении жизни на морском дне, в каких-то горячих источниках вроде черных курильщиков или щелочных гидротермах, где темно, тепло, высокое давление. Он нашел данные свидетельствующие об устойчивости нуклеотидов к ультрафиолету и, сделав дополнительные эксперименты, показал, что при объединении нуклеотидов в цепочки РНК или ДНК устойчивость возрастает. А если это еще и двойная спираль, то она устойчивее, чем одиночная цепочка. То есть ультрафиолет мог быть фактором отбора еще до появления какой бы то ни было жизни. И тогда Мулкиджанян стал подыскивать подходящее местообитание для РНК-мира на какой-то освещенной поверхности.

Ему пришлось довольно глубоко закапываться в биохимию и состав солей в клетках. Есть довольно расхожая фраза, что наша кровь похожа на морскую воду. Действительно, и там и там преобладает NaCl, поваренная соль. Так получилось, потому что первые животные, у которых появилась кровь, возникли в море, у них еще не было почек или каких-то других органов, чтобы управлять ее солевым составом. Поэтому кровь и вообще внутренние жидкости, омывающие клетки, по составу солей не отличались от морской воды. А когда почки появились, менять что-то было уже поздно, потому что на этот солевой состав были завязаны разные важные процессы, например передача нервного импульса. И изобретать какие-то новые механизмы ради экономии на почках животные не стали.

Соответственно, если мы берем не целый организм с его внутренними жидкостями, а отдельную клетку, то по аналогии можно предположить, что колыбель жизни по солевому составу должна была напоминать внутриклеточную среду, цитоплазму, потому что клетки для поддержания солевого состава цитоплазмы имеют мембрану, не пропускающую соли. У них есть транспортные белки, которые качают нужные соли внутрь, а ненужные наружу и тратят на эту откачку довольно много энергии.

Ионные насосы Na+/K+-АТФаза и H+/K+-АТФаза
Поделиться
Ионные насосы Na+/K+-АТФаза и H+/K+-АТФазаИзображение: © Rocío Retamales-Ortega et al., Molecular Neurology, 2015

Чем же цитоплазма отличается от морской воды? В море больше натрия и хлоридов, а в цитоплазме — калия и фосфатов, и не просто неорганических фосфатов, а соединенных с органическими молекулами: сахарофосфатов, нуклеотидов, ДНК, РНК и так далее. Живые клетки очень не любят внутри себя натрий и тратят много энергии на откачивание его наружу, при этом закачивая в себя калий. Рибосома содержит несколько десятков ионов калия, и, если их заменить натрием, она перестает работать. Другие важные ферменты, например копирующие ДНК, тоже для своей работы требуют, чтобы в состав входил калий, а не что-нибудь другое. То есть явно нужна была какая-то колыбель жизни, богатая калием, но не натрием, и богатая фосфором, желательно еще в растворимой форме.

Мулкиджанян пошел к геологам и стал у них спрашивать, бывают ли в природе такие водоемы, где калия много, а натрия мало. И дошел он до вулканолога Андрея Бычкова, а тот такие водоемы знал — он занимается горячими источниками Камчатки. Среди них есть такие типы горячих источников, в которых много калия и много фосфора, в основном это грязевые котлы и некоторые гейзеры.

Как устроены горячие источники? Холодная вода — дождевая, речная, снеговая — через трещины течет на горячий вулканический очаг, где она нагревается, частично закипает, а дальше пар и горячая вода по другим трещинам идут наверх. Если выходит совсем горячий пар, то получается фумарола, а если вытекает недокипевшая жидкая вода, получается термальный источник.

В грязевых котлах пар идет стабильно, но его поток слабее, чем в фумаролах, и он не такой горячий, поэтому, выходя из земли наружу, он конденсируется и образует жидкость. Это похоже на процесс перегонки в химии, когда от воды отделяются соли и образуется дистиллят. Но в условиях перегонки на вулканическом очаге температуры выше, чем в дистилляторе в лаборатории, а стенки все же не чистое стекло, а всякие интересные минералы, поэтому в воде появляются примеси.

Грязевой котел
Поделиться
Грязевой котелИзображение: © wikipedia.org

В таких примесях может быть калий, фосфор, причем в виде оксида фосфора, а также некоторые металлы, такие как цинк, марганец и молибден, которые как раз входят в число микроэлементов, необходимых для клеток. Еще в грязевые котлы попадает довольно много кремния в виде летучей кремниевой кислоты, которая в холодной воде оседает, давая мелкозернистую глину. Поэтому, собственно, грязевые котлы и грязевые. В них не прозрачная жидкость, а жиденькая серая или рыжеватая глина, и через нее пробулькиваются пар и вулканические газы. Естественно, туда прилетает сернистый газ, сероводород, углекислый газ, аммиак, тоже встречающийся в вулканических газах. И получается хороший коктейль, в котором могли образовываться разные интересные вещества. По солевому составу именно грязевые котлы, как ничто иное, идеально похожи на колыбель жизни. К тому же они находятся на поверхности суши и освещаются солнцем.

Образование нуклеиновых кислот

Хорошие исходные вещества для образования нуклеиновых кислот — это два яда: синильная кислота и формальдегид. На древней Земле они выпадали с дождями. Нам удалось подглядеть, как это происходит на Титане, спутнике Сатурна, благодаря космическому зонду «Кассини». Титан больше нашей Луны, у него есть азотная атмосфера с примесью метана. Метан постоянно выделяется из-под поверхности этого спутника, попадает в атмосферу, и на него светит Солнце. Под ультрафиолетовым излучением метан разлагается, и получаются разные интересные вещества: ацетилен, синильная кислота, цианоацетилен. В результате в атмосфере Титана, в более холодной части, на полюсах, есть облака из кристалликов замерзшей синильной кислоты.

В атмосфере древней Земли тоже был азот, тоже из морского дна выделялся метан, а на поверхности светило Солнце. Но поскольку Земля ближе к Солнцу, то и ультрафиолета на квадратный метр было больше раз в сто, поэтому должны были идти настоящие дожди из синильной кислоты. Разлагающийся под солнцем метан может реагировать с той же водой или углекислым газом, давая формальдегид и ацетальдегид. Они тоже растворимы и тоже будут выпадать с дождем.

Изображение Титана, спутника Сатурна, полученное с помощью зонда «Кассини» в 2015 году
Поделиться
Изображение Титана, спутника Сатурна, полученное с помощью зонда «Кассини» в 2015 году© wikipedia.org

Используя эти знания, химики достигли больших успехов по абиогенному синтезу нуклеиновых кислот. Прежде всего, надо отметить группу Джона Сазерленда, которая работает в университете Манчестера. Недавно им удалось в одной системе, грубо говоря, в одной емкости, из одних и тех же исходных веществ получить одновременно все четыре нуклеотида для РНК и еще десяток аминокислот, входящих в состав белков.

Джон Сазерленд – британский химик, в 2009 году впервые осуществивший вместе с коллегами абиогенный синтез пиримидиновых нуклеотидов в лабораторных условиях

Образование мембран

Если с тем, как получить ДНК и РНК, все более-менее понятно, то появление мембран — это пока открытый вопрос. Есть идея так называемой первичной пиццы: первые формы жизни обходились без липидных мембран, которые бывают у современных клеток. От внешней среды они могли отделяться минеральными стенками. Мокрая набухшая глина — это довольно слоистый материал, и между минеральными прослойками получаются щели толщиной в несколько молекул, куда как раз цепочка РНК или цепочка белка отлично вписывается. Сейчас такие слоистые разновидности глины можно встретить в магазине под названием «минеральный наполнитель для кошачьих туалетов».

Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. В экстремальных вариантах в результате высыхания воды почти не остается, и в экспериментах получается, что в такой майонезоподобной среде нуклеотиды очень хорошо соединяются в цепочки. Рекорд абиогенных РНК — это цепочка длиной около ста нуклеотидов, полученная как раз в майонезной, жировой фазе.

Откуда могли эти жиры взяться в таком большом количестве, известно хуже. Лучше всего жироподобные вещества получаются в условиях черных курильщиков: необходимо высокое давление и температура, а исходным веществом может быть угарный газ. Аналог такой химической технологии назывался процессом Фишера — Тропша. С помощью этого процесса в Германии во время Второй мировой войны производили бензин из каменного угля.

Грязевые котлы против черных курильщиков

Когда Мулкиджанян и Бычков опубликовали свою теорию о грязевых котлах как колыбели жизни, это все выглядело довольно гипотетично. Черные курильщики можно если не потрогать руками, то хотя бы спуститься на батискафе, произвести замеры, съемки, взять пробы. А вот таких древних грязевых бескислородных котлов нигде на Земле не осталось: сейчас из-за кислорода химия в них совсем другая, много серной кислоты, очень кислая среда, и там почти никто не живет.

В 2013 году статью Мулкиджаняна и Бычкова прочитал австралийский геолог Мартин ван Кранендонк. Он давно занимается районом Пилбара — безводными пустынями в Западной Австралии. Сейчас там почти нет жизни, зато очень много полезных ископаемых: от угля и железа до золота и урана. Это один из самых древних блоков земной коры, ему 3,5 миллиарда лет.

Земная кора постоянно образуется и разрушается. В океанической коре эти процессы идут быстро: она образуется на срединно-океанических хребтах и ныряет в глубоководный желоб под материком. Океанической коры старше 200 миллионов лет, старше мезозоя, на Земле не осталось. А материки никуда не уходят полностью, но на них есть эрозия: дует ветер, их скребут ледники, поливают дожди. Песок царапает скалы и за миллиарды лет может сцарапать очень много. На скалах вырастают деревья, которые своими корнями раскалывают их, пытаясь добыть себе немного фосфора. То есть материковая кора тоже подвержена разрушению. Древние куски земной коры много где есть, но почти везде они погребены под осадками. А вот в Скандинавии, на Кольском полуострове, в районе Пилбара в Австралии и в Южной Африке есть такие места, где очень древняя кора выходит на поверхность.

Пилбара уже была ранее знаменита ископаемыми бактериальными матами возрастом 3,5 миллиарда лет. Геологи считали, что Пилбара на момент образования осадков и активного роста бактерий была мелководным теплым морем. А вот Мартин ван Кранендонк, почитав работу Мулкиджаняна и Бычкова, вспомнил, что вроде как ему попадались там минералы, которые характерны скорее не для моря, а для наземных горячих источников. Ему повезло, что у него была очень наблюдательная аспирантка, которая накопала там гейзерит — это минерал, который образуется только в наземных горячих источниках, он растет из пара, в море его получить невозможно. Потом там же нашли турмалин — это борсодержащий минерал, который тоже образуется только в районе горячих источников, а в море он растворяется.

То есть получается, что в Пилбаре на самом деле было не мелководное море, а наземное геотермальное поле, ровно как Мулкиджанян и Бычков предсказывали. И там нашлись все те минералы, которые должны быть на бескислородном поле гейзеров и грязевых котлов.

Район Пилбара в западной Австралии

О проекте «Краткая история всего»

«Краткая история всего» — мультимедийный сериал о том, что происходило с миром от Большого взрыва до появления современной цивилизации. Самое важное, что надо знать о Вселенной, Земле, жизни и человечестве, — в хронологическом порядке.

«Краткая история» создана вместе с Издательством Яндекса — программой поддержки просветительских проектов в интернете.

Партнер проекта
Краткая история всего

Загадка фосфора

Чтобы сделать клетку, фосфора нужно много. ДНК и РНК без фосфора никак не получить. При этом с фосфором проблема такова, что в принципе на Земле его довольно много, но он почти весь лежит в виде фосфоритов, минералов фосфата кальция, которые совершенно нерастворимы в воде и химически инертны. Растения, чтобы добыть оттуда фосфор, выделяют корнями различные кислоты, и только тогда эти фосфориты и апатиты начинают медленно растворяться. Когда люди делают фосфорные удобрения из апатитов, они их тоже обрабатывают сильными кислотами.

Для колыбели жизни кислотная мобилизация фосфора не подходит, потому что двойные спирали ДНК и РНК, уотсон-криковские пары и правильное сворачивание РНК в шпильки возможны только в нейтральной среде. По этим критериям море не подходит однозначно: во-первых, морская вода сейчас слабощелочная, а тогда была скорее слабокислая, потому что было много CO2 в атмосфере; во-вторых, в море всегда было много кальция, а растворимые фосфаты с кальцием выпадают в нерастворимый осадок фосфорита и апатита.

Кристаллы апатита
Поделиться
Кристаллы апатитаИзображение: © wikipedia.org

Но в грязевых котлах фосфора много, причем именно в растворимых формах. В вулкане при температурах выше тысячи градусов фосфориты разлагаются, и фосфор вылетает с вулканическими газами в виде оксидов фосфора. Когда эти оксиды фосфора P4O10 и P4O6 попадают в воду, получаются полифосфаты, которые хорошо растворимы даже в присутствии кальция. Более того, полифосфаты — это не просто фосфор, а это еще источник энергии по аналогии с АТФ. За счет распада этих цепочек на отдельные фосфатные блоки можно получать энергию.

Свет, калий и фосфор — это три улики, которые указывают на возможность зарождения жизни в горячих наземных источниках. На морском дне ни одного из этих трех условий обеспечить нельзя.

Цинковый мир

Железо, медь, цинк, марганец, молибден и кобальт нужны организму человека в качестве микроэлементов. Бывают микробы, у которых к этому списку добавляется никель или вольфрам, или животные, которым нужен ванадий, но это совсем экзотика. Интересно, что в клетках наравне с железом также много цинка. Но если железа много и в окружающей среде, то цинка в клетках в миллион раз больше, чем в современной морской воде. А в древней морской воде цинка было, наверное, еще меньше. То есть цинк клетки явно концентрируют сильнее, чем все остальные элементы, а используют они его при этом необязательно для жизненно-важных функций. Есть, например такой белковый модуль — цинковые пальцы, он входит в состав разных белков, которые связываются с ДНК и РНК. Но это нужно просто для правильного сворачивания белка и ни для чего больше. Но есть много других способов свернуть белок и без дефицитного цинка, а это значит, что такие белковые элементы могли возникнуть только там, где цинка было много, — это как Эльдорадо, где дома строят из золотых кирпичей.

Есть маленький набор, примерно 60–70 штук абсолютно универсальных и очень древних белков, которые есть в любой клетке. Эти белки выполняют самые важные функции, они абсолютно незаменимы. И в них цинк есть, а железа нет. И как могла выглядеть среда, богатая цинком? В бескислородную эпоху у цинка были большие проблемы с растворимостью, потому что было много сероводорода, который с любыми растворимыми солями цинка выпадает нерастворимым сульфидом цинка.

А маленькие кристаллики сульфида цинка имеют очень интересные отношения со светом. Они могут поглощать синий или ультрафиолетовый свет и потом, например, флуоресцировать. В воде освещенный сульфид цинка может восстанавливать какие-нибудь вещества, например углекислый газ, и получается такой минеральный фотосинтез. При этом кристаллы сульфида цинка разрушаются, сера окисляется, а цинк выходит в раствор. Получается среда, где много растворенного цинка, и если туда набулькать сероводорода, то, пока есть свет, цинк все равно будет возвращаться в раствор. Вот и получается среда, богатая растворенным цинком.

Цинковый палец - тип белковой структуры, небольшой белковый мотив, стабилизированный одним или двумя ионами цинка, связанными координационными связями с аминокислотными остатками белка

Последний общий предок

История жизни — это история появления приспособлений к окружающей среде. Жизнь, которую мы знаем и наблюдаем на Земле, сформировалась такой именно потому, что Земля в частности и наша Солнечная система в целом устроены определенным образом.

Если бы Земля располагалась несколько ближе к Солнцу, то было бы как на Венере. Венера не успела достаточно остыть для появления жидкой воды. По всей видимости, изначально там было воды столько же, сколько на Земле, но она вся была паром в сверхплотной атмосфере, поэтому постепенно сдувалась в космос солнечным ветром. И Венера в результате стала сухой и безжизненной планетой.

Венера и Земля
Поделиться
Венера и ЗемляИзображение: © wikipedia.org

В этих расчетах непонятно, насколько сильно надо двигать Землю, чтобы добиться такого же эффекта, как на Венере. Но чем ближе она была бы к Солнцу, тем дольше бы она остывала до пригодных для жизни температур. Возможно, она бы не успела остыть до этих температур вообще до поздней метеоритной бомбардировки, и жизнь бы зарождалась уже после нее. Я не знаю, как бы это все изменило.

Сейчас мы считаем, что, скорее всего, жизнь пережила метеоритную бомбардировку. И это видно вот по какому признаку: когда по последовательностям ДНК стали строить родословные деревья разных микробов, бактерий и архей, оказалось, что самые древние и самые нижние веточки таких деревьев занимают гипертермофилы — любители кипятка. И расчеты показывают, что в позднюю бомбардировку гипертермофилы избирательно могли выживать. Когда падает большой астероид и испаряет целый океан, то температура на поверхности Земли достигает 70 градусов. Для гипертермофилов это нормально, они еще и размножатся, захватят полпланеты. Поэтому может быть, что вся жизнь, которая у нас есть после бомбардировки, — это потомки гипертермофилов, которые потом опять привыкали к холодным условиям.

Термофилы – тип экстремофилов, организмы, живущие при относительно высоких температурах свыше 45 °C. Многие термофилы являются археями. Гипертермофилы способны обитать при температурах выше 80 °C или даже 100 °C, но при повышенном давлении, когда вода не закипает

Но восстановить облик общего предка очень непросто, потому что гены не только передаются от предков к потомкам — они еще и подвержены горизонтальному переносу. Как мы по современному распространению какого-нибудь гена в разных группах микробов будем решать, был он у общего предка или не был? Если у всех есть, то, наверное, был.

Но таких генов, которые есть у всех организмов, крайне мало: их меньше сотни. Этого недостаточно, чтобы сделать полноценный организм, потому что среди этой сотни генов нет ни одного, связанного с обменом веществ. Все они работают только в таких центральных процессах, как синтез белка и транскрипция. К тому же биологи почти не знают такого, чтобы одна клетка могла образовывать замкнутую экосистему, где она будет и продуцентом, делающим органику из углекислого газа, и консументом, потребляющим органику.

Даже одноклеточные организмы всегда образуют многовидовые экосистемы с разделением труда. И генные деревья нам рисуют одного общего предка всех бактерий и архей — Last universal common ancestor, LUCA, но вряд ли он был единственным организмом своего времени. Скорее всего, вместе с ним жило еще много других форм. И если, допустим, рибосомы мы все унаследовали только от этого общего предка, от LUCA и ни от кого больше, то какие-то другие компоненты клетки, менее важные, могли достаться и от его соседей по сообществу путем горизонтального переноса. Поэтому когда мы реконструируем LUCA, глядя на геномы современных бактерий и архей, то мы никогда не знаем, реконструируем ли мы один организм или сообщество из нескольких видов организмов.

Минимальный набор генов для этого сообщества можно найти. Получится нормальное микробное сообщество, жившее в бескислородной среде при температуре 60–80 градусов — не совсем кипяток, но и не комнатная температура. Это сообщество очень любило соединения серы, было способно питаться и углекислым газом, и муравьиной кислотой, и угарным газом, и метанолом, переваривать какие-то уже готовые чужие сахара. То есть это была очень гибкая система с разнообразными типами питания. Там точно были и продуценты, которые создавали органику, и консументы, которые ее потребляли.

По устройству клеток, скорее всего, LUCA и его соседи были устроены примерно на таком же уровне сложности, как современные бактерии, не проще. У них уже были нормальные рибосомы и специфические клеточные мембраны. Скорее всего, поскольку они жили в грязевых котлах, где солевая среда была идеальной, их мембрана была проницаема для солей. То есть они еще не умели поддерживать солевой состав внутри клетки.

Постепенно строение клеток усложнялось. Какие-то бактерии и археи независимо осваивали морскую воду или какие-то еще среды и делали себе более плотные мембраны и ионные насосы. Приспособления к кислороду появились поздно, потому что и кислород далеко не сразу появился. Но из общих для разных групп жизни приспособлений после приспособлений к аэробному образу жизни больше ничего и не было. Появились всякие частные приспособления, например связанные с освоением суши у растений и грибов: приспособления к высыханию, к жизни в почве, к взаимодействию растений и грибов друг с другом, к разлету спор по воздуху, к распространению по воде. И такие частные адаптации, конечно, продолжаются до сих пор.

Сейчас уже вряд ли есть какие-то бактериальные сообщества, похожие на те первые конгломераты первичных предков: условия слишком сильно поменялись. Те сообщества жили, во-первых, в бескислородной среде, а во-вторых, под солнцем. Сейчас эти два условия вместе не встречаются: либо бескислородная среда где-нибудь в темноте под землей или в морских глубинах, либо под солнцем, но тогда кислородная атмосфера неизбежна.

Таким образом, у всего живого на Земле практически одинаковый набор генов, которые кодируют процессы трансляции, то есть синтеза белка. За некоторыми косметическими различиями люди, бактерии и археи в этом отношении устроены совершенно одинаково, и эти признаки мы унаследовали от LUCA. Но это не означает, что у него чего-то другого не было. Это означает только то, что мы про это точно знаем, но, скорее всего, у LUCA были сложные пути обмена веществ. Только мембрана у него была более примитивная, чем сейчас.

Еще есть таинственная история про механизмы копирования ДНК. Дело в том, что у бактерий и архей копирование ДНК устроено в принципе одинаково. Там есть репликативная вилка, которая копирует одновременно две цепочки двойной спирали. Но конкретные белки, входящие в состав репликативных вилок, у бактерий и архей совершенно разные и неродственные друг другу. То есть как бы ту же самую пьесу играют другие актеры.

А если рассмотреть, как это устроено еще и у вирусов, то мы увидим другие варианты систем копирования ДНК. Получается, что копирование ДНК возникало в истории несколько раз независимо — как минимум три раза, а то и четыре. И что из этого было у LUCA, совершенно непонятно. А вот транскрипция возникла один раз. Трансляция и рибосомы тоже возникли один раз. А механизмы репликации ДНК много раз возникали независимо на какой-то разной основе.

Структура рибосомальной 30S субъединицы бактерии Thermus thermophilus

Скорее всего, ДНК появилась уже после рибосом и белков как более стабильный генетический материал. И может быть, были какие-то промежуточные механизмы, когда ДНК строилась на матрице РНК только как у ретровирусов. В общем, с ДНК очень большое разнообразие и какая-то запутанная история, которую мы не до конца понимаем: почему репликация так много раз возникала, почему одна система не оказалась лучше остальных и не вытеснила остальные.

Без размножения никакая жизнь невозможна, поэтому, как только возникли нуклеиновые кислоты, сразу должен был возникнуть и механизм их копирования: в случае РНК-мира должна была появиться репликация РНК. Пока не удалось экспериментально подтвердить возможность возникновения этого процесса, но ученые все ближе к этой цели.

Жизнь на других планетах

Мы очень надеемся на телескоп Джеймса Уэбба, который планируют запустить в 2021 году. У него зеркало гораздо больше, чем у предыдущего космического телескопа «Хаббл»: не два с половиной метра, а шесть, поэтому он может собирать гораздо больше света. Это зеркало охлаждаемое, поэтому телескоп может работать не только в видимом свете, но и в инфракрасном диапазоне. К тому же он будет работать не на низкой околоземной орбите, а довольно далеко, в районе лунной орбиты, поэтому засветка от Земли ему мешать не будет.

Этот телескоп сможет делать прямые изображения экзопланет на расстоянии до 100 световых лет. Это прорыв, потому что большинство известных нам экзопланет мы никогда не видели отдельными точками рядом со звездой. Большинство экзопланет мы обнаруживаем методом затмений: мы видим планетную систему с ребра и то, как при прохождении планеты перед звездой свет звезды немного тускнеет. Достаточно крупные и далекие от звезды планеты, Юпитер и Сатурн в нашей Солнечной системе, телескоп Джеймса Уэбба сможет показать как отдельную точку рядом со звездой.

Сравнение зеркал телескопа Хаббла и телескопа Джеймса Уэбба в одном масштабе
Поделиться
Сравнение зеркал телескопа Хаббла и телескопа Джеймса Уэбба в одном масштабеИзображение: © wikipedia.org

А для планет, дающих затмение, он сможет довольно хорошо и подробно определять, как меняется свет звезды, когда планета перед ней проходит. Когда происходит такое затмение, часть света звезды проходит через атмосферу планеты, и можно по тому, какие частоты атмосфера поглощает, понять, есть ли там метан, озон, кислород, водяной пар и прочие другие интересные газы. Такой способ и в нашей Солнечной системе находит применение. Есть зонд «Экзомарс», который сейчас начал работать на орбите Марса. Он наблюдает восходы и закаты и регистрирует, как меняется цвет Солнца, когда оно заходит за диск планеты или выходит из-за него.

«Экзомарс» ищет прежде всего метан. Потому что если на Марсе какая-то жизнь есть, то, скорее всего, она прячется под поверхностью, и по аналогии с земными глубинными микробами проще всего их найти по следам дыхания. А выдыхают они, скорее всего, метан. Метан в атмосфере долго не живет, он разрушается под солнцем. Поэтому если он там регулярно есть, значит, его кто-то выделяет. Также его приборы рассчитаны на то, чтобы измерить изотопный состав этого метана и отличить тот метан, который производят бактерии, от метана, который может образовываться просто в геологических процессах.

У вас остались вопросы?

Задайте их в Яндекс.Знатоках