Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира

Винарский Максим

Остается только гадать, какие существа населяли Землю до LUCА, как они были устроены и почему сошли с эволюционной сцены, не оставив потомков. Обратимся лучше к тому, что современные ученые смогли узнать о LUCА. Почти все это знание основано на анализе генетических и биохимических признаков ныне живущих видов. Если они происходят от единого первопредка, то непременно должны нести в своих геномах полученное от него “наследство”. Путем сравнения генетических признаков множества видов современных живых существ исследователям удалось идентифицировать 355 генов, которые, как они предполагают, входили в геном LUCА [12] .

12

Weiss M. C., Sousa F. L., Mrnjavac N., Neukirchen S., Roettger M., Nelson-Sathi S., Martin W. F. 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nature Reviews Microbiology, 1 (9): 16116. https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016116.

Зная конкретные гены, можно установить, за производство каких белков они отвечали, а значит, еще немного приблизиться к реконструкции нашего общего предка. Одним из наиболее важных результатов изучения LUCА стал вывод о

том, что его белки были в высокой степени термоустойчивы. На основе этого биохимики делают вывод, что их владелец, первобытный одноклеточный организм, жил в весьма теплой, даже горячей среде. По некоторым оценкам, ее температура могла превышать 90 °C [13] , иными словами, наш герой обитал чуть ли не в крутом кипятке! Для большинства современных живых существ даже гораздо меньшие температуры являются смертельными, хотя среди бактерий и архей известны очень термоустойчивые виды, прекрасно себя чувствующие даже в воде исландских гейзеров. Но большинство исследователей склонны думать, что LUCА жил не в гейзерах, а на дне первобытного океана, где тоже были (да и сейчас есть) подходящие места для любителей поплескаться в кипятке. Я имею в виду подводные гидротермальные источники, такие как, например, знаменитые “черные курильщики”, образующиеся там, где из-под земной коры бьют фонтаны очень горячей и обогащенной минеральными веществами воды. В таких местах процветают сообщества бактерий и архей, а также микробоядных многоклеточных организмов (и многоклеточных организмов, которые питаются последними). Самое место для проживания нашего LUCА!

13

Akanuma S., Yokobori S., Nakajima Y., Bessho M., Yamagishi A. 2015. Robustness of predictions of extremely thermally stable proteins in ancient organisms. Evolution, 69 (11): 2954–2962.

Значит ли это, что жизнь тоже возникла в подобном “черном курильщике”? Некоторые ученые отвечают на этот вопрос утвердительно, ссылаясь на необычайную теплолюбивость (“гипертермофильность” на профессиональном языке микробиологов) LUCА. Другие возражают, что жизнь могла возникнуть вовсе не в первобытном океане, а в гораздо более специфических местообитаниях, расположенных прямо на поверхности нашей планеты, – жерлах грязевых вулканов или горячих источниках. Еще в 1871 г. Чарльз Дарвин в частной переписке высказал догадку, что первые живые существа могли зародиться на поверхности земли в какой-нибудь “маленькой теплой луже” (warm little pool) [14] . Исследования последних десятилетий как будто бы подтверждают его удивительное научное предвидение. В качестве современных аналогов такой “колыбели” первобытной жизни рассматриваются, например, гейзеры Камчатки [15] .

14

Это было письмо, написанное Дарвином 1 февраля 1871 г. своему другу и ученому коллеге ботанику Джозефу Хукеру. Оригинальный его текст можно найти здесь:Конечно, предположение Дарвина в этом письме было не стройной и продуманной научной гипотезой, а всего лишь догадкой, высказанной бегло и походя. Тем замечательнее, что, судя по всему, эта догадка оказалась верной.

15

См.: Kompanichenko V. N., Poturay V. A., Shlufman K. V. 2015. Hydrothermal systems of Kamchatka are models of the prebiotic environment. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 45: 93–103.

Мы помним, что LUCA был далеко не первым организмом в биосфере: между зарождением жизни и появлением последнего общего предка всех современных видов могли пройти многие десятки миллионов лет. Вполне вероятно, что жизнь, возникнув в этой гипотетической “теплой луже”, проникла в воды Мирового океана и там дала множество разнообразных потомков, одним из которых и стал теплолюбивый LUCA. Но оставим споры по этому интереснейшему вопросу специалистам…

Что еще удалось узнать о нашем далеком первопредке?

Жил он примерно 3,8 млрд лет назад. Как получена эта датировка, поговорим чуть позже, в главе 3. Наследственную информацию LUCA хранил, используя молекулы ДНК, но он еще не имел хромосомного аппарата. Считывание (транскрипция) этой информации проводилось, как и во всех современных клетках, с помощью рибосом и молекул РНК. Белки, которые он мог синтезировать, состояли из тех же 20 базовых аминокислот, которые входят в состав белков нынешних организмов. Был LUCA роста совсем небольшого, прямо скажем, микроскопического, но уже обладал всем необходимым внутриклеточным оснащением, чтобы размножаться и обмениваться с окружающей средой энергией и веществами, необходимыми для жизнедеятельности. Возможно, что его тело (клетку) окружала вполне сформированная мембрана, похожая на те клеточные мембраны, которые есть у современных бактерий и эукариот (правда, с этим согласны не все специалисты). Через нее LUCA получал извне все необходимое и избавлялся от ненужных веществ. Что касается его способа питания, то биологи величают LUCА “анаэробным хемоавтотрофом”. В переводе на более простой язык это значит, что LUCA не нуждался в кислороде для своего существования и мог сам производить нужные ему питательные вещества, используя для этого неорганические соединения, в изобилии представленные в его среде обитания. Это были самые простые вещества – молекулярный водород (H₂) и углекислый газ (CO₂). LUCA получал необходимую для жизни энергию, окисляя водород. Углекислый газ он использовал как источник углерода для построения органических молекул. Да, несмотря на всю простоту своего клеточного устройства, наш герой был весьма искусным химиком. Собственно, почти все его современники, древнейшие микробы, вели сходный образ жизни. Фотосинтез – важнейший биохимический процесс, появление которого предопределило всю последующую историю земной биосферы, – еще только предстояло “изобрести” (см. рис. 1.1). Когда это произойдет, живые организмы получат в свое распоряжение изобильный и очень надежный источник энергии – солнечный свет. Пока же LUCA и его собратья извлекают энергию, содержащуюся в неорганических молекулах, чем и добывают свой “хлеб насущный”. Свободного кислорода в оболочках Земли пока тоже маловато, да и не могло его быть много до появления фотосинтезирующих бактерий, усердным трудом которых за многие миллионы лет сформировалась современная, богатая O₂, атмосфера нашей планеты. Совсем не случайно, что в биохимической конституции LUCA присутствовало много железосодержащих

ферментов. Как и другие микробы, наш предок нуждался в этом элементе для роста и жизнедеятельности. В современной атмосфере железо быстро окисляется и переходит в нерастворимую в воде трехвалентную форму (нам она хорошо знакома в быту в виде ржавчины). В наши дни в водах Мирового океана растворено сравнительно мало железа, и его обитатели вынуждены обзаводиться сложными химическими механизмами для добывания данного элемента. LUCA, живший в бескислородной среде, богатой хорошо растворимым двухвалентным железом, не знал такой трудности и мог позволить себе роскошь обладания железосодержащими ферментами [16] .

16

Plaxco K. W., Gross M. 2013. Astrobiology: a brief introduction, p. 183.

За прошедшие с той далекой поры миллиарды лет археи и бактерии очень слабо изменились как в морфологическом, так и в биохимическом отношении. Весьма вероятно, что кое-кто из нынешних представителей этих доменов не сильно отличается от первобытного существа, называемого LUCA. Впрочем, главная тема этой книги – родословная животных, строение которых в ходе эволюции видоизменялось, по сравнению с микробами, чрезвычайно сильно. Но в эпоху, о которой рассказано в этой главе, животных, как говорится, не было даже в проекте. Если бы нашу планету 3,8 млрд лет назад посетил воображаемый инопланетный биолог, ему было бы мудрено увидеть в LUCА и его собратьях эволюционный зачаток высокоорганизованных многоклеточных организмов, освоивших со временем не только гидросферу, но и поверхность земли, и почву. На этом эволюционном пути предстояло сделать немало шагов, важнейшие из которых – возникновение эукариотической клетки, а также появление настоящих многоклеточных организмов. Об этом мы еще обязательно поговорим. Пока же давайте немного отвлечемся от мира живой природы и обратимся к миру человеческому. Оставив на некоторое время наших далеких первопредков, посмотрим, как, когда и при каких обстоятельствах ученые пришли к великой идее эволюционного родства всех видов животных – от губок до млекопитающих. Кроме того, перед тем как двигаться дальше через горы времени, нам надо разобраться, каким образом современные исследователи могут заглядывать в прошлое и как им удается понять, кто из животных кому родственник и в какой степени родства.

2. Холодным январским вечером в Уппсале

За рюмкой вспало мне на ум,

Зачем природа вся в трех царствах.

Удел животных есть: любить

И пить… Орел, дельфин и муха,

И червь, и крот, и человек –

По своему всяк пьет и любит.

Александр Востоков [17] . Три царства природы

– Я, – говорит Линней студентам, – унаследовал от материупорный характер, а от отца – немощное тело. Он чувствует, как они на вытянутых руках поднимаютего высоко в воздух и кричат “ура!”. Они почитают его, чествуют, угощают терновой наливкой, земляникой и сливками.

Магнус Флорин. Сад

17

Александр Востоков – почти забытый русский поэт, современник Пушкина. Его стихи известны сегодня, наверное, лишь редким знатокам.

Швеция, Уппсала, начало января. Ветрено и холодно. Зимой солнце на этой широте заходит рано, и в четыре часа вечера на улице уже кромешная тьма. Мы стоим у входа в центральный неф Кафедрального собора Уппсалы. Это здание замечательно не только долгой историей, но и множеством знаменитостей, обретших в нем свой последний приют. Здесь погребены средневековые шведские короли и королевы, великие полководцы, архиепископы, философы и даже один лауреат Нобелевской премии [18] . Но нас в этом городе мертвых по-настоящему интересует только один человек, и мы стоим как раз над его могильной плитой, расположенной у самого входа.

18

Натан Сёдерблюм, шведский церковный деятель и пацифист, удостоенный в 1930 г. Нобелевской премии мира.

Мы – я и мой коллега Иван – совершали научное путешествие по шведским зоологическим музеям, изучая хранящиеся там коллекции моллюсков. Поработав в Гётеборге, мы собирались переехать в Стокгольм, но Иван предложил по пути остановиться в Уппсале и провести там выходные. Я согласился не раздумывая. Для меня и для Ивана, как и, наверное, для большинства современных ученых, специализирующихся в области ботаники или зоологии, Уппсала прочно связана с именем человека, известного всему просвещенному человечеству. Это Карл Линней (Линнеус), он же “князь ботаников”, он же “архиатр шведского короля, кавалер ордена Полярной звезды, профессор ботаники Уппсальского университета, академик Уппсальской, Стокгольмской, Петербургской, Берлинской, Лондонской Королевской академий и прочая, прочая, прочая”, он же просто “уппсальский гений”. Подобно средневековым пилигримам, отправлявшимся в дальние края, чтобы поклониться мощам святого Иакова в Сантьяго-де-Компостела или Гробу Господню в Иерусалиме, мы совершали паломничество к месту упокоения этого удивительного человека, заложившего основы современной классификации животных и растений.

Две всепоглощающие страсти с ранних лет владели душой и помыслами Карла Линнея [19] . Они же определили всю его судьбу и бессмертие, уготованное его имени. Первая из них – страсть к изучению, созерцанию и выращиванию растений, проявившаяся уже в очень нежном возрасте. Школьные учителя Карла, пичкавшие его теологией и латынью, хором возмущались тупоумием этого ребенка и советовали отцу забрать его из школы и отдать в подмастерья сапожнику. Но этот равнодушный к сухой школьной премудрости мальчик преображался, приходя в возделанный им самим маленький сад. Здесь он становился сосредоточен, внимателен, наблюдателен и памятлив. Ему на роду было написано сделаться “князем ботаников”, а не богословом или латинистом.

19

До сих пор лучшей книгой о Линнее, опубликованной на русском языке, остается монография Е. Г. Боброва «Карл Линней, 1707–1778». – Л.: Наука, 1970. Много сведений о биографии Линнея и о его трудах в области зоологии можно найти в большой статье: Боркин Л. Я. Карл Линней (1707–1778) как зоолог // Труды Зоологического института РАН. 2009. Приложение 1. С. 9–78. https://www.zin.ru/journals/trudyzin/doc/vol_313_s1/TZ_313_Supplement_Borkin.pdf.