Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем
Шрифт:
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.
Подтверждение присутствия в воздухе бактерий явилось фактом исключительной важности. После этого ученые стали искать источник происхождения жизни в далеком прошлом, но так и не решили окончательно, возникла первая клетка благодаря длительному процессу или это было единичное явление, в ходе которого произошла самоорганизация материи.
Под понятием «жизнь» мы подразумеваем систему, которая размножается, обладает такой характеристикой, как наследственность, приносит потомство, имеющее отношение к своим родителям. Все эти качества являются необходимыми для осуществления эволюционного процесса в соответствии с учением Дарвина, и клетки ими обладают.
Самые старые каменные отложения, в которых удалось обнаружить присутствие следов жизни, имеют возраст примерно четыре миллиарда лет. Есть версия, что элементы первых клеток обязаны своим происхождением электрической активности в атмосфере Земли. Например, некоторые из минералов типа пирита, найденные в местах выходов на поверхность вулканов, способны преобразовывать двуокись углерода в такие вещества, как аминокислоты, являющиеся необходимым составным элементом белков, на которых основана земная жизнь. Имеются данные о том, что воздействие солнечного света на некоторые минералы способно породить прекурсоры РНК и ДНК. Самые древние клетки — бактерии — обходились без кислорода, поскольку в ту пору свободного кислорода практически не было. Они использовали механизм фотосинтеза и разлагали с его помощью химические вещества до тех пор, пока около двух миллиардов лет тому назад кислород наконец не появился в земной атмосфере.
Исходными веществами, из которых образовались клетки, являлись вода, двуокись углерода, азот и, возможно, небольшое количество аммиака — не слишком многообещающий набор материалов в не самой благоприятной среде. Число молекул, сыгравших ключевую роль в зарождении жизни и в том ее продолжении, которое мы наблюдаем сейчас, удивительно мало. Это нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК с их длинными нитями нуклеотидов, белки с их длинными нитями аминокислот, два основных типа сахаров для получения энергии, а также некоторые молекулы жиров.
В 1950-х годах ученые исследовали возможность зарождения жизни в земных морях под воздействием солнечного излучения. Но затем это предположение затмила гипотеза, выдвинутая лауреатом Нобелевской премии по химии Гарольдом Юри; она сводится к тому, что жизнь зародилась атмосфере под воздействием электрических разрядов. Один из учеников Юри — Стэнли Миллер поставил эксперимент с целью попытаться создать аминокислоты из составных частей древней атмосферы. Он сконструировал аппарат, соединявший сосуд с нагретой водой с газовым резервуаром, в котором находились метан, аммиак и водород. Газовая смесь пропускалась через два электрода, между которыми периодически проскакивал электрический разряд — искусственная молния. Через несколько дней вода приобрела желтый цвет, а на дне сосуда с нагретой водой появился черный осадок. Исследование этого осадка выявило наличие аминокислот — ключевых компонентов белков, а также других органических молекул. Публикация этих результатов в 1953 году вызвала настоящую сенсацию. Поразительным совпадением является то, что в том же году была открыта структура ДНК. С тех пор при помощи аналогичных методов были синтезированы другие жизненно необходимые молекулы — такие, как молекулы сахаров, обеспечивающие клетки энергией. Важным изменением при проведении новой серии экспериментов стало то, что они велись при более низких температурах. Спустя двадцать лет после опытов Миллера удалось добиться образования молекул, относящихся к классу нуклеиновых кислот.
Тем не менее какими бы поразительными и обнадеживающими ни были результаты подобных экспериментов, показавших, что по крайней мере часть органических молекул могла возникнуть в земных условиях далеких эпох, многие вопросы так и остались без ответа. Ученые не добились синтеза более крупных молекул — белков и нуклеиновых кислот типа ДНК. Неприятным фактом оказалось и то, что воздействие молний и солнца приводило скорее к расщеплению молекул, нежели к тому, чтобы они становились больше.
Новый взгляд на зарождение жизни стал возможен в 1977 году, когда геологи изучили дно моря в районе Галапагосских островов. Исследования проводились на глубине в полторы мили, в районе повышенной вулканической активности, где подогретая в трещинах вулкана горячая вода смешивалась с окружающей холодной морской водой. Здесь ученые обнаружили большое число одноклеточных организмов, и многие из них стали после этого склоняться к мысли, что ключевую роль в зарождении жизни на планете сыграли все-таки глубины океана, но поспособствовал им в этом не солнечный свет, а вулканы.