Родион Огневеров – Игра на выживание: Как естественный отбор создаёт жизнь и меняет её правила (страница 1)
Родион Огневеров
Игра на выживание: Как естественный отбор создаёт жизнь и меняет её правила
Игра на выживание: Как естественный отбор создаёт жизнь и меняет её правила
Жизнь до отбора: наследование, изменчивость и происхождение первых живых систем
Представьте берег молодой Земли. Не голубой шар с открытки, а неровную мозаику горячих источников, вулканических склонов, мелких водоёмов и тёмных океанских глубин. Вода просачивается сквозь трещины в породе, нагревается, растворяет минералы и возвращается наружу. У береговой лужи испарение сгущает раствор; дождь снова разбавляет его. Молекулы сталкиваются, распадаются, соединяются вновь. Среди них, возможно, однажды появляются такие, чьи структуры помогают создавать копии самих себя.
Мы не можем заглянуть в этот мир как очевидцы. Перед нами научная реконструкция: выводы из геологии, химических экспериментов, изучения живых организмов и физических законов. В ней много хорошо обоснованных деталей и всё ещё много неизвестного. Именно поэтому важно сразу разделить две загадки. Первая: как неживая химия породила системы, которые мы можем назвать живыми? Вторая: как уже существующая жизнь менялась со временем? Естественный отбор помогает ответить на вторую. Но чтобы ему было что отбирать, должны сначала возникнуть наследуемые различия.
Что происходило до первых организмов
Земля сформировалась около 4,54 миллиарда лет назад. К тому времени, когда могли появиться первые живые системы, планета уже успела остыть настолько, чтобы на ней существовала жидкая вода. Ранняя атмосфера не была похожа на современную: свободного кислорода, которым мы дышим, почти не было, а её точный состав остаётся предметом исследований. Одно, однако, можно сказать уверенно: древняя Земля не была ровной лабораторной колбой с одинаково тёплым «первичным бульоном».
Разные участки планеты предлагали разные условия. Ультрафиолетовое излучение достигало поверхности, вулканы поставляли газы и тепло, молнии могли запускать реакции. В глубине океана гидротермальные источники выбрасывали нагретые растворы, богатые минералами. Между такой жидкостью и окружающей водой возникали химические градиенты — различия в температуре, кислотности и составе веществ. Это не просто фон: градиенты могут давать химическим реакциям направление и энергию.
Некоторые учёные изучают, могли ли минералы концентрировать молекулы и помогать им соединяться. Поверхность глины или другого кристалла — не волшебная сборочная линия, но её структура способна притягивать определённые вещества и располагать их рядом. Другие исследователи рассматривают мелкие водоёмы, где чередование намокания и высыхания могло способствовать образованию длинных молекул. Третьи сосредоточены на гидротермальных системах, где пористые минералы могли разделять химические среды и поддерживать устойчивые градиенты.
Ни один из этих вариантов пока не стал окончательным ответом. Возможно, ключевые стадии происходили в разных местах: одни вещества возникали в одном окружении, концентрировались в другом, а затем попадали в систему, где становилось возможным их копирование. Происхождение жизни — не детектив, в котором достаточно найти одну утерянную улику. Скорее, это расследование, в котором несколько правдоподобных маршрутов нужно проверить и сопоставить.
Одна из влиятельных гипотез называется «миром РНК». РНК интересна тем, что может одновременно хранить последовательность информации и, в некоторых случаях, ускорять химические реакции. В современных клетках молекула РНК участвует в переносе генетических инструкций, а важнейшая часть рибосомы — клеточной машины для сборки белков — сама имеет каталитическую РНК-основу. Значит, функции хранения и действия, которые сегодня часто разделены между ДНК и белками, в принципе могут сочетаться в одной молекуле.
Но слово «гипотеза» здесь существенно. Учёным ещё предстоит объяснить, как в условиях ранней Земли могли появиться нужные строительные блоки РНК, как они соединялись в подходящие цепи и как возникла система достаточно точного копирования без уже существующих клеточных машин. Рассматриваются и другие возможности: более простые предшественники РНК, молекулярные сети, где разные реакции поддерживают друг друга, или сочетания наследственных молекул с минералами и простыми мембранами.
Три условия для начала отбора
Чтобы естественный отбор мог менять популяцию, нужны три вещи.
Наследование: особенности копии должны быть связаны с особенностями того, от чего она произошла. Если одна молекула помогает образовать похожую на себя молекулу, её свойства могут переходить дальше по цепочке.
Изменчивость: копии не должны быть абсолютно одинаковы. Различия могут возникать из-за ошибок при копировании, неодинакового состава молекул или изменений окружающей химической среды. В живых клетках мы называем многие наследственные изменения мутациями; на ранних этапах молекулярной эволюции механизм мог быть гораздо проще.
Различия в воспроизводстве: некоторые варианты должны оставлять больше копий, чем другие. Это может происходить потому, что они быстрее копируются, дольше сохраняются или лучше используют доступные вещества. В биологии такое различие называют неодинаковой приспособленностью, или различием в репродуктивном успехе.
Здесь легко ошибиться. Отбор — не награда за силу, сложность или «полезность вообще». Свойство выгодно лишь в конкретных условиях. Молекула, которая быстрее копируется в тёплой среде, может оказаться неудачной после охлаждения. И отбору не нужны намерения: молекулы не стараются выжить. Одни варианты просто оставляют больше потомков, чем другие.
Мысленный эксперимент с двумя молекулами
Представим, что в небольшой системе есть два варианта молекулы-копировщика — А и Б. Пусть их поровну: по пятьдесят экземпляров. Это мысленный эксперимент, а не утверждение о том, что именно такие молекулы существовали на древней Земле.
В заданных условиях каждый вариант А в среднем даёт за цикл копирования 1,2 новых экземпляра, а вариант Б — один. Разница невелика: А не в двадцать раз быстрее, а всего на одну пятую. Но если это преимущество сохраняется и свойства передаются копиям, различия постепенно накапливаются. Через десять циклов в упрощённой модели получится примерно 310 экземпляров А и 50 экземпляров Б. А будет составлять около 86 процентов популяции, хотя начинала только с половины.
Посчитайте это сами: число копий А после десяти циклов пропорционально \(50 \times 1{,}2^{10}\), а число копий Б — \(50 \times 1^{10}\). В реальной системе такие числа зависели бы от множества обстоятельств: нехватки строительных блоков, распада молекул, случайных событий и ошибок. Но главное видно даже в простой модели: небольшое наследуемое различие в воспроизводстве способно менять состав популяции.
Попробуйте мысленно изменить условие. Допустим, А копируется быстрее, но делает больше ошибок. Если ошибки редко портят полезные свойства, скорость может давать А преимущество. Если же большая часть копий теряет способность помогать своему воспроизведению, быстрый старт обернётся тупиком. Б, копирующийся медленнее, но точнее, может со временем стать более распространённым.
Иными словами, скорость без наследования ничего не гарантирует. Быстрый процесс, который каждый раз порождает совершенно иной и не воспроизводимый продукт, не накапливает результат. Не менее важна и изменчивость: если все копии во всём одинаковы, отбору нечего предпочесть. А если различия не влияют на число потомков, состав популяции может не меняться именно по этой причине.
Практическое упражнение. Возьмите два мысленных варианта любого самокопирующегося объекта — не обязательно молекулы. Для каждого запишите: что копируется, какие различия могут передаваться и почему один вариант оставит больше копий. Если на последний вопрос можно ответить только словами «он лучше» или «он сильнее», уточните условия: лучше при какой температуре, при дефиците каких веществ, при каком риске распада? Так становится заметно, что приспособленность — не ярлык, а результат взаимодействия признака со средой.
От химии к протоклетке
Как могла выглядеть дорога от отдельных молекул к системам, способным участвовать в эволюции? Удобно представить её не как доказанную последовательность событий, а как ряд задач, которые химическая система должна была решить.
Сначала некоторые реакции должны были создавать молекулы, подходящие друг к другу по форме или составу. Если продукт реакции ускорял её повторение или помогал собирать новые похожие продукты, возникал цикл с обратной связью. Такие циклы не обязательно сразу обладали наследственностью в современном смысле, но могли усиливать одни химические процессы по сравнению с другими.
Далее требовалось копирование, достаточно похожее на исходный образец. Неидеальное копирование создавало разнообразие, а сравнительно точное позволяло удерживать удачные сочетания свойств. Здесь появляется возможность молекулярного отбора: одни воспроизводимые варианты могли накапливаться, а другие исчезать. Точная граница между ранней химической самоорганизацией и полноценной эволюцией остаётся предметом обсуждения. Но принципиальный переход можно сформулировать так: различия должны начать передаваться между поколениями копий и влиять на число следующих копий.