Билл Меслер – Краткая история сотворения мира. Великие ученые в поисках источника жизни на Земле (страница 50)
Революция Вёзе оказала глубокое влияние на продвижение исследований происхождения жизни. До Вёзе эту проблему обычно рассматривали снизу вверх. Такие ученые, как Стэнли Миллер и Сидней Фокс, пытались понять, какие простейшие химические процессы постепенно привели к появлению первых живых организмов.
Вёзе показал, что эту проблему можно решать, двигаясь в противоположном направлении. К истокам жизни можно вернуться с помощью эволюционных свидетельств, все еще присутствующих в генах современных организмов, произошедших от единого общего предка. Отслеживая генетические изменения в различных видах организмов, можно получить изображение их общего предка. Те характеристики, которые были общими для групп микроорганизмов в самом основании дерева, с большой вероятностью были приобретены ими от LUCA, и эти данные позволяют понять не только каким был LUCA, но и в каком мире он появился. Это еще не очень четкое изображение, но гораздо более понятное, чем раньше.
Однако на этом пути было немало трудностей, одна из которых заключалась в уникальном способе обмена генетической информацией у самых древних организмов. Этот необычный способ обмена генами был причиной самого противоречивого вывода Вёзе о том, что первой формой жизни был не отдельный организм, а сообщество организмов, свободно обменивавшихся генетической информацией из общего генетического набора за счет так называемого горизонтального переноса генов. Эта идея появилась у Вёзе при попытках расшифровать генетический код.
Вёзе удивляла неизменность генетического кода на протяжении миллиардов лет в миллионах эволюционных ветвей. За несколькими совсем незначительными исключениями все современные организмы – синий кит, красное дерево, человек и микробы – сохранили общий генетический язык, и это удивительно, если учесть, как быстро возникают диалекты в человеческой речи. Генетический код практически не изменился за миллиарды лет. Причина этой невероятной стабильности оставалась загадкой вплоть до 1960-х гг., когда ученые впервые занялись решением этой проблемы.
Вёзе видел ключ к разгадке в открытии физика из Сиэтла Виктора Фримана. В 1951 г. Фриман обнаружил, что вирус, инфицирующий болезнетворную бактерию Corynebacterium diphtheriae, можно использовать для превращения безопасного штамма бактерии в вирулентный штамм. Это наблюдение позволило объяснить, почему зараженные дифтеритом люди иногда заболевают не сразу, а через некоторое время. Еще более важно, что изучение Corynebacterium diphtheriae позволило Фриману описать один из первых примеров горизонтального переноса генов, то есть передачи генов одним организмом другому организму, не являющемуся его потомком. Позднее выяснилось, что в горизонтальном переносе генов участвуют многие микроорганизмы, вероятно, даже большинство. Вёзе предположил, что именно этот способ обмена генетическим материалом объясняет невероятную стабильность генетического кода. Всем организмам нужен однотипный язык, чтобы «разговаривать» друг с другом на генетическом уровне. Если изменится генетический код – исчезнет возможность обмениваться генетической информацией с другими организмами.
Кроме того, открытие горизонтального переноса генов позволило решить важную эволюционную проблему. Дарвиновская концепция естественного отбора лучше всего описывает сложные современные организмы, размножающиеся половым путем. Гены детей представляют собой смесь генов обоих родителей с различными накопленными мутациями. Однако большинство микроорганизмов не нуждается в половом процессе для воспроизводства[61]. Имея всего одного родителя, потомство представляет собой клоны, различия между которыми возникают исключительно из-за мутаций под действием внешних воздействий, например радиации, или из-за ошибок копирования генетической информации. Влияние таких мутаций чаще всего незаметно, иногда пагубно, а изредка – летально. Однако бывает, что мутации производят положительный эффект. В очень редких случаях они даже обеспечивают своему обладателю адаптационные преимущества. Однако, если бы эволюция основывалась только на накоплении мутаций, она происходила бы чрезвычайно медленно.
В традиционном представлении сложные организмы (высшие эукариоты) быстро продвигаются по эволюционной лестнице за счет полового размножения, тогда как прокариоты почти не эволюционируют, изменяясь исключительно за счет случайных мутаций. Горизонтальный перенос генов позволил объяснить быструю эволюцию первых микроорганизмов[62]. За счет свободного обмена информацией, примерно как в случае Corynebacterium diphtheriae, первые микроорганизмы смогли эволюционировать быстрее, используя более широкий набор генов. Вёзе называл горизонтальный перенос генов «волной, которая поднимает все суда».
В конечном итоге ученые поняли, что генами обмениваются даже очень отдаленные виды бактерий. Более того, бактерии способны поглощать ДНК мертвых бактерий. После смерти организма его генетический материал может сохраняться в окружающей среде достаточно долгое время. Микроорганизмы могут поглощать эту ДНК и включать ее в собственный геном. Можно сказать, что фрагменты генетической информации рассредоточены буквально повсюду, а Земля – большая библиотека, из которой микробы могут заимствовать гены.
Кроме того, Вёзе пришел к заключению, что горизонтальный перенос генов не только затрудняет выявление самых ранних событий в эволюции жизни, но и полностью переворачивает наши представления о структуре филогенетического дерева. Примитивные микроорганизмы так легко обменивались информацией, что корень дерева жизни, на самом деле, больше похож на сеть, в которой виды соединены между собой не однонаправленными прямыми линиями от предков к потомкам, а перекрестными связями, являющимися результатом горизонтального переноса генов. Новый взгляд на структуру дерева жизни полностью опровергал гипотезу Дарвина о том, что все современные организмы про изошли от одного общего предка. По мнению Вёзе, невозможно построить дерево, исходя из
Возможно, самым удивительным свойством микроорганизмов, находившихся в основании нового дерева Вёзе, было то, что многие из них были экстремофилами (любителями экстремальных условий), обитавшими в таких условиях окружающей среды, которые смертельны для большинства современных организмов. Некоторые из этих экстремофилов, называемых в популярной литературе «супербактериями», могут жить при температуре ниже температуры замерзания воды. Другие, называемые ацидофилами, живут за счет расщепления газов, растворенных в сточных водах, и обладают такой корродирующей активностью, что могут разъедать современные системы очистки воды.
Многие из экстремофилов в основании дерева Вёзе являются гипертермофилами, то есть микроорганизмами, способными жить в очень горячих водных средах. Впервые они были идентифицированы американским микробиологом Томасом Броком, который обнаружил их в горячих источниках Национального парка Йеллоустоун в Вайоминге. Позднее было выявлено 70 видов гипертермофилов, причем некоторые из них живут в гидротермальных источниках с температурой воды выше температуры кипения[63].
На протяжении десятилетий исследования в области геологии развивались в рамках модели «первичного супа», предложенной Опариным и Холдейном. Со временем геологи создали достаточно сложные методы определения состава первичной атмосферы Земли на основании анализа базальтов – горных пород, образующихся в результате вулканической активности. И, хотя Опарин считал, что первичная атмосфера Земли в основном состояла из метана и аммиака, постепенно ученые приходили к выводу, что ее основными компонентами были азот и углекислый газ. К концу 1970-х гг. значительная часть идей Опарина была пересмотрена. То же самое относилось и к следствиям, вытекавшим из эксперимента Миллера – Юри. Возникла необходимость создания новой модели зарождения жизни.
По мнению многих ученых, такая модель должна была опираться на то, что в основании дерева Вёзе находились экстремофилы. Возможно, они были ближайшими потомками LUCA, их способность существовать в экстремальных средах объяснялась тем, что именно в таких условиях появился сам LUCA. На основании этого предположения возникло несколько новых гипотез. Одна из них появилась из неожиданного источника: ее автором был патентный поверенный из Мюнхена Гюнтер Вахтерхойзер, считавший, что идеальным местом для зарождения первых форм жизни была поверхность железосерных минералов.
Гюнтер Вахтерхойзер был другом Карла Вёзе, с которым тот делился своими сомнениями по поводу справедливости теории Опарина о первичном супе. Прежде чем стать юристом, Вахтерхойзер был химиком-органиком и интересовался проблемой происхождения жизни. В гостях у их общего друга, философа Карла Поппера, он рассказал Вёзе о своей новой идее, заключавшейся в том, что жизнь зародилась в гидротермальных источниках в глубинах океана. Первый такой источник был обнаружен подводной лодкой «Алвин» в 1977 г. у Галапагосского архипелага. Вёзе был заинтригован и посоветовал Вахтерхойзеру разработать эту модель более детально. Вахтерхойзер предложил серию химических шагов зарождения жизни, начиная от минеральных отложений у гидротермальных источников, защищенных от внешнего воздействия. Он верил, что жизнь началась на поверхности минералов сульфида железа, и его модель стали называть моделью «железосерного мира».