Ник Лейн - Лестница жизни

Но он оказался отнюдь не из тех, кто легко сдается, и быстро поднялся. Собрав дополнительные данные в подтверждение своей версии, в апреле 2002 года он вступил с Брейзиром в публичный поединок на конференции НАСА, где возник нешуточный скандал. Оба соперника твердо стояли на своем. Брейзир, в свойственной ему надменной манере настоящего оксфордского преподавателя, настаивал на том, что отложения, исследованные Шопфом, были «чисто гидротермальной работой, где была масса тепла, но не так уж много света». Тем не менее, ни одной стороне не удалось по-настоящему убедить присяжных в своей правоте. Хотя сомнения в бил сном происхождении древнейших микроокаменелостей действительно уместны, другие подобные окаменелости, предполагаемый возраст которых всего на сто миллионов лет меньше, вызывают уже меньше сомнений. Более того, сам Брейзир приводил примеры предполагаемых ископаемых остатков, датируемых тем же временем. Большинство ученых, в том числе и Шопф, теперь применяют более строгие критерии для определения биологического происхождения окаменелостей. Единственной жертвой этого подхода пока остаются цианобактерии, которые когда-то принесли славу Шопфу. Теперь он и сам признает, что те микроокаменелости, по-видимому, не цианобактерии, или, по крайней мере, они могут быть как цианобактериями, так и любой другой разновидностью нитчатых бактерий. Так что в итоге мы вернулись к тому, с чего начали, и ученым пришлось несколько охладить свой пыл и признать, что мы знаем об эволюции цианобактерий не больше, чем знали раньше.

Я рассказал эту историю в качестве примера, показывающего, как сложно проникать в глубины геологического времени, пользуясь исключительно палеонтологической летописью. Даже если доказать, что в некоторый период уже существовали цианобактерии (по крайней мере, их предки), это еще не означает, что в то время они уже нашли способ расщеплять воду. Возможно, что эти предки пользовались более примитивной формой фотосинтеза. Но есть и другие способы добывать информацию о древности, и эти способы вполне могут оказаться более информативными. Они связаны с тайнами, скрытыми в самих живых организмах: как в их генах, так и в их строении, особенно в структуре их белков.

В последние два-три десятилетия молекулярная структура фотосистем растений и бактерий была предметом пристального внимания ученых. Они с успехом использовали ряд методов с пугающими названиями и столь же пугающей сложности, рентгеноконструктурного анализа до электронного парамагнитного резонанса. Характеристики этих методов не должны нас заботить. Достаточно знать, что эти методы применялись, чтобы выяснить форму и строение фотосинтетических комплексов почти — увы! — на атомарном уровне разрешения. На конференциях спорят и по сей день, но спорят уже о деталях. Незадолго написания этих строк я как раз вернулся с симпозиума в Лондонском королевском обществе. Его участники немало спорили о точном положении пяти ключевых атомов кислород-выделяющего комплекса. Этот спор касался предмета одновременно ничтожного, и необычайно важного. Важного потому, что точным положением этих атомов строго определяется химический механизм расщепления воды, а выяснить это — значит сделать важнейший шаг в направлении решения энергетических проблем человечества. А ничтожного потому, что все пререкания участников касались расхождений в оценках положения этих пяти атомов в пределах пространства размером в несколько диаметров одного атома — в несколько ангстремов (то есть меньше одной миллионной миллиметра). К удивлению исследователей старшего поколения, сейчас почти уже не осталось серьезных разногласий о положении всех остальных 46 630 атомов фотосистемы II, точная структура которой была установлена группой Джима Барбера из Имперского колледжа Лондона в 2004 году (а с тех пор изучена и еще подробнее).

Хотя положение этих нескольких атомов еще предстоит определить, общее устройство фотосистем, свидетельства о котором были получены уже больше десяти лет назад, теперь совершенно ясно и дает нам массу сведений об эволюционной истории этих систем. В 2006 году небольшой группе исследователей, которой Руководил Боб Блэнкеншип (в настоящее время он заслуженный профессор Университета им. Вашингтона в Сент-Луисе), удалось показать, что у бактерий обе фотосистемы необычайно консервативны [24] В науке принято называть бактериальные комплексы, осуществляющие фотосинтез, не фотосистемами, а фотосинтетическими единицами. Однако активные центры этих комплексов столь отчетливо предвосхищают соответствующие центры растительных фотосистем как по структуре, так и по функциям, что я буду называть их одним и тем же термином. . Несмотря на огромные эволюционные расстояния, разделяющие группы бактерий, ключевые структуры их фотосистем почти идентичны — до такой степени, что их трехмерные компьютерные модели при наложении полностью совпадут. Кроме того, Блэнкеншип подтвердил наличие еще одной связи, о которой давно подозревали: ключевые структуры фотосистем I и II тоже почти идентичны и почти точно происходят от одной и той же структуры, существовавшей очень, очень давно.

Иными словами, когда-то фотосистема была всего одна. На некотором этапе кодировавшие ее гены удвоились и получилось две одинаковых фотосистемы. Под действием естественного отбора они постепенно отдалялись друг от друга, при этом сохраняя близкое структурное сходство. В итоге фотосистемы объединились в единую Z-схему цианобактерий и впоследствии передались растениям и водорослям с хлоропластами. Но за этой простой историей стоит интереснейшая дилемма. Простое удвоение примитивной фотосистемы не решало проблему кислородного фотосинтеза: оно не могло соединить сильный оттягиватель электронов с сильным отталкивателем. Фотосинтез мог начаться лишь после того, как две фотосистемы разошлись, потому что лишь в этом случае их можно было связать с пользой для дела. Так что вопрос в том, какая последовательность событий могла развести их, чтобы потом вновь соединить в качестве тесно взаимосвязанных, но играющих противоположные роли партнеров (как мужчина и женщина, соединяющиеся после расхождения, сопровождающего их развитие из похожих яйцеклеток).

Лучший способ найти ответ на этот вопрос — обратиться к самим фотосистемам. В Z-схеме цианобактерий они объединены, однако их эволюционная история шла совершенно разными путями, и это в ней особенно интересно. Давайте на время оставим вопрос, как возникли две фотосистемы, и вкратце рассмотрим их нынешнее распространение в мире бактерий.

За исключением цианобактерий, они никогда не встречаются вместе у одной и той же бактерии. У одних групп бактерий есть только фотосистема I, у других — только фотосистема II. Обе они работают самостоятельно, выполняя разные функции, и назначение каждой из них свидетельствует о том, как возник в ходе эволюции кислородный фотосинтез.