Краткая история сотворения мира - Джеймс Кливз

В традиционном представлении сложные организмы (высшие эукариоты) быстро продвигаются по эволюционной лестнице за счет полового размножения, тогда как прокариоты почти не эволюционируют, изменяясь исключительно за счет случайных мутаций. Горизонтальный перенос генов позволил объяснить быструю эволюцию первых микроорганизмов[62]. За счет свободного обмена информацией, примерно как в случае Corynebacterium diphtheriae, первые микроорганизмы смогли эволюционировать быстрее, используя более широкий набор генов. Вёзе называл горизонтальный перенос генов «волной, которая поднимает все суда».

В конечном итоге ученые поняли, что генами обмениваются даже очень отдаленные виды бактерий. Более того, бактерии способны поглощать ДНК мертвых бактерий. После смерти организма его генетический материал может сохраняться в окружающей среде достаточно долгое время. Микроорганизмы могут поглощать эту ДНК и включать ее в собственный геном. Можно сказать, что фрагменты генетической информации рассредоточены буквально повсюду, а Земля – большая библиотека, из которой микробы могут заимствовать гены.

Кроме того, Вёзе пришел к заключению, что горизонтальный перенос генов не только затрудняет выявление самых ранних событий в эволюции жизни, но и полностью переворачивает наши представления о структуре филогенетического дерева. Примитивные микроорганизмы так легко обменивались информацией, что корень дерева жизни, на самом деле, больше похож на сеть, в которой виды соединены между собой не однонаправленными прямыми линиями от предков к потомкам, а перекрестными связями, являющимися результатом горизонтального переноса генов. Новый взгляд на структуру дерева жизни полностью опровергал гипотезу Дарвина о том, что все современные организмы про изошли от одного общего предка. По мнению Вёзе, невозможно построить дерево, исходя из единственного предка. Все, что мы можем различить у самых истоков, – это беспорядочное сочетание разных организмов, эволюционировавших взаимозависимым образом.

Возможно, самым удивительным свойством микроорганизмов, находившихся в основании нового дерева Вёзе, было то, что многие из них были экстремофилами (любителями экстремальных условий), обитавшими в таких условиях окружающей среды, которые смертельны для большинства современных организмов. Некоторые из этих экстремофилов, называемых в популярной литературе «супербактериями», могут жить при температуре ниже температуры замерзания воды. Другие, называемые ацидофилами, живут за счет расщепления газов, растворенных в сточных водах, и обладают такой корродирующей активностью, что могут разъедать современные системы очистки воды.

Многие из экстремофилов в основании дерева Вёзе являются гипертермофилами, то есть микроорганизмами, способными жить в очень горячих водных средах. Впервые они были идентифицированы американским микробиологом Томасом Броком, который обнаружил их в горячих источниках Национального парка Йеллоустоун в Вайоминге. Позднее было выявлено 70 видов гипертермофилов, причем некоторые из них живут в гидротермальных источниках с температурой воды выше температуры кипения[63].

На протяжении десятилетий исследования в области геологии развивались в рамках модели «первичного супа», предложенной Опариным и Холдейном. Со временем геологи создали достаточно сложные методы определения состава первичной атмосферы Земли на основании анализа базальтов – горных пород, образующихся в результате вулканической активности. И, хотя Опарин считал, что первичная атмосфера Земли в основном состояла из метана и аммиака, постепенно ученые приходили к выводу, что ее основными компонентами были азот и углекислый газ. К концу 1970-х гг. значительная часть идей Опарина была пересмотрена. То же самое относилось и к следствиям, вытекавшим из эксперимента Миллера – Юри. Возникла необходимость создания новой модели зарождения жизни.

По мнению многих ученых, такая модель должна была опираться на то, что в основании дерева Вёзе находились экстремофилы. Возможно, они были ближайшими потомками LUCA, их способность существовать в экстремальных средах объяснялась тем, что именно в таких условиях появился сам LUCA. На основании этого предположения возникло несколько новых гипотез. Одна из них появилась из неожиданного источника: ее автором был патентный поверенный из Мюнхена Гюнтер Вахтерхойзер, считавший, что идеальным местом для зарождения первых форм жизни была поверхность железосерных минералов.

Гюнтер Вахтерхойзер был другом Карла Вёзе, с которым тот делился своими сомнениями по поводу справедливости теории Опарина о первичном супе. Прежде чем стать юристом, Вахтерхойзер был химиком-органиком и интересовался проблемой происхождения жизни. В гостях у их общего друга, философа Карла Поппера, он рассказал Вёзе о своей новой идее, заключавшейся в том, что жизнь зародилась в гидротермальных источниках в глубинах океана. Первый такой источник был обнаружен подводной лодкой «Алвин» в 1977 г. у Галапагосского архипелага. Вёзе был заинтригован и посоветовал Вахтерхойзеру разработать эту модель более детально. Вахтерхойзер предложил серию химических шагов зарождения жизни, начиная от минеральных отложений у гидротермальных источников, защищенных от внешнего воздействия. Он верил, что жизнь началась на поверхности минералов сульфида железа, и его модель стали называть моделью «железосерного мира».

Идеи Вахтерхойзера завоевали поддержку сторонников теории первичности метаболизма, считавших, что эволюция генетического материала была сравнительно поздним этапом развития жизни. Вахтерхойзер вывел из нового дерева жизни еще одно заключение. Большинство организмов в основании дерева Вёзе были автотрофами, способными существовать исключительно за счет поглощения неорганических веществ, таких как углекислый газ и сероводород. Если первые организмы были автотрофами, им для «питания» не нужны были органические молекулы, что было основной догмой в модели Опарина. Наконец, Вахтерхойзер предположил, что первые живые существа не имели клеточной мембраны. Вероятно, это было самое спорное предположение в его модели, поскольку большинство ученых, занимавшихся проблемой происхождения жизни, считали, что для постепенного усложнения организмов необходим химический барьер, отделяющий их от окружающей среды.

Некоторые ученые, в частности геохимик Майк Рассел, пытались совместить модель Вахтерхойзера и очевидную необходимость отделения внутриклеточного пространства от окружающей среды. Рассел и его коллега А лан Холл (оба специалисты по железосерным минералам) отталкивались от идеи Вахтерхойзера о богатых минеральными веществами гидротермальных источниках и предсказали существование гидротермальных источников с гораздо более мягкими условиями. Их гипотеза получила подтверждение в 2000 г., когда подводный аппарат «Арго» обнаружил Потерянный город, оказавшийся скоплением именно таких гидротермальных источников, о которых говорил Рассел. Кроме того, Рассел и Холл предложили модель формирования примитивной клеточной мембраны. При смешивании щелочной воды из гидротермального источника с более кислой океанской водой образуются пузырьки, состоящие из сульфидов и других минеральных соединений. Именно они могли играть роль примитивных мембраноподобных оболочек.