e.a. katrukha blog

Ископаемые находки – это вовсе не непрерывная хроника анатомических новшеств, в них есть и пробелы. Такие «прорехи» могут быть следствием либо резкого, скачкообразного изменения, либо недостаточной полноты архива ископаемых. Не очевидным является вопрос о том, как быстро или как медленно происходят молекулярные и клеточные изменения, большими или малыми шагами. О вопросе «длины шага» эволюции задумывался еще Дарвин, который считал, что эволюция происходит малыми рывками, понемногу направляемыми условиями отбора. В 1972 году Нильс Элдридж и Стивен Дж. Гулд ввели понятие прерывистого равновесия для того, чтобы описать неравномерную скорость изменения анатомии ископаемых организмов. По их мнению, долгие периоды застоя прерывались взрывами появления новшеств. В дальнейшем мы решили придерживаться этого запоминающегося термина, чтобы показать, что его наиболее важное и убедительное применение касается событий на молекулярном и клеточном уровне.

История возникновения клеточных новшеств – это рассказ о сохранении и о появлении разнообразия. В течение эволюции, ключевые процессы вводились в жизненный цикл во время редких интервалов (прерывистая часть) и оставались неизменными до сегодняшнего времени (равновесие или застой). В отличии от представлений о прерывистом равновесии Элдриджа и Гулда, с нашей точки зрения в периоды застоя не наблюдалось недостатка в анатомической или физиологическо-фенотипической изменчивости царства животных. Она никоим образом не уменьшалась. Эта теория – теория значительно более большого взрыва, чем теория прерывистого равновесия. Как только появляется класс новшеств, он постоянно сохраняется без дальнейших изменений.

Оставшаяся часть данной главы представляет собой нестандартный взгляд на историю эволюции: это не история возникновения различных анатомических изменений, а история появления «адаптивных типов поведения клеток», которые впоследствии сохраняются. Представление эволюции в терминах сохранения и диверсификации (разнообразия) производит совершенно отличное впечатление в сравнении со стандартными понятиями, основанными только лишь на появлении новых отличий в организмах со временем. Анализ ДНК позволяет нам указать наиболее важные новшества за прошедшие три миллиарда лет. Такая «родословная» представлена на рисунке 5, на котором появление новшеств и их сохранение в клеточной организации сопоставлены с геологическими событиями. В принципе, мы могли бы проследить происхождение любого из множества современных видов: растений, одноклеточных или необычных микроорганизмов. Но по причинам видового шовинизма мы выбрали путь, который приводит нас прямо к образованию вида «человек» нашего времени.

Приведенная хронология демонстрирует, что сохранение и диверсификация в перемешанном виде присуща всем организмам. Сохранение – это отдельное, выделенное свойство, а не набор характеристик, у которых не было времени измениться. На пути уверенно шагающей вперед эволюции сохранение никоим образом не мешает многообразию. Отметим, что ключевые процессы остаются неизменными вопреки резким изменениям и разнообразию в анатомии и физиологии организмов. Это замечание крайне необходимо для последующего объяснения.

В какой-то момент более трех миллиардов лет назад, сформировался окончательный предок всех существующих форм жизни, скорее всего, бактериоподобный огранизм. В настоящий момент обнаружены микроископаемые бактериоподобных форм, длиной 5-10 микрометров, в камнях возраста трех миллиардов лет. Возможно, это близкие родственники нашего предка. Какими же качествами обладал этот предок? У него должны были быть общие характеристики, которые встречаются во всех современных организмах (скажем, у людей, грибов, растений и бактерий). Так как многие из химических структур и превращений используются организмами универсальным образом.

На текущий момент неизвестно, из каких форм взяла начало жизнь – из наследующих РНК или ДНК. Фактически, даже неизвестно, возникновение наследственности произошло до эволюции белков или же случилось после нее. Все современные формы жизни содержат ДНК в качестве надежного хранилища информации о последовательностях белков и используют РНК в качестве промежуточного толкователя ДНК последовательности. Поэтому можно утверждать, что около трех миллиардов лет назад существовали бактериоподобные организмы, у которых была ДНК, РНК, генетический код из 20 аминокислот и рибосомы, выступающие в роли фабрик по производству белков под руководством РНК. Фундаментальные процессы репликации (копирования) ДНК, транскрипции в РНК-копию и трансляции в белок тоже присутствовали. Наряду с этим данный организм должен был представлять из себя самовоспроизводящуюся клетку, окруженную непроницаемой мембраной из двух слоев (или бислоя) липидов. Он должен был содержать несколько сотен типов энзимов для синтеза основных составляющих клетки, включающих 20 аминокислот, липиды клеточной мембраны и основания ДНК. Основанный на разложении сахаров энергетический метаболизм к тому времени уже должен был появиться. Точно также, как синтез кофакторов, которые позже станут витаминами. Конечно, у этого организма должны бы быть и другие характерные особенности, которые не стали общим достоянием его потомков.

Питательные материалы и источники энергии этих ранних организмов могли быть необычными. Возможно, у них было много общего с некоторыми видами современных бактерий, живущих в экстремальных условиях кипящей воды около кратеров подводных вулканов. Углерод скорее всего был доступен в виде двуокиси углерода, а сера – в виде сероводорода, которыми были насыщены геологические отложения. То есть они получали его не в готовом виде, из составляющих живой материи или из воздуха, как углекислый газ. Вероятно, кислород отсутствовал. Даже если некоторые из источников энергии отличались от источников современных бактерий, эти организмы все равно должны были быть очень сложными. Большинство биосинтетических метаболических путей для создания 60 (или около того) строительных блоков клетки были идентичными в сравнении с путями, которые используются сейчас всеми жизненными формами.

Эти универсальные процессы являются предметом современных курсов по биохимии и молекулярной биологии. Химия процессов возникла по меньшей мере три миллиарда лет назад. Составляющие и из взаимодействия остались в неизменном виде до текущего времени, переданные этим предком всем своим потомкам. Это удивительный уровень сохранения. После тысячи миллионов лет эволюции многие метаболические энзимы бактерии кишечной палочки (E.coli) по-прежнему более, чем на 50 процентов по аминокислотной последовательности идентичны соответствующим энзимам человека. К примеру, из 548 определенных у E.coli метаболических энзимов, половина присутствует во всех других жизненных формах, тогда как только 13 процентов присущи исключительно самой бактерии.

Сходство не только структурное, но и функциональное. Сегодня можно использовать современные методы рекомбинантной ДНК для обмена генами между очень отдаленными организмами, даже между бактериями и мышами. После чего они очень часто продолжают выполнять свои функции. В дальнейшем мы будем ссылаться на серию этих реакций, как на сохраняющиеся биохимические и молекулярно-биологические процессы, первый набор «консервативных центральных процессов» живых организмов. Химия биосинтеза и получения энергии, наряду с процессами извлечения информации из генома были достижениями первой фазы в истории главных эволюционных новшеств жизни. Как только эти процессы были созданы, последовали три миллиарда лет застоя в этих ключевых механизмах, вплоть до текущего времени. Но так как с тех пор образовалось множество организмов, этот биохимический застой не мешал возникновению новых фенотипов.

Нет совершенно никаких данных о том, что же предшествовало этому первому клеточному предку. Более простые организмы, такие как вирусы, не могут жить независимо. Они паразитируют на сложных жизненных формах и следовательно, не могут сообщить информацию о том, как возникли исходные бактериоподобные организмы. В надежде найти самые примитивные организмы, сохранившие в себе черты предка, некоторые биологи активно изучают жизненные формы, обитающие в экстремальных местах планеты Земля (горячие источники, гидротермальные вулканы). До сегодняшнего дня им не удалось найти решения загадки ранних стадий эволюции.

Другим потенциальным источником информации является поиск за пределами планеты. Френсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК, выдвинул гипотезу о том, что жизнь мигрировала в наш мир в виде спор или бактерий, переживших столкновение с атмосферой и поверхностью Земли. Существуют планы по исследованию таких планет, как Марс или таких спутников, как Европа (луна Юпитера) или Титан (луна Сатурна). Их поверхности возможно вполне благоприятны для жизни, какой мы ее знаем на земле. Все, что касается эволюции до бактериоподобных форм жизни является областью чистых догадок, поэтому мы начали это изложение с бактериоподобного предка и его набора биохимических и молекулярно-биологических центральных процессов.