От «Луки» к прокариотам

«Лука» и его родственники уже много сделали для того, чтобы появились первые настоящие живые организмы. Но у «Луки» не было мембраны, которую он мог бы повсюду носить с собой, а для его метаболизма были необходимы энергетические потоки возле вулканических источников. По-видимому, ему также недоставало более замысловатого механизма размножения, свойственного большинству современных организмов и связанного с близким родственником РНК – двойной спиралью ДНК. Сегодня мы знаем, что еще должно было возникнуть, но не понимаем, какими именно путями все это развивалось.

Объяснить, как у клеток появились собственные защитные мембраны, не слишком трудно. Клеточные мембраны состоят из длинных цепочек фосфолипидов, которые в соответствующих условиях несложно заставить выстроиться слоями, образующими полупроницаемые пузырчатые структуры. Возможно, как доказывал Терренс Дикон, фосфолипидные слои молекула за молекулой сформировались в результате автокаталитических реакций. Если это так, образ некой версии «Лука», которая сама себе вяжет мембрану, будет не так уж далек от жизни[71].

Как клеткам удалось освоить более удачные способы получать энергию и размножаться, объяснить сложнее, но механизмы, которые они для этого используют, настолько фундаментальны и элегантны, что в них стоит разобраться.

Чтобы выработать новые способы использовать потоки энергии и в результате суметь оторваться от вулканических источников, нужно было создать клеточный аналог электросети, к которой молекулы могли бы подключаться во время работы. Здесь ключевую роль сыграли ферменты. Это особые молекулы, которые могут служить катализаторами – ускорять клеточные реакции и снижать необходимое для них количество энергии активации. Сегодня на деятельности ферментов основана жизнь любой клетки. Большинство из них – белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот. Их точная последовательность в цепочке имеет значение, потому что от нее зависит, как белок примет правильную форму, чтобы выполнить свою конкретную функцию. Ферменты курсируют по молекулярному бульону, выискивая целевые молекулы, к которым они подходят, как гаечный ключ к гайке или болту соответствующего размера. Затем фермент может с помощью крошечной дозы энергии воткнуться в молекулу, согнуть ее, расколоть, разделить или соединить с другими. Большинство реакций в вашем теле без ферментов были бы невозможны, или для них потребовалась бы такая энергия активации, что они повредили бы клетку.

Придав целевой молекуле нужный вид, фермент отрывается от нее и идет на поиски новых молекул, чтобы подчинить их своей воле. Ферменты также можно включать и выключать с помощью других молекул, которые соединяются с ними и слегка изменяют их форму – таким образом они, подобно миллиардам транзисторов в компьютере, регулируют фантастически сложные реакции, протекающие в клетке.

Ферменты получают необходимую для своей работы энергию из клеточного аналога электросети. Эта система, скорее всего, возникла в самом начале истории жизни. Энергию к ферментам и другим частям клетки поставляют молекулы АТФ, или аденозинтрифосфата, которые, вероятно, уже вовсю работали в организме «Луки». Чтобы получить питание, ферменты и другие молекулы отламывают от АТФ небольшую группу атомов и высвобождают энергию, которой эта группа была связана с молекулой. Затем истощенная молекула (теперь это уже АДФ, аденозиндифосфат) направляется к специальным молекулам-генераторам, которые ее заряжают, возмещая утраченные атомы. Молекулы-генераторы получают питание в результате замечательного процесса под названием хемиосмос, который, хоть его и открыли только в 60-е годы XX века, по-видимому, существует со времен «Луки». В каждой клетке разлагаются молекулы пищи, чтобы высвободить энергию, которая содержится в них, и часть этой энергии используется, чтобы вытолкнуть отдельные протоны изнутри клетки (где их концентрация низка) наружу (где концентрация протонов высокая). Это все равно что зарядить батарейку. Между средой внутри и снаружи клетки возникает перепад зарядов, и он создает примерно такое же напряжение, которое, вероятно, «Лука» использовал в щелочных источниках. Особые, встроенные в клеточную мембрану молекулы-генераторы (для обладателей технического ума молекулы АТФ-синтазы) питают нанороторы с помощью электрического заряда, который создают возвращающиеся из-за пределов мембраны протоны. Эти роторы, подобно роторно-конвейерным линиям, подзаряжают молекулы АДФ, заменяя молекулярные группы, которые те потеряли, а затем уже заряженные молекулы АТФ возвращаются в клетку и ждут, когда другие молекулы подключатся к ним и получат энергию, необходимую, чтобы продолжить работу.

Такая изящная клеточная электросеть сегодня есть в каждой клетке. Благодаря ей те перестали быть привязаны к энергетическим потокам вблизи вулканических источников, и первые прокариоты начали бороздить океаны Земли, добывая энергию из молекул пищи и используя ее, чтобы формировать молекулы АТФ, которые поставляют энергию, необходимую для питания внутриклеточных механизмов.

Эти тонкие потоки энергии поддерживали сложную внутреннюю структуру клеток точно так же, как ядерный синтез поддерживает структуру звезд. Как и ядерные реакции, они позволили первым живым клеткам по требованию энтропии уплачивать налоги на сложность, поскольку в клетках, как и в звездах, много энергии тратится на то, чтобы обеспечивать работу сложных структур. Но, как и в звездах, много энергии просто выбрасывается, потому что ни одна реакция не эффективна на 100 %, а энтропия, конечно, очень любит, когда это происходит. И в клетках, и в звездах сконцентрированные потоки энергии нужны, чтобы уплачивать энтропии налоги и преодолевать универсальное стремление всех вещей к деградации.

В живом организме энергия выполняет новую функцию, которой у нее нет в звездах: она создает копии клетки. Эти копии позволяют клеткам сопротивляться энтропии, сохраняя свою сложную структуру даже после смерти отдельных из них. Потомки «Луки» выработали изящные и эффективные способы воспроизведения, которыми и сегодня пользуется все живое. В основе их лежит молекула ДНК, структуру которой Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон описали в 1953 году на основе исследований, проведенных ранее Розалинд Франклин. Принцип действия ДНК так важен для эволюции, что к этой удивительной молекуле стоит присмотреться внимательнее.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) тесно связана с РНК (рибонуклеиновой кислотой). Обе они – полимеры, длинные цепочки одинаковых молекул. Но если белки состоят из цепочек аминокислот, а мембраны – из фосфолипидов, то ДНК и РНК сделаны из длинных последовательностей нуклеотидов. Это молекулы сахара, к которым присоединены маленькие молекулярные группы, так называемые основания. Есть четыре типа оснований: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (T) (в РНК тимин заменяет урацил, U). А теперь магия. Крик и Уотсон показали, что эти четыре основания можно использовать как буквы алфавита, чтобы переносить огромные количества информации. Когда молекулы ДНК или РНК соединяются в гигантские цепочки, основания торчат сбоку, образуя длинную последовательность из А, С, G и T (или U в РНК). Каждая группа из трех букв кодирует определенную аминокислоту или содержит инструкцию, например «закончить считывание». Так, последовательность TTA означает «добавить молекулу аминокислоты лейцина», а TAG – это что-то вроде знака препинания, который говорит: «сейчас можно прекратить копирование».

Считывать и копировать информацию из молекул ДНК и РНК можно, потому что основания обычно соединяются друг с другом с помощью водородных связей, которые достаточно легко образуются и рвутся. При этом соединяются они только строго определенным образом. А всегда связывается с Т (или U в РНК), а C – с G. Особые ферменты подставляют участки ДНК, соответствующие определенному гену или кодирующие определенный белок, и каждое основание притягивает свою пару, чтобы сформировать новую короткую цепочку РНК из нуклеотидов, комплементарных исходной цепочке. Затем этот новый сегмент увлекает с собой большая молекула, так называемая рибосома, своеобразная белковая фабрика. Рибосома считывает последовательность букв в тройках и штампует соответствующие аминокислоты, одну за другой, точно в таком порядке, чтобы получился определенный белок, который затем отправляется в клетку выполнять свою работу. Так рибосомы производят тысячи необходимых клетке белков.

Наконец, молекулы ДНК и РНК могут использовать эти механизмы, чтобы копировать самих себя и всю информацию, которая в них содержится. Основания, торчащие сбоку от сахарно-фосфатных цепочек, прощупывают клеточный бульон и цепляются за основания, комплементарные себе. При этом С всегда цепляется за G, а А – за Т (или U в РНК). Новые присоединенные основания привлекают новые молекулы сахара, которые соединяются вместе, образуя новую цепочку, в точности комплементарную первой. В ДНК они обычно скрепляются, и б?льшую часть времени она имеет форму двойной цепочки или спирали, похожей на две винтовые лестницы. Она может очень плотно свернуться и отлично поместиться в каждой клетке, разворачиваясь только для того, чтобы ее считали или чтобы сделать собственные копии. А РНК обычно имеет вид одинарной цепочки, так что она, как белок, может принимать определенные формы и действовать в качестве фермента.

Эта небольшая разница между РНК и ДНК имеет колоссальное значение, потому что в результате ДНК обычно выступает в качестве хранилища генетической информации, а РНК может и хранить данные, и выполнять химическую работу. Она одновременно действует как аппаратное и программное обеспечение, поэтому многие ученые и считают, что когда-то, возможно еще при «Луке», б?льшая часть информации хранилась в РНК. Скорее всего, он и жил в таком мире – мире РНК. Но ДНК – более надежный носитель, потому что в беспокойной среде внутри клетки информацию на РНК постоянно сотрясают жестокие удары, а вот двойная нить ДНК защищает свои драгоценные данные от внешних потрясений. В мире РНК генетическая информация легко терялась и искажалась. Эволюция всерьез началась только после того, как потомки «Луки», настоящие прокариоты, которые сегодня преобладают среди микроорганизмов, построили мир, основанный на ДНК.

У первых прокариот были собственные мембраны, независимый метаболизм и более точные и надежные генетические механизмы, поэтому им удалось покинуть вулканические гидротермальные источники, где они появились на свет, и отправиться в плавание по океанам молодой Земли. Вероятно, это произошло уже 3,8 млрд лет назад.

Любая прокариота – это целое царство поразительной сложности. Миллиарды молекул плавают в густой жиже химических веществ, они тысячи раз в секунду толкают и тянут друг друга, будто туристы на шумном рынке, где полно торговцев, зазывал и карманников. Если вас посадить в одну из таких молекул, этот мир покажется вам ужасным. К вам попытаются привязаться ферменты, чтобы изменить вас, к примеру сцепить с другими молекулами и образовать новую группу, которая могла бы обходить рынки в поисках новых возможностей. Вообразите себе, что миллионы таких взаимодействий ежесекундно происходят в каждой клетке, и вы получите некоторое представление о бурной деятельности, которая поддерживала существование даже самых простых клеток на заре развития биосферы.

Это новый мир и новый вид сложных явлений. Так же как звезды и планеты, образовавшиеся в хаосе перемен, клетки в конце концов обрели некоторую стабильность, стали контролировать мельчайшие флуктуации в окружающей среде и противостоять им. Клеткам удалось достичь временного равновесия; то же должны были сделать целые виды, династии и группы видов. Но это равновесие никогда не было статичным. В нем всегда была динамика, оно сохранялось лишь путем постоянного взаимодействия между живыми организмами и изменяющейся средой, всегда под угрозой внезапного срыва.