Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Маргулис выдержала натиск бури, но, к несчастью, ее научная карьера завершилась в 2011 году, когда в возрасте 73 лет у нее случился инсульт. Перед смертью она успела увидеть подтверждение своей теории. Оглядываясь на прожитую жизнь, Маргулис суммировала свое отношение к конфликтам простой фразой, которая была ее мантрой все долгие годы научных баталий: “Я не думаю, что мои идеи спорны, я думаю, они справедливы”.

Творчество, сила личности и технология изменили наш взгляд на историю жизни. Великие революции происходили тогда, когда существа объединялись для создания еще более сложных существ и прежде свободноживущие организмы становились частями более сложного целого. Любое растение и животное на современной Земле представляет собой организм, состоящий из многих частей со сложной иерархией – от органов до клеток, органелл и генов. Путь формирования такой структуры – это история длиной в несколько миллиардов лет, начавшаяся практически в момент зарождения самой планеты.

Чем глубже мы заглядываем в прошлое, тем более размытой становится картина жизни. Возможно, никто не знает этого лучше, чем Джеймс Уильям Шопф, посвятивший жизнь поиску следов самых первых живых существ на нашей планете. Поиск привел его к бесплодным склонам гор Западной Австралии. Особенность этого места – камни, возраст которых составляет более трех миллиардов лет, это одни из старейших гор в мире. И потому ученые приезжают сюда изучать, как функционировала первозданная Земля. Эти камни видели многое: они нагревались, сжимались и поднимались на протяжении бесчисленных лет с момента своего образования. То, что когда-то было внутри, включая окаменелости, скорее всего, спеклось или рассыпалось.

Изучая в 1980-х годах горную формацию Апекс-Черт[20], Шопф обнаружил камни, которые казались мало изменившимися для своего возраста. В камнях, подвергавшихся сильному нагреванию или сжатию, содержатся специфические минералы, образующиеся в результате деформации. В камнях из Апекс-Черта таких минералов было сравнительно мало. Зная, что подобные камни достаточно редки, Шопф взял их для лабораторного анализа, чтобы посмотреть, что там внутри. Сланец, образующийся из ила на океанском дне, часто содержит останки существ, осевших после смерти на дно.

Работать со сланцем бывает непросто. Каждый камень расщепляют с помощью алмазного резца и помещают полученные срезы на подложку для микроскопического анализа. Шопф привлек к делу двух аспирантов, но за два года сидения за микроскопом они не нашли ничего интересного. Подключившийся к работе третий аспирант через несколько месяцев обнаружил в камнях микроскопические волокна. Решив, что в них нет ничего занимательного, он отложил их в ящик с образцами для последующего анализа. Потом этот аспирант нашел работу в промышленности, и образцы пролежали в ящике еще пару лет.

Однажды Шопф извлек содержимое ящика для анализа, не зная, что там находится. Некоторые микроскопические волокна выглядели как тонкие полосы и ленты. Большинство походили на жемчужные ожерелья, состоящие из соединенных друг с другом крохотных округлых структур. Шопф раньше видел такой рисунок в небольших колониях живых сине-зеленых водорослей. Но эти похожие на клетки структуры находились в камнях, возраст которых составлял почти три с половиной миллиарда лет. Шопф во всеуслышание объявил, что нашел самые древние окаменелости на Земле в горных породах, сформировавшихся через миллиард лет после возникновения нашей планеты и Солнечной системы.

Ему поверили не все, к звуку фанфар примешивались голоса критиков. Одно критическое замечание сводилось к тому, что обнаруженные Шопфом волокна не могли возникнуть естественным путем за миллиарды лет формирования породы. Противники идеи Шопфа утверждали, что волокна были не окаменелостями, а формой графита, образовавшейся в камнях под действием высокого давления. В журналах появилась масса статей, подтверждавших и опровергавших заявление Шопфа. У Шопфа был даже публичный спор с одним видным оппонентом. Может показаться, что предмет их спора – микроскопические волокна внутри горной породы – важен лишь для посвященных, однако этого никак нельзя сказать об основополагающем вопросе происхождения самых первых форм жизни.

Шопф испробовал другую тактику. Вместо того чтобы сравнивать форму волокон в камне с формой сине-зеленых водорослей, он нашел другой подход к анализу ранних форм жизни. Через несколько десятков лет после его открытия появились новые технологии, позволявшие ученым анализировать химический состав камней и предполагаемых окаменелостей. Химический элемент углерод существует на планете в разных формах, и одни виды атомов углерода тяжелее других. Живые существа используют углерод, причем предпочитают один из видов атомов. Учитывая эту химическую специфику, следы жизни в камнях можно найти по соотношению разных типов атомов углерода.

С помощью масс-спектрометра – аппарата размером с домашнюю посудомоечную машину – Шопф с коллегами проанализировали углеродный состав горной породы и содержавшихся в ней волокон. Углеродный состав волокон соответствовал характеристикам живых существ. Более того, в них проявлялись признаки как минимум пяти типов организмов. Какие-то имели признаки организмов, осуществлявших примитивный фотосинтез. Другие походили на микробов, которые способны в качестве источника энергии использовать метан. И если австралийский сланец открывал крохотное окошко в прошлое Земли, через него было видно, что три с половиной миллиарда лет назад жизнь на планете уже была разнообразной.

Мы знаем, что в камнях можно находить химические подтверждения жизни. Даже если окаменелость давно разрушилась, химические характеристики живого существа могут сохраняться. Если живые организмы использовали для метаболизма углерод, в горной породе останутся следы в виде измененного соотношения форм углерода. Анализируя на содержание углерода камни из Восточной Гренландии, группа ученых из Йельского университета обнаружила доказательства присутствия живых существ даже в более древних камнях, чем в Австралии. Этим камням четыре миллиарда лет: они сформировались через пятьсот миллионов лет после возникновения нашей планеты и Солнечной системы.

Все эти данные показывают, что с самых ранних этапов существования Земли до периода около двух миллиардов лет назад наша планета была населена исключительно одноклеточными организмами, жившими по отдельности или в виде колоний. Гены каждого отдельного микроба давали начало следующим поколениям: одна клетка расщеплялась с образованием дочерних клеток, дочерние клетки тоже расщеплялись, и так сменялись поколения. Изобретения касались главным образом новых типов метаболизма и химических адаптаций для более эффективной переработки энергии, топливных молекул и отходов. Одни виды получали энергию из серы или азота, другие – из солнечного света и диоксида углерода. А третьи для переработки энергии использовали кислород. Эти одноклеточные существа подготовили почву для грядущих революций.

Микробный метаболизм изменял мир. На протяжении почти двух миллиардов лет сине-зеленые водоросли были самой многочисленной формой жизни на Земле. Благодаря механизму фотосинтеза они использовали солнечный свет и диоксид углерода для производства необходимой для жизни энергии. Побочным продуктом их жизнедеятельности был кислород. Сине-зеленые водоросли живут колониями —либо в виде таких полос, которые обнаружил Шопф, либо в виде похожих на грибы образований, по размеру сопоставимых с микроволновой печкой. Примерно три с половиной миллиарда лет назад эти колонии активно расселились по всему земному шару. Выделяя кислород на протяжении миллиардов лет, они значительно изменили атмосферу. Четыре миллиарда лет назад в атмосфере было очень мало кислорода, но постепенно его уровень повысился настолько, что мог поддерживать существование разных форм жизни.