Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу профессора Санкт-Петербургского государственного университета и главного научного сотрудника Санкт-Петербургского филиала Института истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН Максима Винарского «Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира».
Книга рассказывает о мире животном и о роде человеческом. Только LUCA (Last Universal Common Ancestor) — не апостол, а наш общий предок, и чтобы разобраться, что же это за существо, читатель вместе с автором книги, биологом Максимом Винарским, проделает путь протяженностью более 4 млрд лет. Он познакомится с историей возникновения и эволюцией многоклеточных животных. Выяснит, что мы, люди — всего лишь одна из многих ветвей великого Древа жизни, а вид Homo sapiens образовался в соответствии с законами, общими для эволюции всего живого. Поймет, каким образом биологи выявляют родственные связи между животными и восстанавливают пути их эволюции. Узнает о жизни и научных открытиях ученых — тех, кто пришел к идее эволюционного родства всех организмов на Земле и догадался, как это родство можно определить.
Остается только гадать, какие существа населяли Землю до LUCА, как они были устроены и почему сошли с эволюционной сцены, не оставив потомков. Обратимся лучше к тому, что современные ученые смогли узнать о LUCА. Почти всё это знание основано на анализе генетических и биохимических признаков ныне живущих видов. Если они происходят от единого первопредка, то непременно должны нести в своих геномах полученное от него «наследство». Путем сравнения генетических признаков множества видов современных живых существ исследователям удалось идентифицировать 355 генов, которые, как они предполагают, входили в геном LUCА.
Зная конкретные гены, можно установить, за производство каких белков они отвечали, а значит, еще немного приблизиться к реконструкции нашего общего предка. Одним из наиболее важных результатов изучения LUCА стал вывод о том, что его белки были в высокой степени термоустойчивы. На основе этого биохимики делают вывод, что их владелец, первобытный одноклеточный организм, жил в весьма теплой, даже горячей среде. По некоторым оценкам, ее температура могла превышать 90 °С, иными словами, наш герой обитал чуть ли не в крутом кипятке! Для большинства современных живых существ даже гораздо меньшие температуры являются смертельными, хотя среди бактерий и архей известны очень термоустойчивые виды, прекрасно себя чувствующие даже в воде исландских гейзеров. Но большинство исследователей склонны думать, что LUCА жил не в гейзерах, а на дне первобытного океана, где тоже были (да и сейчас есть) подходящие места для любителей поплескаться в кипятке. Я имею в виду подводные гидротермальные источники, такие как, например, знаменитые «черные курильщики», образующиеся там, где из-под земной коры бьют фонтаны очень горячей и обогащенной минеральными веществами воды. В таких местах процветают сообщества бактерий и архей, а также микробоядных многоклеточных организмов (и многоклеточных организмов, которые питаются последними). Самое место для проживания нашего LUCА!
Значит ли это, что жизнь тоже возникла в подобном «черном курильщике»? Некоторые ученые отвечают на этот вопрос утвердительно, ссылаясь на необычайную теплолюбивость («гипертермофильность» на профессиональном языке микробиологов) LUCА. Другие возражают, что жизнь могла возникнуть вовсе не в первобытном океане, а в гораздо более специфических местообитаниях, расположенных прямо на поверхности нашей планеты, — жерлах грязевых вулканов или горячих источниках. Еще в 1871 г. Чарльз Дарвин в частной переписке высказал догадку, что первые живые существа могли зародиться на поверхности земли в какой-нибудь «маленькой теплой луже» (warm little pool). Исследования последних десятилетий как будто бы подтверждают его удивительное научное предвидение. В качестве современных аналогов такой «колыбели» первобытной жизни рассматриваются, например, гейзеры Камчатки.
Мы помним, что LUCA был далеко не первым организмом в биосфере: между зарождением жизни и появлением последнего общего предка всех современных видов могли пройти многие десятки миллионов лет. Вполне вероятно, что жизнь, возникнув в этой гипотетической «теплой луже», проникла в воды Мирового океана и там дала множество разнообразных потомков, одним из которых и стал теплолюбивый LUCA. Но оставим споры по этому интереснейшему вопросу специалистам…
Что еще удалось узнать о нашем далеком первопредке?
Жил он примерно 3,8 млрд лет назад. Как получена эта датировка, поговорим чуть позже, в главе 3. Наследственную информацию LUCA хранил, используя молекулы ДНК, но он еще не имел хромосомного аппарата. Считывание (транскрипция) этой информации проводилось, как и во всех современных клетках, с помощью рибосом и молекул РНК. Белки, которые он мог синтезировать, состояли из тех же 20 базовых аминокислот, которые входят в состав белков нынешних организмов. Был LUCA роста совсем небольшого, прямо скажем, микроскопического, но уже обладал всем необходимым внутриклеточным оснащением, чтобы размножаться и обмениваться с окружающей средой энергией и веществами, необходимыми для жизнедеятельности. Возможно, что его тело (клетку) окружала вполне сформированная мембрана, похожая на те клеточные мембраны, которые есть у современных бактерий и эукариот (правда, с этим согласны не все специалисты). Через нее LUCA получал извне всё необходимое и избавлялся от ненужных веществ. Что касается его способа питания, то биологи величают LUCА «анаэробным хемоавтотрофом». В переводе на более простой язык это значит, что LUCA не нуждался в кислороде для своего существования и мог сам производить нужные ему питательные вещества, используя для этого неорганические соединения, в изобилии представленные в его среде обитания. Это были самые простые вещества — молекулярный водород (H2) и углекислый газ (CO2). LUCA получал необходимую для жизни энергию, окисляя водород. Углекислый газ он использовал как источник углерода для построения органических молекул. Да, несмотря на всю простоту своего клеточного устройства, наш герой был весьма искусным химиком. Собственно, почти все его современники, древнейшие микробы, вели сходный образ жизни. Фотосинтез — важнейший биохимический процесс, появление которого предопределило всю последующую историю земной биосферы, — еще только предстояло «изобрести». Когда это произойдет, живые организмы получат в свое распоряжение изобильный и очень надежный источник энергии — солнечный свет. Пока же LUCA и его собратья извлекают энергию, содержащуюся в неорганических молекулах, чем и добывают свой «хлеб насущный». Свободного кислорода в оболочках Земли пока тоже маловато, да и не могло его быть много до появления фотосинтезирующих бактерий, усердным трудом которых за многие миллионы лет сформировалась современная, богатая O2, атмосфера нашей планеты. Совсем не случайно, что в биохимической конституции LUCA присутствовало много железосодержащих ферментов. Как и другие микробы, наш предок нуждался в этом элементе для роста и жизнедеятельности. В современной атмосфере железо быстро окисляется и переходит в нерастворимую в воде трехвалентную форму (нам она хорошо знакома в быту в виде ржавчины). В наши дни в водах Мирового океана растворено сравнительно мало железа, и его обитатели вынуждены обзаводиться сложными химическими механизмами для добывания данного элемента. LUCA, живший в бескислородной среде, богатой хорошо растворимым двухвалентным железом, не знал такой трудности и мог позволить себе роскошь обладания железосодержащими ферментами.
За прошедшие с той далекой поры миллиарды лет археи и бактерии очень слабо изменились как в морфологическом, так и в биохимическом отношении. Весьма вероятно, что кое-кто из нынешних представителей этих доменов не сильно отличается от первобытного существа, называемого LUCA. Впрочем, главная тема этой книги — родословная животных, строение которых в ходе эволюции видоизменялось, по сравнению с микробами, чрезвычайно сильно. Но в эпоху, о которой рассказано в этой главе, животных, как говорится, не было даже в проекте. Если бы нашу планету 3,8 млрд лет назад посетил воображаемый инопланетный биолог, ему было бы мудрено увидеть в LUCА и его собратьях эволюционный зачаток высокоорганизованных многоклеточных организмов, освоивших со временем не только гидросферу, но и поверхность земли, и почву.
На этом эволюционном пути предстояло сделать немало шагов, важнейшие из которых — возникновение эукариотической клетки, а также появление настоящих многоклеточных организмов. Об этом мы еще обязательно поговорим.
Пока же давайте немного отвлечемся от мира живой природы и обратимся к миру человеческому. Оставив на некоторое время наших далеких первопредков, посмотрим, как, когда и при каких обстоятельствах ученые пришли к великой идее эволюционного родства всех видов животных — от губок до млекопитающих. Кроме того, перед тем как двигаться дальше через горы времени, нам надо разобраться, каким образом современные исследователи могут заглядывать в прошлое и как им удается понять, кто из животных кому родственник и в какой степени родства.
