От химического богатства к жизни. «Лука», последний универсальный общий предок
Жизнь появилась в начале истории планеты Земля, а это говорит о том, что создавать простые ее формы может быть не так уж сложно, если действуют необходимые условия Златовласки. Однако точно определить, когда именно она возникла, трудно, потому что первые организмы жили более 3 млрд лет назад и имели микроскопические размеры, а породы, где они были погребены, уничтожены эрозией. На данный момент самое надежное непосредственное свидетельство о первых формах жизни на Земле – это микроскопические ископаемые останки, найденные в отдаленном регионе Пилбара в Западной Австралии в 2012 году. По-видимому, бактерия, которой они принадлежат, жила около 3,4 млрд лет назад
[65]. В сентябре 2016 года в журнале Nature вышла статья о находках, сделанных в Гренландии, возраст которых составляет 3,7 млрд лет и которые напоминают подобные кораллам строматолиты
[66]. Если это – то, что многие думают, то жизнь, должно быть, начала развиваться на миллионы лет раньше, чем считалось прежде, и должна была появиться вскоре после окончания Поздней тяжелой бомбардировки, примерно 3,8 млрд лет назад. А в начале 2017 года, опираясь на данные об ископаемых образованиях, найденных в северном Квебеке, ученые заявили, что, возможно, это произошло целых 4,2 млрд лет назад. Придется подождать, чтобы увидеть, выдержат ли эти заявления проверку временем
[67].
Пока что биологи не могут до конца объяснить, как возникли первые живые организмы. Но они понимают, что происходило на многих этапах этого процесса.
Биологи не знают точно, как выглядел первый живой организм, но они назвали его «Лука» (или LUCA, от английского словосочетания last universal common ancestor – последний универсальный общий предок). «Лука» точно жил раньше самых ранних форм жизни, найденных на данный момент, и у него было много общего с современными прокариотами – одноклеточными организмами, чей генетический материал не защищен ядром. Сегодня прокариоты составляют два из трех больших доменов живых существ – бактерии и археи (третий домен, к которому относится и наш вид, называется «эукариоты»).
Мы никогда не найдем останков «Луки», потому что на самом деле он – гипотетическое существо, некий собирательный образ первого живого организма, что-то вроде фоторобота сбежавшего преступника. И все же такой портрет может помочь понять, с чего началась жизнь.
«Лука» был вроде бы и живым, но не совсем, он относился к категории своеобразных зомби, где-то между живой и неживой природой. Понять это проще, чем кажется. Вирусы не совсем живые, потому что они отвечают не всем условиям нашего определения живых организмов. У них нет метаболизма, а их мембраны чрезвычайно хрупкие, так что не вполне ясно, можно ли считать их клетками. Это почти все равно что единица генетического материала, которая может прицепиться к более сложному организму. Вирус проникает в другую клетку, захватывает ее механизмы обмена веществ и использует их, чтобы создавать копии самого себя. Когда вы болеете гриппом, вирус откачивает энергию из ваших метаболических труб. Но если ему не удается найти клетку, которую можно захватить, вирус останавливает работу и ждет в состоянии анабиоза. Некоторые клетки обитают в камнях, и у них крайне медленный метаболизм; они живут за счет крошечных порций воды и питательных веществ. Они могут надолго полностью замереть, как рок-гитарист Хотблэк Дезиато из романа Дугласа Адамса «Ресторан “У конца Вселенной”», который целый год оставался мертвым, чтобы уйти от налогов. То, от чего пытаются уйти такие организмы, – это, конечно, налог энтропии на сложность. Возможно, «Лука» обитал в такой же сумеречной зоне.
Фоторобот «Луки» построили, определив несколько сотен генов, вероятно очень древних, которые можно найти в самых современных прокариотах. Они позволяют предположить, в каких условиях появилось это существо, потому что показывают, какие белки оно производило, чтобы выжить
[68].
Собирательный «Лука» (или семейство таких организмов, потому что на самом деле они исчислялись миллиардами) мог приспосабливаться к изменениям окружающей среды. У него был геном, так что он мог воспроизводиться. И он развивался. Возможно, что у него не было ни собственной мембраны, ни собственного метаболизма. Вероятно, стенки его клеток состояли из пористой вулканической породы, а метаболизм зависел от геохимических потоков энергии, которые он едва ли мог контролировать. Белки, которые вырабатывал «Лука», говорят о том, что он обитал на краю глубоководных щелочных источников, вероятно в мелких порах лавоподобных пород, и извлекал энергию из окрестных градиентов тепла и кислотности, а также потоков протонов и электронов. Его химические внутренности, скорее всего, плескались в теплых жидкостях из недр Земли, а те были щелочными, то есть в них был избыток электронов. Сразу за пределами вулканических пор, которые служили «Луке» домом, располагались воды океана, более холодные и более кислотные, то есть с избытком протонов. Как в заряженной батарейке, малюсенький перепад электрического заряда между средой внутри организма «Лука» и внешним миром обеспечивал свободную энергию, необходимую для его метаболизма, поглощения питательных веществ из внешней среды и выделения отходов.
Один из пионеров в исследовании ранних форм жизни, Ник Лейн, описывает организм «Луки» следующим образом:
Он [LUCA] был не свободноживущей клеткой, а целым лабиринтом минеральных клеток, стенки которого были выстланы каталитическим составом из железа, серы и никеля, получавшим энергию за счет природного протонного градиента. Первыми формами жизни были пористые минералы, синтезировавшие сложные молекулы и генерировавшие энергию, в конечном счете научившиеся производить белки и даже ДНК
[69]
[70].
По сравнению с современными организмами «Лука» был устроен просто, но внутри его уже было множество изящных биохимических гаджетов, включая многие механизмы метаболизма и размножения, действующие в современных клетках. Вероятнее всего, для хранения генома он использовал РНК, так что мог воспроизводить себя гораздо аккуратнее и точнее, чем простые химикаты, а это, вероятно, говорит о его способности быстро эволюционировать. Часть потоков энергии, которыми он пользовался, «Лука» также тратил на изготовление АТФ (аденозинтрифосфата) – молекулы, которая переносит энергию и внутри современных клеток.
