Всі ми уявляємо собі, що таке еволюція у світі біологічних організмів. Але як взагалі виявилася можлива еволюція життя на Землі? Як і коли з'явилися найперші організми? З чого складаються живі тіла, що таке генетичний код і як влаштовано еволюційне древо? На ці та інші питання, що лежать в основі сучасних знань про біологію, відповідає книга Сергія Ястребова "Від атомів до дерева: Введення в сучасну науку про життя ", випущена видавництвом" Альпіна нон-фікшн ". Пропонуємо читачам познайомитися з главою з цієї книги.
Земля і життя
П "ять мільярдів років тому ні Сонця, ні Землі ще не існувало. За сучасними оцінками, найточніша дата початку утворення Сонячної системи - 4,5682 мільярда років тому (це визначено за віком найдавніших твердих включень у метеоритах). На той час Всесвіт вже мав довгу і складну історію. Ми знаємо, що Великий вибух стався приблизно 13,8 мільярда років тому. А це означає, що в момент початку формування Сонячної системи вік Всесвіту вже налічував близько 9,2 мільярда років. Майже бездонна прірва історичного минулого, справжня «безодня часів».
До моменту народження Сонячної системи кілька абсолютно різних космічних епох встигли змінити один одного. Початку утворення зірок передували так звані «темні століття» (Dark Ages), коли у Всесвіті не було ніяких об'єктів, що світяться. Перші зірки запалилися не раніше ніж через 100 мільйонів років після Великого вибуху. І ці зірки дуже сильно відрізнялися від Сонця. Наше Сонце - жовтий карлик з очікуваною тривалістю життя близько 10 мільярдів років. А перші зірки у Всесвіті, судячи з розрахунків астрономів, були блакитними гігантами з масою, яка могла в 500-1000 разів перевершувати масу Сонця, і зі світністю в мільйони разів вище сонячної, але з середньою тривалістю життя всього лише три мільйони років. Планетних систем ці зірки не мали: у найдавнішому Всесвіті, що складався цілком з водню і гелію, їм було б просто нема з чого утворитися.
Коли короткий життєвий цикл зірок першого покоління закінчувався, ці зірки або вибухали в якості наднових, або (якщо їх маса більш ніж у 250 разів перевищувала масу Сонця) колапсували в чорні діри без вибухів. Деякі з цих масивних чорних дір потім зливалися один з одним і ставали центрами ядер галактик, що формуються. А ті зірки, які ставали надновими, при вибухах розкидали на величезні відстані газ і пил - тепер вже насичені новими хімічними елементами, набагато більш важкими, ніж водень і гелій. Ці важкі елементи могли синтезуватися тільки в надрах зірки (або навіть безпосередньо під час її вибуху). І в туманностях, які залишалися від таких зірок, поступово почалося утворення зірок наступних поколінь - вже з планетними системами.
Близько п "яти мільярдів років тому одна з таких туманностей була на околиці галактики Чумацький Шлях. Ймовірно, вона могла б досі залишатися в спокої, якби не близький вибух наднової зірки. Принаймні, така популярна у сучасних астрономів гіпотеза, заснована на особливостях ізотопного складу деяких метеоритів. Ударна хвиля наднової, що поширилася в безповітряному просторі завдяки величезній кількості викинутого при вибуху зоряного матеріалу, змусила нашу газопилову хмару втратити стійкість і колапсувати. Воно розшарувалося, в ньому з'явилися згущення, які притягнули до себе навколишню речовину, і зрештою вся маса хмари стала стягуватися до одного центрального ядра. Це і була зростаюча зірка. Але хмара, що втратила стійкість, почала обертатися, тому виникла відцентрова сила розтягнула його в диск. Зрештою центральне ядро газопилового диска стало Сонцем, а периферія - планетами.
Планетна система ділиться на дві частини так званої «лінією льоду», яка в нашому випадку проходить між орбітами Марса і Юпітера. Всередині від «лінії льоду» летючі речовини (вода, аміак, метан, вуглекислий газ, чадний газ) в основному випаровуються, а зовні від неї - конденсуються в крижані пилинки, величезні маси яких можуть входити до складу планет. В результаті всередині від «лінії льоду» утворилися тверді планети земного типу (Меркурій, Венера, Земля, Марс), а зовні - планети-гіганти, що перевершують планети земного типу масою в десятки і сотні разів, але набагато менш щільні (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун).
При цьому велика частина води, що знаходиться в Сонячній системі, опинилася якраз по зовнішню сторону «лінії льоду». Наприклад, ядра комет складаються з водяного льоду на 80%, а в складі Урану і Нептуна води стільки, що ці планети відносять до класу крижаних гігантів. Мантія Нептуна, швидше за все, є океаном рідкої води з домішкою аміаку і метану, що має неподану для нас глибину - близько 10 000 кілометрів. Дуже ймовірно, що і Уран влаштований приблизно так само. А з іншого боку, гіпербазити, з яких в основному складається мантія Землі, містять всього лише 0,05-0,06% води. Очевидно, що порівняно з багатьма іншими об'єктами Сонячної системи це мізерно мало.
На щастя, Земля ще й дуже активна планета. Її кора (разом з верхньою мантією) розколота на гігантські літосферні плити, які безперервно рухаються. У глибині Землі йдуть конвективні потоки мантійної речовини, а на її поверхні є безліч діючих вулканів (причому в деякі епохи їх було набагато більше, ніж зараз). А вулканічні гази зазвичай не менше ніж на 75% складаються з водяної пари. Та вода, яка все-таки є в земній мантії, виходить з цим пором, конденсується і утворює океан. Втім, є ймовірність, що значну частину води на Землю принесли крижисті метеорити або комети, які врізалися в неї. Але, як би там не було, без участі вулканів вигляд нашої планети був би зовсім іншим.
Однією з головних причин високої тектонічної активності Землі, швидше за все, є її унікальний природний супутник. Місяць всього-на-всього в 3,7 рази менше Землі. Жодної іншої планети Сонячної системи немає супутника, настільки величезного відносно неї. У Венери супутників немає взагалі, а супутники Марса мають нікчемні розміри (27 і 24 кілометри) і являють собою невеликі астероїди, захоплені полем тяжіння планети. Правда, в Сонячній системі є і більш великі супутники, ніж Місяць, але це супутники планет-гігантів: Ганімед, Титан, Каллісто та Йо. За відносним розміром Місяць абсолютно незвичайний (якщо не враховувати систему Плутон - Харон, яка до планет не відноситься). І це дуже важливо. Поле тяжіння Місяця, напрямок якого постійно змінюється через його рух по орбіті, створює приливні сили, що «накачують» додатковою енергією всілякі переміщення речовини всередині Землі. Звичайно, Місяць - не єдина причина тектонічної активності Землі, але він значно посилює його, прискорюючи в підсумку всю еволюцію планети. Загалом, із супутником Землі пощастило.
Звідки взявся Місяць? Передбачається, що через 50-60 мільйонів років після початку свого формування молода Земля зіткнулася з іншим небесним тілом - неіснуючою нині планетою розміром приблизно з Марс, тобто вдвічі менше Землі. Зіткнення викинуло в космос деяку кількість матеріалу земної мантії, який і став основою Місяця, що формується. Планета, що завдала удару, розвалилася, її залишки або увійшли до складу Місяця, або стали метеоритами. Ця гіпотеза - її називають гіпотезою великого зіткнення, або мегаімпакту (Giant Impact), - породжує багато питань, але і підтверджень у неї вистачає. Наприклад, дослідження місячних зразків показує, що Місяць на кілька десятків мільйонів років молодший як Землі, так і інших тіл Сонячної системи; Земля і Місяць чомусь унікально близькі один до одного за ізотопним складом (їх називають «геохімічними близнюками»); і нарешті, Місяць близький за типом порід до земної мантії, але, на відміну від Землі, майже позбавлений залізного ядра. Гіпотеза мегаімпакту витончено пояснює всі ці факти.
Так чи інакше Земля - єдина землеподібна планета, яка багата одночасно тектонічною енергією і рідкою водою. Причому їй пощастило зберегти ці властивості протягом декількох мільярдів років - на відміну від Марса, де теж колись був водний океан. А адже саме ці дві особливості і є головні передумови виникнення життя (у всякому разі, життя земного типу): рідка вода - тому що вона служить розчинником для біохімічних реакцій, а тектонічна енергія - тому що вона може ці реакції запустити. Тектонічна активність Землі не тільки дає тепло, а й забезпечує перепади концентрацій молекул або іонів (починаючи з найпростішого іона H +), які самі по собі стають джерелами енергії.
Виникнення життя
Є кілька гіпотез, які більш-менш детально розписують ймовірні перші хімічні кроки на шляху до життя. Вони відрізняються в деталях, але єдині в головному. Всі ці гіпотези припускають, що місцями зародження життя були не відкриті водойми, а мікрополості в ґрунті або мінеральних опадах, куди підводилася енергія від гарячих джерел або від вулканів. Треба сказати, що це не така вже й новина. Наприклад, відомий швейцарський біолог Карл фон Негелі ще в XIX столітті писав з приводу зародження життя: «Ймовірно, це сталося не у відкритій воді, а у вологому шарі тонкого пористого матеріалу (піску, глини), де спільно діяли молекулярні сили твердих, рідких і газоподібних тіл». Ось ця думка зараз і стала науковим мейнстрімом. Де виникнення життя найменш ймовірне - так це у водній товщі спокійного океану, освітленого сонцем. Там просто немає таких потоків енергії і речовини, які зароджується життя могло б «осідлати» і перенаправити собі на користь.
Отже, десь у воді, що просочувала околиці стародавніх вулканів або гарячих джерел, почалися автокаталітичні хімічні реакції, що (тобто самоукоряються), ланцюжки яких незабаром стали перетинатися за рахунок загальних проміжних продуктів і замикатися в цикли. Головні учасники цих реакцій, швидше за все, були невеликими органічними молекулами, спочатку навіть одновуглецевими. Але реакції були не простими. Особливість будь-якої автокаталітичної реакції за визначенням полягає в тому, що її продукт одночасно є каталізатором, тобто речовиною, що прискорює хід самої реакції. За умови достатньої складності реакційної системи (а вона в даному випадку напевно дотримувалася: і реагентів, і продуктів було безліч) автокаталітичні реакції набувають властивості саморозвитку, тому що в них з'являється зворотний зв'язок: невелика зміна механізму реакції впливає на склад її продуктів, зміна якого, в свою чергу, впливає на механізм - і так крок за кроком. Через якийсь час у системі автокаталітичних реакцій почали синтезуватися амінокислоти, найпростіші вуглеводи, а там справа дійшла і до полімерів - спершу простих, потім складніше. Нарешті, деякі з цих полімерів «навчилися» каталізувати спочатку синтез один одного (це зовсім легко), а потім і відтворення самих себе. Іншими словами, вони стали реплікаторами. А з появою реплікаторів автоматично включається дарвінівський механізм природного відбору, необхідні і достатні умови для якого - самовідтворення, спадковість, мінливість і конкуренція за субстрат. Все, з цього моменту біологічна еволюція запущена.
Можна не сумніватися, що на цих перших етапах життя було ще практично непомітним для стороннього спостерігача (якби, звичайно, він міг тоді існувати). Це легко зрозуміти, якщо уявити себе інопланетним мандрівником, який прибув нехай навіть до самої колиски земного життя. Що він побачить? Теплий вулканічний грунт, вежі пористих опадів на морському дні... І все. Нічого примітного. Без хімічного аналізу такий мандрівник і не зрозумів би, з чим зіткнувся.
Першими в історії Землі повноцінними реплікаторами, швидше за все, були молекули РНК. Справа в тому, що з усіх біологічно активних молекул тільки РНК може виконувати відразу всі життєво важливі функції: і зберігання спадкової інформації, і її копіювання, і каталіз реакцій обміну речовин. Білки та їхні попередники, простіші пептиди, ніколи таких можливостей не мали. Проте перші пептиди напевно з'явилися приблизно в ті ж часи, що і перші РНК. Це випливає з суто хімічних міркувань. Справа в тому, що синтез РНК досить складний, а ось амінокислоти - причому саме альфа-амінокислоти, з яких пептиди зазвичай складаються, - досить легко синтезуються з найпростіших молекул, наприклад з чадного газу (CO) і ціановодню (HC≡N), в умовах, що приблизно відповідають ймовірним умовам в околицях стародавніх вулканів. Тому існування еволюційного етапу, коли автокаталітичні системи складалися б виключно з РНК, малоймовірно. Швидше за все, еволюція пептидів і РНК була пов'язаною завжди, ще з часів їх набагато простіших спільних попередників. Можливо, що додатковим (на додачу до самокопіювання) завданням перших реплікаторів якраз і був каталіз синтезу пептидів, що впливали на хімічне середовище таким чином, щоб ці реплікатори з більшою ймовірністю могли вижити.
З іншого боку, з сучасного досвіду ми знаємо, що білки - більш потужні каталізатори, ніж РНК, і їх можливості в цьому плані незрівнянно різноманітніші. Тому не дивно, що ті РНК, які «навчилися» каталізувати синтез якихось особливих пептидів, отримали перевагу у виживанні. В результаті пептиди (або вже білки?) стали використовуватися реплікаторами в якості свого роду молекулярних інструментів, якими можна було діяти на середовище, підвищуючи свої шанси вціліти і розмножитися. Конкуруючи один з одним, РНКові реплікатори поступово вдосконалювали здатність програмувати синтез білків, роблячи це все більш і більш точно. І зрештою вони «винайшли» механізм трансляції на рибосомі. Цей механізм дозволяє запрограмувати всю структуру білка з точністю - до кожної амінокислоти. І ось з цього моменту можливості живої природи зі створення білків стали буквально безмежними. Заодно з'явилися і перші віруси - «опортуністичні» реплікатори, які не стали заводити власну систему синтезу білка, зате навчилися паразитувати на чужій.
Наступною важливою еволюційною подією було перенесення генетичної інформації з РНК на ДНК. Справа в тому, що молекула РНК всім хороша, але ось хімічна стійкість у неї низька і руйнується вона досить легко. Тому тривало зберігати на ній генетичну інформацію - справа ненадійна. Для цього кращий якийсь інший полімер. Їм і стала ДНК. Якщо перші РНК цілком могли синтезуватися спонтанно в неживій природі, то синтез ДНК вже з усією визначеністю є «винаходом» живих організмів, і ця молекула з самого початку отримала єдину функцію: зберігати інформацію. Нічого іншого вона робити не вміє. Одна-єдина перевага, яка має ДНК перед РНК, - її висока хімічна стійкість, що дозволяє довго і надійно зберігатися. Для того, хто володіє унікальним «ноу-хау» синтезу якихось корисних білків, це по-справжньому цінно.
Таким чином, почалася епоха великого перезапису геномів з РНК на ДНК. На початку цієї епохи на Землі жили РНК-містять організми, які напевно вже освоїли до того моменту технологію точного синтезу білка. Іншими словами, ДНК з'явилася еволюційно пізніше, ніж трансляція. Цілком можливо, що генетична стратегія перших ДНК-містять організмів була схожа на генетичну стратегію ретровірусів. У життєвому циклі вірусів цього типу є обов'язкова стадія ретротранскрипції, тобто зворотної транскрипції - перенесення генетичної інформації з РНК на ДНК. А ось власного механізму реплікації ДНК у ретровірусів немає. І у клітинних організмів його теж, швидше за все, спочатку не було. Надійні ферменти реплікації (вони називаються ДНК-залежні ДНК-полімерази) з'явилися пізніше. Але вже коли вони з'явилися, це дало можливість зберігати на ДНК генетичну інформацію безперервно, при необхідності відразу перезаписуючи її з однієї молекули ДНК на іншу. І тоді ретротранскрипція стала не потрібна.
В результаті утворилася найбільш звична нам форма життя: ДНК-містить клітину з генетичною стратегією «ДНК-РНК-білок».
Зізнаємося чесно: ми не знаємо, коли саме жива речовина розбилася на клітини, відокремлені від зовнішнього середовища і один від одного замкнутими ліпідними мембранами. Цілком можливо, що це сталося раніше, ніж з'явилася реплікація ДНК і зникла обов'язкова ретротранскрипція. У такому випадку цілком може виявитися, що перші клітини по життєвому циклу нагадували ретровіруси (або навіть класичні РНК-містять віруси, хоча це менш ймовірно). Клітинна мембрана ділить весь світ на середовище, де хімічні реакції жорстко контролюються геномом, і, де контроль набагато менш жорсткий, вимагає спеціальних інструментів (наприклад, виділення з клітини яких-небудь білків) і де його доводиться ділити з власниками інших геномів, конкуруючи з ними за вплив. Крім того, клітинна мембрана надає геному цілісність, різко обмежуючи обмін генетичними елементами з навколишнім середовищем і захищаючи генетичну систему від генетичних паразитів. Тільки з цього моменту набуває реального сенсу поняття особини, індивідуума, - слово, яке по-латині означає «неподільний».
Парадоксальним чином розмножуються всі живі клітини саме діленням. Материнська клітина ділиться на дві дочірні, які отримують досить точні копії її геному. Ланцюг клітин, що послідовно діляться, - це ланцюг прямих, без всяких метафор, предків і нащадків. Іноді нащадки однієї і тієї ж клітини опиняються в різних умовах (або отримують різні мутації) і починають під дією природного відбору накопичувати відмінності. Тоді ми можемо зауважити, що лінія предків і нащадків гілиться.
Першим таким гіллям був поділ всіх клітинних організмів на архей і бактерій. Воно відбулося точно раніше, ніж з'явився повноцінний механізм реплікації ДНК, і напевно раніше, ніж з'явилися клітинні мембрани сучасного типу. А це означає, що типові (з нашої точки зору) клітини, оточені ліпідною мембраною і мають генетичну стратегію «ДНК-РНК-білок», з самого початку існували у вигляді двох витратних еволюційних гілок. Так виникло дерево життя.
Arbor vitae
З усіх природничих наук тільки біологія може представити свої об'єкти у вигляді еволюційного древа. Пов'язано це з тим, що у живих організмів (і тільки у них) є геном, який передається у спадок і забезпечує унікальну спадкоємність інформації та структури. Білок, що виник мільярд років тому, цілком може досі зберегти не тільки свою функцію, але і більшу частину амінокислотної послідовності - звичайно, якщо цей білок досить важливий, щоб його стійкість підтримувалася природним відбором. Предок людини, який жив мільярд років тому, швидше за все, був одноклітинною істотою. І тим не менш збережена спадкоємність (причому не тільки суто генетична, але і відображена в структурі клітин, що спостерігається під мікроскопом) не дає забути про нашу пряму спорідненість.
Дерево життя - це не уявна конструкція або модель, а абсолютно реальний об'єкт. Будь-яка його гілочка так само реальна, як будь-яка гілочка будь-якого дерева, що розгалужується в просторі. (Цю фразу написав в одній статті чудовий зоолог і біогеограф Іван Іванович Пузанов, але вона висловлює настільки очевидну думку, що її і в лапки ув'язнювати не хочеться: все одно як якби Пузанов сказав, що Волга впадає в Каспійське море.) Еволюційне древо нічим якісно не відрізняється від родоводу якої-небудь королівської сім'ї або лінії мисливських собак. Точніше, відмінності між ними є (наприклад, дуже різним може бути внесок процесу гібридизації), але всі вони однаково реальні. До речі, це одна з причин, чому англійці в середині XIX століття досить легко зрозуміли теорію Дарвіна. Англія традиційно була тваринницькою країною, її жителі чудово знали, як складаються родовід породистих корів, собак, голубів і тому подібних одомашнених тварів. Перейти від родоводів до еволюційних деревок було неважко.
Ось лише одна наочна ілюстрація. У 1938 році південноафриканський іхтіолог Джеймс Сміт зробив вражаюче відкриття. Він виявив, що «кістепері риби вимерли не зовсім». Дійсно, кістепері риби - збірна група, в яку входить відкрита Смітом латімерія, - близькі до еволюційного коріння наземних хребетних, але до 1938 року вони були відомі тільки з палеонтологічного літопису. Вважалося, що вони вимерли навіть раніше, ніж динозаври. Тому сучасна кістепера риба була приголомшливою знахідкою. Але проблема полягала в тому, що литимерія була одна-єдина, і зловити другий екземпляр ніяк не вдавалося. Пошуки місць, де живе латімерія, зайняли багато років і йшли дуже важко (ця захоплююча історія прекрасно викладена самим Смітом у книжці «Старовина-четвероног»). У якийсь момент Сміт звернувся за допомогою до прем'єр-міністра Південної Африки - відомого політика Даніеля Франсуа Малана, пояснивши йому по телефону, чому це так важливо. І Малан допоміг. Він виділив літак і вирішив усі проблеми із закордонними візами, які були потрібні для термінового польоту за спійманою рибою. Коли рибу доставили в Кейптаун, Малан запитав Сміта: «Ви хочете сказати, що і ми колись виглядали таким чином?» Сміт дещо розгубився і відбувся жартом. Через деякий час відомий англійський біолог Джуліан Хакслі сказав з цього приводу, що правильною відповіддю було б: «Взагалі кажучи, так!» І він був абсолютно правий. Найвірнішою відповіддю тут було б просте «ТАК». Правда, латимерія насправді не предок наземних хребетних, вона, швидше, їх еволюційна «кузина». Але і самі що ні на є прямі предки, судячи з усього, виглядали досить схоже на неї - неспеціаліст не відрізнив би.
Дерево життя - це сукупність цілих організмів (а не тільки їхніх геномів). Графічно воно насправді схоже на дерево, гілки якого, правда, можуть іноді і зливатися. Приклад такого злиття - об'єднання організмів стародавньої археї і стародавньої альфа-протеобактерії, яке дало початок еволюційній гілці еукаріот. У цьому місці дерево життя замкнулося в кільце. Але повне злиття еволюційних гілок відбувається все-таки рідко (набагато рідше, ніж обмін окремими генами). Основний спосіб біологічної еволюції -, тобто розбіжність гілок. Цей висновок в цілому зберігає силу з часів Чарльза Дарвіна, який описав ймовірну загальну структуру еволюційних деревес, і Ернста Геккеля, який першим всерйоз спробував побудувати справжнє еволюційне древо всього живого.
Звичайно, еволюційні дерева, розміщені в наукових роботах, є недосконалими, так само як недосконалі старі карти світу. На доколумбових картах немає Америки, а на картах XVIII століття ще начисто відсутня Антарктида. Але вже тут-то ясно, що відсутність цих континентів на картах не має ніякої фундаментальної причини: їх просто ще не встигли відкрити. Ось так само йде справа і з неточностями еволюційних деревес, які малюють вчені (і заодно зі суперечками про те, яка версія древа більш правильна, - а вони часто бувають дуже бурхливими).
Оглянувшись на еволюцію Всесвіту від Великого вибуху до виникнення на Землі тварин і рослин, ми відразу побачимо, що генетична спорідненість - це абсолютно особливий тип відносин, по самій своїй суті можливий тільки між живими об'єктами. Тут є один виняток - мови, для яких лінгвісти теж встановлюють справжнє споріднення. Родоводові дерева мов дуже схожі на родоводові дерева живих організмів (вони і будуються близькими способами, із застосуванням схожих математичних апаратів). Але це не настільки вже дивно, оскільки будь-яка людська мова - в кінцевому рахунку явище живої природи, частина «розширеного фенотипу» виду. Так що виняток насправді підтверджує правило. Ніде в неживій природі немає нічого подібного. Марно порівнювати за ознакою спорідненості дві молекули, два кристали, дві зірки або два вулкани (якщо тільки не розуміти «спорідненість» зовсім вже метафорично). Зате для будь-якої пари живих істот, наскільки завгодно далеких один від одного, визначити родинні стосунки хоча б у першому наближенні неважко. Не дивно, що саме на спорідненості в першу чергу і заснована біологічна система.
Повністю читайте: Від атомів до древа: Введення в сучасну науку про життя/Сергій Ястребов. - М.: Альпіна нон-фікшн, 2018. - 704 с.