Эволюция всего - Мэтт Ридли

Глава 4. Эволюция генов

Первоначала вещей, разумеется, вовсе невольноВсе остроумно в таком разместилися стройном порядкеИ о движеньях своих не условились раньше, конечно,Но, многократно свои положения в мире меняя,От бесконечных времен постоянным толчкам подвергаясь,Всякие виды пройдя сочетаний и разных движений,В расположенья они наконец попадают, из коихВся совокупность вещей получилась в теперешнем виде.

Самой благодатной сферой для проявления современного невежества является область исследований, связанных с происхождением жизни. При всей достоверности, с которой биологи могут проследить происхождение сложных органов и организмов из простых протоклеток, происхождение самих этих протоклеток до сих пор скрыто во тьме. А когда люди чего-то не знают, они часто прибегают к объяснениям мистического толка. Когда молекулярный биолог Фрэнсис Крик, самый знаменитый материалист среди всех ученых, в 1970-х гг. начал рассуждать на тему «панспермии» (представлении о том, что жизнь была перенесена на Землю из космоса в виде микробных спор), многие сочли, что он становится мистиком. На самом деле, он говорил лишь о вероятности развития событий: учитывая возраст Земли по сравнению с возрастом всей Вселенной, вполне вероятно, что жизнь сначала зародилась на какой-то другой планете и распространилась оттуда в другие звездные системы. Но даже сам Крик понимал невозможность разрешения проблемы.

Жизнь заключается в противостоянии хаосу и росту энтропии (хотя бы в локальном масштабе) – в использовании информации для создания порядка из хаоса за счет расхода энергии. В осуществлении этих процессов важнейшую роль играют молекулы трех типов – ДНК для хранения информации, белки для создания упорядоченных структур и АТФ в качестве энергетической валюты. Как эти три фактора пришли в соответствие между собой – загадка, сравнимая с загадкой о происхождении курицы и яйца. ДНК нельзя создать без помощи белков, но и белки не могут возникнуть без ДНК. Что же касается энергии, каждое поколение бактерий использует такое количество АТФ, которое в 50 раз превышает собственную массу клеток. А ранние формы жизни должны были быть еще более расточительными, поскольку не имели современных молекулярных механизмов для сбора и хранения энергии. Откуда они брали необходимое количество АТФ?

По-видимому, тем «подъемным краном», который соединил между собой эти три элемента, были молекулы РНК, которые и по сей день выполняют в клетках множество важнейших функций и способны как хранить информацию, подобно ДНК, так и катализировать реакции, подобно белкам. Более того, РНК состоит из таких же оснований (рибозы с фосфатными группами), как и АТФ. По этой причине одна из наиболее распространенных теорий о возникновении жизни утверждает, что все началось с «мира РНК», в котором живые существа состояли из РНК, содержали гены на основе РНК и использовали элементы РНК в качестве энергетической валюты. Проблема в том, что даже такая система настолько дьявольски сложна, что трудно себе представить ее возникновение «с нуля». Как, например, эта система избежала рассеивания: как она удерживала все составляющие ее элементы и концентрировала энергию, не имея границ, подобных мембранам современных клеток? В «маленьких теплых прудах», которые Дарвин считал местом зарождения жизни, такие системы рассеивались бы слишком быстро.

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.

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.