Однако постепенно многие специалисты в области происхождения жизни начали понимать, что окаменелости – не единственный способ проникнуть вглубь истории жизни на Земле. В частности, один ученый предположил, что отпечатки древнейшей истории сохранились в генах всех живых клеток и их можно использовать для воссоздания «портрета» самых первых живых организмов.
Глава 12. Одна первичная форма
Природа, выраженная во всем своем проявлении, раскрывает перед нами гигантскую картину, на которой все существа представлены в виде цепочки непрерывных серий сущностей – столь близких и схожих, что разницу между ними трудно определить.
Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон. Естественная история птиц, 1770 г.
Время действия – 3 500 000 000 г. до н. э. Место действия – каменистый выступ над мелким, разглаженным волнами заливом у берегов материка, который позднее назовут Австралией. Светло-зеленые морские воды имеют отчетливый запах тухлых яиц. В небе сияет яркая Луна размером вдвое больше современной Луны, поскольку она в два раза ближе к Земле, чем теперь. А вот Солнце светит лишь в три четверти силы, оно посылает на Землю, не защищенную озоновым слоем, смертоносные ультрафиолетовые лучи. Атмосферу Земли составляют токсичные газы, а кислорода почти нет. Он появится намного позже, как продукт фотосинтетических реакций крохотных организмов, которые в один прекрасный день заселят первичный океан.
Однако предок этих древних существ уже здесь. Он живет в океане, около гидротермальных источников, поддерживающих температуру воды близкой к температуре кипения. Это крохотный одноклеточный организм, состоящий из липидной мембраны, защищающей простой, но функциональный геном на основе ДНК, а также белков и РНК, обеспечивающей обмен информацией между ДНК и белком. Через миллиарды лет ученые дали ему имя LUCA (от англ. last universal common ancestor) – последний универсальный общий предок.
LUCA умеет размножаться. Размножение – непорочное, осуществляется путем бинарного деления. При делении одной клетки LUCA образуются две новые клетки – два клона, все различия между которыми возникают исключительно в результате случайных генетических мутаций. Из этих двух клонов появляются новые клоны. У них общее генетическое строение, общий генетический код, общая эволюция. Они существуют скорее как единый организм, а не как сообщество организмов.
Со временем мелководье заполнилось такими клетками, образовавшими небольшие полусферические структуры с выступающими над поверхностью воды куполами, будто слепленными из ила, но это не так. Внутреннее пространство сфер заполнено тонкими слоями осадочных пород и биологического материала – это микробные маты, похожие на пену на поверхности современных прудов и содержащие множество сложных симбиотических сообществ микроорганизмов с вкраплениями мельчайших частиц глины и других минералов, налипших на клеточные стенки.
Под микроскопом эти сообщества должны были выглядеть как крохотные овальные клетки, перемешанные с нитчатыми бактериальными формами. Вероятно, эти структуры напоминали строматолиты, которые все еще встречаются в Австралии и у отдаленных берегов Юкатана, Британской Колумбии и Турции. Эти динамичные и жизнеспособные микробные экосистемы процветали в условиях, непригодных для жизни большинства современных организмов. Со временем эти первые потомки LUCA размножились и распространились до самых отдаленных участков Земли под действием ветров и течений, пока постепенно не превратились в человека и всех других существ, населяющих сегодня нашу планету.
С момента публикации книги «О происхождении видов» ученые спорили о том, что именно понимал Дарвин под «одной первичной формой». Описанный выше сценарий, хотя и основан на реалистичных предположениях, является полностью гипотетическим. Существует множество теорий о природе LUCA, однако никто точно не знает, какой была среда, в которой около 4 млрд лет назад возникла жизнь. Может быть, LUCA жил не в горячем гидротермальном источнике, а в «маленьком теплом пруду», о котором писал Чарльз Дарвин. Также никто не знает, каким было химическое строение LUCA. Возможно, он обладал уникальными свойствами, которые были утеряны в ходе миллиардов лет эволюции и естественного отбора.
До конца XX в. ученые почти не приблизились к ответу на все эти вопросы. Сейчас мы можем воссоздать правдоподобный портрет LUCA благодаря исследованиям одного человека – биофизика Карла Вёзе. Этот выдающийся биолог и мыслитель с невероятным творческим потенциалом не был по достоинству оценен современниками, но буквально перевернул прежние представления о первых земных организмах и заложил основы новых теорий. После смерти Вёзе в 2012 г. некоторые самые горячие почитатели сравнивали его с Эйнштейном и Дарвином.
В молодости этот будущий великий биолог и мыслитель мало интересовался биологией. Он рос в эпоху депрессии в Сиракузах, штат Нью-Йорк, был невероятно застенчивым ребенком и увлекался математикой, позволявшей отвлечься от окружавшего хаоса. Она была объективной и цельной. В более поздние годы по причине все той же застенчивости Вёзе оставался в стороне от большинства научных собраний и конференций, и, возможно, именно по этой причине широкая общественность мало знает о его работах и о том, какое сопротивление встретили его идеи среди биологов.
Вёзе учился в Амхерстском колледже в Массачусетсе, где получил диплом по физике и математике. Однако к тому моменту, когда он перебрался в Йельский университет для выполнения диссертационной работы, он уже занимался биофизикой и интересовался, как многие физики его поколения, сравнительно новой наукой, переживавшей расцвет после публикации книги Шрёдингера «Что такое жизнь?». Работа Вёзе в Йельском университете касалась использования радиации для изменения молекулярной структуры вирусов, в частности вируса ньюкаслской болезни кур. После защиты диссертации Вёзе в течение двух лет безуспешно пытался получить диплом врача, пока наконец ему не предложили должность биофизика в исследовательской лаборатории General Electric в городе Скенектади.
К этому моменту благодаря открытию структуры ДНК Уотсоном и Криком ученые начали по-новому понимать законы генетики, и на протяжении следующих пяти лет Вёзе пытался расшифровать генетический код. Проблема, как ему казалось, заключалась в механизме трансляции. Существует лишь четыре типа нуклеотидных оснований («букв»), которые объединены в трехбуквенные кодоны («слова»). Они каким-то образом кодируют 21 аминокислоту, встречающуюся в составе белков, причем в строго определенном порядке. Никто не понимал, как работает этот механизм.
Вёзе занялся изучением клеточных «переводчиков» генетического кода – рибосом. Эти крупные молекулярные структуры, состоящие в основном из РНК, считывают генетические инструкции, содержащиеся в ДНК, и на основании этих инструкций синтезируют белок. Рибосомы были мало исследованы, и Вёзе заинтересовался ими еще в Йельском университете, когда работал с бактериями, а в Скенектади вплотную занялся их изучением.
Хотя Френсис Крик и другие ученые раньше занялись расшифровкой генетического кода, Вёзе смог понять его суть в таком аспекте, в каком ее не понял никто другой. Другие решали эту физическую, на их взгляд, задачу математическим путем. А вот Вёзе, который когда-то предпочитал биологии математику, воспринимал генетический код как биологическое явление, связанное с процессом эволюции. Он увидел, что код можно использовать в качестве эволюционной машины времени, которая позволит ученым вернуться на много поколений назад, к самым смутным и древним этапам эволюции. По мнению Вёзе, установить эволюционные связи можно гораздо точнее, если не пытаться оценить сходства и различия между видами на основе их физических признаков (как когда-то Сент-Илер пытался выявить сходство между крылом птицы и рукой человека), а проследить за эволюцией клеточного механизма трансляции ДНК в белок.
