Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Этот сценарий (условия, распространенные в космических масштабах и в то же время отвечающие ряду жестких требований, которые определяют ход событий) наводит на мысль, что повсюду во Вселенной жизнь хемиосмотична. А значит, она должна испытывать те же проблемы и располагать теми же возможностями. Хемиосмотические сопряжение предоставляет живым организмам неограниченное многообразие метаболических путей, благодаря чему клетки могут “питаться” и “дышать” почти чем угодно. Так же, как гены (из-за универсальности генетического кода) могут в ходе горизонтального переноса передаваться от одной клетки к другой, инструментарий для приспособления метаболизма к радикально различным условиям может передаваться сходным образом, так как все клетки пользуются одной “операционной системой”. Я удивился бы, если во всей Вселенной (включая Солнечную систему) не нашлось бы ни одной бактерии, которая жила бы примерно так же, как на Земле – то есть получая энергию при помощи окислительно-восстановительных реакций и протонных градиентов на мембранах. Это можно предсказать, исходя из базовых принципов.

Но если так, сложная жизнь должна столкнуться с теми же ограничениями, с какими столкнулись эукариоты на Земле: у инопланетян также должны иметься митохондрии. Мы уже знаем, что у всех эукариот был общий предок, возникший лишь однажды в результате эндосимбиоза прокариот. Известны два случая подобного эндосимбиоза бактерий (рис. 25) – или три, если мы учтем Parakaryon myojinensis, – а значит, мы точно знаем, что одна бактерия может поселить у себя внутри другую, не фагоцитируя ее. Скорее всего, за четыре с лишним миллиарда лет должны были случиться тысячи – нет, миллионы случаев эндосимбиоза. Здесь определенно было “бутылочное горлышко” – но еще не самое узкое. В любом случае стоит ожидать, что эндосимбионты будут терять гены, а клетка-хозяин будет увеличиваться в размерах и усложнять свой геном – и именно это мы наблюдаем у Parakaryon myojinensis. Но стоит ожидать и того, что между клеткой-хозяином и эндосимбионтом в ходе тесного контакта возникнет эгоистический конфликт: это второе “бутылочное горлышко”. Два “бутылочных горлышка”! Двойное препятствие на пути эволюции сложной жизни, сделавшее этот путь по-настоящему трудным. Мы выяснили, что первые эукариоты, скорее всего, быстро эволюционировали внутри маленьких популяций. Уже тот факт, что общий предок эукариот должен был обладать столькими свойствами, ни одно из которых не встречается у бактерий, говорит о том, что это должна была быть маленькая, нестабильная популяция, которая размножалась половым путем. В том случае, если Parakaryon myojinensis воспроизводит путь эволюции эукариот (я склонен так считать), сверхнизкая плотность популяции (лишь один образец за 15 лет ловли) вполне предсказуема. Скорее всего, это создание вымрет. Может быть, из-за того, что ему не удалось успешно избавиться от рибосом в ядерном компартменте – или потому, что не получилось “изобрести” половой процесс. Или же – один шанс на миллион – он выживет и даст начало второму пришествию эукариот на Землю.

Я думаю, есть все основания заключить, что сложная жизнь очень редка во Вселенной: не существует встроенной закономерности естественного отбора, которая бы обеспечивала возникновение человека или какой-либо другой сложной формы жизни. Гораздо выше вероятность так и застрять на бактериальном уровне сложности. Статистика неутешительная. Но существование Parakaryon myojinensis может немного успокоить: многократное возникновение сложности на Земле означает, что сложная жизнь все-таки может встречаться где-то еще. Может быть. Что я могу сказать с большей уверенностью – что по энергетическим причинам для развития сложной жизни необходим эндосимбиоз двух прокариот, а это редкое событие, пугающе близкое к случайности. Ситуацию усложняет и то, что между хозяином и эндосимбионтом непременно должен возникнуть эгоистический конфликт. И вот мы опять пришли к классическому естественному отбору. Мы уже видели, что существование многих черт, характерных для эукариот – от ядра до полового размножения, – можно вывести из общих закономерностей. Мы можем пойти еще дальше. Возникновение двух полов, разделение на зародышевую линию и соматические клетки, запрограммированная клеточная смерть, мозаичные митохондрии, баланс между аэробной эффективностью и плодовитостью, приспособляемостью и болезненностью, старение и смерть: все эти особенности закономерно развились из стартовой точки – клетка внутри другой клетки. Будет ли это случаться вновь и вновь? Я думаю, что большая доля этого – будет. Уже давно стоило начать учитывать роль энергии в эволюции, ведь благодаря этому гораздо лучше получается предсказывать работу естественного отбора.

Энергия позволяет гораздо меньше, чем гены (немного терпения – скоро вы поймете, что я имею в виду). Посмотрите вокруг. Этот удивительный мир – результат множества мутаций, рекомбинаций и других генетических изменений, которые служили материалом для естественного отбора. У вас есть общие гены даже с деревом за окном – правда, с ним вы разошлись в незапамятные времена эволюции эукариот – полтора миллиарда лет назад. После этого каждый пошел своим путем, который определялся набором генов: результатом мутаций, рекомбинаций и естественного отбора. Вы, надеюсь, еще изредка, поддавшись порыву, залезаете на дерево. Деревья покачиваются на ветру, а потом превращают ветер в новые деревья – такова волшебная сила растений. Все эти различия записаны в генах, которые некогда были получены от общего предка, но теперь до неузнаваемости изменились. Изменения сначала получали возможность осуществиться, а потом результаты подвергались отбору, и так было на протяжении всего пути, которым шла эволюция. Гены допускают почти все, что угодно: все, что может произойти – произойдет.

Но у этого дерева также есть митохондрии, которые работают согласно почти тому же принципу, что и хлоропласты: без конца гоняя электроны по триллионам дыхательных цепей, перекачивая протоны через мембраны. Так же делаете и вы. Движение электронов и протонов поддерживает вашу жизнь с тех самых пор, как вы зародились в материнской утробе: ежесекундно – постоянно, безостановочно – вы перекачиваете через мембраны 1021 протонов. Ваши митохондрии перешли от матери, через ее яйцеклетку, и это был самый чудесный ее дар – дар жизни, который бережно передавался из поколения в поколение 4 млрд лет, – с тех пор, как в гидротермальных источниках затеплилась жизнь. Храните этот дар! Он хрупок: например, цианид остановит ток электронов и протонов, и ваша жизнь быстро прекратится. Старение приведет к тому же исходу – но медленно, постепенно. Смерть – это прекращение движения электронов и протонов, исчезновение потенциала на мембране. Смерть – это миг, когда гаснет один из огоньков вечного пламени. Если жизнь – “лишь электрон, который ищет покоя”, то смерть – момент, когда он его обретает.

Поток энергии живителен, прекрасен и – ничего не прощает. Малейшее его нарушение – минута, секунда, в течение которой состояние отклоняется от исходного, – и все может пойти прахом. Споры, погружаясь в метаболическую спячку, способны обходиться без потока энергии. Как же им повезло, что они способны и пробуждаться от нее. Но большинство из нас… мы живем благодаря тем же процессам, которые давали энергию первым живым клеткам. Эти процессы никогда не претерпевали радикальные изменения: как это было возможно? Все живое должно жить, чтобы оставаться живым. Чтобы жить, требуется непрерывный поток энергии. Неудивительно, что именно поток энергии ставит главные ограничения на пути эволюции, определяя, что возможно, а что нет. Неудивительно, что бактерии продолжают делать то, что обычно, не в силах ощутимо повлиять на горение пламени, благодаря которому они растут, делятся, конкурируют друг с другом. Неудивительно, что единственный удавшийся случай – единичный эндосимбиоз прокариот – не затронул пламя, не повредил ему, а зажег множество искр – которые затеплились в каждой эукариотической клетке, а потом и во всех сложных формах жизни. Неудивительно, что поддержание пламени жизненно важно. Оно необходимо для нашей физиологии и эволюции, его существованием можно объяснить многие странности нашего прошлого и черты современной жизни. Как нам повезло, что наш ум – самая невероятная биологическая машина во Вселенной – теперь служит проводником для этого бесконечного потока энергии, и благодаря этому мы можем думать о том, почему жизнь такова, какова она есть. Да пребудет с вами протон-движущая сила!