Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 31 страниц)

Возникновение жизни – представления 2014 года

Развитие наших представлений о том, как сформировалась из неживых соединений жизнь на Земле, во многом зависело от того, насколько успешно нам удавалось создавать жизнь в пробирке. Еще пять лет назад почти никак не удавалось. Но благодаря гарвардской группе ученых, возглавляемых Джеком Шостаком, мы теперь так близки к успеху, что общественность и представить себе не может[78]78
  www.nobelprize.org-mediaplayer-index.php?id=1218


[Закрыть]. Шостак и его коллеги экспериментировали с РНК на протяжении почти двух десятилетий. На Земле первичной молекулой, несущей информацию, была РНК или что-то очень близкое к ней, что потом развилось в РНК в ее современном виде. Шостак с командой сделал великое открытие именно в этой области.

Фокус в том, чтобы заставить нуклеотиды соединиться друг с другом в цепочки РНК. Объединить их значительно легче, чем заставить размножаться после объединения. Однако они это сделают, если в цепочку объединятся 30 и более нуклеотидов, поскольку с такой или большей длиной молекула РНК приобретает совершенно новое свойство – она становится катализатором, химическим соединением, которое убыстряет реакцию. А в нашем случае речь идет ни о чем ином, как о реакции репродуцирования молекулы РНК в две идентичные копии.

Чтобы создать цепочку РНК, состоящую не менее чем из 30 нуклеотидов, на (или в) Земле потребовалась, возможно, глинистая порода в качестве заготовки. Подходящей представляется монтмориллонитовая глина. Согласно этой гипотезе, отдельные нуклеотиды, растворенные в жидкости, сталкивались с глиной. Они становились слабо связанными с глиной и больше не перемещались. В некоторых местах глинистой породы образовывались скопления из 30 и более нуклеотидов. Поскольку связи с глиной были слабы, происходило отделение цепочек, и если возникала какая-то концентрация этих цепочек, то они объединялись в некий пузырь с насыщенной липидами жидкостью, что служило первой протоклеткой.

Двумя необходимыми для жизни компонентами являются клетка, способная к воспроизведению, и некая молекула, способная нести в себе информацию, а также служить катализатором для реакции, которая иначе – без этой молекулы – не произойдет. Если в клетку попадает достаточно новых компонентов для РНК, каталитическое действие РНК приводит к появлению еще большего количества РНК уже в самой клетке. В более ранних представлениях клетки и информационные молекулы формировались отдельно друг от друга, а затем сливались. Теперь понятно, что они развивались в тандеме.

Многие биологи утверждают, что жизнь появилась по-простому, вот так: «голая» молекула РНК плавала в бульоне из нуклеотидов и самовоспроизводилась. Но, согласно более распространенной точке зрения, клетки и РНК появились как единое целое – клетки с двойными стенками из жиров и нуклеотидами РНК внутри росли, поглощая все больше жиров и нуклеотидов. Последние могли проникать внутрь сквозь жировые стенки клеток, но более крупные объединенные нуклеотиды уже не могли пройти обратно наружу. На древней Земле было много веществ, которые могли реагировать друг с другом и создавать жировые молекулы, которые в свою очередь с готовностью объединялись в листы, а затем и шары.

Благодаря своим химическим свойствам скопления жировых молекул при физическом волнении легко создают полые сферы, так же как вода на короткий миг формирует маленькие капли на своей поверхности. Эти полые шары наполняются молекулами, которые могут производить РНК, если эти молекулы (то есть нуклеотиды) есть в растворе. Вот тут-то факт концентрации особенно важен, поэтому и аналогию с «бульоном» используют так часто: должно было существовать очень много нуклеотидов, заключенных в стенки протоклетки, чтобы возник шанс образования РНК. Если, конечно, у этой новой протоклетки не было такого свойства, которое позволило бы ей самой перемещать нуклеотиды из раствора внутрь себя.

Стенка клетки не только поглощала нуклеотиды. Она еще собирала все больше молекул-липидов и постепенно приобретала форму сосиски. В конце концов она расщеплялась, и появлялись две сферы, каждая – со своей долей РНК. И не только РНК, конечно, но и прочие молекулы, ведь чтобы существовать, клетке необходима энергия, которую могут вырабатывать другие внутриклеточные «машины»-молекулы. Таким образом, внутренняя среда клетки располагала множеством химических веществ, которые действовали определенным упорядоченным образом, чтобы обеспечить приток веществ внутрь клетки, ненужные молекулы выбрасывались наружу, а вокруг при этом должно было находиться множество молекул, пригодных для поглощения.

Вот на этом этапе и началась эволюция. Некоторые клетки могли размножаться быстрее, основываясь на качестве молекул, находящихся внутри. Таким образом возник естественный отбор, и завелся моторчик жизни в привычном для нас виде: клетки, которые автономны, имеют обмен веществ, воспроизводятся и эволюционируют. Все остальное, по знаменитому выражению Фрэнсиса Крика, стало историей.

Порог Дарвина

Первые земные клетки были как сборные домики, в которых все части изготовляются в разных местах, как самостоятельные секции, а затем свозятся в одно место. Транспортными путями могли служить вода или воздух. «Работа» последнего в этом качестве получила серьезное подтверждение в исследованиях по изучению органического материала в верхних слоях атмосферы последних, начиная с 2010 года, лет.

Самые ранние формы жизни, возможно, имели очень пористое строение стенок клетки, что позволяло пропускать целые геномы – этот процесс известен как горизонтальный перенос генов. Но пришло время, когда клеточные системы от недолговечных перешли к постоянным. Это момент биолог Карл Вёзе назвал «порогом Дарвина». Это период, когда уже можно различать виды в том смысле, в каком они понимаются сегодня, и когда начался естественный отбор, иными словами, эволюция. Естественный отбор предпочитал функционально более усложненные клетки, с большим количеством внутренних связей, чем у их простых предшественников, и более сложные виды распространились, поглотив простые, составленные из «модульных секций».

Современная земная жизнь началась в тот момент, когда закончились радикальные изменения генов. Исследователи ранних этапов эволюции, такие как Вёзе, считают, что достижение этой стадии организации крайне важно для жизни за всю историю ее эволюции. Те первые клетки наверняка не были однообразными, вероятно, существовали целые экосистемы, наполненные протоклетками самых разных свойств, вирусами, и кто знает, что там было еще в этой процветающей экосистеме жизни и околожизни: РНК-белковые организмы, РНК-ДНК-организмы, ДНК-РНК-белковые создания, РНК-вирусы, ДНК-вирусы, липидные протоклетки, белковые протоклетки – это было время самого большого разнообразия видов за всю историю Земли, возможно, 3,9 или 4,0 млрд лет назад. Хотя, согласно новейшему подходу, это было скорее позже, чем раньше 3,9 млрд лет назад. Естественный отбор отдавал очко в пользу лишь одного из тысячи возможных живых вариантов.

Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв утверждал, что как только все ингредиенты и нужное количество энергии объединились вместе на древней Земле, жизнь возникла из неживого материала очень быстро. Возможно, за минуты.

Глава 5
От происхождения до кислородного насыщения:
3,5–2 миллиарда лет назад

Северо-западная часть Австралии – один из самых малонаселенных регионов мира. Эта территория почти равна по площади западной части США – от Скалистых гор до тихоокеанского побережья, и представляет собой гигантскую безводную пустыню, в основном «ржавого» цвета. Именно там находится очень важное для понимания истории развития жизни на Земле место – здесь были обнаружены самые древние (на сегодняшний день) формы жизни. Пилбара (так называется это место) пустынна, в ее древних холмах содержится много окисленного железа. Эта темно-коричневая земля служит ложем для останков форм древнейшей земной жизни. Красные холмы Пилбары сформированы большими массивами железной руды, и поэтому здесь располагается большое горнодобывающее производство, которое оставляет открытые карьеры, проникая в самую глубь железоносных слоев. Затем руда в основном уходит в Китай – так быстро, как только могут загрузиться многочисленные суда.

Однако в Пилбаре есть не только железная руда. В этих безлесных местах существует множество скальных выходов, которые давно считаются хранилищем старейших окаменелостей, включая описанные в предыдущей главе. Кроме того, там – в местечке под названием Стрелли-Пул, не более 32 км от того места, которое описывал Скопф (см. главу 4), – совсем недавно обнаружили еще одного претендента на первенство в конкурсе за звание самого древнего ископаемого на Земле.

Не то чтобы все трубили о том, что там найдены окаменелости. Однако вся округа – неоспоримое свидетельство древней жизни, поскольку ландшафт богат строматолитами – это ископаемый карбонатный слой, который формировался на дне мелководного водоема и сейчас содержит останки бактериальных скоплений, которые были самым распространенным видом жизни на Земле с момента ее возникновения и до периода давностью полумиллиард лет. Забавно, что Западная Австралия, а именно угол залива Шарк, стала местом, где до сих пор вдали от атмосферы и кислорода живут потомки еще более ранней жизни. Вот такое стечение обстоятельств.

Сосуществование в одном и том же месте и древнейших ископаемых, и до сих пор живущих образцов того, какой была жизнь на заре времен, – все это делает Западную Австралию важнейшим «музеем» ранних этапов жизни на планете. Окаменелости первых жизненных форм относятся к периоду от возникновения жизни и до первого образования «Земли-снежка» в конце архейского эона, длительность которого составляет около одного миллиарда лет. Нам известно об этих формах жизни в основном по строматолитам и по очень редким, исключительным, случаям обнаружения окаменелостей в агатовых породах, называемых кремнистым известняком. Наряду с образцами из Западной Австралии строматолиты Южной Африки из района под названием зеленокаменный пояс Барбертон, что находится недалеко от знаменитого национального парка Крюгер, дают больше всего информации о природе древнейшей жизни Земли.

На протяжении почти всего XX века мы все полагали, что эти породы образованы как побочный продукт водорослевых матов, которые могли стимулировать бурное насыщение среды карбонатами за счет фотосинтеза. Но за последние два десятилетия многим исследователям Земли стало ясно, что некоторые (хотя не все!) слоистые породы могли образоваться под непосредственным химическим воздействием соленой воды. Если принимать за факт то, что строматолиты сформировались в процессе деятельности живых организмов, то для подтверждения следует изучить современные образцы, хотя их на самом деле довольно мало. Лучшим местом для исследования современных строматолитов служит залив Шарк Западной Австралии. Там обнаружены большие, иногда до метра в ширину, намывы донных осадочных материалов (в основном из песка и ила), а под ними и сверху – колонии способных к фотосинтезу бактерий. Если распилить один из таких строматолитов, то на спиле можно увидеть упорядоченные наслоения, при этом обязательно с волнообразными элементами. Поверхность строматолитов в основном круглая, но срезы демонстрируют удивительное разнообразие форм и структур.

Строматолиты из залива Шарк долгое время славились как лучший инструмент для познания архейского эона. Действительно, здесь мы видим униформизм в действии: структура, химия и биология этих видов, проживающих сегодня в жаркой Западной Австралии, являются широким окном в далекое прошлое, и их наличие как нельзя лучше помогает интерпретировать ископаемые строматолиты. Но есть кое-что в заливе Шарк, о чем вы не узнаете из многочисленных телепередач и статей об этом месте, которое определенно не является моделью архейских океанов. Принципиальным препятствием к отождествлению залива Шарк с архейским морем является природа других микроорганизмов, населяющих этот залив (а он большой, около 810 га) в районах образования строматолитов. Эти организмы тоже напоминают нам о том, какой была жизнь в первый миллиард лет своего существования.

Жизнь в архее и путь к кислороду

Около 2,5 млрд лет назад Земля подверглась огромным изменениям, настолько значительным, что это вписало новую эпоху в геохронологическую временную шкалу. Самым древним периодом является катархей, который начался с формированием самой Земли (4,567 млрд лет назад) и закончился с появлением первых окаменелостей около 4,2 млрд лет назад. Следом пришел архейский эон, жестокое время в истории планеты, который начался в период «тяжелой бомбардировки» и закончился приблизительно 2,5 млрд лет назад, с приходом протерозойской эры. Переход от архея к протерозою в общем совпадает с увеличением количества кислорода в атмосфере, а кислород этот произвели организмы, способные к фотосинтезу.

Фотосинтез – процесс, который жизнь использует для преобразования инертного углекислого газа в живую клеточную материю, таким образом заменяя «неорганический» углерод на то, что называется «органическим» углеродом. Есть доказательства того, что в период между 4,2 и 2,5 млрд лет назад в архее уже существовал некий фотосинтезирующий организм. Также очевидно, что развитие фотосинтеза началось после возникновения первичных жизненных форм. Первичные организмы, вероятно, использовали водород в соединениях, в которых он химически взаимодействовал с атомами серы, и тем самым производился важный с энергетической точки зрения (и для всей истории развития жизни) сероводород[79]79
  J. Raymond and D. Segre, «The Effect of Oxygen on Biochemical Networks and the Evolution of Complex Life,» Science 311 (2006): 1764–67.


[Закрыть]. Водород очень энергоемкий, потому-то люди и хотят научиться использовать его везде где только можно: от автомобилей до электростанций. Нам также известно, что архейские организмы, по-видимому, использовали те же основные необходимые элементы, что и жизнь сегодня: углерод, серу, кислород, водород и азот.

Мы сегодня располагаем некоторыми сведениями о том, каковы были океаны и атмосфера 3,5 млрд лет назад. Скорее всего, концентрация углекислого газа значительно превышала сегодняшний уровень. Атмосфера была насыщена водяными испарениями, а также метаном. Без тех архейских парниковых газов, водяных паров, метана и углекислоты на Земле вряд ли существовала бы жидкая вода. Было очень жарко, но во времена, когда Солнце являлось гораздо менее активным, планета, скорее, согревалась сама – благодаря парниковым газам, без которых атмосфера не смогла бы удержать тепло. Но это была атмосфера без кислорода.

Многое из того, что мы знаем о том, весьма продолжительном, архейском периоде, приходит благодаря изучению современных аналогичных природных условий. Среды с низким содержанием кислорода довольно редки в наших теперешних океанах, но намного чаще встречаются в современных небольших озерах. На самом деле, многие озера сегодня сильно расслоены и содержат тонкий кислородный слой (образованный взаимодействием с атмосферой), под которым лежат слои, в которых кислорода вовсе нет. Изучение микрожизни в таких слоях позволяет узнать, что представляли собой сообщества микроорганизмов в далеком прошлом. В современных озерах, как, видимо, и в древних архейских морях, одними из наиболее значимых для углеродного круговорота являются организмы, которые связаны с химией метана. Как упоминалось ранее, метан помогает удерживать тепло, отраженное от земной поверхности и стремящееся улетучиться обратно в космос[80]80
  J. F. Kasting and S. Ono, «Palaeoclimates: The first Two Billion Years,» Philosophical Transactions of the Royal Society Biological Sciences 361 (2006): 917–29.


[Закрыть]. Некоторые бактерии могут расщеплять метан и использовать его в качестве пищи. Таким образом его употребляли многие ранние формы жизни, а это значит, что жизнь, едва сформировавшись, сразу переключилась на другой вид потребления энергии. Прямо как автомобили в своем развитии: сначала им нужен был пар, потом дизельное топливо, потом бензин (и дизельное топливо, и бензин – углеродные соединения, несущие энергию, как и метан), а вскоре и водородное топливо. Только человечество обращается к водородному топливу в последнюю очередь, тогда как жизнь начинала именно с него.

Много информации о раннем этапе истории развития жизни на планете дают нам осадочные породы. Например, одной из особенностей архейских осадочных отложений является частое проявление в них яркоокрашенных красных слоев. Они называются полосчатыми железистыми формациями, или ПЖФ. Эти интересные осадочные породы не образовывались в земной коре в более или менее значительных объемах на протяжении последних 1,85 млрд лет, за исключением одного-двух периодов «Земли-снежка» в конце докембрия, о чем мы расскажем подробнее в следующей главе. У железистых формаций есть загадка, которую уже долго не могут разрешить: чтобы так широко распространиться тонким слоем, железу надо быть растворенным в воде, а это означает, что оно должно было иметь восстановленную форму, которая называется закись железа, она придает земле зеленоватый цвет. С другой стороны, чтобы высвободиться, железу необходимо иметь окисленную форму красного цвета, быть оксидным железом, которое просто оседает в воде в виде частиц, а не растворяется как сахар. Проблема в кислороде: закись железа постоянно реагирует со свободной молекулой O₂ и создает красную окисленную форму. Любое железо или железный минерал красного цвета показывает, что железо подвергалось этому химическому преобразованию, которое мы по-простому называем ржавчиной и которая почти всегда требует присутствия молекулы O₂. Как же получалось, что кислородный уровень океанической воды, с одной стороны, был довольно низок, что приводило к существованию железа в растворяемой форме, а с другой – достаточно высоким, чтобы создавать ржавчину? Этот вопрос уже очень давно ставит ученых в тупик.

Более 50 лет назад Престон Клауд, один из известнейших исследователей докембрийской палеобиологии из Университета Калифорнии, выдвинул гипотезу, что кислород, необходимый для окисления растворенного железа, особенно в океанах, происходил от деятельности фотосинтезирующих простейших, известных как синезеленые водоросли, цианобактерии (Cyanobacteria)[81]81
  P. Cloud, «Paleoecological Significance of Banded-Iron Formation,» Economic Geology 68 (1973): 1135–43.


[Закрыть]. Это единственный на планете организм, который сам научился производить дающий жизнь фотосинтез – процесс расщепления молекулы воды и высвобождения атома кислорода, если описывать буквально. Некоторые из его потомков «порабощены» теперь другими организмами и служат нам всем как зеленые светоулавливающие органеллы в растениях и других водорослях. Сегодня каждое растение на Земле имеет крошечные «капсулы», эволюционировавшие из тех первых синезеленых водорослей, но теперь они – рабы «эндосимбиоза», выполняющие прихоти многоклеточных растений. Престон Клауд представил себе плавающий «кислородный оазис» таких первых крошечных фотосинтезаторов-цианобактерий, каждая из которых производила крошечное количество кислорода, и за сотни миллионов лет они кардинально изменили природу не только жизни на Земле, но и химию океанов, атмосферы и даже твердого покрова нашей планеты. С каждой новой порцией кислорода, выброшенного в архейский океан, маленькие частицы ржавчины оседали на дне, медленно, но неуклонно накапливаясь в полосчатые железистые формации.

Молекулярный кислород – одно из самых ядовитых соединений. Все, кто принимает антиоксиданты вместе с витаминами, знают, что они помогают избежать рака, возникновение которого обычно провоцируется кислородом, разрушающим деликатную клеточную химическую систему и в результате превращающим ее в убийцу-зомби. Антиоксиданты – не просто рекламный миф. Кислород в своем химическом неистовстве разрушает клетки, преобразует, а зачастую и убивает их. Тогда как же организмы, которые производят такой яд, остаются в живых в момент выделения кислорода?

Здесь возникает классический вопрос о курице и яйце. Любая форма жизни, которая научилась выделять кислород, но при этом не обзавелась антиоксидантными ферментами, убила бы саму себя. Таким образом, сначала должна была развиться система контроля над кислородом. Но весь кислород в атмосфере производится фотосинтезом, то есть кислород не должен был появиться, пока эволюция не создала защитные механизмы от него! А значит, должен был существовать какой-то неорганический источник молекулярного кислорода, под воздействием которого первичные клетки выработали бы систему защиты против яда. Этот процесс подобен тому, в результате которого мы защищаем себя от смертельных болезней: в детстве подвергаемся их малому воздействию и тем самым даем нашему организму возможность постепенно создать защиту.

Так откуда же взялся этот ранний кислород для «вакцинации», если не из фотосинтеза? Очень сложно произвести кислород небиологическим путем. Реально работающий способ – это фотохимическая реакция под воздействием ультрафиолета, того самого, который вызывает солнечный ожог. Ультрафиолет, встречаясь с водой и углекислым газом в атмосфере, производит остаточный уровень O₂ и других соединений. Сегодня солнечное ультрафиолетовое излучение в основном блокируется озоновым слоем высоко в атмосфере, очень далеко над слоями, содержащими водяные пары (которые замерзают). Но в ранней истории планеты кислорода и, соответственно, озонового слоя не было, а значит, не было и защиты от ультрафиолета. Стало быть, очень сильное ультрафиолетовое излучение Солнца воздействовало на Землю и создавало небольшое количество молекул кислорода – недостаточное для дыхания, но вполне достаточное, чтобы жизнь на него отреагировала и эволюционировала в конце концов до форм, способных выживать при большом объеме кислорода.