Новый Мир. № 12, 2000 - Журнал «Новый мир»

Клетки демонстрируют три уникальных качества:

воссоздают порядок из предшествующего порядка: важнейшая информация, план устройства и функционирования клетки копируется веществом наследственности (ДНК) от родительских клеток в новые поколения. Информация в ДНК записана линейным кодом (то есть самым компактным способом — природа экономит жизненное пространство) и упакована в сотни и тысячи раз более плотно, чем на жестком диске современного компьютера;

создают порядок из химического хаоса молекул, используя потоки веществ и энергии для создания структур (то есть пространственного порядка). Все реальные проявления жизни задаются белками — трехмерными копиями генов ДНК. В самой ДНК жизнь существует лишь в виде проекта. Живая клетка — это пространство и деятельность функционирующих белков, собирающихся в молекулярные машины. Каждый белок имеет несколько стыковочных «вилок-розеток» — как строительный модуль в детском конструкторе;

только специальная сеть «инструкций» (программа) способна организовать и «оркестрировать» работу миллионов молекул и машин в клетке. Клетка — это всегда двуединство устройства и программы.

Все клетки одноклеточных и многоклеточных организмов используют единый язык ДНК и белков, хотя различаются деталями устройства. Происхождение видов, эволюцию форм проще всего понять как «конкурентный спорт» все новых и новых способов сборки и функционирования белков, клеток, организмов и биоценозов. Потоки информации между клеточной мембраной и ядром определяют работу генома и то, какие комбинации генов будут задействованы для реализации функции клетки. Сигнальные сети — от уровня молекул до уровня биоценозов — организуют согласованные ответы разных клеток и организмов. Мгновенные информационные события — фиксация новых сигналов рецепторами на поверхности клеток — трансформируются в события материальные, в строительство новых органелл и клеток. Клетки структурируют время «архитектурными» постройками. И разные эпохи эволюции различаются стилем биоархитектуры. Часть клеток, часть организмов и целых видов новая информация обрекает на исчезновение. Ясно, что любое устройство имеет довольно узкий диапазон для выживания.

Клетка — ковчег порядка в океане хаоса и на ветрах информации. Клетки, как и организмы, реагируют на сигналы, а не на вещества. В отличие от потока веществ, сигналы только перекодируются на язык программы клеток. До сих пор эволюция жизни на планете «работала» исключительно на биологической информации, циркулирующей в живых клетках и между клетками. В настоящее время эволюция уже творится на стыке био- и киберсферы, работа клеток и организмов все чаще сопрягается с алгоритмами компьютеров для освоения гигантских информационных массивов. Но разговор об этом новом витке эволюции будет понятнее читателю, если мы сперва рассмотрим всю цепь событий в ретроспективе и начнем с первых шагов жизни на земле.

М. Б. Была ли вообще — по крайней мере в истории Земли — точка перехода от неживого к живому? Или первые живые организмы уже «оформившимися» попадают однажды на нашу планету из космического пространства, а момент зарождения жизни теряется где-то в астрономическом времени? А может быть, Земля так или иначе «импортировала» жизнь изначально, еще на стадии планетообразования?

В. Р. Наука скрупулезно анализирует каждую из перечисленных вами возможностей. По современным данным, Земля возникла около 4,5 млрд. лет назад из спрессованных остатков старой звезды, метеоритов и космической пыли. Полагают, что первые образцы жизни на Землю были занесены из космоса, когда возраст Земли был около 1 млрд. лет. Гипотеза «заноса» (панспермии), выдвинутая в начале XX века Сванте Аррениусом, сейчас имеет много больше сторонников, чем идея самозарождения и сборки клеток заново на молодой планете. Нет оснований исключать одновременную постепенную эволюцию простых молекул в сложные в первый миллиард лет существования Земли. Однако бурный прогресс микробной жизни сместил на второй план возможности самозарождения клеток. Нынешние условия на Земле не дают никаких шансов самозарождению клеток из ДНК, белков даже в специально созданной лабораторной среде. В 60-е годы XX века русские и английские ученые в Антарктиде открыли глубоководное озеро Восток — древнейший изолят пресной воды с возрастом более 3 млрд. лет. Этот уникальный «музей» ранней жизни оказался замурованным под двухкилометровой толщей льда. Озеро не промерзало, поскольку находилось в кратере вулканической гряды, отдающей значительное тепло земных недр. Пробное зондирование обнаружило уникальных бактерий, продуцирующих энергию в абсолютной темноте неизвестными ранее способами. Скорее всего, протобактерии той эпохи научились выживать, используя для биосинтезов градиенты температуры. Пока что исследования микробов Антарктиды были ограничены забором образцов льда, в которых были обнаружены древнейшие виды бактерий. Однако на бурение льда на самом озере Восток с целью получения глубоководных проб наложен международный мораторий, пока не будет придуман способ, исключающий возможность внесения современных микробов. Но и первые находки позволили идентифицировать бактерии, способные существовать без солнечной энергии. Прототипы таких бактерий сейчас разыскивают с помощью спектрального анализа в глубинных слоях астероидов, Марса и других планет, в хвостах комет. Вероятно, они-то и были «варягами», явившимися на Землю из космоса.

Другие отпрыски древнейших династий бактерий обнаружены в глубоководных вулканах на дне океана и в гейзерах. Эти микробные изоляты великолепно приспособились к температуре 150–250 °C и давлению в несколько атмосфер. Маргиналы-термофилы создали особо прочный каркас ДНК и белков.

Крайности эволюции показывают, что ДНК, белки и другие молекулы являются не целью, а средством выживания. Поэтому «репертуар» генома микроорганизмов с изменением условий подвергается кардинальной перестройке. Молекулярная архитектура подгоняется под контекст выживания. В то же время в нормальных константных условиях геном обеспечивает стабильность фенотипа клеток, пока условия среды кардинально не меняются. Только клетки, а не ДНК являются полноценными «зарегистрированными» участниками — и творцами — эволюции. Проводя конкурс без предварительного плана, эволюция вполне бездумно отбирает лучший результат, не вдаваясь в процесс и не исследуя качество отдельных молекулярных машин в клетке. Эволюции «безразлично», как бактерии дышат и каким способом они генерируют энергию. Важен конечный результат — быть или не быть! Существует сила, заставляющая любую ДНК клетки, информационный проект жизни, «раскрываться» в реальную белковую жизнь, осуществляться в реальном физическом пространстве и времени. На этой силе и держится вся лестница эволюции.

М. Б. Есть ли объяснения, почему жизнь на Земле стартовала именно с микробов, а не сразу, скажем, с каких-то более сложных организмов. В чем особые достоинства одноклеточных?

В. Р. Темп деления микробов в 100 — 10 000 раз выше скорости удвоения клеток многоклеточных организмов. За одни сутки можно получить 40 поколений клеток, то есть сотни миллиардов бактерий. От 30 до 50 процентов потоков энергии и питательных веществ преобразуются у бактерий в новые копии ДНК. Бактерии перекачивают солнечную энергию в главные информационные молекулы жизни. Поскольку цивилизация бактерий создавалась в эпоху мощных геологических катаклизмов и непредсказуемых изменений климата, бактерий выручала их уникальная способность приспосабливаться и выживать за счет постоянной модификации генов, невероятная скорость приспособления в широчайших диапазонах. Бактерии первыми на Земле создали гигантскую «библиотеку» генов, включая целые генные кланы, семейства и родословные, которые затем перекочевали в многоклеточные организмы. Если бы жизнь начиналась с многоклеточных, на создание той же библиотеки и банка генов ушло бы гораздо больше времени. Бактерии оказались главным источником вирусов. Многие из вирусов-«казанов» научились легко преодолевать «границы и таможни» видов и биоценозов, занимаясь «контрабандой» чужих генов. Этот так называемый «горизонтальный» перенос генов между клетками в биосфере сыграл важнейшую роль в возникновении и распространении многоклеточной жизни. «Вертикальный» же перенос информации от ДНК родителей к потомству оберегает любой вид жизни от уничтожения. Возникновение и стабилизация видов связаны с надежной информационной изоляцией половых клеток и полового процесса и его защитой от внешних помех.

Когда жизнь на земле вошла в спокойное русло, скорость приспособления клеток перестала быть главным фактором выживания. Самораскручивающийся маховик эволюции стал осваивать новые пласты качества, в том числе и другие масштабы пространства-времени. Бактериальные клетки в новой ситуации лишились перспективы, хотя накопили гигантский арсенал генов, из которых только крохотная часть использовалась в их краткосрочной жизни.