Эволюция всего

Но не сдавайтесь! Действительно, до недавнего времени происхождение «мира РНК» казалось столь неразрешимой задачей, что давало почву мистицизму. В 2011 г. в журнале Scientific American Джон Горган опубликовал статью под заголовком «Тс-с! Не говорите креационистам, но ученые не знают, как зародилась жизнь».
Но сегодня, спустя лишь несколько лет, у нас есть кое-какие идеи на этот счет. Анализ последовательностей ДНК показывает, что в самом основании генеалогического дерева жизни находятся простые клетки, которые не сжигают углеводы, как мы, но эффективно заряжают свои электрохимические «батарейки», превращая углекислый газ в метан или ацетат. Если вы сегодня захотите отыскать химическую среду, которая находилась внутри этих самых первых микробов, загляните на дно Атлантического океана. В 2000 г. вблизи Срединно-Атлантического хребта ученые обнаружили гидротермальные источники, которые очень сильно отличаются от тех, что были найдены ранее в других участках морского дна. Вместо горячей и кислой жидкости, испускаемой так называемыми черными курильщиками, источники этой области, получившей название «Потерянный город» (Lost City), испускают тепловатую, слегка щелочную жидкость и сохраняются на протяжении десятков тысяч лет. Биологи Ник Лейн и Билл Мартин занялись сравнением жидкости, вытекающей из этих источников, с внутриклеточной жидкостью хемиосмотических клеток и обнаружили удивительное сходство методов запасания энергии. В частности, клетки запасают энергию путем перекачивания через мембраны заряженных частиц, обычно ионов натрия или водорода, что создает на мембране электрический потенциал. Это универсальное и очень важное свойство всех живых существ, однако, как выяснилось, оно могло быть позаимствовано у подводных источников, таких как источники «Потерянного города» [15].
Четыре миллиарда лет назад океан был кислым, насыщенным углекислым газом. При контакте щелочной жидкости из источников с кислой океанской водой на тонких стенках источников, состоящих из соединений железа, никеля и серы, возникал градиент протонов. Величина этого градиента примерно такая же, как на мембранах современных клеток. Внутри минеральных пор источников химические вещества попадали в богатое энергией пространство, что могло способствовать образованию более сложных молекул. Эти молекулы постепенно начали воспроизводить сами себя за счет энергии градиента протонов и оказались включенными в игру, в которой выживает наиболее приспособленный. А дальше, как сказал бы Дэниел Деннет, сработал алгоритм. Короче говоря, мы вплотную подошли к решению загадки о происхождении жизни.
Только краны и никаких крюков
Как я заметил выше, отличительным признаком жизни является способность захватывать энергию и применять ее для создания упорядоченных систем. Таков же признак цивилизации. Как люди используют энергию для построения зданий, приборов и идей, так гены употребляют энергию для создания белков. Размер бактерии ограничен количеством энергии, приходящейся на каждый ген. Дело в том, что энергия накапливается в клеточной мембране за счет перекачивания протонов, а чем крупнее клетка, тем меньше отношение ее площади поверхности к объему. Бактерии, которые имеют настолько крупный размер, что видны невооруженным глазом, содержат внутри себя гигантские пустые вакуоли.
Однако в какой-то момент, примерно через 2 млрд лет после зарождения жизни, стали возникать гигантские клетки со сложными внутренними структурами. Мы называем такие клетки эукариотами. К ним относятся животные, растения, грибы и простейшие.
Ник Лейн утверждает, что эукариоты возникли в результате того, что группа бактерий поселилась внутри клетки археи (микроба особого типа). Позднее потомки этих бактерий превратились в митохондрии, производящие необходимую клетке энергию. Каждую секунду тысячи триллионов митохондрий человеческого организма перекачивают через свои мембраны миллиард триллионов протонов, накапливая электрическую энергию, необходимую для синтеза белков, ДНК и других крупных молекул.
 
Митохондрии по-прежнему сохранили несколько своих генов, но совсем немного (13 в клетках человека). Упрощение их генома было вызвано жизненной необходимостью. Это позволило вырабатывать гораздо больше дополнительной энергии для нужд «нашего» генома, и именно это позволяет нам иметь сложные клетки, сложные ткани и сложные тела. В результате у нас, эукариотов, в десятки тысяч раз больше энергии в расчете на один ген, чем у бактерий, и наши гены отличаются гораздо более высокой продуктивностью. Поэтому у нас гораздо более крупные клетки и более сложные внутриклеточные структуры. Мы преодолели предел размера бактериальных клеток, упаковав множество митохондриальных мембран и упростив геном, необходимый для поддержания функции этих мембран.
Странным образом, этот процесс имеет аналогию в промышленной революции/эволюции. В аграрных сообществах семья выращивала ровно столько еды, столько нужно было, чтобы прокормиться, но никаких излишков не оставалось. Так что лишь немногие люди могли иметь дворцы, бархатные куртки, богатые доспехи или что-то еще, для изготовления чего требовалась дополнительная энергия. Приручение крупного рогатого скота и лошадей, а также использование силы ветра или воды позволило получать несколько больше энергии, но не слишком много. Применение древесины в этом смысле не приносило пользы – дерево давало тепло, но не помогало совершать работу. Поэтому общество владело лишь ограниченным капиталом. С началом промышленной революции люди получили практически неисчерпаемый источник энергии в виде угля. Угольные шахты, в отличие от крестьянских хозяйств, производили намного больше энергии, чем потребляли. И чем больше было угля, тем эффективнее велась работа. С появлением первых паровых двигателей был разрушен барьер между теплом и работой, так что энергия угля могла усиливать работу человека. Как при эволюции эукариот внезапно увеличилось количество клеточной энергии в расчете на каждый ген, так в ходе промышленной революции внезапно выросло количество энергии, приходящейся на каждого рабочего. И с помощью этой дополнительной энергии, как утверждает экономист в области энергетики Джон Констебл, люди стали строить дома, машины, компьютеры и различные приспособления – появился капитал, обогащающий нашу жизнь. Избыток энергии абсолютно необходим для жизни современного общества, это признак благосостояния. Американец потребляет примерно в десять раз больше энергии, чем нигериец, то есть он в десять раз богаче. Как писал Уильям Стенли Джевонс [16], «с углем почти все просто и возможно, без него мы возвращаемся к тяжелому труду и бедности прежних времен». Как эволюция производства энергии эукариотами, так и эволюция производства энергии в ходе индустриализации были явлениями незапланированными.
Однако я отвлекся. Вернемся к геному. Геном – цифровая компьютерная программа невероятной сложности. Малейшая ошибка может изменить характер или степень экспрессии 20 тыс. генов (у человека) или повлиять на взаимодействие сотен тысяч контрольных последовательностей, включающих и выключающих различные гены, и в результате привести к ужасным деформациям или вызвать болезнь. Но у большинства из нас эта компьютерная программа непостижимым образом работает практически без сбоев на протяжении 70 или 80 лет.
Только представьте себе, какие события ежесекундно происходят в нашем организме. Наше тело состоит примерно из 10 трлн клеток (не считая бактерий, составляющих значительную часть человеческого тела). В любой момент времени все эти клетки транскрибируют тысячи генов. В этом процессе задействованы сотни белков, взаимодействующих специфическим образом и катализирующих десятки химических реакций для каждого из миллиона оснований ДНК. На основании каждого транскрипта синтезируется молекула белка, состоящая из сотен или тысяч аминокислот. Происходит это на рибосомах – молекулярных машинах, состоящих из десятка движущихся частей и способных катализировать множество химических реакций. Далее белки распределяются по клеткам и за их пределами, чтобы ускорять реакции, переносить другие молекулы, передавать сигналы и осуществлять структурную функцию. Миллионы триллионов этих невероятно сложных событий ежесекундно происходят в нашем теле, поддерживая в нем жизнь, и лишь совсем немногие из них – неправильно. Это можно сравнить с мировой экономикой в миниатюре, только данный механизм гораздо сложнее.