Коллектив авторов - Эволюция. От Дарвина до современных теорий [litres]

Исходная цепочка РНК выступает как бы в роли шаблона. Удивительно, но внутри наших тел новые молекулы выглядят как простейшие химические машины под названием «коферменты».

Однако для создания жизни требуются и другие шаги. Попросите кого-либо перечислить главные признаки жизни, и рано или поздно большинство скажет: «размножение». Живые организмы создают свои копии, а инертные элементы (например, камни) – нет. Без размножения жизнь зайдет в тупик.

Сейчас у нас есть специальные ферменты, отвечающие за репликацию ДНК. Но в июне 2016 года команда под руководством Джека Шостака, химика-эволюциониста из медицинской школы Гарвардского университета, продемонстрировала, что РНК может эффективно копировать себя без помощи каких-либо ферментов. Они смешали шаблон РНК со свободно плавающими строительными блоками РНК, как это в свое время сделал Ярус. Но Шостак добавил несколько фрагментов РНК, которые соответствовали частям шаблона. И это все изменило. Казалось, что эти фрагменты положили начало процессу репликации, и вскоре команда получила достаточно точные копии шаблонов.

Рис. 4.2. Четыре шага к созданию жизненно важных элементов.

– Эти реакции начинаются очень просто, – говорит Шостак. Другим ученым и раньше удавалось скопировать РНК без ферментов, однако эти реакции оказались быстрее. Шостак утверждает, что небольшие фрагменты-ускорители настолько малы, что могли спонтанно самообразоваться 4 миллиарда лет назад.

Команда Шостака полагает, что эти реакции или подобные им могут являться древней формой репликации, пусть даже и не создававшей идеальные копии каждый раз. Со временем появились бы новые шаблоны, кодирующие действительно полезные объекты (например, образование клеточных стенок). Именно в этот момент было бы важно идеальное копирование.

Если собрать все эти открытия воедино, то можно предположить, что, быть может, создание рудиментарного мира РНК было не таким особенным и уникальным событием, как мы привыкли думать. И перед нами открывается интригующая возможность: что если самые ранние этапы жизни образовывались не однократно, а много раз?

Если это так, то первая эпоха жизни была эпохой великих экспериментов. В первичном бульоне появилось бы множество разновидностей молекулярных машин – часть из них была бы успешнее остальных. Какое-то время они бы вместе сосуществовали, а затем бы остались только самые успешные представители живого, потому что они были лучше других, окружающие условия изменились и стали более благоприятными для них, либо по счастливой случайности. Этот случай стал бы самым первым массовым вымиранием на Земле миллиарды лет назад.

Неправдоподобная эволюция сложной жизни и жизнь на других планетах

Обычно считается, что при правильных условиях простые формы жизни постепенно эволюционируют в более сложные. Но на Земле случилось нечто иное. После появления первых простых клеток последовал необычно долгий период ожидания до возникновения более сложных форм. И длился он почти половину жизненного цикла на планете. Кроме того, эти простые клетки образовали более сложные лишь раз в 4 миллиарда лет эволюции – это шокирующая и редчайшая аномалия, наводящая на мысли о невероятном случае.

Если бы за миллиарды лет простые клетки постепенно эволюционировали в более сложные, то существовали бы различные виды промежуточных клеток. При этом часть из них все еще существовала бы. Но их нет. Вместо них зияет пропасть. С одной стороны, есть прокариоты, бактерии и археи – крошечные структуры как по объему клеток, так и по размеру генома. С другой стороны, существуют огромные и неупорядоченные клетки эукариотов. Если сравнивать размеры генома, то типичный одноклеточный эукариот будет примерно в 15 000 раз больше бактерии.

Все сложные формы жизни на Земле – эукариоты (животные, растения, грибы и т. д.). И все они произошли от одного предка. Таким образом без единичного события, создавшего предка эукариотических клеток, не было бы растений и рыб, динозавров и приматов. По словам биолога Ника Лейна из Университетского колледжа Лондона, простые клетки просто не имеют правильной клеточной архитектуры, способной превращаться в более сложные формы.

Он утверждает, что для увеличения размера и сложности клетки она должна генерировать больше энергии. Эукариоты нашли, как решить эту проблему: они присоединили к себе другую бактерию, которая в дальнейшем эволюционировала в крошечные источники энергии, которые мы называем «митохондриями». Это обеспечило клетку энергией, необходимой для создания сложной жизни. «Трудно представить себе иной способ решения проблемы с энергией. Мы знаем, что на Земле это случилось лишь однажды, ведь все эукариоты произошли от общего предка», – говорит ученый.

Похоже, что все сложные формы жизни возникли благодаря одной случайности – присоединения одной простой клетки к другой. Лейн также утверждает, что необычайно низкая вероятность подобного события и объясняет тот факт, что мы до сих пор не нашли доказательств внеземной жизни.

В июле 1837 года на Чарльза Дарвина снизошло озарение. В разгар работы в собственном доме в Лондоне он перелистнул страницу красной кожаной тетради и написал: «Я думаю». А затем нарисовал схематический эскиз дерева.

Все мы знаем, что это был первый случай, когда Дарвин воспользовался понятием «древо жизни» для описания эволюционных отношений между различными видами. Как выяснилось, это была весьма плодотворная идея. К моменту публикации «Происхождения видов» 22 годами спустя его веретенообразное дерево превратилось в могучий дуб. Книга Дарвина содержит многочисленные отсылки к древу жизни, а его единственная диаграмма представляет собой разветвленную структуру, иллюстрирующую процесс эволюционного развития одного вида во многие другие.

Концепция дерева стала первоосновой для понимания истории зарождения жизни на Земле. Дарвин предположил, что наследование шло исключительно «вертикально», когда особи передавали определенные признаки потомкам. Но что если виды регулярно обмениваются генетическим материалом с другими видами или скрещиваются с ними? Тогда этот четкий шаблон ветвления быстро превратился бы в непонятные дебри взаимосвязей, в которых виды тесно связываются по одному признаку, а расходятся по остальным.

Теперь мы знаем, что именно это и происходит в одноклеточных организмах. С появлением передовой технологии секвенирования генов стало ясно, что закономерности родства двух основных доменов жизни (бактерий и архей, вместе известных как «прокариоты») объяснимы лишь в том случае, если они регулярно обмениваются генетическим материалом с другими видами. При этом материал часто происходил на огромные таксономические расстояния. Данный процесс получил название «горизонтальный перенос генов» (ГПГ).