Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Бактерии устроены совсем по-другому. Прежде всего, у них нет ядра, и поэтому их относят к домену прокариот (что означает «не имеющий ядра»). Они гораздо мельче эукариот, обычно всего несколько миллиметров в диаметре, и окружены жесткой клеточной стенкой, что делает их похожими на малюсенькие капсулы. Клеточная стенка бактерий состоит из пептидогликанов — длинных цепей аминокислот и сахаров. Многие эукариоты тоже имеют клеточную стенку, но другого состава.

Бактериальные гены «голые»: их ДНК не опирается на белковый каркас. И число генов у бактерий значительно меньше, чем у эукариот, — несколько тысяч против десятков тысяч. Гены бактерий организованы в группы, объединенные общей функцией (опероны), и почти не содержат «мусорной» ДНК. В клетках бактерий нет складок внутренних мембран, белкового скелета или митохондрий. Простота организации позволяет бактериям размножаться с огромной скоростью просто путем деления пополам. Гены одних бактерий могут участвовать в рекомбинации с генами других бактерий в результате прямой инъекции генетического материала в процессе конъюгации. В результате такие свойства, как нечувствительность к антибиотикам, быстро распространяются по всей бактериальной популяции. По сравнению с неповоротливыми эукариотами, похожими на гигантские военные корабли, бактерии эволюционируют с ловкостью и скоростью истребителей.

Между прокариотами и эукариотами существует глубочайший провал, но две эти группы, безусловно, связаны между собой на самом фундаментальном уровне — на уровне биохимических механизмов. Это один из факторов, заставляющих биологов полагать, что все живые существа на Земле имеют между собой родственные связи. Все дороги ведут в Рим. Тoт факт, что все формы жизни систематически движутся по одному и тому же пути, означает, что все они изначально получили одни и те же инструкции. Например, гены всех клеток состоят из ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Четырехбуквенный генетический код ДНК определяет порядок расположения аминокислот в белках. Этот код является универсальным для всех живых организмов. Кроме того, все детали механизма синтеза белка на основе заключенной в ДНК информации тоже одинаковы. Последовательность букв в ДHK считывается (транскрибируется) в последовательность информационной РНК (рибонуклеиновой кислоты). Эта молекула содержит инструкции для построения конкретного белка специализированными молекулярными машинами, называемыми рибосомами. На рибосомах закодированная информация превращается в белок. Во всех клетках это превращение осуществляется по одной и той же схеме при участии специфических «адаптерных» молекул. Это тоже молекулы РНК (транспортные РНК), которые связывают соответствующие аминокислоты. Транспортная РНК каждого типа распознает «свою» последовательность знаков на информационной РНК и присоединяет к растущей цепи белка соответствующую аминокислоту. Практически во всех живых организмах этот процесс протекает одинаково — на основе уникального генетического кода, с помощью информационной РНК, транспортных РНК, рибосом и аминокислот. По-видимому, для матери-природы в Рим ведет лишь одна дорога.

Какой из всего этого следует вывод? Вывод такой, что общее происхождение всех живущих или живших на Земле существ в первую очередь подтверждается на самом фундаментальном уровне. Речь идет о симметрии биологических молекул. Многие биологические молекулы, включая аминокислоты и простые сахара, могут существовать в двух зеркальных версиях — как левая и правая рука или как две перчатки. В природе оба изомера встречаются в одинаковой пропорции, и на первый взгляд непонятно, почему живые организмы должны отдавать предпочтение одной из двух форм. Но, когда решение принято, менять что-то по пути уже невозможно. Левую перчатку нельзя надеть на правую pуку. Фермент, катализирующий превращения левовращающего изомера, не может использовать в качестве субстрата правовращающий изомер. И если в ДНК закодирована одна или другая форма фермента, ничего уже не изменить. Синтезировать два фермента, работающие с зеркально-симметричными формами молекул, весьма расточительно: жизнь должна принять решение и следовать ему. Учитывая случайность выбора, можно ожидать, что какие-то виды организмов используют правовращающие молекулы, а какие-то — левовращающие (и, таким образом, полнее используют природные ресурсы), но это не так. Все формы жизни предпочитают правовращающие изомеры. Единственное разумное объяснение этого факта заключается в том, что LUСА использовал правовращающие изомеры (так уж вышло) и передал это свойство по наследству всем своим потомкам.

Когда LUCA дал начало своему разнообразному потомству? Клетки, напоминающие современных прокариот, появились около 3,5 млрд лет назад (строматолиты в Юго-Западной Австралии, см. главу 3). Первые признаки появления эукариотических клеток (биомаркеры — мембранные стерины) относятся к периоду около 2,7 млрд лет назад. Самые старые ископаемые остатки эукариот имеют возраст 2,1 млрд лет. Взрыв разнообразия эукариот произошел примерно 1,8 млрд лет назад.

На фундаментальном (биохимическом) уровне эукариоты очень похожи на прокариот, но они крупнее и сложнее. По-видимому, только сложная структура эукариот могла обеспечить эволюцию многоклеточных форм жизни. Все истинные многоклеточные организмы являются эукариотами. Следовательно, можно предположить, что прокариоты были первыми примитивными клетками, которые позднее дали начало более сложным эукариотам.

Эта гипотеза подтверждается многими свойствами эукариот. В середине 1880-х гг. немецкие биологи Шмитц, Шимпер и Мейер предположили, что хлоропласты появились из цианобактерий. В 1910 г. русский биолог Константин Мережковский развил эту идею, заявив, что эукариоты возникли в результате союза между несколькими видами бактерий. Но недостаточная чувствительность микроскопического анализа того времени не позволила ему убедить биологическое сообщество в своей правоте. Идея Мережковского ждала своего часа около 70 лет, пока в конце 1970-х гг. Линн Маргулис из Университета Массачусетса в Амхерсте с помощью новых молекулярных методов не доказала, что когда-то органеллы эукариотической клетки действительно были свободноживущими бактериями.

Теперь уже всеми признано, что хлоропласты и митохондрии («электростанции» эукариотических клеток) когда-то были свободноживущими бактериями. Их выдают многие признаки. Во-первых, хлоропласты и митохондрии сохранили свой генетический аппарат, включая собственную ДНК, информационную РНК, транспортную РНК и рибосомы. Это указывает на их бактериальное происхождение. Например, митохондриальная ДНК, как и бактериальная ДНК, упакована в виде единственной кольцевой хромосомы и не связана с белками. Последовательность букв в ее генах очень напоминает соответствующую последовательность в генах пурпурной бактерии, называемой альфа-протеобактерией [47] Митохондрии является одними из немногих окрашенных компонентов клетки и тоже имеют пурпурный цвет. В красочном отступлении в книге «Энергия жизни» Ги Браун замечает: «Если бы не меланин в коже, миоглобин в мышцах и гемоглобин в крови, мы имели бы цвет митохондрий. И в этом случае мы меняли бы окраску при занятиях спортом или недостатке воздуха, так что по цвету каждого человека можно было бы сказать, сколько у него энергии». . Митохондриальные рибосомы по размеру и структуре, а также по чувствительности к антибиотикам (например, к стрептомицину) напоминают рибосомы протеобактерий. Как и бактерии, митохондрии размножаются просто путем деления пополам, обычно независимо от других митохондрий и от самой клетки.