Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Первый шаг в этом направлении исследований в 1960-х гг. сделал Престон Клауд, один из пионеров в области геохимии. Даже несмотря на значительный прогресс в этой области науки, его труды и взгляды до сих пор оказывают значительное влияние на последователей. Клауд утверждал, что важнейшие события в ранней эволюции были связаны с изменениями содержания кислорода в атмосфере. Каждый раз, когда концентрация кислорода повышалась, жизнь расцветала по-новому. Клауд предложил три критерия для доказательства этой гипотезы: нужно точно знать, как и когда изменился уровень кислорода; нужно показать, что в это же время произошли адаптационные изменения; нужно найти реальные биологические связи между изменением концентрации кислорода и эволюционной адаптацией.

В трех следующих главах мы посмотрим, насколько справедлива гипотеза Клауда в свете современных данных.

Для упрощения задачи мы разделим историю Земли на три неравные части (рис. 1). Первая часть — докембрий, долгий период затишья до появления каких-либо видимых палеонтологических доказательств существования жизни, за исключением самых ранних многоклеточных форм жизни уже в самом конце этого периода. Потом произошел кембрийский взрыв, когда множество многоклеточных существ возникло неожиданно, как Афина из головы Зевса; от этого осталось множество свидетельств в виде окаменелостей уже полностью оформленных и покрытых броней (раковинами) существ. Наконец, пришла «современная» эпоха фанерозоя, характеризующаяся появлением наземных растений, животных и грибов, когда друг за другом стали возникать трилобиты, аммониты, динозавры и млекопитающие. Все условия, необходимые для активной эволюции многоклеточных форм жизни, сформировались уже в докембрийском периоде. Таким образом, глава 3 будет посвящена анализу докембрия, а главы 4 и 5 — соответственно кембрийскому взрыву и фанерозойскому эону.

Человеку, привыкшему измерять время десятилетиями или столетиями, практически невозможно охватить разумом такой невероятно протяженный отрезок времени, который отделяет нас от докембрийской эпохи. Речь идет о 4 млрд лет, что составляет 9/10 всего времени существования Земли. Представьте себе, что мы переносимся во времени назад со скоростью тысяча лет в секунду. Через две секунды мы окажемся во времени, когда родился Христос, через десять секунд — в период зарождения сельского хозяйства, через полминуты увидим первых пещерных художников, а меньше чем через две минуты сможем пронаблюдать за расселением наших обезьяноподобных предков по африканским саваннам. Если продолжать движение, то через 18 часов мы станем свидетелями катастрофы, уничтожившей динозавров, а через четыре дня сможем присутствовать на спектакле «Многоклеточная жизнь времен кембрийского взрыва». Но после этого наше путешествие будет продолжаться в тишине. Через 44 дня мы окажемся в той точке, когда на Земле каким-то таинственным образом зародилась жизнь, и, наконец, через 53 дня станем свидетелями конденсации Земли из облака пыли и газа.

Итак, на протяжении 40 дней и ночей, если отмерять по выдуманной нами шкале, Земля была населена исключительно микроскопическими одноклеточными бактериями и простейшими водорослями. Ввиду отсутствия каких-либо реальных палеонтологических доказательств, которые могли бы помочь воображению, не приходится удивляться, что большинство первых попыток проанализировать ранние этапы эволюции жизни были всего лишь спекуляциями. Как можно рассуждать о биохимических процессах в микробах, которые практически не ocтавили в камнях никаких следов, или о концентрации кислорода в давно рассеявшейся атмосфере? На самом деле кое-какие доказательства в камнях сохранились — иногда в виде микроскопических окаменелостей, иногда в виде молекулярных следов древних геохимических процессов. Кроме того, атавистические гены современных организмов часто позволяют проследить за ходом эволюции. Записанные в генах тексты пока остаются загадкой, но они почти всегда что-то означают. Сегодня нашим единственным гидом, нашим молекулярным Розеттским камнем, является функция кодируемого геном белка. Мы знаем, например, что белок гемоглобин (придающий эритроцитам красный цвет) предназначен для связывания кислорода, а на основании анализа генетических последовательностей известно, что некоторые бактерии имеют гены аналогичных белков, а потому со значительной долей уверенности можно утверждать, что этот ген был и у нашего с бактериями общего предка. Значит, он тоже использовал гемоглобин для связывания кислорода. Но даже если он делал это для какой-то другой цели, ключ к пониманию функции по-прежнему может содержаться в структуре молекулы белка.

Для понимания роли кислорода в эволюции нам нужно найти в генах и камнях информацию двух типов: следы эволюции микробов и указания относительно времени и величины изменений концентрации кислорода в воздухе. Но прежде чем начать поиски, следует прикончить призрак одной невероятно вредной теории. Существует ошибочное мнение, что эволюция обязательно должна идти по пути усложнения и что микробы, имеющие микроскопический размер и не имеющие мозга, находятся в самом низу эволюционного дерева. Такое множество эволюционных биологов пыталось разрушить ошибочную концепцию эволюции от простого к сложному, что поневоле поверишь в существование заговора, поддерживающего эту теорию. Две поучительные истории помогают проиллюстрировать ход эволюции в докембрийскую эпоху. Первая история демонстрирует, что эволюция не всегда движется от простого к сложному, а вторая — что микробы совсем не так просты, как кажется.

В 1967 г. молекулярный биолог Сол Шпигельман из Университета Иллинойса описал серию экспериментов, направленных на идентификацию мельчайшей частицы, на которую может воздействовать естественный отбор. Он взял простой вирус, способный к самостоятельному воспроизведению с помощью всего нескольких генов, состоящих из линейной последовательности 45 тыс. «знаков» (нуклеотидов). Белковые продукты этих генов обманывают молекулярный аппарат инфицированной клетки и заставляют ее синтезировать новые вирусные частицы. Шпигельман хотел посмотреть, насколько упростится жизненный цикл вируса, если дать ему все необходимые исходные вещества в пробирке, а не в хозяйской клетке со сложным молекулярным аппаратом. Вирус получил главный фермент, необходимый для выполнения жизненного цикла, и весь запас основных компонентов, необходимых для копирования генов. Результат оказался удивительным. Сначала вирус копировал себя в точности, сохраняя исходную последовательность генов. Однако через какое-то время возникла мутация, лишившая вирус части одного гена. Поскольку этот ген нужен вирусу для осуществления нормального жизненного цикла в инфицированной клетке, но не нужен в пробирке, мутантный вирус прекрасно продолжал размножаться. Но это не все. Новая версия гена была короче старой, так что мутантный вирус мог реплицироваться быстрее нормального. Более высокая скорость репликации позволила мутантному вирусу вытеснить старую версию, пока он сам не был вытеснен следующим мутантом с еще более простым геномом, способным реплицироваться еще быстрее. В конечном итоге Шпигельман получил популяцию вырожденных микроскопических фрагментов, которым дали название «монстры Шпигельмана». Геном каждого монстра содержал всего 220 знаков. В пробирке монстры воспроизводились с невероятной скоростью, но в другой среде не имели никакого шанса выжить.