С момента своего скромного зарождения, пишет Джорди Папс, старший преподаватель школы биологических наук при Бристольском университете, жизнь заразила всю нашу планету бесконечными прекрасными формами. Зарождение жизни – древнейшее биологическое событие, настолько древнее, что не осталось никаких четких свидетельств, кроме существования самой жизни. Источник: The Conversation.
Вся ли жизнь на Земле эволюционировала только один раз, или разные живые существа возникли из различных неживых материй? Вопрос о том, насколько трудно зарождается жизнь, интересен – не в последнюю очередь потому, что он может пролить некоторый свет на вероятность обнаружения жизни на других планетах.
Происхождение жизни – центральный вопрос современной биологии и, вероятно, самый трудный для исследования. Это событие произошло четыре миллиарда лет назад, и случилось оно на молекулярном уровне, что означает крайне малое количество ископаемых свидетельств.
В последнее время учеными предлагалось множество интересных теорий, от первозданных «бульонов» до инвазионного проникновения из космического пространства. Но в настоящее время научный консенсус заключается в том, что жизнь возникла из неживых молекул в результате естественного процесса, называемого абиогенезом. Скорее всего, это произошло в темноте глубоководных гидротермальных источников. Но тут возникает новый вопрос: если жизнь возникла однажды, то почему это событие не могло произойти более одного раза?
Живое из неживого
Ученые предлагают различные последовательные этапы абиогенеза. Современным биологам известно, что Земля была богата несколькими химическими веществами, такими как аминокислоты – тип молекул, называемых нуклеотидами или сахарами, которые являются строительными блоками жизни. Лабораторные эксперименты, такие как знаменитый эксперимент Миллера-Юри, показали, как эти соединения могут образовываться естественным образом в условиях, сходных с условиями ранней Земли. Некоторые из этих соединений также могли попасть на нашу планету вместе с метеоритами.
Затем эти простые молекулы стали объединяться, образуя более сложные органические вещества, такие как жиры, белки или нуклеиновые кислоты. Важно отметить, что нуклеиновые кислоты, такие как двухцепочечная ДНК или ее одноцепочечная родственная РНК, могут хранить информацию, необходимую для построения других молекул. ДНК более стабильна, чем РНК, но, напротив, РНК способна быть частью химических реакций, в ходе которых соединение создает копии самого себя – самовоспроизводство.
Гипотеза «мира РНК» предполагает, что ранняя жизнь использовала РНК в качестве материала как для генов, так и для репликации, до появления ДНК и белков.
Как только информационная система получает возможность создания копий самой себя, начинается естественный отбор. Некоторые из новых копий этих молекул (некоторые назвали бы их «генами») будут содержать ошибки или мутации, причем часть из этих новых мутаций улучшит способность молекул к репликации. Следовательно, со временем копий этих мутантов будет больше, чем других молекул, часть которых, в свою очередь, будет накапливать дополнительные новые мутации, делая их еще более эффективными и распространенными, и так далее.
В конечном счете эти молекулы образовали липидную (жировую) границу, отделяющую внутреннюю среду организма от внешней, образуя протоклетки. Последние были способны лучше концентрировать и организовывать молекулы, необходимые для биохимических реакций, обеспечивая сдержанный и эффективный метаболизм.
Неоднократное самовоспроизведение
Разумеется, абиогенез мог происходить не один раз. Земля могла породить самовоспроизводящиеся молекулы неоднократно, и, возможно, ранняя жизнь в течение тысяч или миллионов лет просто состояла из множества различных самовоспроизводящихся молекул РНК, имеющих независимое происхождение, конкурирующих за одни и те же строительные блоки. Увы, из-за древней и микроскопической природы этого процесса мы, возможно, никогда не узнаем об этом периоде древнейшей жизни.
Многие лабораторные эксперименты успешно воспроизвели различные стадии абиогенеза, доказав, что этот процесс мог происходить более одного раза, но у исследователей нет уверенности в том, что все так и случилось в прошлом.
Так возникала ли жизнь неоднократно в результате абиогенеза или же нет? Скорее всего, нет. Ранняя Земля была достаточно стерильна для возникновения жизни, физические и химические условия на ней были совсем другими. В наши дни если бы где-нибудь на планете возникли идеальные условия для появления новых самовоспроизводящихся молекул, они были бы очень быстро поглощены существующей жизнью.
Что ученым точно известно, так это то, что все ныне существующие живые существа происходят от единственного последнего универсального общего предка (также известного как LUCA). Если и были другие общие предки, то они не оставили после себя потомков. Ключевые доказательства подтверждают существование именно LUCA. Вся жизнь на Земле использует один и тот же генетический код, а именно соответствие между нуклеотидами в ДНК, известными как A, T, C и G, и аминокислотой, которую они кодируют в белках. Например, последовательность из трех нуклеотидов ATG всегда соответствует аминокислоте метионин.
В теории у разных видов могло быть больше вариантов генетического кода. Однако вся жизнь на планете Земля использует один и тот же код с несколькими незначительными изменениями в некоторых родословных. Биохимические пути, такие как те, которые используются для метаболизма пищи, также поддерживают существование LUCA. Многие независимые пути метаболизма могли развиться у разных предков, однако некоторые (например, те, которые используются для метаболизма сахаров) являются общими для всех живых организмов. Точно так же сотни идентичных генов присутствуют у разных живых существ, что можно объяснить единственным – все они происходят от LUCA.
Для Джорди Папса, автора статьи, любимой теорией в поддержку существования LUCA является модель «Древа жизни». Независимые исследования, проводившиеся как с использованием анатомии, так и метаболизма или генетических последовательностей, выявили иерархическую структуру родства, которую можно представить в виде «дерева». Это показывает, что люди больше связаны с шимпанзе, чем с любыми другими живыми организмами на планете. Шимпанзе и люди больше похожи на горилл, а с ними вместе – на орангутангов и так далее.
Вы можете выбрать любой случайный организм, от листьев латука в вашем салате до бактерий в вашем биологически активном йогурте, и если вы отмотаете их и свое биологическое прошлое достаточно далеко, то увидите общего предка с любым из современных организмов. И это не метафора, а научно установленный факт.
Это одна из самых ошеломляющих концепций в науке – дарвиновское единство жизни. Вы, читающие этот текст, – вы здесь благодаря непрерывной цепи репродуктивных событий, насчитывающей миллиарды лет. Как бы ни было захватывающе думать о жизни, постоянно возникающей на нашей планете или где-либо еще, еще более захватывающе осознавать, что все мы связаны с каждым живым существом на нашей планете.