Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

В настоящее время метан занимает относительно скромное место среди парниковых газов, однако 2,4 млрд лет тому назад он почти наверняка был распространен гораздо больше. Метан – очень простой газ, он состоит из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода (CH4). В присутствии кислорода он очень хорошо горит, что означает, что в связях этого газа запасено большое количество энергии. Метан образуется как продукт респирации некоторых микроорганизмов в строго анаэробных условиях: при отсутствии кислорода некоторые микроорганизмы могут при помощи специального наномеханизма извлекать водород из сахаров и других органических молекул и соединять его с углекислым газом, производя метан. Такие микроорганизмы называются археями – это вторая по величине группа прокариотов, открытая Вёзе и Фоксом. Наномеханизмы метанпродуцирующих бактерий чрезвычайно чувствительны к кислороду: даже небольшая концентрация кислорода тотчас останавливает выработку ими метана. В наши дни метаногенные микроорганизмы можно обнаружить в самых разных местах, включая желудки коров и других жвачных животных, а также приблизительно 40 % людей. Однако 2,4 млрд лет тому назад эти организмы, очевидно, имели чрезвычайно широкое распространение в прибрежных водах по всему миру.

Рис. 22. Схема, демонстрирующая различие между метаном (CH4) и углекислым газом (CO2). Обе молекулы представляют собой невидимые газы без запаха. В присутствии кислорода метан превращается в CO2 и воду как в атмосфере, так и посредством действия микроорганизмов

Даже в присутствии кислорода некоторые виды бактерий могут использовать метан как источник энергии и для выращивания клеток. Поглощение метана микроорганизмами – один из наиболее быстрых и эффективных путей уничтожения этого газа. По мере развития у них этой способности аппарат разрушения метана, по-видимому, ощутимо уменьшил приток этого вещества из океанов в атмосферу, а газообразный кислород при помощи солнечного света довершил уничтожение метана в атмосфере. Важнейший из газов, поглощающих инфракрасное излучение, перестал существовать, и слабое молодое Солнце не могло предоставить достаточного количества тепла, чтобы уберечь океаны от замерзания. Последовавшее за этим образование ледяной корки, или шуги, на всей поверхности Мирового океана почти наверняка должно было сократить ареал роста фотосинтезирующих микроорганизмов и одновременно воспрепятствовать обмену газами между океаном и атмосферой. Геологическая летопись показывает, что за этим последовали несколько продолжительных периодов, на протяжении которых океаны были холодными и не были приспособлены для жизни. Киршвинк – тот самый, что окрестил цианобактерии микробами-большевиками, – также в порыве вдохновения придумал для состояния, когда ледяные щиты покрывали всю поверхность океанов, название «Земля-снежок». Если все действительно происходило по описанному сценарию, то это был первый случай в геологической истории Земли, когда микроорганизмы полностью нарушили планетарный климат.

Условия, превратившие планету в «снежок», судя по всему, возникали на ней не единожды. Последний раз это случилось около 750 млн лет тому назад. Невероятно, но во всех случаях небольшому числу выживших микроорганизмов были каким-то образом переданы инструкции по созданию всех основных наномеханизмов. Эти организмы были пионерами, пронесшими жизнь через долгие периоды планетарного опустошения.

Жизнь на Земле – вещь очень хрупкая, неизбежно краткосрочная и вместе с тем невероятно стойкая. Время от времени случаются катастрофические события далеко за пределами контроля любых живых организмов, ведущие к массовой гибели целых видов. Летопись ископаемых останков за последние 550 млн лет показывает по меньшей мере пять крупных эпизодов вымирания морских животных. За одним исключением все эти случаи плохо объяснимы. Исключение, о котором идет речь, случилось 65 млн лет тому назад, и с большой долей вероятности его причиной стало столкновение Земли с крупным метеоритом, упавшим в районе нынешнего побережья полуострова Юкатан в Мексике. Это был несчастливый день для динозавров и многих видов растений. Однако микроорганизмы преспокойно пережили эту катастрофу, в точности так же, как пережили все предыдущие катастрофы, охватывавшие большие промежутки времени в истории Земли. Каким же образом природа устроила так, чтобы инструкции по созданию важнейших наномеханизмов оставались в сохранности, невзирая на все ужасные события, способные приводить к уничтожению животных и растений в огромных количествах?

Инструкции по воспроизводству основных наномеханизмов закодированы в генах. Гены – это наборы последовательностей из четырех молекул дезоксирибонуклеиновых кислот, используемых всеми организмами в качестве инструкций по производству белков. У прокариотов, таких как бактерии, несколько миллионов дезоксирибонуклеиновых кислот прикреплены одна к другой, в результате чего формируется большая замкнутая в виде окружности молекула, в которой содержатся инструкции по созданию нескольких тысяч белков. Эти белки в свою очередь состоят из двадцати определенных аминокислот, также прикрепленных друг к другу в определенном порядке. Эти двадцать аминокислот, используемых для синтеза белков, присутствуют в любом живом организме на Земле.

Наборы из трех дезоксирибонуклеиновых кислот, расположенных в определенном порядке, составляют код для определенной аминокислоты, а белки производятся древнейшими наномеханизмами, о которых уже шла речь, – рибосомами. Сами белки используются для производства наномеханизмов, которые позволяют организму вырабатывать энергию и размножаться. Размножение клеток зависит от воспроизводства генов, а воспроизводство генов зависит от способности организма вырабатывать энергию, выживать и расти.

Основополагающее открытие того, что генетическая информация передается по наследству, приписывается Грегору Менделю, австрийскому монаху, исследовавшему цветовые закономерности цветов и семян, форму стручков и так далее у приблизительно 29 тысяч растений гороха. Его работа была опубликована в Германии в 1865 году, через шесть лет после того, как Дарвин выпустил в свет первое издание своего «Происхождения видов». Само собой разумеется, что Дарвин ничего не мог знать о генах. Работа Менделя оставалась практически незамеченной вплоть до начала XX века, когда ее вновь обнаружил и, можно сказать, возродил к жизни британский биолог Уильям Бэтсон – тот, что пустил в оборот сам термин «генетика». Бэтсон не имел представления о том, как генетическая информация передается из поколения в поколение, однако же признал, основываясь на работе Менделя, что для потомства спаривающихся организмов существуют некоторые основные, предсказуемые закономерности. И лишь во второй половине XX века ученые поняли, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу инструкций относительно того, как должны производиться белки и какие характерные особенности должны передаваться.

Существование естественной изменчивости видов и возможность ее отбора путем селекции стали одним из главных озарений Дарвина. Например, люди, несомненно, использовали естественные изменения у собак, чтобы выращивать новые породы с новыми характеристиками; однако все это были собаки. Если люди могут проделывать это с собаками, лошадьми или голубями, почему не может природа? В то время существовало четкое определение вида: вид в применении к животным и растениям (а ничто другое тогда не принималось во внимание) представлял собой организм, способный размножаться половым путем и давать жизнеспособное потомство, то есть потомство, также способное размножаться половым путем. Голуби могут давать жизнеспособное потомство, совокупляясь с другими голубями, но гибрид, возникший при скрещивании голубя и орла, если даже и будет жизнеспособным, уже не сможет размножаться. Результатом скрещивания самца осла и самки лошади является мул – стерильное животное. Голуби и орлы, лошади и ослы – различные, четко распознаваемые виды.