Чтение онлайн

Итак, на пути к истокам жизни мы наблюдаем, как картина стремительно усложняется. Никаких ископаемых останков, относящихся к периоду 3,5–4 миллиарда лет назад, не сохранилось, хотя одна группа геологов утверждает, будто обнаружила ископаемые клетки [185] в австралийских скальных породах возрастом в 3,4 миллиарда лет. В нашем распоряжении лишь химические осадки и минеральные структуры, оставшиеся от колоний одноклеточных организмов или чего-то, что им предшествовало. В результате нам приходится экстраполировать молекулярные эквиваленты ископаемых останков – например, белковые структуры, закодированные в современных ДНК. Каждая из этих структур – это словно микроскопическое напластование, скопированное в несчетных квадрильонах организмов на протяжении истории жизни на Земле. В результате возникает неприятная проблема: нужно ответить на вопросы, сколько независимых линий жизни могло возникнуть на Земле и сколько случаев абиогенеза в принципе могло иметь место и на нашей планете, и в других уголках Солнечной системы. История генетических ископаемых не предусматривает точной хронологии, которая позволяла бы сопоставлять перемены в генетике с событиями во внешнем мире, и мы, очевидно, не очень-то уверены, что можно было бы считать настоящим научным определением зарождения жизни. Задолго до появления последнего универсального общего предка нам все равно приходится задаваться вопросом, в какой момент можно считать сложную молекулярную структуру «живой». Вопрос этот древний, как сама наука, и лаконичного ответа на него мы до сих пор не сформулировали, поскольку характеристик у жизни множество – от метаболизма до размножения и наследования, от гомеостазиса (регуляции внутренней среды) до способности приспосабливаться к внешней среде. Однако в биологическом подлеске шныряют кое-какие подсказки.

Например, об ответе на этот вопрос нам многое говорит удивительный случай гигантских вирусов [186] . Вирусы долго было принято считать «не совсем живыми» – это упрощенные наборы ДНК и РНК, которые получают молекулярный инструментарий для размножения исключительно от организмов-хозяев и, таким образом, полностью от них зависят. Однако природу не так-то легко уложить в рамки классификации. В начале девяностых годов ХХ века исследователи, изучавшие амеб, которые живут в воде кондиционеров и систем охлаждения воздуха, наткнулись на организм, который инфицировал этих крошечных существ. Поначалу его приняли за разновидность бактерий, но затем, в начале двухтысячных, рассмотрели под электронным микроскопом, и оказалось, что это вирус, просто исполинских размеров.

«Мимивирус» имеет в поперечнике около 750 нанометров – настоящий великан среди вирусов. Он не просто гораздо крупнее подавляющего большинства известных вирусов, но еще и несет в себе весьма примечательную ДНК. Эта ДНК содержит почти 1,2 миллиона «буковок»-нуклеотидов, и ее гены кодируют более чем 900 видов белковых молекул. Казалось бы, не так уж много, – в человеческой ДНК закодировано вплоть до 25 000 белковых молекул, – однако стоит учесть, что минимальный генетический код, который мы видели у обычного вируса, состоит всего-то из четырех генов. А столько генетической информации, сколько у мимивируса, нет даже в ДНК некоторых бактерий. Мимивирус – настоящий монстр. Со времени открытия первых гигантских вирусов было обнаружено еще несколько видов (если этот термин тут уместен), в том числе и вирус, получивший довольно громкое название «мегавирус» [187] , ДНК которого вмещает примерно на 140 генов больше, чем ДНК мимивируса. Это наводит на мысль, что гигантские вирусы – отнюдь не аномалия, а просто еще один узор в роскошном убранстве жизни.

Но живые ли они? Заслуживают ли они своего домена на древе жизни? Исследователи, изучающие сложные белковые коды, которые несут в себе гигантские вирусы, обнаружили несколько поразительных молекулярных особенностей, которые помогают ответить на эти вопросы. Хотя эти вирусы не могут воспроизводиться без организма-хозяина, как и их более мелкие родственники, и точно так же пользуются хозяйскими ДНК, они несут гены древних белковых структур, которые присутствуют и у клеточных организмов – бактерий, архей и эукариотов. Вдобавок они содержат ферменты, участвующие в преобразовании кода ДНК в белки, – те самые энзимы, которые мы раньше встречали только в живых клетках.

Такого мы от вирусов не ожидали. Эти гигантские вирусы – словно безработные механики, таскающие при себе старые наборы инструментов. Хотя вирусы способны перенимать гены у других организмов, крайне маловероятно, чтобы гигантские вирусы заполучили все эти полезные гены по одному. Напрашивается примечательный вывод: эти организмы, возможно, представляют собой «де-эволюционирующие», редуцированные версии [188] чего-то другого, некогда более сложного. Они почти совсем – но не совсем – способны самовоспроизводиться. А когда-то, вероятно, были способны. Где-то на эволюционном пути они обнаружили, что им гораздо лучше живется в роли заразных паразитов, а может быть, просто не удалось вести самодостаточное существование. Некоторые ученые, исследующие эти незаурядные вирусы, полагают, что они, возможно, произошли от совершенно иной ветви жизни, которая либо предшествовала последнему универсальному общему предку, либо сосуществовала с ним у основания остальных ветвей.

Время покажет, к чему нас приведут эти исследования, однако в связи с байесовской интерпретацией вероятности возникновения жизни возникают некоторые интересные вопросы. Имеем ли мы право считать, например, первопредка гигантских вирусов подлинно независимой версией жизни? Судя по всему, биохимия у него полностью такая же, как и у всех нас, и он, возможно, зародился в болотистом «мире РНК», а может быть, возник из каких-то еще более ранних химических соединений. Однако если он возник не одномоментно с нашим последним универсальным общим предком, а с разницей в несколько десятков или сотен миллионов лет, можно ли считать это случаем независимого зарождения жизни?

А возможно, подобная «де-эволюция» говорит нам о чем-то другом. Не исключено, что это свидетельство того, что когда на планете зарождается и развивается жизнь, у отдельных доменов с обособленными биомолекулярными стратегиями остается относительно мало времени на самоутверждение, иначе они потерпят поражение в конкурентной борьбе за сырье и энергию. Если это так, следовательно, жизнь на планете устроена по принципу «обслуживания в порядке очереди». А значит, едва ли природа проводит эксперименты с «новыми» типами жизни. У них просто нет шансов выдержать конкуренцию за ресурсы и место под солнцем.

Это подводит нас к очень важному вопросу. Действительно ли известная нам фундаментальная биохимия жизни уникальна в масштабах планеты? А вдруг возможна принципиально независимая разновидность жизни с принципиально иной биохимией, и она сосуществует с нами и по сей день? Иными словами, если она сумела избежать прямой конкуренции со всеми известными организмами, возможно, она просто скрывается от невооруженного взгляда.

Многие ученые, а особенно физик Пол Дэвис [189] , тщательно изучили идею о том, как такая жизнь могла бы либо полностью ускользнуть от прямого наблюдения, либо каким-то образом спрятаться и существовать среди всего прочего. Не исключено, что «теневая жизнь» опирается на совершенно иную химическую конституцию и именно благодаря этой конституции скрывается и от химических, и от физических методов наблюдений. Это всего лишь гипотеза, причем непроработанная, поскольку фундаментальная биохимия известной нам жизни на Земле прекрасно справляется со своей задачей. Поиски альтернативного молекулярного языка, при помощи которого природа способна создавать организмы, – серьезное испытание для нашего воображения, а может быть, и для самой природы. Вести их прямо и непосредственно будет очень трудно. Поскольку нам не встречалось ни одного живого существа, которое бы ходило, ползало, летало или плавало и при этом было бы основано на принципиально иной биохимии, естественно обратить внимание на микрокосм. Однако все не так просто. Даже сейчас львиная доля наших знаний о нормальной микроскопической жизни почерпнута из изучения генетики популяций, а не отдельных особей – и зачастую даже не отдельных видов, а этакого генетического бульона из множества видов и семейств. Исследовать население, например, пруда или ямки под камнем – дело в самом лучшем случае кропотливое и занудное. А если ищешь теневые организмы, не зная наперед, помогут ли в этом известные биохимические анализы, быстрого прогресса ожидать не приходится.

Можно, например, прибегнуть к хитрости и искать незнакомые организмы, которые выживают в условиях, где все «известные» формы жизни неизбежно погибнут. Пусть токсичная среда оставит нам лишь все необычное. Беда в том, что привычная жизнь прекрасно научилась адаптироваться и выживать на грани возможного и цепляется за жизнь зубами и когтями (конечно, в переносном смысле). Именно это ее свойство и стало причиной сенсации в конце 2010 года, вызвавшей оживленные споры в научных кругах.

Все началось с исследования среды поистине кошмарной – даже по меркам самых кошмарных уголков нашей планеты. Речь идет об озере Моно, которое находится у восточной оконечности Йосемитского национального парка в Калифорнии, у самой границы с Невадой. Моно – полностью окруженное сушей озеро, наполнившееся водой примерно 760 000 лет назад. Замкнутость системы озера в сочетании с особым составом вулканических минералов на его дне привела к тому, что вода в нем перенасыщена солями и содержит много щелочи. Деятельность человека лишь усугубила ситуацию: в сороковые годы ХХ века воду из множества источников, питавших озеро, отвели в сторону, чтобы утолять жажду обитателей растущего Лос-Анджелеса.

Поскольку пресной воды в озеро стало попадать гораздо меньше, оно стремительно испарялось и становилось все меньше и солонее – и теперь его соленость вдвое больше, чем у океанской воды в среднем. Несмотря на это, озеро представляет собой необычайно продуктивную экосистему, где в изобилии водятся рачки-артемии, щелочные мухи, бактерии и колонии птиц, которые всем этим питаются. Жизнь здесь изобильна и разнообразна, что заставляет забыть о том, насколько ядовита местная вода. А между тем в воде из горных источников, которые питают озеро, очень много мышьяка, который сильно мешает нормальной биохимии. Мышьяк – один из самых коварных элементов в таблице Менделеева, если вообще можно говорить о коварстве химических элементов. А все дело в том, что атомы мышьяка ведут себя (опять олицетворение!) похоже на атомы фосфора, а фосфор играет в биохимии важнейшую роль. Атом мышьяка значительно больше, однако внешняя оболочка электронов, благодаря которым он и участвует в химических реакциях, у него такая же, как и у фосфора. В результате, если мы усваиваем мышьяк в виде молекул арсената [190] (мышьяка с кислородом), эти молекулы временно обманывают организм и притворяются фосфатом, что приводит к катастрофе.

Наш организм пытается встроить арсенат в разные жизненно важные места – от молекул, передающих энергию [191] , вплоть до самой своей основы – ДНК, где значение фосфатов в нормальной ситуации очень велико. И хотя наша биохимия обманывается и путает арсенат с фосфатом, функционирует мышьяк совсем иначе, и в конце концов чужеродные молекулы нарушают работу клетки и убивают хозяина. То, почему мышьяк так похож на фосфор с химической точки зрения, до сих пор отчасти загадка – и это наводит некоторых ученых на мысль, что некоторые организмы от мышьяка не умирают, а эволюционируют так, чтобы работать не на фосфоре, а на мышьяке. Жизнь на основе мышьяка могла бы развиться в особых экосистемах – в частности, в вязком иле на дне озера Моно. Представляется, что это вполне разумная гипотеза теневой жизни, по крайней мере, на бумаге.