Эволюция. От Дарвина до современных теорий - Элисон Джордж

1937

Феодосий Добржанский развивает современный синтез, определяя эволюцию следующими генетическими терминами: «изменение частоты аллеля [генного типа] в генофонде».

1942

Эрнст Майр обобщенно объясняет эволюцию новых видов. Например, когда географический барьер делает популяцию генетически несовместимой с исходными видами.

1944

Было доказано, что ДНК является материалом наследственности, а не белком, как это считалось ранее.

1951

Розалинд Франклин впервые получает изображения ДНК. Двумя годами позже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определяют структуру двойной спирали ДНК.

1990

Запускается проект «Геном человека». Проект завершится 13 лет спустя, когда будет обнаружена полная последовательность. Затем последуют исследования геномов многих других организмов.

Эволюции нужен материал для работы. На протяжении многих миллионов лет после образования Земли наша планета была безжизненным местом с невыносимыми условиями. Затем, около 3,8 миллиарда лет назад, когда поверхность Земли остыла и образовались океаны, произошло нечто удивительное. Из первоначальных химических веществ на Земле возникла некая сущность, способная к самовоспроизведению. Так зародилась жизнь. Но как же именно это произошло?

Каким же был последний общий предок всего живого? И как именно он жил? Возможно, это так и останется тайной. Однако исследователи уже начали изучать эту давно утраченную форму жизни.

Единственное, что мы знаем точно, – это то, что жизнь возникла в промежутке между формированием Земли (4,5 миллиарда лет назад) и появлением первых достоверных окаменелостей (порядка 3,4 миллиарда лет назад).

В 1859 году Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов», целая глава которой была посвящена проблеме отсутствия «промежуточных звеньев» – переходных форм, которые преодолели эволюционные разрывы между близкородственными видами. Если его теория верна, то ископаемые находки должны были пестреть этими звеньями. Но где же они?

Тогда это действительно была проблема, поскольку было найдено сразу несколько таких окаменелостей. Затем, в 1861 году, произошло знаменательное открытие – археоптерикс с крыльями и перьями птицы, а зубами и хвостом динозавра.

С тех пор мы обнаружили множество промежуточных звеньев: рыба, которая могла ползать, ящерицы с челюстями млекопитающих, киты с ногами, жирафы с короткими шеями и многие другие.

Но все же есть один экземпляр, который мы вряд ли когда-либо найдем, – связующее звено между самой древней протожизнью и жизнью в известном нам понимании, также известный как последний универсальный общий предок, или LUCA.

LUCA жил около 4 миллиардов лет назад и представлял собой крошечную и хрупкую форму жизни, ставшую прямым предком для каждого живого существа – от трубкозубов до зебр. LUCA не был самой первой жизнью на Земле; его появлению предшествовали тысячи, если не миллионы лет эволюционных экспериментов. Но изучение LUCA даст нам больше понимания происхождения жизни.

Мы уже знаем удивительно много. Несмотря на то, что все окаменевшие следы LUCA были, скорее всего, стерты эоны назад, сегодня мы все-таки можем найти указания на него в каждой живой клетке, включая нашу собственную. Клетки используют тот же генетический код, заключенный в ДНК. Таким образом, возникает предположение о том, что предок всего живого, LUCA, был сделан из ДНК.

Что появилось первым?

Сначала эта идея породила проблему курицы и яйца. Все формы жизни на Земле пользуются белками для выполнения своих базовых функций, включая создание ДНК и выполнение ее кода. Сами же белки сделаны из шаблонов ДНК, так что без ДНК нет белков. Так что же появилось первым?

Как оказалось, ни то ни другое. РНК является близким родственником ДНК. Она также находится во всех живых клетках и также несет в себе генетический код. Но в отличие от ДНК молекулы РНК имеют собственный инструментарий, выступая в роли ферментов и катализируя химические реакции. Наша самая свежая и лучшая теория о происхождении жизни, известная как «гипотеза РНК-мира», утверждает, что генетический код зародился из «первичного бульона» РНК-молекул, которые со временем породили ДНК и образовали первые клетки. И правда: не все жизненные формы выполнили этот переход, а некоторые вирусы все еще основаны на РНК.

Тем не менее и здесь возникает проблема: если LUCA состоял из РНК, то откуда взялась сама РНК? Дарвин был одним из первых ученых, рассуждавших о возникновении жизни. Он представлял себе «небольшой теплый водоем, в котором присутствовали все виды аммиака и фосфорных солей, свет, тепло, электричество и т. д.». В 1950-х годах американские химики Стэнли Миллер и Гарольд Юри попытались проверить эту гипотезу, заменив смесь газов и воды электричеством. В результате они создали горстку биотических молекул и, естественно, пришли к выводу о том, что изобретательность и упорство позволяют сделать так, что неживое превратится в строительные кирпичики жизни.

Однако не так давно эти идеи неожиданно опередили более конкретизированные взгляды. Например, Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона считает, что теплые жерла на дне океана – «черные курильщики» с первичным бульоном из метана, минералов и воды – обеспечили бы правильные условия для формирования РНК. В то же время Майкл Ярус из Колорадского университета в Боулдере придерживается идеи слякотного водоема. По его словам, постоянное замораживание и оттаивание смогли бы объединить химические вещества в правильном порядке.

Рис. 4.1. Познакомьтесь со своим создателем. Мы приближаемся к разгадке того, каким был последний общий предок всей жизни на Земле (LUCA) и откуда он взялся.

Быть может, это было сочетание обоих идей либо нечто совершенно иное. Интересно, что более поздние эксперименты по «оживлению» РНК показали, что при правильном сочетании химических составляющих фундаментальные кирпичики жизни как будто бы образуются сами. Это расширяет возможности зарождения жизни. Но не все так просто. Если химия жизни на нашей планете зародилась самостоятельно, то почему же этого не произошло и в других местах?

Охота за древнейшими окаменелостями – весьма спорная область. Ископаемые микробы довольно трудно отличить от минеральных структур, не имеющих ничего общего с жизнью. То же самое относится и к геохимическим следам древней жизни.

Самое древнее убедительное доказательство клеточной жизни было найдено в форме окаменелости в 2011 году на западно-австралийском пляже возрастом в 3,43 миллиарда лет. Песчинки пляжа стали домом для клеток, питавшихся серой в анаэробном мире.