Текст книги "Эволюция. От Дарвина до современных теорий"

Путь к становлению геноцентричных взглядов на эволюцию

5000 год до н. э.

Люди начинают разбираться в наследовании, когда переходят на селекционное разведение полезного домашнего скота и сельско-хозяйственных культур (кукуруза, пшеница, рис).

400 год до н. э.

Древнегреческие философы рассматривают механизмы наследования человека.

Гиппократ полагает, что материалом для наследственности служат крошечные частицы в организме, которые накапливаются в семенной жидкости родителей. Эти частицы смешиваются для создания признаков потомков.

1859

Чарльз Дарвин публикует «Происхождение видов» – собственное объяснение эволюции через естественный отбор. В книге содержится множество примеров того, как непостоянные признаки распространяются внутри популяции, но не приводится объяснения механизма их передачи.

1866

Августинский монах Грегор Мендель публикует подробные исследования по наследованию в растениях гороха и закладывает фундамент для современной генетики. Более трех десятилетий результаты его работ будут незамеченными.

1868

Дарвин публикует работу «Изменение животных и растений в домашнем состоянии», в которой излагает свою гипотезу о пангенезисе – процессе, при котором частицы под названием «геммулы» передают признаки организма своим потомкам.

1900

Голландские и немецкие ботаники повторно открывают законы Менделя о наследовании.

1905–1906

Биолог Уильям Бэтсон, главный сторонник работ Менделя, придумывает термин «генетика». Вскоре разрабатывается концепция гена.

1920-е

Новая область популяционной биологии начинает объединять идеи Дарвина и Менделя, определяя, как эволюция может работать на уровне генов.

1937

Феодосий Добржанский развивает современный синтез, определяя эволюцию следующими генетическими терминами: «изменение частоты аллеля [генного типа] в генофонде».

1942

Эрнст Майр обобщенно объясняет эволюцию новых видов. Например, когда географический барьер делает популяцию генетически несовместимой с исходными видами.

1944

Было доказано, что ДНК является материалом наследственности, а не белком, как это считалось ранее.

1951

Розалинд Франклин впервые получает изображения ДНК. Двумя годами позже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определяют структуру двойной спирали ДНК.

1990

Запускается проект «Геном человека». Проект завершится 13 лет спустя, когда будет обнаружена полная последовательность. Затем последуют исследования геномов многих других организмов.

4
Как зародилась жизнь

Эволюции нужен материал для работы. На протяжении многих миллионов лет после образования Земли наша планета была безжизненным местом с невыносимыми условиями. Затем, около 3,8 миллиарда лет назад, когда поверхность Земли остыла и образовались океаны, произошло нечто удивительное. Из первоначальных химических веществ на Земле возникла некая сущность, способная к самовоспроизведению. Так зародилась жизнь. Но как же именно это произошло?

Познакомьтесь с создателем

Каким же был последний общий предок всего живого? И как именно он жил? Возможно, это так и останется тайной. Однако исследователи уже начали изучать эту давно утраченную форму жизни.

Единственное, что мы знаем точно, – это то, что жизнь возникла в промежутке между формированием Земли (4,5 миллиарда лет назад) и появлением первых достоверных окаменелостей (порядка 3,4 миллиарда лет назад).

В 1859 году Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов», целая глава которой была посвящена проблеме отсутствия «промежуточных звеньев» – переходных форм, которые преодолели эволюционные разрывы между близкородственными видами. Если его теория верна, то ископаемые находки должны были пестреть этими звеньями. Но где же они?

Тогда это действительно была проблема, поскольку было найдено сразу несколько таких окаменелостей. Затем, в 1861 году, произошло знаменательное открытие – археоптерикс с крыльями и перьями птицы, а зубами и хвостом динозавра.

С тех пор мы обнаружили множество промежуточных звеньев: рыба, которая могла ползать, ящерицы с челюстями млекопитающих, киты с ногами, жирафы с короткими шеями и многие другие.

Но все же есть один экземпляр, который мы вряд ли когда-либо найдем, – связующее звено между самой древней протожизнью и жизнью в известном нам понимании, также известный как последний универсальный общий предок, или LUCA.

LUCA жил около 4 миллиардов лет назад и представлял собой крошечную и хрупкую форму жизни, ставшую прямым предком для каждого живого существа – от трубкозубов до зебр. LUCA не был самой первой жизнью на Земле; его появлению предшествовали тысячи, если не миллионы лет эволюционных экспериментов. Но изучение LUCA даст нам больше понимания происхождения жизни.

Мы уже знаем удивительно много. Несмотря на то, что все окаменевшие следы LUCA были, скорее всего, стерты эоны назад, сегодня мы все-таки можем найти указания на него в каждой живой клетке, включая нашу собственную. Клетки используют тот же генетический код, заключенный в ДНК. Таким образом, возникает предположение о том, что предок всего живого, LUCA, был сделан из ДНК.

Что появилось первым?

Сначала эта идея породила проблему курицы и яйца. Все формы жизни на Земле пользуются белками для выполнения своих базовых функций, включая создание ДНК и выполнение ее кода. Сами же белки сделаны из шаблонов ДНК, так что без ДНК нет белков. Так что же появилось первым?

Как оказалось, ни то ни другое. РНК является близким родственником ДНК. Она также находится во всех живых клетках и также несет в себе генетический код. Но в отличие от ДНК молекулы РНК имеют собственный инструментарий, выступая в роли ферментов и катализируя химические реакции. Наша самая свежая и лучшая теория о происхождении жизни, известная как «гипотеза РНК-мира», утверждает, что генетический код зародился из «первичного бульона» РНК-молекул, которые со временем породили ДНК и образовали первые клетки. И правда: не все жизненные формы выполнили этот переход, а некоторые вирусы все еще основаны на РНК.

Тем не менее и здесь возникает проблема: если LUCA состоял из РНК, то откуда взялась сама РНК? Дарвин был одним из первых ученых, рассуждавших о возникновении жизни. Он представлял себе «небольшой теплый водоем, в котором присутствовали все виды аммиака и фосфорных солей, свет, тепло, электричество и т. д.». В 1950-х годах американские химики Стэнли Миллер и Гарольд Юри попытались проверить эту гипотезу, заменив смесь газов и воды электричеством. В результате они создали горстку биотических молекул и, естественно, пришли к выводу о том, что изобретательность и упорство позволяют сделать так, что неживое превратится в строительные кирпичики жизни.

Однако не так давно эти идеи неожиданно опередили более конкретизированные взгляды. Например, Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона считает, что теплые жерла на дне океана – «черные курильщики» с первичным бульоном из метана, минералов и воды – обеспечили бы правильные условия для формирования РНК. В то же время Майкл Ярус из Колорадского университета в Боулдере придерживается идеи слякотного водоема. По его словам, постоянное замораживание и оттаивание смогли бы объединить химические вещества в правильном порядке.

Рис. 4.1. Познакомьтесь со своим создателем. Мы приближаемся к разгадке того, каким был последний общий предок всей жизни на Земле (LUCA) и откуда он взялся.

Быть может, это было сочетание обоих идей либо нечто совершенно иное. Интересно, что более поздние эксперименты по «оживлению» РНК показали, что при правильном сочетании химических составляющих фундаментальные кирпичики жизни как будто бы образуются сами. Это расширяет возможности зарождения жизни. Но не все так просто. Если химия жизни на нашей планете зародилась самостоятельно, то почему же этого не произошло и в других местах?

Самые древние следы жизни на земле

Охота за древнейшими окаменелостями – весьма спорная область. Ископаемые микробы довольно трудно отличить от минеральных структур, не имеющих ничего общего с жизнью. То же самое относится и к геохимическим следам древней жизни.

Самое древнее убедительное доказательство клеточной жизни было найдено в форме окаменелости в 2011 году на западно-австралийском пляже возрастом в 3,43 миллиарда лет. Песчинки пляжа стали домом для клеток, питавшихся серой в анаэробном мире.

Обнаруженные округлые, вытянутые и полые трубчатые клетки (вероятно, бактерии) скапливались вместе, образовывали цепочки и обволакивали песчаные частицы. Эти сероперерабатывающие бактерии живы до сих пор; они образовывают застойные черные слои под поверхностью песчаных пляжей.

На удивление хорошо сохранившиеся трехмерные ископаемые микробы раскопали на древнем пляже – сейчас на его месте расположено песчаниковое образование. Среди микробов были обнаружены зерна неокисленного пирита железа, что свидетельствует об отсутствии кислорода в период жизни этих организмов.

Со времен данного открытия говорилось и о более древних окаменелостях. Однако до сих пор нет единогласного мнения о том, являются ли эти структуры свидетельством жизни или же имеют небиологическое происхождение.

В 2016 году журнал Nature опубликовал отчет о структурах, найденных в горных породах Гренландии, возрастом в 3,7 миллиарда лет, которые, по-видимому, указывают на наличие микробов, живших в мелководном море древней Земли. Структуры, высотой не более нескольких сантиметров, напоминают собой строматолиты (слоистые насыпи, которые были образованы – и до сих пор образуются – фотосинтетическими микробами, живущими в воде). Анализ показал, что структуры имеют ту же химическую сигнатуру, что и морская вода, и это указывает на их морское происхождение. Чтобы точно во всем разобраться, идеально было бы обнаружить ископаемые останки микробов в горной породе. Однако это невозможно для данного типа скал.

Даже старше?

Затем в 2017 году произошло еще более знаменательное и неоднозначное открытие. Мэтью Додд из Университетского колледжа Лондона с коллегами проанализировал породы, собранные в области под названием «пояс Нуввуагиттук» в северном Квебеке, Канада. Здешние скалы образовались около 3,75 миллиарда лет назад, а некоторые геологи утверждают, что истинный возраст скал составляет порядка 4,29 миллиарда лет. Это означает, что они лишь немного моложе самой планеты.

Как и все древние горные породы, они претерпели значительные изменения. Какое-то время эти породы провели в недрах Земли, где температура превышала 500 °C, а экстремальное давление расплавляло и деформировало их. Тем не менее геологи могут прочесть подсказки, которые остались в породах в период нахождения их на дне самых первых океанов Земли. Примечательно, что, похоже, в этих горных породах сохранились свидетельства древних глубоководных гидротермальных источников. Именно эта среда, по мнению многих ученых, и является наиболее вероятным местом зарождения жизни.

Додд и его коллеги уверены, что нашли свидетельства древней жизни – в богатых железом породах, сформировавшихся вокруг относительно прохладных источников (с температурой ниже 160 °C). Эти породы содержат микроскопические трубочки и филаменты из оксида железа. Подобные структуры могли быть образованы бактериями, жившими в бактериальных «коврах» вокруг современных глубоководных гидротермальных источников.

Более того материал, близкий к филаментам, содержал углерод с изотопным балансом, характерным для биологических процессов. Часть этого углерода была заключена внутри кристаллических форм богатых фосфором минералов, что также указывает на древнюю биологию, поскольку фосфор необходим для всей жизни на Земле.

Если сложить все данные воедино, то они приводят нас к одному неизбежному, как считает Додд, выводу: очень древняя Земля была заселена микробами, схожими с теми, которые были обнаружены в современных низкотемпературных гидротермальных источниках.

Если эта гипотеза подтвердится, то полученные выводы будут значимы сразу по нескольким причинам. Таким образом, потенциальная отметка о зарождении жизни будет сдвинута на 4,29 миллиарда лет назад, подразумевая, что наша планета была заселена на удивление рано.

Кроме того, гипотеза доказала бы, что жизнь зарождалась вокруг глубоководных источников, в которых из-за полностью или частично отсутствующего света организмам приходилось черпать энергию из геотермальных процессов. Тогда бы мы смогли привести геологические данные в соответствие с результатами генетических и биохимических исследований, в которых говорилось о том, что жизнь возникла именно в глубоких гидротермальных областях, а не в мелких и солнечных средах, в которых находилось большинство древних окаменелостей.

Но не все безоговорочно верят в то, что данные структуры являются доказательством, либо что такие хрупкие микроскопические структуры смогли бы выжить в породах, подвергавшихся воздействию высоких температур и давлений глубоко под землей.

До достижения консенсуса может пройти ни один десяток лет. Когда имеешь дело с «ископаемыми» возрастом в 4,29 миллиарда лет, спешить куда-то уже бессмысленно.

Жизнь на Земле могла зародиться не один, а много раз

За 4,5 миллиарда лет земной истории жизнь в известной нам форме возникала всего один раз. Все живые существа на планете имеют одинаковую химическую структуру, которую можно отследить до LUCA – последнего общего предка. Поэтому мы предположили, что зарождение жизни было поистине сложным процессом, возникшим при стечении практически невозможных обстоятельств.

Так ли это? Простые биологические эксперименты, направленные на воссоздание самых ранних моментов жизни, готовы оспорить это предположение. Кажется, что жизнь сводится к основам химии – никакой магии, никаких редких составляющих, никаких внезапных неожиданностей.

Вот здесь и открывается еще более интригующая возможность. Вместо единичного возникновения в химически насыщенном древнем водоеме жизнь могла зарождаться многократно. В течение сотен тысяч лет данный процесс мог бы повторяться снова и снова, принимая различные формы и становясь тем, что мы видим сегодня после первого массового вымирания на Земле. В самые первые дни на планете жизнь, какой мы ее знаем, могла быть не одна.

Уточним один момент: то, о чем мы рассказываем, произошло задолго до появления животных, растений и даже микробов. Мы вернемся к самому началу, когда единственное, что подпадало под определение «жизни», было не больше молекулярной машины. Даже тогда, не имея тел, органов и клеток, сократив все до самых необходимых реакций – все казалось невероятно сложным. Жизнь нуждается как минимум в определенном коде, который будет использоваться для создания полезных молекулярных машин и самовоспроизведения.

На протяжении десятилетий люди обращались ко всевозможным внешним силам для объяснения создания некоторых исходных компонентов. В знаменитых экспериментах Юри-Миллера в 1950-х годах спусковым крючком являлся разряд тока, имитирующий удар молнии о воду (см. «Нужен ли гром среди ясного неба для создания жизни?»). Другие теории сводились к инопланетному заселению, благодаря метеоритам или кометам.

Нужен ли гром среди ясного неба для создания жизни?

В 1950-х годах два химика Стэнли Миллер и Гарольд Юри первыми показали, что некоторые ключевые компоненты для создания жизни можно изготовить из более простых материалов. Критическим шагом было электричество. Ученые смешали воду с газами, которые, по их мнению, присутствовали на древней Земле, и поразили их искусственной молнией. В результате были образованы аминокислоты – молекулы, из которых состоят все современные белки.

Жизни не обязательно требовались белки для старта, но они, безусловно, стали необходимым звеном далее, поскольку все ныне живущие существа используют те же самые 20 аминокислот для производства белков. Вполне очевидно, что аминокислоты действительно должны образовываться с невероятной легкостью, ведь они были найдены почти повсеместно в космосе, исследованном астробиологами.

Некоторые аминокислоты были обнаружены и на метеоритах «Розеттой» – космическим зондом для исследования орбитальной кометы 67P/Чурюмова – Герасименко. Эксперименты все еще предполагают возможное участие энергии при создании аминокислот, будь то ударные волны от столкновения с метеоритом или тепло, выделяемое из недр Земли через гидротермальные источники. Получается, что для создания генетического кода никакого грома среди ясного неба не требовалось. Однако он был нужен для образования белков.

Где все началось?

Не так давно химики, заинтересованные в вопросах происхождения жизни, нашли более методичный подход к проблеме. Разделив начальный процесс на составные этапы (см. рис. 4.1) ученые смогли убрать ореол мистицизма, окружающий первую искру жизни на Земле. То, что они обнаружили, указывало на совершенно иное начало.

Для Филиппа Холлигера из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже (Великобритания) разницей между жизнью и не жизнью служит генетический код. «У биологии есть память, а у химии ее нет», – говорит он. «Для меня само зарождение жизни является первоисточником информации». Многие биологи пытаются объяснить сотворение жизни через гипотезу мира РНК, которая гласит, что до появления ДНК вся информация содержалась в ее ближайшем родственнике – РНК. Обе молекулы представляют собой длинные цепочки из повторяющихся звеньев, или «букв». Итак, первый шаг к образованию жизни в данном случае – заложить фундамент для РНК.

В мае 2016 года Томас Карелл, биомолекулярный химик из Мюнхенского университета Людвига и Максимилиана (Германия) заявил, что его команда нашла простой способ по изготовлению необходимых компонентов – из субстанций, которые могли существовать на древней Земле: цианистый водород, аммиак и муравьиная кислота. Полученные реакции указывают на то, что создать мир РНК было не так уж и сложно. «Вам действительно не нужны особые условия», – говорит он. «Эти реакции могут происходить повсеместно: небольшой водоем, глубокое море и т. д.»

Таким образом, у нас появились буквы кода, пусть и редко используемые в ненаправленной форме. Следующий шаг также предельно прост. Двадцать лет назад британский химик Лесли Орджел показал, что если катализировать создание компонентов РНК, сами молекулы начнут хаотично собираться в цепочки. Все, что нам требовалось, – это глина. Происходит это потому, что кристаллы в некоторых глиняных породах обладают электрическим зарядом, как бы притягивающим буквы РНК и побуждающим их выстраиваться в цепочки и объединяться.

От кода к машинам

Но мы пока что не до конца приблизились к проявлению жизни. Код полезен только в том случае, если служит шаблоном для создания таких структур, как белки, представляющие собой строительный материал и двигатель всего живого на Земле. В нашем организме отмечается такое явление, как экспрессия генов. Это невероятно сложный процесс, контролируемый сложными молекулярными машинами. Весьма сомнительно, что такие машины могли появиться именно из древней грязи. Так как же все происходило в самых ранних формах жизни? Майкл Ярус из Колорадского университета в Боулдере уверен, что нашел решение. Его команда обнаружила на удивление простую реакцию, которая, по их словам, выглядит элементарной экспрессией генов. Смешав повторяющиеся нити РНК в воде с дополнительными свободно плавающими буквами РНК, ученые заметили, что буквы самопроизвольно упорядочиваются, образуя новые молекулы.

Исходная цепочка РНК выступает как бы в роли шаблона. Удивительно, но внутри наших тел новые молекулы выглядят как простейшие химические машины под названием «коферменты».

Однако для создания жизни требуются и другие шаги. Попросите кого-либо перечислить главные признаки жизни, и рано или поздно большинство скажет: «размножение». Живые организмы создают свои копии, а инертные элементы (например, камни) – нет. Без размножения жизнь зайдет в тупик.

Сейчас у нас есть специальные ферменты, отвечающие за репликацию ДНК. Но в июне 2016 года команда под руководством Джека Шостака, химика-эволюциониста из медицинской школы Гарвардского университета, продемонстрировала, что РНК может эффективно копировать себя без помощи каких-либо ферментов. Они смешали шаблон РНК со свободно плавающими строительными блоками РНК, как это в свое время сделал Ярус. Но Шостак добавил несколько фрагментов РНК, которые соответствовали частям шаблона. И это все изменило. Казалось, что эти фрагменты положили начало процессу репликации, и вскоре команда получила достаточно точные копии шаблонов.

Рис. 4.2. Четыре шага к созданию жизненно важных элементов.

– Эти реакции начинаются очень просто, – говорит Шостак. Другим ученым и раньше удавалось скопировать РНК без ферментов, однако эти реакции оказались быстрее. Шостак утверждает, что небольшие фрагменты-ускорители настолько малы, что могли спонтанно самообразоваться 4 миллиарда лет назад.

Команда Шостака полагает, что эти реакции или подобные им могут являться древней формой репликации, пусть даже и не создававшей идеальные копии каждый раз. Со временем появились бы новые шаблоны, кодирующие действительно полезные объекты (например, образование клеточных стенок). Именно в этот момент было бы важно идеальное копирование.

Несколько начал

Если собрать все эти открытия воедино, то можно предположить, что, быть может, создание рудиментарного мира РНК было не таким особенным и уникальным событием, как мы привыкли думать. И перед нами открывается интригующая возможность: что если самые ранние этапы жизни образовывались не однократно, а много раз?

Если это так, то первая эпоха жизни была эпохой великих экспериментов. В первичном бульоне появилось бы множество разновидностей молекулярных машин – часть из них была бы успешнее остальных. Какое-то время они бы вместе сосуществовали, а затем бы остались только самые успешные представители живого, потому что они были лучше других, окружающие условия изменились и стали более благоприятными для них, либо по счастливой случайности. Этот случай стал бы самым первым массовым вымиранием на Земле миллиарды лет назад.

Неправдоподобная эволюция сложной жизни и жизнь на других планетах

Обычно считается, что при правильных условиях простые формы жизни постепенно эволюционируют в более сложные. Но на Земле случилось нечто иное. После появления первых простых клеток последовал необычно долгий период ожидания до возникновения более сложных форм. И длился он почти половину жизненного цикла на планете. Кроме того, эти простые клетки образовали более сложные лишь раз в 4 миллиарда лет эволюции – это шокирующая и редчайшая аномалия, наводящая на мысли о невероятном случае.

Если бы за миллиарды лет простые клетки постепенно эволюционировали в более сложные, то существовали бы различные виды промежуточных клеток. При этом часть из них все еще существовала бы. Но их нет. Вместо них зияет пропасть. С одной стороны, есть прокариоты, бактерии и археи – крошечные структуры как по объему клеток, так и по размеру генома. С другой стороны, существуют огромные и неупорядоченные клетки эукариотов. Если сравнивать размеры генома, то типичный одноклеточный эукариот будет примерно в 15 000 раз больше бактерии.

Все сложные формы жизни на Земле – эукариоты (животные, растения, грибы и т. д.). И все они произошли от одного предка. Таким образом без единичного события, создавшего предка эукариотических клеток, не было бы растений и рыб, динозавров и приматов. По словам биолога Ника Лейна из Университетского колледжа Лондона, простые клетки просто не имеют правильной клеточной архитектуры, способной превращаться в более сложные формы.

Он утверждает, что для увеличения размера и сложности клетки она должна генерировать больше энергии. Эукариоты нашли, как решить эту проблему: они присоединили к себе другую бактерию, которая в дальнейшем эволюционировала в крошечные источники энергии, которые мы называем «митохондриями». Это обеспечило клетку энергией, необходимой для создания сложной жизни. «Трудно представить себе иной способ решения проблемы с энергией. Мы знаем, что на Земле это случилось лишь однажды, ведь все эукариоты произошли от общего предка», – говорит ученый.

Похоже, что все сложные формы жизни возникли благодаря одной случайности – присоединения одной простой клетки к другой. Лейн также утверждает, что необычайно низкая вероятность подобного события и объясняет тот факт, что мы до сих пор не нашли доказательств внеземной жизни.