| «В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою. И сказал Бог: да будет свет!» |
Это одна из самых популярных версий сотворения мира до начала ХХ века. Впоследствии ученые слегка её подкорректировали, отметя ненужные космологические мифы
| И теперь вначале (13,8 млрд лет назад) был свет от большого взрыва, а потом сформировались Земля, вода и все остальное без божьей помощи (но это не точно). И случилось это чудо около 4,5 миллиарда лет назад. |
Пройдёт ещё немного времени, и Земля станет нашей матерью, в том смысле, что будет являться колыбелью и домом для самой разнообразной Жизни, возможно, единственной во всей вселенной. И в это некоторым людям трудно поверить, так как у нашей планеты была очень бурная, можно сказать бурлящая, молодость.
▎Буря, безумие, рок-н-ролл
В начале истории Земли в неё постоянно что-то врезалось. И вот однажды это что-то было такой силы и массы, что по итогу от нашей матери «откололась» Луна, наш единственный источник света тëмными ночами, а точнее его отражатель.
Происхождение Луны наглядно:
Из-за многократных импактов океаны превратились в лаву (около 1700 градусов по Цельсию), которая заставляла воду перейти в газообразную форму, а углерод — в углекислый газ:
Со временем Земля-матушка «нагулялась» и начала остывать, а вода снова стала жидкой. Конечно, космические тела периодически продолжали падать на планету, но по большей части служили транспортом углеводов и фосфатов, которые до сих пор сами по себе спокойно образуются в космических туманностях.
Образовавшиеся океаны были несколько глубже, чем сегодня, но пустынны.
Первобытное море было полно всякой всячины:
- Простых органических и неорганических молекул
- Химических элементов
Из них в дальнейшем появится основа жизни – РНК-мир, а затем и сложные белковые комплексы – коацерватные капли.
▎Химическая эволюция
Эксперимент Миллера:
Еще в 1953 году Миллер провел эксперимент, который должен был либо опровергнуть, либо подтвердить научную гипотезу Опарина о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических.
⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀
Опарин, Александр Иванович — советский биолог и биохимик, создавший теорию возникновения жизни на Земле из абиотических компонентов; академик АН СССР (1946; член-корреспондент с 1939), Герой Социалистического Труда (1969). Лауреат Ленинской премии.
Если вкратце, то в колбу напихали метан, воду, аммиак и водород — всё то, чего должно было быть в достатке на древней Земле, — и запечатали её. Смесь нагрели и постоянно шпарили током. После недельного настаивания колбу вскрыли и посмотрели, что там. А там образовалось пять аминокислот.
| Спустя ещё 50 лет эти колбы были повторно проанализированы. В них обнаружили уже аж 22 самые важные аминокислоты! А аминокислоты — это основа белков! А белки — одни из главных кирпичиков жизни. |
Эксперименты Миллера показали возможность абиогенного формирования необходимых для жизни органических молекул в условиях древней Земли
— аргумент в пользу гипотезы Опарина происхождении жизни из первичного бульона. Правда, за почти сотню лет, прошедшую с доклада Опарина «О возникновении жизни», представления о первичном бульоне как о супе из белков заметно изменились.
▎Почему не буль-буль?
Дело в том, что сами белки не способны «создать» жизнь и появиться сами по себе без нуклеиновых кислот. Во всех самых важных процессах первоначально фигурирует РНК, без которой невозможен синтез ДНК и существование самой жизни по сути.
Подробнее можете посмотреть ролик ниже, чтобы понять почему вы рабы своей РНК:
В дальнейшем на матрице информационной и матричной РНК люди научились из аминокислот производить белковые комплексы вне клеток. А самосбор белковых комплексов в коацерватные капли был показан ещё в 1924 году Опариным.
В 2009 году произошло одно из главных громких открытий в современной науке, претендующее на Нобелевскую премию. Наконец-то химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК. Они сумели воспроизвести синтез активированных рибонуклеотидов из азотистых соединений, рибозы, реакционной смеси углерода с кислородом и неорганического фосфата в условиях, которые были характерны для древней планеты.
Вулканическое стекло:
̶И̶ ̶х̶о̶т̶ь̶ ̶с̶а̶м̶у̶ ̶Р̶Н̶К̶ ̶а̶б̶и̶о̶т̶и̶ч̶е̶с̶к̶и̶м̶ ̶п̶у̶т̶ё̶м̶ ̶п̶о̶л̶у̶ч̶и̶т̶ь̶ ̶н̶е̶ ̶у̶д̶а̶л̶о̶с̶ь̶.̶ Стоп… Удалось… В 2022 году доказали возможность образования РНК в абиотических условиях из активированных рибонуклеотидов на вулканическом стекле, которого хватает и сейчас в геотермальных зонах современной планеты. Хоть сейчас иди и собирай сами собой образующиеся нуклеиновые кислоты.
Дело за малым: найти, где образуется сахар, без которого не будет вам никакого «итальянского сыра». И таки нашли! Всё остальное, необходимое для самосбора РНК, есть в космосе и периодически падает на землю с метеоритами.
Меж тем, в 2011 году японские учёные экспериментально доказали возможность существования протоклетки на основе коацерватной капли, в которую были добавлены нуклеиновые кислоты (ДНК). Таким образом, они доказали, что на одном этапе эволюции существовали уже самовоспроизводящиеся предки живых систем.
Кооцерватные капли:
▎Уха ухой, а настоящие клетки-то когда?
Перед нами наша молодая матушка Земля. На её поверхности бушуют бури, бьют молнии, бурлит море, периодически падают метеориты, вулканическая активность не даёт планете остыть до конца. Этого хватит для самопроизводства протоклеток в естественном биореакторе на долгие годы. Потому давайте остановимся около 3,8-3,5 миллиардов лет назад. В древнем море, если приглядитесь, то уже увидите, как начало плавать что-то абсолютно живое. Не видите? А оно есть.
▎Лирическое отступление…
В народе ходит упрощëнное суждение, что мы произошли от обезьяны. Это не совсем так, ведь несмотря на то, что все люди – обезьяны, не все обезьяны – люди. Человек относится к узконосым обезьянам, к гоминидам, но произошел он не от шимпанзе или мартышки, современных обезьян, а от общего с ними предка — древних обезьян.
Если посмотреть еще глубже в прошлое, все приматы произошли от одного общего предка, который был не человек (и такие одиозные идеи есть), но и не обезьяна, а что-то посредине между приматами и грызунами. Этот предок произошел от древних млекопитающих, древних синапсид, древних тетрапод и так далее до одной клетки. Той самой клетки, которую вы сейчас не можете рассмотреть в водах древнего океана из-за её слишком микроскопических размеров.
В наше время вы спокойно могли бы наблюдать её под микроскопом и изучить посредством современных технологий. Сделав это, вы бы обнаружили в ней черты общего предка всех бактерий, грибов, растений, животных и т.д. Проблема только в одном. К сожалению, отпечатков этой клетки в породе, как и львиной доли других остатков общих предков, не найдено, не откопано либо вовсе не сохранилось.
▎Как же быть?
Теория считается хорошей теорией, если ей находится практическое применение. Теория эволюции отлично показала себя на практике, зачастую предсказывая обнаружение того, что казалось давно утерянным. И если искомый результат находится не в ископаемом виде, то он обязательно есть в генах живых существ.
Тиктаалика прогнозировали и обнаружили благодаря теории эволюции:
Так, ещё в десятых годах предполагали, что предком человека и его друзей-эукариот является кто-то из представителей некоей особой группы архей – на тот момент времени неизвестной, гипотетической группы, следы которой нашли в геномах эукариот.
Затем в 2015 году в Северном Ледовитом океане обнаружили таких архей, которые были более близки к эукариотам, чем любые другие прокариоты. Из-за поистине мифической среды обитания их назвали асгардархеями.
Прометеоархеум под электронным микроскопом.
Единичная клетка крупным планом (a), колония клеток, покрытых полисахаридным чехлом (b), делящаяся клетка с поясом мембранных пузырьков по «экватору» и шлейфом таких же пузырьков на «полюсе» (с), срез через клетку, на котором видно, что она внутри абсолютно однородна (d), клетки с крупными мембранными пузырьками вокруг них (e), срез через клетки, от которых эти пузырьки отпочковываются (f), клетки с ветвящимися (g) и прямыми (h) длинными выростами, срез через клетку с такими выростами (i). На всех срезах видно, что никакой внутренней структуры, напоминающей эукариотную, у прометеоархеума нет. Источник здесь
А уже в 2019 году ученые смогли культивировать и описать живого представителя этой ранее гипотетической группы загадочных микроорганизмов. Благодаря этим данным смогли описать самого предка всех ядерных организмов, реконструируя его по генам. Это был утерянный во времени определенный вид асгардархей – последний общий предок ядерных организмов, родоначальник всех живых эукариот на планете! К слову, современные асгардархеи также являются родственниками этого древнего вида, воистину реликтами, сумевшими выжить в наше время.
К сожалению, сам предок, который был реконструирован по геномам, скорее всего никогда не найдется в ископаемом виде по очевидным причинам. Так или иначе он получил название, и имя его ЛЭКА (LECA). Если мы заглянем еще дальше в прошлое, можно найти общего предка эукариот и архей (ЛАЭКА, LAECA), а если углубиться ещё глубже, то и вообще всех клеточных живых организмов, а возможно, и некоторых вирусов.
⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀
Тут вы скорчите недовольное лицо. Как такое сверхразвитое существо, как человек, может иметь в дальних родственниках золотой стафилококк, инфузорию туфельку, клëн и орангутана?
Всё просто. Все живые существа на этой планете имеют один и тот же генетический материал и хиральность (строение в пространстве) аминокислот. То есть все живые существа строят свою ДНК и протеины из одних и тех же блоков. Благодаря этому факту учёные изначально и предположили существование некой бабушки или, если хотите, дедушки всех живых существ.
▎А знаете, как его прозвали?
⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀
| – ЛУКой (от английского LUCA — last universal common ancestor) — последний универсальный общий предок, который чётенько вписывается в наше семейное древо. Ученые нарисовали и его тоже (смотри выше). К сожалению, себя разглядеть не получится. Мы в той ветке, что зовётся «ядерные существа», ведь наша ДНК хранится в ядрах. |
▎Были у бабули две весёлых гули…
Было у ЛУКи два сына. Старший умный был детина, младший тоже был неглуп, ибо и сын номер один (бактерии) и сын номер два (археи) до сих пор существуют. Конечно, чтобы выживать три миллиарда лет, много ума не надо, но скиллы для выживания прокачать всë-таки нужно.
Так, от симбиоза бактерий (митохондрии — это бактерии) и архей появились первые ядерные клетки, а значит, и мы, и растения. Бактерии прокачались лучше. Они есть почти везде: в животных, в воде, в воздухе, в земле, на ядерных реакторах, отпечатаны они порой даже в ядрах клеток, есть они даже и на МКС.
Археи же живут во всяких труднодоступных местах, таких как кислотные озера, под давлением в глубинах океана, без воздуха в болоте. И даже в нашем кишечнике живет пара архей, производящих метан. Да, пердим мы скорее всего из-за них.
И бактерии, и археи – одноклеточные, но имеют несколько отличий. Например, они используют разные липиды для построения своих мембран и двигаются с помощью по-разному устроенных жгутиков (хвостиков). Но и схожего тоже много. Например, ген 16S рибосомной РНК, который есть и у бактерий, и у архей, или тот факт что и у тех, и у тех есть, как правило, одна закольцованная хромосома (за некоторым исключением).
▎Можем ли мы прогнозировать/предсказывать облик ЛУКи?
Конечно. Ученые ещё до 2019 года проанализировали сотни тысяч белков и миллионы цепочек ДНК, представили, какова была среда обитания в те далекие времена, и изучили его потомков.
| Исследователи также составили филогенетическое дерево, то есть на дереве жизни разместили все живые существа, чтобы определить кто кому брат, кто сват, а кто мать, и составили портрет нашего ЛУКи. |
Теперь мы знаем что у нашего предка было около 355 генов, из которых 30–100 были для компонентов рибосом (фабрик по производству белков) и других участников трансляции (синтеза белков). У человека между 20 000 и 25 000 генов, у средней бактерии около 5000 генов. По сравнению с этим геном ЛУКи был довольно скромным. Также ЛУКА был анаэробом, то есть не дышал кислородом, и кислород был для него ядом. Но он был первым обитателем Земли на тот момент, так что ему это простительно.
Охотиться наш дедушка не мог, так как не придумал фагоцитоз, и получать энергию от солнца, как растение, он тоже не мог, так как фотосинтез ещё не изобрели. Так что диета у него была из химических элементов. Переваривал он пищу самым простым и древним путем Вуда — Льюнгдаля, то есть доставал электроны из водорода и отдавал их углекислому газу. Плескался он в гидротермальной среде, был теплолюбив и в пропитании зависел от геохимии. Любил откушать газы, а именно углеродный газ (CO2), водород (H2) и азот (N2). Ему также нужны были переходные металлы и реактивные виды углерода.
Он мог преобразовывать простые сахара и серу (S), которой было в избытке, в окислительно-восстановительных реакциях. Некоторые потомки ЛУКи имеют схожий метаболизм, например, ацетогенные клостридии (бактерии) и метаногены (археи).
Насчет ДНК ученые сами не уверены, была ли она у ЛУКИ. Вроде и была, а если была, то использовал ли он свою ДНК, чтобы копировать свой генетический материал для передачи его потомкам, или все же РНК была его главной молекулой? Это до конца не ясно.
Конечно же, сам ЛУКА мог и не существовать, ведь он лишь эфемерное существо или популяция эфемерных существ, попытка человечества преисполниться в своём сознании. Так сказать найти вечное в блаженстве, т.е. свои корни и наше теоретическое представление о том, как началась жизнь. Однако на основании прогнозирования ЛУКИ в своё время нашли живого представителя асгардархей и не только их. А это уже не мало!
| Авторы: Кандидат биол. наук, микробиолог Евгения Дикарёва, биолог Самир Ефимов Редактор: Микробиолог Михаил Гурьев |
Источники
Weiss, M., Sousa, F., Mrnjavac, N. et al. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nat Microbiol 1, 16116 (2016). doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.116
Weiss MC, Preiner M, Xavier JC, Zimorski V, Martin WF. The last universal common ancestor between ancient Earth chemistry and the onset of genetics. PLoS Genet. 2018;14(8):e1007518. Published 2018 Aug 16. doi:10.1371/journal.pgen.1007518
Miller, Stanley L. «A production of amino acids under possible primitive earth conditions.» Science 117.3046 (1953): 528-529.
Pepper, Ian L., et al., eds. Environmental microbiology. Academic press, 2011. Chapter 2, pp19
Nengo, Isaiah, et al. «New infant cranium from the African Miocene sheds light on ape evolution.» Nature 548.7666 (2017): 169-174.
Land M, Hauser L, Jun SR, et al. Insights from 20 years of bacterial genome sequencing. Funct Integr Genomics. 2015;15(2):141-161. doi:10.1007/s10142-015-0433-4
