13. Происхождение жизни
Загадка первой клетки
Теория Дарвина со всей ясностью говорит о том, что человек развился из самой первой клетки, появившейся миллиарды лет тому назад. Как же возникла эта самая первая клетка? Каково происхождение жизни? Является ли жизнь чем-то большим, нежели просто удачным результатом сложных химических реакций?
То, как отдельные клетки развились во многоклеточные организмы, — гораздо более простой вопрос, нежели вопрос о происхождении первых клеток: когда клетки появились, для них, в сущности, уже не составило проблемы развиться во все остальное, в том числе и в нас, в людей. Эволюция отбирала те клетки, которые эффективнее всего размножались, — те, чьи гены кодировали белки, лучше всего способствующие выживанию клеток.
Изучение древних каменистых отложений позволило обнаружить следы жизни, относящейся к периоду времени от трех до четырех миллиардов лет тому назад. В настоящее время на нашей планете существует более 10 миллионов различных видов живых организмов, и все они состоят из клеток. Живые существа возникали в силу естественного отбора, завоевывали территории, размножались — одни в ходе естественного отбора выживали, другие вымирали.
Клетки всех животных и растений развились из гораздо менее крупных одноклеточных организмов — таких, как, например, бактерии. Одной из наиболее ярких способностей первых клеток было умение формировать многоклеточные сообщества. Возможно, она стала эволюционным преимуществом каких-то групп клеток, поскольку клеткам было свойственно поедать друг друга в тяжелые времена.
Эволюция клеток зависит от мутаций генов, поскольку именно они являются носителями наследственной информации от одного поколения к другому. Изменения в генах приводят к изменениям в синтезируемых белках, а это ведет к изменению поведения клеток; если в результате всего этого выживаемость клетки повысится, то эволюция выберет именно ее, а другие клетки отомрут. Мутации генов обеспечивают материал для эволюции, поскольку в ее распоряжении имеются как прежние гены, так и новые, между которыми можно выбирать.
Эволюция на основе естественного отбора является поразительно мощным инструментом создания сложных функционирующих систем. Представьте, что ваш компьютер в случайном порядке выдает одно за другим решения какой-то конкретной проблемы. Изучив его предложения, вы выбираете наиболее подходящие и отбрасываете все остальные. Затем вы сводите все оставшиеся идеи воедино — можно сказать, скрещиваете их друг с другом путем обмена информацией и добавляете что-то от себя; все этой создает базу для появления новых идей. Эта процедура повторяется снова и снова, и вы каждый раз отбираете то, что, на ваш взгляд, приближает вас к решению изначальной задачи.
Очевидно, что это — весьма действенный подход, и клетки пользовались им для того, чтобы развиться в сложные организмы, подобные человеческому. В итоге эволюция создала такие системы, которые не смог бы разработать ни один инженер.
Наиболее распространенные организмы в мире бактерии — клетки, лишенные ядер и митохондрий, — зародились около трех миллиардов лет тому назад. Затем некоторые из них на каком-то этапе превратились в более сложные и гораздо более крупные по размерам клетки с ядрами, содержащими гены, и митохондриями для выработки энергии. У этих клеток уже не имелось жесткой оболочки, и они могли быстро менять свою форму самыми разнообразными способами. Неизвестно, как именно развились из бактерий подобные клетки, однако ясно, что чувствовали они себя вполне комфортно и развились в различные одноклеточные организмы вроде амебы. Они были и многочисленными, и разнообразными и прекрасно размножались за счет деления клеток. Почему же тогда на Земле появились многоклеточные организмы? В чем было преимущество сообществ клеток?
Насчет преимуществ еще можно ответить. Стандартный ответ заключается в том, что с течением времени это дало возможность для разделения труда между клетками и некоторые из них начали специализироваться на конкретных задачах — например, на переваривании пищи. Однако это не объясняет, как и почему изначально появились многоклеточные организмы.
Возможный сценарий выглядит так. Одна из клеток подвергается мутации, в результате чего при ее последующем делении образовавшиеся дочерние клетки не разделяются, а остаются вместе и продолжают оставаться вместе с каждым новым делением. В результате образуется колония из многих клеток. Когда эта колония становится слишком большой, она просто распадается на части, и эти части вновь вырастают в новые колонии.
Преимущество, которым обладали в силу естественного отбора колонии из многих клеток, заключалось в том, что при нехватке пищи клетки, входящие в колонию, могли питаться своими более слабыми собратьями и таким образом выживать. Этот процесс можно наблюдать на примере гидр и плоских червей. Когда эти животные голодают, они уменьшаются в размерах из-за того, что одни их клетки поглощают другие. Изучая их, несложно представить, как отдельные клетки, находящиеся в центре примитивной многоклеточной колонии клеток, принимались в тяжелые времена пожирать своих соседей и не отказывались от этого и тогда, когда голод отступал. Эти клетки стали прародителями яйцеклетки, поскольку они могли питаться, расти и затем делиться, с тем чтобы породить набор клеток, способных образовать многоклеточную колонию.
Яйцеклетка — это единственная клетка, выживающая при всех равных условиях, поскольку именно она порождает новое животное. Одна из основных функций всех клеток организма самки заключается в том, чтобы обеспечить питание яйцеклетки, и поэтому они легко жертвуют собой ради ее процветания. Таким образом, истоки нашего происхождения могут лежать, с одной стороны, в каннибализме, а с другой — в альтруистическом самопожертвовании клеток.
Все это, однако, не дает разгадки появления первой клетки, а значит, и происхождения жизни. Одно время ученые полагали, что в космосе присутствует особая сила, которая способствует самопроизвольному ее зарождению. Хотя эти взгляды восходят еще к Аристотелю, они были в ходу еще несколько столетий назад, пока изобретение микроскопа не произвело переворот в научных представлениях. Теория спонтанного самозарождения жизни была окончательно ниспровергнута в 1859 году, когда Луи Пастер сварил в колбе мясной бульон и затем изогнул узкое горлышко колбы так, что в колбу мог проникнуть воздух, но не могли попасть бактерии. Ни одной бактерии так и не удалось развиться в бульоне. Но когда Пастер наклонил колбу так, что в нее могли проникать из воздуха бактерии, то мясной бульон стал быстро кишеть бактериями. Ученые осознали, что бактерии попадали в бульон из окружающей воздушной среды, и теория спонтанного самозарождения жизни была отвергнута.
