Карл Циммер - Эволюция: Триумф идеи
Дарвин не склонен был рассуждать о том, как именно происходили когда-то эти великие превращения. Ему вполне достаточно было загадок современного естественного отбора, тем более что механизм наследственности был ему, как и другим тогдашним ученым, совершенно неизвестен. Но сегодня появляется множество новых свидетельств — в форме расшифрованных генных последовательностей, вновь обнаруженных останков и древних следов химической активности Земли, — которые позволяют ученым подступиться к разгадке великой тайны эволюции жизни. При этом современные эволюционные биологи вырываются за пределы синтетической теории эволюции и обнаруживают, что царство эволюции более причудливо и удивительно, чем могли предположить предыдущие поколения.
Древо жизниИсторию жизни на Земле невозможно отмотать назад по прямой линии. Как и предполагал Дарвин, за миллиарды лет она приобрела скорее вид дерева, поскольку от уже существующих ветвей-видов постоянно берут начало новые и ветвлению нет конца. Большинство ветвей уже «обрезаны» — соответствующие виды вымерли, но не раньше, чем дали начало жизни в том виде, в каком мы видим ее сегодня вокруг себя.
Уже не один десяток лет ученые раз за разом рисуют и перерисовывают древо жизни. Сначала они могли судить о видах только по их анатомии — сравнивать черепные швы или форму матки. Но этот метод оказался бесполезным, когда ученые захотели отступить на шаг и взглянуть на жизнь немного со стороны — на жизнь в самом широком смысле слова. Можно сравнивать листья вяза с листьями клена или сосны, но у человека нет листьев, и анатомическое сравнение становится гораздо более проблематичным. К счастью, и вязы, и люди построены на основе ДНК. При помощи секвенирования кусочков генетического материала сотен различных видов, от лягушек до дрожжей и цианобактерий, ученым удалось за последние 25 лет определить основную структуру древа жизни.
Это не законченная картина, а научная гипотеза. Она предлагает простейшую интерпретацию генетических последовательностей, обнаруженных учеными, и путей, по которым шли мутации генов. В будущем, по мере открытия новых видов и секвенирования новых генов, нам, возможно, придется менять структуру каких-то частей нашего условного дерева. Сегодня ученые могут сравнить между собой целые геномы сотен самых разных видов.
Странная штука это дерево, если вдуматься. В конце XIX в. эволюционные биологи рисовали его в виде могучего дуба, ветви которого отходят от главного ствола. Простейшие организмы, такие как бактерии, ответвлялись у основания, а человечество размещалось на самой верхушке как венец эволюции. Но теперь ученые видят жизнь не как единый восходящий ствол с отдельными ветвями, а как густые беспорядочные заросли.
У самых корней древо жизни разделяется на три основных ствола. Наша собственная ветвь — эукариоты; к ней принадлежат растения, грибы и животные, а также одноклеточные простейшие, такие как амебы, обитающие в лесной подстилке и в океанских водах, или паразиты, вызывающие малярию, дизентерию и другие заболевания. У всех эукариот очень характерные клетки. Большая часть ДНК в них заключена в ядре; кроме того, в их клетках имеется множество других органоидов, где, например, строятся новые белки и вырабатывается энергия.
Когда-то биологи думали, что все виды, которые не являются эукариотами, принадлежат ко второй группе, известной как прокариоты. В конце концов, они все похожи. Молекулы ДНК в них, к примеру, свободно плавают внутри клеточной оболочки, а не скручены и упакованы в ядро. Однако гены говорят о другом. Бактерии образуют собственную ветвь, в то время как на древе жизни существует третья основная ветвь, более близкая к нам, чем к бактериям. Впервые эти организмы обнаружил в 1970 г. Карл Вёзе, биолог из Иллинойского университета. Может быть, внешне эти существа и похожи на бактерии, но клеточная механика у них работает совершенно иначе. Вёзе назвал эти микробы археями, что означает «первые».
Новые представления о древе жизни принесли ученым немало сюрпризов. Одним из таких сюрпризов стала информация о том, какое крохотное место в истории эволюции занимаем мы, многоклеточные эукариоты. Почти невозможно провести грань между нами и, скажем, вязами. При этом разница между бактериями, археями и одноклеточными эукариотами поразительна. Микробиологи непрерывно вытаскивают на свет божий новые виды, новые семейства и даже новые царства микробов, колонизировавших глубочайшие слои земной коры, кипящие воды горячих источников и пропитанную кислотой теплую среду человеческих внутренностей. Большую часть видового разнообразия жизни, не говоря уже о физической массе живых организмов, обеспечивают микробы.
Основание древа жизни — последний общий предок всей сегодняшней земной жизни. Несомненно, все живущие на Земле виды имеют между собой немало общего. К примеру, все они хранят свою генетическую информацию в молекулах ДНК и строят белки по этой инструкции при помощи РНК. Простейшее объяснение этих универсальных свойств заключается в том, что все виды унаследовали их от некоего общего предка. Из этого, вообще говоря, следует, что пресловутый общий предок должен был быть устроен довольно сложно. Сам он тоже был не первым в цепочке жизни и, в свою очередь, происходил от длинного ряда предков. Можно предположить, что когда-то существовали и другие ветви жизни, которые ответвлялись от общего ствола еще раньше, но сегодня мы их не видим вокруг себя, поскольку все эти ветви вымерли. А исток, общий исток всей жизни, лежит еще глубже.
В поисках начал жизниМы уже поняли, что основание воображаемого древа жизни теряется в глуби времен, и ученым трудно разглядеть что-то наверняка в этой туманной дали. Тем не менее древо жизни способно помочь ученым, которые пытаются реконструировать самое первое из величайших биологических превращений: переход от нежизни к жизни. Как и геологическая летопись, она предлагает человеку как подсказки, так и ограничения. Любая гипотеза происхождения жизни должна объяснять дошедшие до нас факты.
Несмотря на то, что ученые пока еще очень далеки от исчерпывающего понимания ранней эволюции жизни, они могут изучать первые шаги жизни на Земле точно так же, как изучают более поздние трансформации. Как мы с вами увидим в главе 6, новые группы животных не возникают мгновенно, одним гигантским скачком; скорее наоборот, животные постепенно, одну за другой, обретают новые черты, пока наконец не сформируются окончательные формы. Так и здесь. Ученым удалось собрать убедительные доказательства того, что жизнь могла развиться до микроба на базе ДНК через целую серию последовательных шагов.
Первый шаг должен был состоять в том, чтобы собрать вместе все необходимые сырьевые ресурсы. Многие из них могли появиться из космоса. Астрономы обнаружили ряд базовых ингредиентов жизни в метеоритах, кометах и межпланетной пыли. Падая на Землю, эти объекты вполне могли засеять нашу планету компонентами важнейших структур клетки, такими как фосфатная основа структуры ДНК, азотистые основания (будущие носители информации) и аминокислоты для строительства белков.
Вступая между собой в химические реакции, эти вещества могли произвести на свет более жизнеподобные формы. Вообще, химические реакции протекают лучше всего, когда задействованные в них вещества перемешаны между собой — так как их молекулы чаще сталкиваются друг с другом. Тогда, во времена молодости Земли, предвестники биологической материи, возможно, концентрировались в дождевых каплях или океанских брызгах. Некоторые ученые полагают, что жизнь зародилась на срединных океанских хребтах, где горячая магма из земной мантии изливается в море и контактирует с насыщенной химическими веществами морской водой. Они указывают на то, что ветви жизни, отходящие от ствола ближе всего к основанию, принадлежат бактериям и археям, обитающим в исключительных условиях, в кипящей воде или кислоте. Они вполне могут быть реликтами первых экосистем Земли.
Ученые предполагают, что из добиологических молекул могли сложиться самоподдерживающиеся циклы химических реакций. Группа молекул захватывала молекулы из окружающей среды и формировала из них копии самих себя — новые комплекты молекул, способные независимо поддерживать циклические реакции. Возможно, поначалу на Земле существовало и действовало множество разных химических циклов. Если в них использовались одни и те же стройматериалы, циклы начинали конкурировать между собой. При этом самый эффективный цикл опережал остальные, менее эффективные. Иными словами, биологической эволюции предшествовала эволюция химическая.
В конце концов из этих молекул возникли ДНК, РНК и белки. Ученые не один десяток лет спорят о том, какая из этих молекул возникла раньше. ДНК способна хранить информацию о строении тела и передавать ее от поколения к поколению, но сама она беспомощна без РНК и белков. К примеру, она не может, подобно ферментам, соединять молекулы в цепочку или резать их на части. У белков противоположный недостаток: они совершают работу, необходимую для поддержания жизни клетки, но им очень трудно передавать информацию от одного поколения другому. Только РНК способна выступать в обеих ролях — и переносить генетический код, и проделывать биохимическую работу. Эта двойственность делает РНК ведущим кандидатом на звание первой молекулы жизни.
