Марк Бертнесс - Краткая естественная история цивилизации

Гидротермальные источники привлекают внимание ученых с момента их открытия в 1949 г., и им обязаны некоторые из наиболее важных научных открытий прошлого века. Если все другие экосистемы на Земле питаются солнечной энергией, экосистемы, развившиеся в гидротермальных источниках и вокруг них, питаются тепловой и химической энергией, выделяющейся в ходе ядерных реакций в ядре Земли – являющихся, в свою очередь, остатками породившего Вселенную Большого взрыва. В гидротермальных источниках при высоких давлениях и температурах могут образовываться более сложные органические соединения, такие, как сахара и аминокислоты [12] Cody et al., “Primordial Carbonylated Iron-Sulfur Compounds.” . Существующие в настоящее время сообщества уникальных организмов, зависимых от гидротермальных источников и обитающих вблизи них, базируются на хемосинтезирующих, а не на фотосинтезирующих бактериях. Бактерии в экосистемах гидротермальных источников превращают газообразные водород, диоксид углерода или метан в органическое вещество, используя их же в качестве источника энергии. Такие «аноксигенные» или бескислородные условия поразительно похожи на условия ранней Земли. Так что как гидротермальные источники, так и эксперименты, подобные миллеровской склянке, могут временами выступать в роли «телескопов времени» для изучения происхождения жизни.

Используя данные этих телескопов, мы можем предположить, что жизнь началась в химически богатой, высокотемпературной, бескислородной среде, подобной имеющейся в гидротермальных источниках, где обычно образуются сложные молекулы. Вероятно даже, что эти гидротермальные источники и были тем местом, где посредством самоорганизации впервые возникла жизнь. Но на сегодняшний день сложные молекулы – это все, что ученые смогли синтезировать в лабораторных условиях – им так и не удается воссоздать с нуля самовоспроизводящиеся органические молекулы, знаменующие первый момент жизни и являющиеся краеугольным камнем эволюции.

Но как же организовались сложные молекулы, чтобы из них сформировались самовоспроизводящиеся протоорганизмы, сырье для естественного отбора? Или, проще говоря, когда молекулы самоорганизовались, чтобы инициировать жизнь? Помимо всего прочего, определяющим маркером «жизни» является способность самовоспроизводиться и размножаться. Были предложены две теории. Согласно первой, самореплицирующиеся молекулы или нуклеиновые кислоты формировались из тех же аминокислот, образовывавшихся в естественных условиях, сходных с созданными в экспериментах Миллера и Юри и подобных им, и что эти молекулы затем подвергались естественному отбору. Но в рамках этой гипотезы требуется, чтобы сложные самовоспроизводящиеся молекулы, такие как РНК (контролирующая развитие и метаболизм), сформировались прежде, чем будет задействован организующий и контролирующий жизнь метаболизм или источник подпитки ее энергией.

Во второй теории сценарий переворачивается. Предполагается, что первоначально самоорганизуется энергетический метаболизм, а затем запускается производство самореплицирующихся молекул. Таким образом, самореплицирующиеся молекулы эволюционировали для управления этой энергией и сделали метаболизм подверженным естественному отбору, в то время как энергией они подпитывались за счет тепла гидротермальных источников. Идея «сначала метаболизм», элегантно изложенная Ником Лейном из Университетского колледжа Лондона в книге « Лестница жизни » [13] Книга имеется в русском переводе – Ник Лейн: «Лестница жизни. Десять великих изобретений эволюции». Издательство АСТ, 2014. – Прим. перев . , в настоящее время является предпочтительной гипотезой [14] Lane, Life Ascending. .

Но выяснение предположительного ответа о происхождении жизни не решает загадку ее удивительного разнообразия. Каким образом общее генетическое происхождение столь различающихся видов, как морские ежи, кондоры и люди, привело к такому разнообразию? Как различие произошло от сходства?

Впервые сформулированный Чарльзом Дарвином принцип естественного отбора является основой эволюционного процесса, посредством которого любая наследуемая характеристика индивида, позволяющая ему производить более успешное потомство, будет распространена на его потомков и, в конечном счете, на всех особей вида. Традиционно естественный отбор связывают с понятием конкуренции, поскольку конкуренция – это та арена, где наследственные характеристики испытываются и проверяются, достойны ли они дальнейшей передачи или отсеивания. По сути, если угодно, теория эволюции – это свободный рынок.

Эта традиционная концепция привлекательна своей объяснительной силой и простотой. Например, следуя нашей ранней истории жизни, первоначальные самореплицирующиеся протоорганизмы размножались в больших популяциях, создававших в конечном итоге нагрузку на химические ресурсы в своих экосистемах, своих местах обитания. По мере сокращения ресурсов самовоспроизведение могло продолжаться только в том случае, если некоторые представители этого вида адаптировались, получая преимущество против своих конкурентов. Изменения среды обитания могут приводить к формированию разных видов, основным катализатором здесь служит конкуренция.

Теперь мы знаем, что эта модель неполна и недостаточна. Безусловно, конкуренция является важной движущей силой для дифференциации и эволюции биологических видов, но она не единственный фактор. За последние полвека ученые разрабатывали все более подробные теории, подкрепляемые все более убедительными доказательствами исключительно важной роли сотрудничества в эволюции жизни. Как мы увидим снова и снова, сотрудничество присутствовало во всех критических точках истории жизни на нашей планете, оно также часто являлось ответом на конкурентное противостояние, подталкивалось им. И действительно, имеется много примеров сотрудничества, перевешивающего преимущества конкуренции в этих основных поворотных моментах – в самом происхождении эукариотических клеток и многоклеточной организации; эволюции группового поведения в косяках рыб, стадах пасущихся млекопитающих или колониях мидий, направленного на борьбу с хищниками и преодоление конкурентов. Это древние обязательные ассоциации микроорганизмов с растениями и животными (включая человека), а также сотрудничество людей для получения групповых выгод, максимизирующих воспроизводство и рост населения. Эти взаимные механизмы создали мир таким, каким мы его знаем.

Продолжая изучение этого столь необходимого пересмотра теории эволюции Дарвина, мы не можем не познакомиться с иконоборческим мыслителем Линн Маргулис, одним из самых креативных и противоречивых микробиологов XX века [15] Маргулис, побывавшая замужем за астрофизиком Карлом Саганом, умерла в 2011 г. . В 1970 г. Маргулис предоставила убедительные доказательства симбиотического происхождения клеток растений и животных («эукариотических» клеток, содержащих органеллы) от описанных ранее древних бактерий. Эта общая идея существовала уже почти столетие, но не была подтверждена данными. Маргулис предположила, что клетки одноклеточных организмов и клетки многоклеточных растений и животных являются эволюционным продуктом симбиотической, взаимной ассоциации между древними циано- и аэробными бактериями. Сначала она отметила, что все эукариотические клетки имеют митохондрии (органеллы, ответственные за преобразование энергетических веществ во внутриклеточную энергию), и что митохондрии регулируются не спиральной ДНК, воспроизводящей и регулирующей саму клетку, а скорее кольцевой ДНК, напоминающей ДНК бактерий. Исходя из этого она предположила, что эукариотические клетки являются продуктом двух разных предков, каждый из которых внес свою собственную ДНК (Рисунок 1.2) . Иными словами, эти разные протоорганизмы «работали сообща» и в конечном итоге стали клетками всей растительной и животной жизни [16] Margulis, “Symbiogenesis”; Sagan, Lynn Margulis. .