Nick Lane

The vital question

Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life

Книга издана при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”.

© Nick Lane, 2015

© К. Сайфулина, М. Колесник, перевод на русский язык, 2018

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2018

© ООО “Издательство Аст”, 2018

Издательство CORPUS ®

Никто не может сказать, почему жизнь такова, какой мы ее знаем. Вся сложная жизнь на Земле восходит к общему предку. Это был одноклеточный организм, возникший из простых бактериальных предшественников в результате уникального стечения обстоятельств: единственный раз за 4 млрд лет. Было ли это исключительным событием – или планета помнит и другие, неудачные “эксперименты” по созиданию сложной жизни? Неизвестно. Ясно лишь, что общий предок был уже очень сложной клеткой. В своем совершенстве он был сравним с клетками нашего организма[1], и эту сложность унаследовали не только вы и я, но и все остальные его потомки, от деревьев до муравьев. Взгляните на свою клетку под микроскопом и сравните ее с клеткой амебы: боюсь, вы не сможете различить их. При этом я почти уверен, что я не амеба. Дело не ограничивается внешним сходством. Для всех сложных форм жизни характерен один и тот же набор проработанных биологических механизмов, от полового размножения до апоптоза (клеточного самоубийства) и старения. Ничего похожего у бактерий не встречается. До сих пор нет единого мнения, почему общий предок всего живого объединил в себе множество этих уникальных черт, а также почему у бактерий нет и намека на независимое возникновение таких признаков. Если эти признаки развивались под действием естественного отбора, каждый шаг которого давал некоторое преимущество, то почему эти же признаки не возникли у разных групп бактерий?

Развитие жизни на Земле вообще идет странным путем. Жизнь возникла спустя примерно полмиллиарда лет с момента формирования планеты (около 4 млрд лет назад), но, достигнув уровня бактерий, развитие остановилось на два с лишним миллиарда лет – срок, равный половине возраста Земли. Бактерии 4 млрд лет сохраняют простоту морфологии (но не биохимии). Совсем иначе дело обстоит с морфологически сложными организмами: растения, животные, грибы, водоросли и одноклеточные протисты отделились от единого общего предка сравнительно недавно: полтора-два миллиарда лет назад. Их общий предок уже был клеткой “современного” типа со сложным внутренним строением и поразительно мощными молекулярными механизмами. Работу последних обеспечивали биохимические наномашины, структура которых кодировалась тысячами новых генов, большая доля которых неизвестна у бактерий. Не сохранилось никаких переходных форм, “недостающих звеньев”, способных указать пути и причины возникновения этих сложных признаков и перебросить мост через пропасть между морфологической простотой бактерий и огромной сложностью всей остальной жизни. Вот она, “черная дыра” эволюции.

Мы ежегодно тратим миллиарды долларов на биомедицинские исследования, пытаясь найти ответ на сложнейший вопрос: почему мы болеем? Мы располагаем гигантским объемом данных о взаимодействии генов, белков и целых регуляторных сетей. Мы строим детализированные математические модели и разрабатываем компьютерные симуляции для проверки предсказаний. Но при этом мы не знаем, как возникло то, что мы изучаем! Как можно надеяться понять причину болезни, если мы понятия не имеем, почему клетки устроены именно так? Мы не можем судить об обществе, не зная его истории. Точно так же мы не сможем разобраться в работе клеток, если не узнаем, как они возникли. Смысл этих вопросов выходит далеко за пределы практической значимости: ответы на них могут помочь приблизиться к пониманию, почему мы здесь. Какие законы обусловили рождение Вселенной, звезд, Солнца и, в конечном счете, жизни? Если где-то еще во Вселенной может появиться жизнь, то будет ли ее развитие подчиняться тем же законам? Если существует инопланетная жизнь, похожа ли она на земную? Способность задаваться метафизическими вопросами – одно из тех свойств, что делают нас людьми. Прошло более 350 лет с момента открытия клеток, а мы до сих пор не знаем, почему земная жизнь такова.

Вы могли даже не заметить своего незнания. Учебникам и журналам часто не удается в достаточной степени осветить эти “детские” вопросы. Интернет затягивает в вязкую трясину всевозможных неупорядоченных фактов, смешанных в разных пропорциях с чушью. Но проблема не только в избытке информации: немногие биологи понимают, что в их отрасли знаний зияет брешь. Большинство биологов занимается другими вопросами: изучает крупные организмы, отдельные группы растений или животных. Сравнительно немногие работают с бактериями, и еще меньше тех, кто посвятил себя изучению ранней эволюции клеток. Проблем добавляют и креационисты с их “разумным замыслом”. Признавая, что у нас пока нет ответов на все вопросы, мы рискуем развязать руки воинствующим скептикам, которые из этого признания радостно делают вывод, что мы вообще не располагаем сведениями об эволюции. Конечно, у нас есть такие сведения. Более того, их пугающе много. Гипотезы о происхождении жизни и ранней эволюции клеток должны объяснять множество фактов и при этом не противоречить ни одному из них. Совокупность этих фактов можно представить в виде хрустального башмачка, который должен прийтись точно впору. Гипотеза должна безболезненно умещаться в “башмачок” фактов, а также предсказывать существование неочевидных связей, что можно экспериментально проверить. Нам очень многое известно о естественном отборе и некоторых других, более случайных, формирующих геном процессах. Все эти факты согласуются с концепцией эволюции клеток. Но “башмачок” все еще ждет нужную ножку. Мы не знаем, где Золушка, и не знаем, почему жизнь пошла именно таким своеобразным путем.

Ученые любознательны. Если бы эта проблема и вправду была такой явной, какой она кажется мне, о ней все уже знали бы. Но на самом деле даже ее существование далеко не очевидно. Ответы, понятные лишь узкому кругу исследователей, противоречат друг другу, и за ними уже трудно разглядеть изначальный вопрос. К тому же ключи к решению этой проблемы могут лежать в разных, довольно далеко отстоящих друг от друга дисциплинах: в биохимии, геологии, филогенетике, экологии, химии, космологии. Редкий человек может назвать себя компетентным во всех этих областях. Нам повезло жить во времена стремительного развития геномных технологий, в разгар научной революции. В нашем распоряжении тысячи целиком расшифрованных геномов, общая протяженность которых измеряется миллиардами знаков. Нередко они несут противоречащие друг другу послания из далекого прошлого. Интерпретация этих данных требует наличия строгого логического, вычислительного и статистического аппарата и понимания биологических закономерностей. Мнения, суждения, интерпретации повисли тяжелыми тучами. В моменты, когда между ними появляется просвет, открывается сюрреалистический вид, всякий раз все страннее. От привычной картины не осталось и следа, а новая пугает. С точки зрения исследователя, ищущего себе великие задачи, от этой просто дух захватывает. Главные вопросы биологии все еще ждут ответов. Эта книга – моя собственная попытка подступиться к ним.

Как бактерии связаны со сложными формами жизни? Корни этого вопроса уходят в 70-е годы XVII века, когда голландец Антони ван Левенгук открыл микроорганизмы. В резвящихся “зверушек” сначала мало кто верил, но вскоре существование микробов подтвердил не менее изобретательный Роберт Гук. Левенгук в знаменитой работе 1677 года описал бактерий, которые были “необыкновенно малы – настолько малы, что, по-видимому, и целая сотня их, выстроенная в ряд, не превысила бы песчинки. Чтобы сравняться с ней, потребовался бы по крайней мере десяток тысяч этих существ”. Многие сомневались, что Левенгук увидел бактерий при помощи своих примитивных микроскопов, хотя сейчас это считается бесспорным фактом. Левенгук находил бактерий везде: и в дождевой воде, и в море, даже на собственных зубах. Он интуитивно провел границу между “зверушками” и “гигантскими чудищами” – микроскопическими протистами – с их “лапками” (ресничками) и занятными повадками. Он даже заметил, что самые большие клетки состоят из множества “глобул” (шариков), которые он сравнивал по размеру с бактериями (хоть и не использовал этот термин). Среди глобул Левенгук почти наверняка увидел клеточное ядро: хранилище генов всех сложных клеток. После этого на несколько столетий все утихло. Знаменитый систематик Карл Линней спустя полвека после Левенгука просто отнес все микроорганизмы к роду Chaos (бесформенные) внутри типа Vermes (черви). Эрнст Геккель, великий немецкий эволюционист, современник Дарвина, вновь отделил бактерии от остальных микроорганизмов. И все же в идейном плане значительных шагов не было сделано до середины XX столетия.