Люди не похожи на амеб, но на молекулярном уровне у них почти такое же строение. Как выглядел наш общий прадедушка Николай Кукушкин – о том, каким был последний общий предок всего живого, где он жил и чем питался.
Внешне многоклеточные животные могут иметь мало общего, например, с плесенями. Но когда мы смотрим под электронный микроскоп, мы видим, что между нами мало различий. Мы все состоим из клеток. Все клетки окружены липидной мембраной. Все они представлены белками и РНК, закодированными в двойной спирали ДНК. Наконец, все живые существа производят энергию одинаково. Все эти характеристики указывают на то, что все известные формы жизни имели общего предка, также известного как LUCA (Последний универсальный общий предок).
Почему предок – общий
Жизнь, наверное, начиналась много раз. Наверное, миллионы раз. Но был только один раз, когда зародившаяся жизнь была настолько успешной, что породила все то многообразие, которое мы видим сегодня. Этот единичный случай действительно является LUCA.
Идею о том, что вся жизнь возникла из единого организма, обычно приписывают Чарльзу Дарвину. Дарвин видел в этом логическое завершение теории эволюции. Понятно, что ни Дарвин, ни кто-либо другой никогда не видел своего общего предка и вряд ли когда-нибудь увидит. Мы говорим о существах, отдаленно напоминающих бактерии и обитавших в неизвестных местах около 3,5 миллиардов лет назад.
Так как же мы можем быть уверены, что все живые существа имели общего предка? Ведь все живые существа очень похожи. В 2010 году американский биохимик Дуглас Л. Теобальд математически проанализировал последовательности нескольких распространенных белков. Выбранные молекулы присутствуют у людей, мух, растений и бактерий, но могли ли они возникнуть независимо? Теобальд говорит, что более вероятно, что существовал общий предок. Мы подсчитали, что это в 102 860 раз более вероятно. Кстати, число атомов во Вселенной — 1080.
Исследования общего происхождения обычно следуют одной и той же схеме. То есть мы сравниваем себя со всеми другими людьми (бактериями, археями, растениями) и пытаемся понять, какие элементы нашего строения универсальны и, следовательно, имеют общее происхождение.
Например, почти все учёные убеждены, что LUCA была клеткой. Во-первых, сегодня мы не знаем жизни без клеток. Во-вторых, это очень сложно представить. Жизнь зародилась в море. Океан – невероятно большой водоем. Независимо от того, сколько активных, «жизнеспособных» молекул существует, их концентрация в океане фактически равна нулю. Для того чтобы эти молекулы начали продуктивно реагировать друг с другом, их необходимо поместить в замкнутое пространство, например внутри клетки, окруженной липидной мембраной. Мембраны считаются одним из фундаментальных свойств живых существ, а значит, и одной из отличительных черт нашего общего предка.
Помимо мембран, для жизни необходимы молекулы, способные воспроизводиться сами по себе или с помощью других молекул. Сегодня самой известной такой молекулой является ДНК. Однако первой самовоспроизводящейся «живой» молекулой, из которой в конечном итоге произошла LUCA, была РНК. Некоторые учёные даже предполагают, что у LUCA вообще не было ДНК, которая самостоятельно появилась у его потомков. В любом случае нет никаких сомнений в том, что наш общий предок имел геном, который самовоспроизводился из ДНК или РНК.
Наконец, жизнь требует еды. Только затрачивая энергию, мы можем создать более упорядоченную систему с меньшей энтропией из менее упорядоченной системы. Чем питался последний общий предок живых существ?
РНК – молекула жизни
Откуда мы знаем, что жизнь началась с РНК?
Во-первых, РНК кодирует белки, составляющие основу современных клеток, а не наоборот. Кроме того, рибосомы, молекулярные машины, которые «декодируют» РНК в белки, в основном состоят из специализированных типов РНК. Таким образом, РНК теоретически полностью самодостаточна.
Во-вторых, РНК может эволюционировать. Это уже давно доказано экспериментально. Последовательность цепей РНК в пробирке меняется случайным образом. Выберите изменения, которые в чем-то «полезны», и вы получите полноценную наблюдаемую эволюцию.
В-третьих, РНК, в отличие от ДНК, является достаточно активной молекулой. Он может катализировать реакции, подобно белкам, которые выполняют почти все функции в современных клетках. Например, можно искусственно создать РНК, в точности копирующую саму себя, без необходимости использования дополнительного оборудования.
Молекулярный бензин
Почти все молекулы, из которых состоят живые существа, работают на одном и том же топливе: аденозинтрифосфате или АТФ. Клетка, важнейшая универсальная единица живого, для своего существования должна постоянно производить это вещество. Для этого нужна энергия извне.
Источники энергии могут быть разными. Растения поглощают его из солнечного света. Животные расщепляют пищу или биологическое топливо. Некоторые бактерии довольны минеральным топливом. Однако на заключительном этапе всегда вырабатывается АТФ. И АТФ производится одинаково во всех известных нам формах жизни, с помощью молекулярных турбин, которые вращаются (в буквальном смысле) потоком ионов. В большинстве случаев в качестве раскручивающихся ионов используются протоны.
Протоны, или ионы водорода, — это простейшие положительно заряженные частицы, которые вместе с отрицательно заряженными гидроксильными ионами входят в состав молекул воды. Небольшая часть молекул воды всегда находится в состоянии деления, а протоны существуют отдельно от гидроксильных ионов. В чистой воде протонов столько же, сколько гидроксилов. Добавление кислоты делает доступным больше протонов. И наоборот, щелочи добавляют к раствору гидроксильные группы.
Представьте себе, что в толще воды обитает микроскопическое, но очень умное существо, способное различать протоны и гидроксильные ионы. В физике таких вымышленных существ называют демонами. Например, наше существо очень напоминает знаменитого демона Максвелла. Этот подводный демон хватает протон и засовывает его в мешок. Протонов в мешке больше, чем гидроксилов, и вода превращается в кислоту. Теперь, если вы вырежете в пакете отверстие размером с протон, протоны будут перетекать из пакета от высокой концентрации к низкой концентрации. Другими словами, так же, как вода, которая вращает турбины гидроэлектростанции, разница или градиент концентрации протонов содержит энергию.
Откуда эта энергия взялась?
В нашем примере источником энергии является дьявол, и мы пытаемся классифицировать протоны и гидроксилы. Энергия накапливается внутри мешка и высвобождается при открытии отверстия. Если мы умны, мы сможем собрать эту энергию и сделать с ней что-то полезное, подобно тому, как собирает энергию построенная на реке гидроэлектростанция. Именно так миллиарды лет назад предки всего живого научились генерировать АТФ. Они изобрели турбину, вращение которой вызвало синтез этой энергичной молекулы. Но что, если не волшебный демон, создало градиент протонов, необходимый для синтеза АТФ?
Что появилось раньше: кастрюля или суп?
Современные организмы создают свои собственные градиенты. Всегда это делается по одной и той же схеме. Протоны куда-то перекачиваются (или перекачиваются откуда-то) специальными белковыми насосами и расходуют энергию из пищи, солнечного света и т д. Насос встроен в мембрану, непроницаемую для протонов, поэтому просто вытечь наружу он не может. В результате на одной стороне мембраны находится много протонов, а на другой очень мало, как в примере с дьяволом и мешком. Отверстие в мешке, «протонные ворота», открывается, и протоны устремляются обратно туда, где им не хватало, вращая турбину и производя АТФ. В нашем случае это происходит в митохондриях, фотосинтезирующих растениях в хлоропластах и бактериях на клеточных мембранах. Но сами по себе искусственно созданные ионные градиенты универсальны.
Если что-то универсально и основано на эволюции, скорее всего, оно было и у нашего общего предка. Очень сложно представить, чтобы столь подобная система хранения и производства энергии независимо появилась во всех жизненных мирах. LUCA, должно быть, в полной мере воспользовалась преимуществами градиентов еще до того, как породила две основные ветви эволюции: архей и бактерий.
Но здесь возникает противоречие, которое долгие годы озадачивало эволюционистов и биохимиков.
Три домена
Сегодня самая популярная модель разделения живого мира была впервые предложена Карлом Вутом в 1977 году. На основе анализа генов рибосомальных РНК он пришел к выводу, что все живые организмы делятся на три царства или домена: бактерии, археи и эукариоты (последний термин был введен в 1990-е годы). Бактерии и археи (также известные как прокариоты) внешне похожи. Например, ни у одного из них нет ядра. Но в то же время они существенно различаются в деталях своей молекулярной структуры. В некотором смысле археи ближе к эукариотам, к которым относятся все организмы, имеющие клеточное ядро, например животные, растения и грибы.
В последние годы классическое «тройное» эволюционное древо начало меняться. Сегодня большинство ученых считают, что эукариоты возникли в результате слияния архей и бактерий. Более того, нет факта, что в принципе можно построить четкое филогенетическое древо ранней эволюции. Возможно, между ранними организмами происходил постоянный горизонтальный обмен генами, который размывал и усложнял представления о видах и даже территории.
Одним из главных отличий современных бактерий от архей является строение их мембран. В обоих царствах или доменах клеточные мембраны состоят из липидов, но химически липиды сильно различаются. Белки, из которых состоит мембрана, также совершенно различны. Только самые редкие и старые молекулы похожи, как «протонная турбина», которая есть у каждого. По эволюционной логике это должно означать, что состав и структура мембран бактерий и архей сформировались после разделения. И, как мы обнаружили, градиент существовал еще до разделения. Однако для градиентов необходимы мембраны и белковые насосы. Как такое возможно, что наш общий предок уже «ел» градиенты, но еще не умел их «готовить»?
Разгадка может заключаться в том, что протонный градиент не был создан древними клетками. Скорее, они были ассимилированы из внешней среды.
Кислотная река и насос, который изменил все
Группа британских ученых под руководством Ника Лейна объясняет: По самой распространенной версии, жизнь зародилась в морских глубинах вблизи подводных горячих источников. В такой среде естественным образом могут образовываться различия в концентрации протонов. Щелочная среда вблизи отложений горячих источников плавно переходит в слабокислую среду в толще океана. Вы можете воспользоваться этим, если находитесь прямо на границе между кислой и щелочной средой. С одной стороны протонов больше, с другой меньше. Разница в «потоке». Поток означает «энергия». Лейн и его коллеги полагают, что именно так нашим предполагаемым предкам впервые пришла в голову идея преобразования градиентов концентрации в полезную энергию — были построены турбины синтеза АТФ в естественную «реку» протонов.
Эта модель дает несколько результатов. Во-первых, вам не нужен насос. Из-за разницы кислотности автоматически формируется протонный градиент. Во-вторых, чтобы воспользоваться этим градиентом, клеточная мембрана должна быть легко проницаема для протонов. В противном случае разница в концентрации протонов не повлияла бы на клеточную мембрану. То есть «мешок» должен быть дырявый. В-третьих, клетки должны находиться в состоянии покоя. Если ячейки отойдут от своего правильного «градиентного» местоположения, градиента не будет. Кроме того, мембраны не могут «переносить градиенты», поскольку они проницаемы. Протоны просто свободно перемещаются между клеткой и внешней средой.
Так как же наши бактериальные и архейные предки научились жить вдали от щадящих горячих источников? Лейн и его коллеги считают, что большую роль в этом сыграло появление протонно-натриевых насосов. Это мембранный белок, обменивающий протоны на равное количество ионов натрия. Другими словами, протонно-натриевый насос можно использовать для преобразования «естественного» протонного градиента в «искусственный» натриевый градиент. Преимущество этого метода в том, что через «дырявую» мембрану получить натрий гораздо труднее, чем протоны. Другими словами, различия в концентрации натрия лучше «сохраняются», чем различия в концентрации протонов.
Насосы, искусственно создающие протонные градиенты, не могут возникнуть с негерметичными мембранами. Это вообще не имеет смысла. Как показывают расчеты группы Лейна, насос не получит никакой пользы, если мембрана негерметична. Однако добавление «обменников» (протонов и натрия) делает создание градиента более эффективным, что дает насосу значительное преимущество.
Что будет дальше? Клетки продолжают развиваться. Поскольку насосы эффективны, количество насосов со временем будет увеличиваться, пока это приносит пользу. Есть «обменник» на протоны и натрий, а значит, все хранимое можно унести. Необходимость в «естественных» градиентах устраняется, и клетки становятся автономными. При этом не требуются негерметичные мембраны. И наоборот, прочные мембраны лучше сохраняют градиенты. Нет смысла сидеть в горячем источнике, если мембрана становится достаточно прочной, чтобы пропускать протоны.
Таким образом, по мнению Ника Лейна, «обменник» протонов и натрия своим появлением запустил цепную реакцию эволюционных изменений, в результате чего возникла неподвижная, пористая полуячейка, полностью зависящая от горячих источников твердая полуячейка и проницательные исследователи глубин океана и, в конечном итоге, всего многообразия современной природы. Исследователи полагают, что разделение двух основных ранних эволюционных линий — бактерий и архей — произошло после появления «обменников». Обе группы придерживались ионного градиента как заключительного этапа энергетического процесса, хотя способ «затвердевания» мембран был разным.
Споры относительно биологии LUCA, прадеда всей жизни, вряд ли удастся разрешить с помощью точных данных. Хотя тело моего прадеда разложилось за миллиарды лет, его дух продолжает жить. Наши тела все еще закодированы последовательностями нуклеотидов. Он по-прежнему состоит из клеток. Мы научились извлекать энергию из наших сэндвичей, но до сих пор строим древние горячие источники в каждой клетке, чтобы поглощать ее.