Чудесное слияние

Опубликовано 3rd Июль 2017 в рубрике Вероятности
.

Мы, сложно устроенные существа, являем собой редкостную и везучую разновидность живого. Было бы странно, если бы такие простые одноклеточные, как бактерии, не были широко распространены по всей Вселенной. Органические молекулы образуются в ходе реакций между самыми вездесущими материалами (водой, камнем, углекислым газом), и с точки зрения термодинамики такие реакции почти неизбежны.

Так что раннее появление простых бактериальных клеток на Земле – отнюдь не статистический выброс: это в точности то, чего и следовало бы ожидать. Однако если мои выкладки справедливы, возникновение сложно устроенной (многоклеточной) жизни отнюдь не является неизбежным. За 4 миллиарда лет она возникла здесь лишь однажды, благодаря редкостному случайному событию.
Тут все сводится к энергии. Живые существа потребляют невообразимое количество энергии – просто для того, чтобы продолжать жить дальше. Пища, которую мы едим, превращается в топливо для всех живых клеток – АТФ (аденозинтрифосфат). Это горючее проходит непрерывный цикл переработки: за день организм каждого из нас обрабатывает от 70 до 100 кг этой штуки. Столь гигантское количество топлива производится благодаря ферментам – биологическим катализаторам, на протяжении тысячелетий тонкой настройки постепенно обучившимся извлекать из реакций всю полезную энергию, всю до последней капли.
Ферменты, дававшие питание первым живым существам, не могли обладать столь высокой эффективностью, поэтому первым клеткам наверняка требовалось гораздо больше энергии для роста и деления – вероятно, в тысячи или даже миллионы раз, чем клеткам современным. То же самое должно быть верно и для всей Вселенной.
Эти колоссальные энергетические потребности часто упускают из виду, когда речь идет о происхождении жизни. Что могло бы выступать в качестве первичного источника энергии здесь, на Земле? Старые идеи о молниях или об ультрафиолетовом излучении тут явно не годятся. Даже если оставить в стороне тот факт, что никакие живые клетки не получают энергию таким манером, следует помнить: у первых клеток не было ничего, что позволяло бы сосредоточить энергию в одном месте. Первые живые существа не могли отправиться на поиски энергии, а значит, они должны были возникнуть там, где энергии много. К примеру, там, где много солнечного света? Да, сегодня основная часть живых существ получает энергию от Солнца, прямо или косвенно. Но фотосинтез – процесс сложный, и он едва ли питал собой первых живых существ.
Что же тогда их питало? Реконструкция истории жизни путем сравнения геномов простых клеток сопряжена с целым рядом проблем, однако все эти исследования указывают в одну сторону. Судя по всему, самые первые клетки получали энергию и углерод из газов – водорода и диоксида углерода. Реакция между H2 и CO2 непосредственно дает органические молекулы. При этом выделяется энергия. Это важно: ведь недостаточно построить простые молекулы, нужно еще и затратить море энергии, чтобы соединить их в длинные цепочки, которые и служат строительными блоками живого.
Еще один ключ к пониманию того, как первая жизнь получала энергию, кроется в механизме сбора энергии, который можно обнаружить у всех известных нам форм жизни. Этот механизм оказался столь неожиданным и необычным, что после того, как в 1961 году его предложил британский биохимик Питер Митчелл, ученые еще два десятка лет ожесточенно спорили.
Митчелл выдвинул гипотезу, согласно которой питают клетки не химические реакции, а своего рода электричество. А конкретнее – различная концентрация протонов (заряженных ядер атомов водорода) по разные стороны мембраны. Поскольку протоны имеют положительный заряд, различие в их концентрации создает разность электрических потенциалов между двумя сторонами мембраны, и эта разность потенциалов составляет около 150 милливольт. Мало? Но учтите, что она создается на расстоянии всего лишь 5 миллионных миллиметра, а значит, напряженность электрического поля на столь ничтожном расстоянии колоссальна – около 30 миллионов В/м. Примерно такая же напряженность поля порождает разряд молнии.
Митчелл назвал эту электрическую силу протон-движущей. Напоминает термин из «Звездных войн», и это вполне уместная аналогия. В сущности, все клетки питает силовое поле, такое же универсальное для жизни на Земле, как и генетический код. Этот гигантский электрический потенциал можно использовать напрямую (именно благодаря ему одноклеточные двигают своим жгутиком), а можно запрячь для выработки АТФ – топлива, богатого энергией.
Живые существа вырабатывают и используют это силовое поле чрезвычайно изощренным способом. Фермент, отвечающий за создание АТФ, можно уподобить роторному двигателю, питаемому потоком протонов, который направлен внутрь клетки. Еще один белок, помогающий создавать мембранный потенциал, NADH-дегидрогеназа[2], работает как паровая машина, где поршень выкачивает протоны. Эти удивительные наномашины должны являться продуктами долгого естественного отбора. Они не могли питать жизнь с самого начала. И здесь возникает парадокс.
Жизнь сжирает огромное количество энергии, и неэффективные первобытные клетки должны были требовать не меньше энергии, а гораздо больше, чем их нынешние собратья. Скорее всего, эти несметные количества энергии брали начало в протонном градиенте, поскольку повсеместность и универсальность этого механизма означает, что он появился рано. Но каким образом первая жизнь умудрялась проделывать то, для чего сегодня нужна столь сложная аппаратура?
Существует простой способ для получения колоссального количества энергии таким путем. Более того, сама среда, где идут такие процессы, заставляет предположить, что жизни было не так-то трудно появиться.
Ответ, который мне очень нравится, 25 лет назад предложил геолог Майкл Рассел, ныне работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА (Пасадена, штат Калифорния). Рассел занимался изучением глубоководных гидротермальных источников. Скажите «глубоководный источник», и большинство сразу подумает о знаменитых и очень впечатляющих «черных курильщиках», окруженных гигантскими трубчатыми червями. Рассел изучал нечто куда более скромное – щелочные гидротермальные источники. Они совершенно не вулканические, и они не курятся. Они образуются, когда морская вода просачивается в электронно-плотные породы земной мантии, такие как железо-магниевый минерал оливин[3].
Оливин и вода при взаимодействии образуют серпентинит (змеевик). При этом порода расширяется и трескается, благодаря чему в нее проникает больше воды, что лишь способствует реакции. В ходе серпентинизации вырабатываются щелочные (то есть характеризующиеся нехваткой протонов) жидкости с высоким содержанием газообразного водорода. Теплота, которая при этом выделяется, направляет эти жидкости вверх, к дну океана. При соприкосновении с океанскими водами (имеющими более низкую температуру) минералы осаждаются, постепенно образуя башнеобразные жерла до 60 метров высотой.
Такие жерла, догадался Рассел, предоставляют все необходимое для зарождения жизни. Или, вернее, предоставляли – четыре миллиарда лет назад. Тогда на Земле было очень мало кислорода (если он вообще имелся), так что в океанах было много растворенного железа. Вероятно, тогда было гораздо больше CO2, чем сейчас, а значит, в океанских водах существовала слабокислая среда, то есть некоторый избыток протонов.
Представьте себе, что происходит в такой ситуации. Внутри пористых жерл находятся связанные между собой крошечные, напоминающие клетки, отсеки, которые окружены тонкими стенками из минералов. Эти стенки содержат такие же катали заторы (особенно отметим различные сульфиды железа, никеля и молибдена), какие используются нынешними клетками для превращения CO2 в органические молекулы.
Жидкости, богатые водородом, просачиваются сквозь этот лабиринт каталитических микропор. В обычных условиях трудно заставить CO2 и H2 прореагировать между собой: именно с этой проблемой сталкиваются ученые, пытающиеся улавливать углекислый газ, чтобы уменьшить глобальное потепление. Самих по себе катализаторов тоже может быть недостаточно. Но живые клетки захватывают углерод при помощи не одних только катализаторов: для запуска реакции они используют еще и протонные градиенты. А между щелочными жидкостями гидротермального жерла и содержащейся там же кислотной водой существует естественный протонный градиент.
Могла ли эта естественная протон-движущая сила привести к образованию органических молекул? Пока еще слишком рано утверждать что-то определенное. Сейчас я работаю именно над этим вопросом, и впереди очень интересные исследования. Но давайте на минутку представим, что ответ – да. Какие загадки он позволит разрешить? Очень многие. Как только убран барьер, мешающий реакции между CO2 и H2, это взаимодействие может протекать весьма бодро. Важно отметить, что при условиях, типичных для щелочных гидротермальных источников, взаимодействие между H2 и CO2, дающее молекулы, которые присутствуют в живых клетках (аминокислоты, липиды, сахара, нуклеотидные основания), приводит к выделению энергии.
А значит, жизнь отнюдь не является каким-то таинственным исключением из второго начала термодинамики: напротив, с этой точки зрения жизнь как раз и управляется этим законом. Она – неизбежное следствие планетарного дисбаланса, при котором богатые электронами породы отделены от бедных электронами кислотных океанов тонкой коркой, пронизанной системой клеткоподобных отверстий, где фокусируется эта электрохимическая движущая сила. Нашу планету можно уподобить гигантской батарее, а клетку – крошечной батарейке, построенной практически на тех же принципах.
Я готов первым признать, что в такой теории есть масса пробелов, которые еще предстоит заполнить. Между электрохимическим реактором, вырабатывающим органические молекулы, и живой, дышащей клеткой – множество промежуточных стадий. Но представьте себе, хотя бы ненадолго, более масштабную картину. Возможно, для возникновения жизни требуются лишь немногочисленные исходные компоненты – камень, вода и углекислый газ.
Вода и оливин – среди наиболее распространенных веществ во Вселенной. Атмосфера многих планет Солнечной системы богата углекислым газом, поэтому можно предположить, что он столь же часто встречается и в других уголках Вселенной. Серпентинизация – спонтанная реакция, и она должна происходить в широких масштабах на любой влажной, каменистой планете. С этой точки зрения Вселенная должна просто кишеть простыми клетками: возникновение жизни может и в самом деле оказаться неизбежным, если существуют нужные условия. Неудивительно, что на Земле жизнь, судя по всему, появилась почти сразу же, как только ей представилась такая возможность.
А что дальше? Общепризнано, что после возникновения простых форм жизни они постепенно эволюционируют, превращаясь в более сложные, опять же, если для этого существуют подходящие условия. Однако на Земле вышло иначе. После первого появления простых клеток наступила невероятно долгая пауза (почти половина всей жизни планеты), и лишь затем возникли клетки сложные. Более того, простые клетки породили сложные лишь единожды за все четыре миллиарда лет эволюции: безумно редкая аномалия, предполагающая какую-то безумную случайность.
Если бы простые клетки медленно эволюционировали до более сложных на протяжении миллиардов лет, существовали бы всевозможные промежуточные клетки, причем некоторые из них – и сейчас. Но таких нет, и мы наблюдаем этот гигантский разрыв, непонятную пропасть, странную паузу. С одной стороны, есть бактерии, очень маленькие и по объему клетки, и по размеру генома. Естественный отбор как бы отсек у них все лишнее, свел их структуру к необходимому минимуму: это своего рода самолеты-истребители среди клеток. С другой стороны, существуют огромные и неуклюжие эукариотические клетки, больше напоминающие авианосцы, чем истребители. Типичная одноклеточная эукариота примерно в 15 тысяч раз крупнее бактерии, и геном у нее под стать размеру.
Вся сложная жизнь на Земле – животные, растения, грибы и т. д. – это эукариоты. Все они в ходе эволюции произошли от общего предка. Так что без единичного события, породившего предка эукариотических клеток, не было бы растений и рыб, динозавров и обезьян. У простых клеток вообще нет клеточной архитектуры, необходимой для эволюционного превращения в более сложные формы.
Почему это так? В 2010 году я рассмотрел данный вопрос совместно с Биллом Мартином из Дюссельдорфского университета, одним из пионеров современной биологии клетки. Основываясь на данных о скорости метаболизма и размере генома различных клеток, мы рассчитали, сколько энергии оказалось бы доступно простым клеткам по мере того, как они становились бы всё крупнее и крупнее.
Как мы обнаружили, за такой рост приходится платить огромный энергетический штраф. Если увеличить бактерию до размеров эукариоты (одноклеточной), для нее будет доступно в десятки тысяч раз меньше энергии в пересчете на один ген, чем для аналогичной эукариоты. А клеткам требуется много энергии на каждый ген, поскольку процесс создания белка на основе гена требует больших энергетических затрат. Основная часть энергии клетки как раз и тратится на синтез белков.
На первый взгляд, идея о том, что бактерии ничего не приобретают, увеличиваясь в размерах, кажется не совсем верной: существуют некоторые гигантские бактерии, которые по своим размерам крупнее многих сложных клеток: показательный пример – Epulopiscium, процветающая в кишечнике рыбы-хирурга. Но у Epulopiscium до 200 тысяч копий ее полного генома. Если учесть все эти многочисленные геномы, окажется, что энергия, доступная для каждой копии каждого гена, почти в точности равна такой энергии для нормальной бактерии, несмотря на гигантское общее количество ДНК у Epulopiscium. Возможно, лучше рассматривать их как ансамбли клеток (слившихся воедино), чем как гигантские клетки.
Почему же гигантским бактериям требуется так много копий генома? Вспомним, что клетки добывают энергию из силового поля, создающегося на их мембранах, и что потенциал на них равен, в сущности, потенциалу молнии. Если клетки обращаются с ним неумело, это приводит к тяжелым последствиям: утратив контроль над своим мембранным потенциалом, они погибнут. Лет двадцать назад биохимик Джон Аллен (ныне – мой коллега по Лондонскому университетскому колледжу) предположил, что геномы играют ключевую роль в контроле мембранного потенциала, поскольку они способны управлять выработкой белков. Геномы должны располагаться поблизости от контролируемой мембраны, чтобы быстро откликаться на локальные изменения условий. Аллен и другие ученые собрали большое количество данных, подтверждающих, что это верно для эукариот. Есть веские основания считать, что так обстоит дело и в простых клетках.
Итак, перед простыми клетками возникает следующая проблема. Чтобы стать крупнее и сложнее, им нужно вырабатывать больше энергии. Они могут сделать это единственным способом – расширить ту область мембраны, которую они используют для добывания энергии. Но для поддержания контроля над мембранным потенциалом при расширении этой области им нужно произвести дополнительные копии всего генома – а значит, на самом деле они не получают никакой дополнительной энергии в пересчете на каждый ген.
Иными словами, чем больше генов у простой клетки, тем меньше от них проку. Геном, полный генов, которые невозможно использовать, не дает никаких эволюционных преимуществ. Это колоссальный барьер, мешающий клеткам становиться более сложными. Ведь для того, чтобы сделать рыбу или дерево, требуется гораздо больше генов, нежели имеется у бактерии, – тысячи и тысячи дополнительных генов.
Как же эукариоты обошли эту проблему? Они обзавелись митохондриями.
Около двух миллиардов лет назад одна простая клетка вдруг очутилась внутри другой. Не очень ясно, что представляла собой клетка-хозяин, но мы знаем, что она приняла в себя бактерию, которая затем стала делиться у нее внутри. Эти внутриклеточные клетки конкурировали друг с другом. Для тех, кто воспроизводил себя быстрее всех, не теряя способности вырабатывать энергию, оказалась выше вероятность быть представленными в следующем поколении.
И так далее, и так далее, поколение за поколением. В ходе эволюции эти эндосимбиотические бактерии постепенно превратились в миниатюрные энергогенераторы, содержащие и мембрану, необходимую для создания АТФ, и геном, необходимый для контроля мембранного потенциала. Однако важнее всего то, что в процессе развития их структура свелась к необходимому минимуму. Все ненужное – долой: так поступают истинные бактерии. Изначально геном митохондрий, по-видимому, состоял примерно из 3 тысяч генов. Сегодня у них около 40.
Для клетки-хозяина дело обстояло иначе. По мере того как съеживался митохондриальный геном, возрастало количество энергии, доступной для каждой копии хозяйского гена, поэтому геном хозяина мог расти. Пользуясь несметным количеством АТФ, организм, обслуживаемый целыми эскадронами митохондрий, мог преспокойно накапливать ДНК и укрупняться. Можно представить себе митохондрии как большой отряд вертолетов, несущих ДНК в ядро клетки. Митохондриальные геномы, освобождаясь от собственной ненужной ДНК, становятся легче и могут нести более тяжелый груз, тем самым позволяя увеличиваться ядерному геному.
Эти огромные геномы послужили генетическим сырьем, которое и привело в ходе эволюции к появлению сложной жизни. Митохондрии не предписывали сложность, но позволили ей возникнуть. Трудно вообразить какой-то иной путь обхода этой энергетической проблемы. И мы знаем, что на Земле такое произошло лишь один-единственный раз, поскольку все эукариоты происходят от одного общего предка.
Итак, толчком к возникновению сложной жизни, похоже, послужило единичное событие-флуктуация – встраивание одной простой клетки в другую. Такие ассоциации, может, и широко распространены среди сложных клеток, но у простых они крайне редки. К тому же положительный результат этого сотрудничества отнюдь не был предопределен. Двум партнерам пришлось пройти через множество стадий нелегкой взаимной адаптации, прежде чем их потомки стали получать удовольствие от сей кооперации.
А стало быть, нет какой-то неизбежной эволюционной траектории, которая вела бы от простой жизни к сложной. Непрестанный естественный отбор, который проходят бесчисленные популяции бактерий на протяжении миллиардов лет, может так никогда и не породить сложность. У бактерий нет нужной для этого архитектуры, вот и все. У них нет энергетических ограничений, пока они остаются небольшими по размерам генома и по объему клетки. Проблема становится очевидной, лишь когда мы пытаемся выяснить, что понадобилось бы для увеличения их объема и размеров их генома. И тогда мы понимаем, что бактерии занимают глубокую расщелину в энергетическом пейзаже, и выбраться из нее они не в силах.
Из этого рассуждения можно заключить следующее: хотя землеподобные планеты могут кишеть живностью, лишь на очень немногих появляются сложные клетки. А значит, вероятность возникновения растений и животных, не говоря уж о разумной жизни, весьма невелика. И если бы мы даже выяснили, что на Марсе появились простые клетки, это мало что сказало бы нам о том, насколько распространена сложная жизнь вне Земли.
Все это помогает объяснить, почему мы пока не нашли никаких следов инопланетян. Разумеется, некоторые из других предложенных объяснений тоже способны оказаться верными (скажем, что жизнь на других планетах обычно уничтожается катастрофическими событиями вроде вспышек гамма-излучения задолго до того, как разумные инопланетяне получают шанс возникнуть). Если это так, в нашей галактике, видимо, очень мало других разумных видов.
Но, опять-таки, а вдруг некоторые из них проживают где-то рядом. Если мы когда-нибудь с ними встретимся, готов заранее биться об заклад, что у них тоже имеются митохондрии.

комментарии: Закрыты

Комментарии закрыты.