Лукавый предок: с чего началось все живое

Гигантские насекомые 300 миллионов лет назад

Внешне у многоклеточных животных может быть мало общего, скажем, с плесневыми грибами. Но если посмотреть под электронным микроскопом, то обнаружится, что между нами почти нет разницы. Все мы состоим из клеток. Все клетки окружены липидной мембраной. Все они обслуживаются белками и РНК, закодированными в двойной спирали ДНК. Наконец, все живое одинаково добывает энергию. Все эти свойства указывают на то, что у всех известных нам форм жизни был общий предок, также известный как LUCA (last universal common ancestor)

Почему предок – общий

Жизнь, скорее всего, зарождалась много раз. Возможно – миллионы раз. Но только однажды зародившаяся жизнь оказалась настолько успешной, что дала начала всему многообразию живой природы, которое мы наблюдаем сегодня. Этот единичный случай – как раз LUCA.

Идея о том, что все живое происходит из одного-единственного организма, обычно приписывают Чарльзу Дарвину, который видел в ней логическое завершение своей теории эволюции. Понятно, что общего предка ни Дарвин, ни кто-либо еще не видел и вряд ли когда-либо увидит – речь идет о существе, отдаленно напоминающем бактерию и жившем неизвестно где порядка 3,5 млрд лет назад.

Почему тогда мы так уверены, что общий предок у всего живого был? Потому что все живое очень похоже. В 2010 г. американский биохимик Даглас Теобальд (Douglas L. Theobald) математически проанализировал последовательности нескольких повсеместно распространенных белков. Выбранные молекулы есть и у человека, и у мухи, и у растений, и у бактерий – но могли ли они появиться независимо? Теобальд рассчитал, что общий предок не просто вероятнее, а в 102860 раз вероятнее. Количество атомов во вселенной, для сравнения, составляет 1080.

Исследования общего предка обычно организованы по одной и той же схеме: мы сравниваем себя со всеми остальными (бактериями, археями, растениями) и пытаемся понять, какие элементы нашего устройства универсальны и, следовательно, имеют общее происхождение.

Например, почти все ученые убеждены, что LUCA был клеткой. Во-первых, жизни без клеток сегодня мы просто не знаем. Во-вторых, ее очень сложно представить. Жизнь зародилась в океане. Океан – неимоверно большая масса воды. Сколько бы активных, «жизнеспособных» молекул в нем не появлялось, их концентрация в океане будет фактически нулевой. Чтобы эти молекулы начали между собой продуктивно реагировать, их нужно поместить в замкнутое пространство – например, клетку, окруженную липидной оболочкой или мембраной. Мембрана считается одним из основополагающих свойств живого – а значит, одной из отличительных черт нашего общего предка.

Помимо мембраны, для жизни нужны молекулы, которые умеют воспроизводиться – либо сами по себе, либо при помощи других молекул. Сегодня самая известная такая молекула – это ДНК. Но первыми самовоспроизводящимися, «живыми» молекулами, от которых в конечном итоге произошел LUCA, были РНК. Некоторые ученые даже высказывают предположение, что ДНК у LUCA вообще не было – она независимо появилась у его потомков. Так или иначе, самовоспроизводящийся геном – из ДНК или РНК – у общего предка точно был.

Двойная спираль ДНК в живых организмах существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B и Z (слева направо) ©Wikimedia Commons

Наконец, для жизни нужна еда. Только потребляя энергию можно создать из менее упорядоченной системы более упорядоченную, то есть обладающую меньшей энтропией. Чем питался последний общий предок живого?

РНК – молекула жизни. Откуда мы знаем, что жизнь началась с РНК? Во-первых, РНК кодируют белки – основу современной клетки – но не наоборот. Причем рибосома – молекулярная машина, «декодирующая» РНК в белок – состоит преимущественно из РНК особого типа. То есть РНК теоретически вполне самодостаточна. Во-вторых, РНК могут эволюционировать – это давно показано экспериментально. Последовательность цепи РНК в пробирке будет случайным образом изменяться – если при этом каким-то образом отбирать «полезные» изменения, получается полноценная и наблюдаемая эволюция. В-третьих, РНК, в отличие от ДНК, довольно активная молекула. Она может катализировать реакции – почти как белок, выполняющий в современной клетке почти все функции. Можно, например, искусственно создать РНК, которая будет в точности копировать саму себя без дополнительных приспособлений.

Молекулярный бензин

Почти все молекулы, из которых состоит живое, работают на одном и том же топливе: аденодинтрифосфорной кислоте, или АТФ. Чтобы существовать, клетке – самой главной универсальной единице живого – нужно постоянно производить это вещество. Для этого нужна энергия извне.

Источник энергии может различаться. Растения усваивают ее из солнечного света. Животные расщепляют еду – биологическое топливо. Некоторые бактерии довольствуются топливом минеральным. Но конечная стадия – всегда производство АТФ. А производится АТФ у всех известных нам форм жизни одинаково – с помощью молекулярной турбины, раскручиваемой (в буквальном смысле) потоком ионов. Чаще всего в качестве раскручивающего иона используется протон.

Протон, или ион водорода – это простейшая положительно заряженная частица, которая вместе с отрицательно заряженным гидроксил-ионом составляет молекулу воды. Небольшой процент молекул воды все время находится в расщепленном состоянии: протон существует отдельно от гидроксил-ионов. В чистой воде протонов столько же, сколько гидроксилов. При добавлении кислоты становится больше протонов. Щелочь, наоборот, добавляет в раствор гидроксилов.

Представьте, что в толще воды сидит некое микроскопическое, но очень умное создание, которое умеет отличать протоны от гидроксил-ионов. В физике подобных гипотетических существ называют демонами – наш, например, очень напоминает знаменитого демона Максвелла. Этот подводный демон хватает протоны и силой запихивает их в мешок. В мешке протонов становится больше, чем гидроксилов – вода превращается в кислоту. Если теперь сделать в мешке дырку размером с протон, то те струей вырвутся из мешка: из высокой концентрации в низкую концентрацию. То есть перепад – или градиент концентрации протонов содержит в себе энергию, точно так же, как вода, вращающая турбину ГЭС.

Откуда эта энергия взялась?

В нашем примере источник энергии – демон, прилагающий усилия, чтобы рассортировать протоны и гидроксилы. Энергия накапливается в мешке и высвобождается, если в нем проделать дырку. Если исхитриться, то эту энергию можно собрать – как собирает ее ГЭС, выстроенная на реке – и сделать с ней что-то полезное. Именно таким способом несколько миллиардов лет назад предки всего живого научились производить АТФ: они придумали турбину, вращение которой питало синтез этой энергетической молекулы. Но чем, если не волшебным демоном, создавался градиент протонов, нужный для синтеза АТФ?

Почти все ученые убеждены, что LUCA был клеткой

Что появилось раньше: кастрюля или суп?

Современные организмы производят градиенты сами. Делается это всегда по одной и той же схеме: протоны куда-нибудь накачиваются (или откуда-нибудь выкачиваются) специальными белковыми насосами, которые тратят на это энергию из еды или, например, солнечного света.

Насосы вставлены в непроницаемую для протонов мембрану – из-за этого они не могут просто просочиться обратно. В итоге с одной стороны мембраны протонов становится много, с другой – мало, как в примере с демоном и мешком.

«Протонный шлюз» – дырка в мешке – открывается, и протоны устремляются обратно, туда, где их стало мало, раскручивая при этом турбину и производя АТФ. У нас это происходит в митохондриях, у фотосинтезирующих растений – в хлоропластах, у бактерий – на их собственной клеточной мембране. Но сам искусственно создаваемый градиент ионов универсален.

Если что-то универсально – то исходя из теории эволюции, скорее всего, оно было и у общего предка. Очень трудно предположить, что настолько похожие системы накопления и добычи энергии независимо появились во всех царствах живого. LUCA должен был вовсю пользоваться градиентами еще до того, как он положил начало двум главным ветвям эволюции: археям и бактериям.

Но здесь возникает парадокс, который много лет не давал покоя эволюционистам и биохимикам.

Три домена

Самая популярная сегодня модель деления живого мира была впервые предложена в 1977 г. Карлом Воузом (Carl Woese). На основании анализа генов рибосомальной РНК он заключил, что все живое подразделяется на три царства, или домена (последний термин был введен в 1990-х): бактерии, археи и эукариоты. Бактерии и археи (объединяемые также под термином «прокариоты») внешне похожи – например, ни у тех, ни у других нет ядра. Но при этом они сильно различаются деталями молекулярного строения. По некоторым признакам археи ближе к эукариотам, к которым относятся все организмы с клеточным ядром, включая животных, растений и грибов.

В последние годы классическое «тройное» эволюционное древо стало видоизменяться. Сегодня большинство ученых считают, что эукариоты произошли путем слияния архей и бактерий. Кроме того, не факт, что четкое древо ранней эволюции в принципе можно выстроить: скорее всего, между ранними организмами происходил постоянный горизонтальный обмен генами, что размывает и усложняет понятия вида и даже домена.

Филогения живых организмов

Одно из главных отличий современных бактерий и архей – это строение их мембран. В обоих царствах, или доменах, клеточные мембраны состоят из липидов, но химически эти липиды резко различаются.

Белки в составе мембран тоже совершенно разные – похожи только редчайшие и древнейшие молекулы вроде той самой «протонной турбины», которая есть у всех. По логике эволюции, это должно означать, что состав и строение мембран у бактерий и архей формировались уже после разделения. А градиенты, как мы выяснили, были еще до разделения. Но для градиентов нужны мембраны и белковые насосы! Как могло получиться, что общий предок уже «питался» градиентами, но еще не умел их «готовить»?

Разгадка может заключаться в том, что градиенты протонов древними клетками не производились. Они ими, скорее, усваивались из внешней среды.

Кислотная река и насос, который изменил все

Группа британских ученых под руководством Ника Лэйна (Nick Lane) предлагает следующее объяснение. Согласно наиболее распространенной версии, жизнь зародилась на глубине океана рядом с подводными горячими источниками. В такой среде перепады концентраций протонов могут образовываться естественным образом: щелочная среда вблизи осадочных пород, производимых горячим источником, плавно переходит в слабокислую среду толщи океана.

Если устроиться ровно на границе кислой и щелочной среды, то этим можно воспользоваться.

С одной стороны протонов будет больше, с другой – меньше. Перепад – значит «течение». Течение – значит «энергия». Лэйн и его коллеги считают, что именно так у нашего предполагаемого предка впервые появилась идея превращения градиента концентраций в полезную энергию – на естественной «реке» протонов была выстроена АТФ-синтезирующая турбина.

Из такой модели есть несколько следствий. Во-первых, отпадает необходимость в насосах: градиент протонов образуется сам по себе за счет перепада кислотности. Во-вторых, чтобы этим градиентом воспользоваться, клеточная мембрана должна быть легко проницаема для протонов – иначе перепад их концентрации ее никак не коснется. То есть «мешок» должен быть дырявым. В-третьих, клетка должна быть неподвижной: если она сдвинется с хорошего «градиентного» места, то градиента уже не будет, а раз мембрана легко проницаема, «унести градиент с собой» не получится – протоны будут просто свободно двигаться между клеткой и внешней средой.

Как тогда вообще предки бактерий и архей научились жить вдали от спасительных горячих источников? Лэйн и его коллеги считают, что главную роль в этом сыграло появление протонно-натриевого насоса. Это мембранный белок, который обменивает протоны на равное количество ионов натрия. То есть протонно-натриевым насосом «натуральный» градиент протонов можно превратить в «искусственный» градиент натрия. Преимущество этого метода заключается в том, что протащить сквозь «дырявую» мембрану натрий гораздо труднее, чем протон. То есть перепад концентраций натрия «сохраняется» лучше, чем перепад концентраций протонов.

Насосы, создающие градиент протонов искусственно, не могли сами по себе появиться при дырявой мембране: в них бы просто не было смысла. Если мембрана дырявая, как показывают математические расчеты группы Лэйна, насосы не дают никакого преимущества. Но стоит добавить «обменник» – протонов на натрий – как накопление градиентов становится гораздо эффективнее, и в насосах появляется существенная польза.

Что происходит дальше? Клетка продолжает эволюционировать. Раз насосы эффективны, значит постепенно их будет становиться больше и больше – до тех пор, пока это приносит пользу. Раз есть протонно-натриевый «обменник» – значит, все накопленное можно носить с собой. Необходимость в «естественном» градиенте отпадает: клетка становится автономной. 

Одновременно с этим отпадает необходимость в дырявой мембране – наоборот, прочная мембрана куда лучше удерживает градиенты. Как только мембрана становится прочной и перестает пропускать протоны, в сидении на горячем источнике пропадает смысл.

Итого, протонно-натриевый «обменник», по мнению Ника Лэйна, своим появлением вызвал цепную реакцию эволюционных преобразований, по результату которых неподвижные дырявые полу-клетки, полностью зависимые от горячих источников, превратились в прижимистых и прозорливых исследователей океанических глубин – и в конечном итоге во все многообразие современной природы. Именно после возникновения «обменника», считают исследователи, произошло разделение бактерий и архей – двух главных ветвей ранней эволюции. Их мембраны «затвердели» по-разному – но верность градиентам ионов как конечной стадии переработки энергии сохранили обе группы.

Споры о биологии LUCA – прадедушки всего живого – вряд ли когда-нибудь разрешатся однозначными данными. Прадедушкино тело за миллиарды лет истлело – но дух его живет. Наш организм по-прежнему закодирован в последовательности нуклеотидов. Он по-прежнему состоит из клеток. Мы научились извлекать энергию из бутербродов – но чтобы ее усвоить, мы по-прежнему устраиваем в каждой клетке древний горячий источник.