Бактерии усложняют проблему

Проблему возникновения земной жизни дополнительно усложняют бактерии.

То, что бактерии и остальные прокариоты имеют общие эволюционные корни, видно из общности их биохимических констант. Распространено мнение, будто бактерии являются едва ли не самыми примитивными формами жизни, от которых позже могли развиться более крупные и совершенные формы, например, сине-зелёные водоросли, называемые теперь цианофитами.

Но особенности организации бактерий показывают, что они оказались самостоятельной, оригинальной линией эволюции, очень давно отделившейся от общего древа жизни и достигшей на своём пути рекордных успехов. Если сравнивать бактерии с сине-зелёными водорослями, то нужно признать более высокий уровень совершенства именно у бактерий.

Как отмечалось в первой части (гл. 1.5., 1.7.), живая материя приобретает важное преимущество перед неживой материей, в частности, благодаря отделению биологических процессов от неживой внешней среды с помощью липидной мембраны. Обособленность части пространства повышает локальную концентрацию биологически значимых молекул, уменьшает расстояния между ними, что даёт новое преимущество – сокращает пути рабочих перемещений молекул, увеличивает среднюю скорость протекания реакций по сравнению с процессами в окружающей неживой материи. Грубо говоря, чем выше концентрация молекул в протоплазме, тем интенсивнее Жизнь.

Но повышению концентрации поставлен естественный предел – одновременно увеличивается осмотическое давление, и при достижении предела прочности оболочка клетки разрушается. Принципиальным отличием бактерий, повлёкшим за собой все остальные отличия, стало то, что у них механические растягивающие нагрузки осмоса на клеточную оболочку приняла на себя невиданная единая молекула пептидогликана, как мешок вместившая в себя всю протоплазму клетки. У бактерий прочность оболочки стала определяться не межмолекулярными связями (например, молекул липидной мембраны), а внутримолекулярными связями, которые, как правило, намного прочнее.

Очень прочная мешкообразная молекула пептидогликана построена из линейных полисахаридных цепей, поперечно сшитых короткими пептидами. Она позволила поднять давление в клетке (осмотическое давление) до 20 атмосфер. (Для сравнения – давление в котлах паровозов не превышало 15 атмосфер.) Но чтобы достигнуть такого результата, живой материи пришлось решить ряд непростых проблем. Для создания тетрапептида поперечной сшивки, обладающего нужной прочностью, потребовалось чередовать обычные левые аминокислоты (аланин и лизин) с аминокислотами, не свойственными земной жизни – с правым глутамином и правым аланином.

Стандартная земная биохимия не предусматривает синтеза правых аминокислот. Поэтому Природой были созданы особые ферменты – рацемазы, преобразующие левые глутамин и аланин в их правые энантиомеры. Другая беда – цепочка из аминокислот с чередующейся хиральностью не может собираться обычным способом, на рибосомах. Для выполнения такой операции также пришлось создать специальные ферменты. Они работают с привлечением энергии АТФ.

Следующая трудность заключалась в том, что предшественники фрагментов пептидогликана, располагающихся на внешней поверхности клетки, синтезируются внутри неё, но выйти вовне не могут, так как содержащийся в них уридиндифосфат является полярным соединением, отчего не способен пройти сквозь клеточную мембрану. Для преодоления этого, живая материя создала специальный липидный переносчик, маскирующий полярность уридиндифосфата и совершающий челночные транспортные рейсы сквозь мембрану[7].

Наконец, трудность была в том, что для прочной поперечной сшивки требовалась затрата значительной энергии в момент присоединения тетрапептида к полисахаридной цепи. Но тетрапептидные перемычки, опять-таки, располагаются на внешней поверхности пептидогликановой оболочки, т.е. в пространстве, где нет АТФ, который мог бы предоставить такую энергию. Живая материя нашла выход в создании энергетически насыщенного предшественника тетрапептида, содержащего не один, а два остатка правого аланина. В момент присоединения к полисахаридной цепи один остаток D-аланина высвобождается, и энергия связи используется для сшивки[8]. [Страйер, 1985]

Отличием бактерий является также использование особых, нигде больше не встречающихся фотосинтезирующих молекул бактериородопсина. С одной стороны, это подчёркивает их эволюционную обособленность. Но, кроме того, вызывает предположение – а не был ли бактериородопсин вынужденно создан Природой из-за того, что другие подобные вещества (хлорофилл, каратиноиды, фикоэритрин и т.п.) не приспособлены для работы в клетке со столь высоким перепадом давления на оболочке?

Интересно отметить также существование „археобактерий”, ещё больше отличающихся от других организмов, чем обычные бактерии. При сохранении общности биохимических констант, „археобактерии” выделяются исследователями в особую группу, в которую кроме них входят бактерии, живущие в экстремальных условиях очень солёных озёр, кислых горячих источников и так называемые метановые бактерии (получающие энергию в реакциях с выделением метана). Например, метановые бактерии отличаются от всех других организмов необычными коферментами (в частности, у них заменены такие переносчики электронов, как NAD, NADP, флавопротеиды, хиноны и цитохромы), они отличаются необычной структурой транспортных РНК и гРНК.

„Доподлинно известны бактерии, живущие в устьях гидротермалей и имеющих оптимум роста при 110 градусах – как в скороварке. Они восстанавливают углекислый газ и серу, окисляя водород и выделяя наружу метан и сероводород, чем обеспечивают включение основных химических элементов в биологические круговороты.” При этом „у нас нет никаких оснований предполагать, что бактериальные обитатели реликтовых сообществ сколько-нибудь серьезно изменились со времени своего возникновения. ” [Сергеев и др., 1996]

Так же, как упомянутые галофильные и термоацидофильные бактерии, „археобактерии” не содержат в клеточных стенках характерной для других бактерий мурамовой кислоты (она входит в пептидогликановую оболочку-молекулу в виде N-ацетилмурамовой кислоты), но содержат ди- и тетраэфиры. Такие особенности указывают на очень давнее отделение „археобактерий” от других бактерий в ходе эволюции. Отличие оболочки, отличие коферментов и тРНК противоречит предположению, будто „археобактерии” могли произойти от сине-зелёных водорослей или грибов. Это лишний раз объясняет, почему исследователи не видят филогенетических связей бактерий с другими организмами, а в более широком плане – почему для прокариот вообще нельзя построить общее филогенетическое древо.

Если сравнивать бактерии с пептидогликановой оболочкой-молекулой (позволившей резко повысить осмотическое давление) с клетками без такой структуры, то напрашивается аналогия с радиоаппаратурой на радиолампах и на кремниевых микросхемах. Вряд ли кому-то придёт на ум считать ламповую аппаратуру более совершенной только потому, что она имеет более внушительные размеры. Между тем, отношение к бактериям как к наиболее примитивным организмам имеет как раз такое происхождение. Оно не учитывает исключительно высокую интенсивность биологических процессов (т.е. жизни)в протоплазме бактерий, которая больше нигде в известной нам живой природе (в том числе, и в организме человека) не достигнута!

Поразительным фактом оказывается то, что все известные нам организмы, от археобактерий до человека, выстраивают свою биохимию на одном и том же (при чём, высокоразвитом, далеко не примитивном) сочетании биохимических констант. Такой совершенный комплекс основных характеристик, безусловно, не является первым, простейшим вариантом, возникшим в результате предбиологической эволюции. Он, несомненно, представляет собой достойный итог долгого и трудного этапа развития живых организмов.

Возможны два варианта. Во-первых, „археобактерии” могли быть занесены на Землю непреднамеренно, с клетками водорослей, в качестве их симбионтов или инфекции. Во-вторых, по предположению С.В. Македона, они могли быть занесены на молодую планету преднамеренно, из-за того, что отличались от водорослей по способу питания, были хорошо приспособлены к экстремальным параметрам среды, и существенно расширяли диапазон условий, пригодных для жизни, повышали вероятность успешного начала биологической эволюции. Можно лишь гадать, какой вариант имел место в действительности.

Таким образом, сложилась удивительная ситуация. При том, что возможны разные варианты хиральности биологических молекул, генетических алфавитов и „энергетической валюты”, возможны многочисленные вариации наборов аминокислот, а особенно – генетических кодов, при всём том, и бактерии, и остальные земные организмы имеют принципиально одинаковую биохимическую основу!

Следовательно, существовал этап развития, за время которого от единого биохимического „корня” развились сильно отличающиеся таксоны прокариот – от археобактерий до сине-зелёных водорослей. Не говоря уже о разнообразии планктонных организмов, на отметке 3,5 млрд. лет назад распространены следы жизнедеятельности цианобактериальных матов в виде строматолитов и онколитов. А ведь такие маты представляют собой сообщества многих таксонов бактерий и других прокариот (см. гл. 4.3.1.). А каких-либо промежуточных форм, следов этого длительного этапа развития – не обнаружено. Куда же исчез, безусловно, существовавший, этап эволюции? Приходится делать вывод, что невидимым для палеонтологии оказался не только длительный период предбиологической эволюции, но также, вероятно, очень продолжительный начальный этап эволюции прокариот.

Подобный феномен может быть объяснён только тем, что раздельная эволюция бактерий с пептидогликановыми оболочками и остальных прокариот, так же, как вся предбиологическая эволюция, протекали за пределами Земли! Феномен бактерий особенно обостряет проблему невозможности построения генеалогического древа прокариот [Мейен, 1987]. Эта сумма фактов решительно убеждает, что до попадания на Землю клетки водорослей и бактерий уже прошли длительную эволюцию и далеко разошлись от своих корней.

* * *

Итог таков. Глубокие отличия бактерий от других прокариот, наряду с общностью их биохимических констант, да в сочетании с отсутствием этапа предбиологической эволюции и этапа расхождения таксонов прокариот, говорят в пользу того, что Жизнь не возникла автономно на Земле, а была принесена извне в виде нескольких видов простейших клеток.

Характерно, что земная часть эволюция Жизни была эволюцией организмов, но не эволюцией принципиальных основ биохимии, которые, вопреки возможности дальнейшего совершенствования, заметно не изменялись! Вероятно, это объясняется предшествующим очень долгим существованием данного варианта биохимических констант в постоянных условиях внешней среды, под действием стабилизирующего естественного отбора.

Если предположить, что Жизнь случайно занесена на Землю метеоритами с планеты, где она автономно возникла, а перед тем подготавливалась предбиологической эволюцией, то такие процессы должны были бы породить разные ветви Жизни, с разными вариантами биохимии или хотя бы сохранить следы начальной, более простой биохимии.

Для организации круговорота веществ важна только совпадающая хиральность молекул. Единство набора аминокислот и генетического алфавита требуется в меньшей степени, а общая „энергетическая валюта” в виде АТФ и общий генетический код вовсе не существенны, так как при усвоении пищи два последних параметра определяются только биохимией усваивающего организма. Поэтому, при случайном занесении метеоритами клеток с другой „энергетической валютой” или архаичным генетическим кодом, эти клетки могли бы идеально включиться в круговорот веществ, и какие-то из их потомков с немалой вероятностью сохранились бы до наших дней.

Но все обнаруженные на Земле клетки используют АТФ и одинаковый код (без следов его эволюции!), свидетельствуя против случайного выбора „посеянных” клеток и случайного занесения Жизни. В сочетании с отсутствием периодов предбиологической эволюции и расхождения таксонов прокариот, всё это говорит в пользу целенаправленной доставки космическим кораблём (как указывали Ф. Крик и Л. Оргел [Crick, Orgel, 1973]), специально отобранных клеток.

Такой вывод не может обрадовать биологов и философов, торопящихся раскрыть таинство первоначального возникновения Жизни. Потому-то им больше нравится тезис о независимом зарождении Жизни на Земле. Однако лучше ответить на вопрос частично, но в этой части правильно, чем ответить полностью … и полностью неверно. Тем более, что последующие главы предложат объяснение и той части вопроса, которая осталась загадкой.

4.3.6. „Звёздные кочевники”

О некоторых сторонах проблемы панспермии следовало бы поговорить подробнее.

Если Жизнь занесена извне, она должна была возникнуть, вероятно, вне Солнечной системы, на планете иной звезды. Согласно принятому в первой части определению живой материи (гл. 1.4.), Жизнь возникает в момент, когда появляется и начинает использоваться генетический код. А как возникает код? Как возникает обозначение одних элементов другими (обозначение аминокислот триплетами нуклеотидов)? Как возник исходный минимум информации, задавший на миллиарды лет сложную систему кодирования-декодирования? Не известно. Значит, не решена и проблема зарождения Жизни.

Может показаться, что проблема возникновения исходного минимума информации появилась из-за нового определения живой материи (гл. 1.4.), выдвинувшего на авансцену её информационные свойства. Но это не так. В скрытой форме загадка исходной информации присутствует и в старых определениях, в отмеченной ими способности живой материи к развитию (подразумевая прогрессивное развитие), что требовало обязательного наследования полезных свойств на базе генетической памяти. Следовательно, и раньше подспудно существовала проблема наследования, проблема непонятного возникновения генетического кода и реализующих его молекулярных механизмов.

Трудность в том, что код не мог быть выработан естественным отбором, потому что польза от кода (на которую только и реагирует отбор) начинает проявляться лишь при целостной, работающей системе кодирования-декодирования.

Известный нам генетический код не только не мог быть выработан естественным отбором напрямую, но не мог быть выработан и опосредованно, через механизм ароморфозов, через многофакторный эксперимент Природы (см. гл. 1.9.). Ароморфозы – единственный известный нам механизм формирования сложных (выраженных изменением комплекса генов) биологических новаций. Но само формирование ароморфозов требует наличия генетической памяти и не может произойти ранее, чем появится генетический код. Кроме того, творческие возможности ароморфозов на несколько порядков ниже потребностей таинственного процесса – выработки исходного минимума информации.

Однако генетический код, по-видимому, способен развиваться. С позиций возникновения Жизни, представляет интерес первый, простейший вариант кода, после появления которого уже начнёт действовать примитивная генетическая память, а с ней – естественный отбор и хотя бы упрощённый механизм ароморфозов. Простейшим вариантом генетического кода, вероятно, является такой, который кодирует последовательность двух разновидностей аминокислот при помощи двух видов нуклеотидов.

Важно, что такой простейший вариант уже может передавать по наследству и размножать цепочки аминокислот, складывающиеся в сложные пространственные структуры или примитивные белки. Подобные цепочки могут присоединять к себе (в качестве активных центров) атомы металлов и превращаться в первые биологические катализаторы (проферменты). Можно представить себе также постепенное, очень медленное усложнение подобной системы кодирования под действием мутаций и ароморфозов.

Однако даже самый простой вариант системы генетического кодирования так сложен, что трудно представить себе его случайное возникновение в ходе предбиологической эволюции. Система должна включать в себя сложный молекулярный агрегат, который бы, подобно рибосоме, „прочитывал” последовательность цепочки нуклеотидов и формировал по ней цепочку аминокислот, а, кроме того, система должна содержать ряд непростых вспомогательных молекул, например, прообраз транспортных РНК. Для случайного возникновения подобной системы с последующим медленным усложнением до знакомой нам формы генетического кода, даже время существования нашей Галактики, которое оценивают в 12–13 млрд. лет, выглядит недостаточным.

Далее, в разделе „Гипотезы о Вселенной” приводятся доводы в пользу отсутствия расширения Вселенной, круговорота материи в ней, и её вечного существования. Если такие гипотезы окажутся справедливыми, ситуация со случайным возникновением генетического кода существенно изменится. Случайное событие, слишком маловероятное на ограниченном отрезке времени, становится практически неизбежным в масштабе бесконечности.

* * *

Да, можно согласиться с оппонентами, что гипотеза направленной панспермии не решает сакраментальной проблемы первоначального возникновения Жизни. Но и при этом недостатке, она оказывается предпочтительнее всех гипотез о зарождении Жизни на нашей планете, поскольку имеет перед ними следующие преимущества:

a) объясняет непонятно быстрое появление Жизни, сразу после возникновения на Земле пригодных для этого условий;

b) объясняет появление на Земле исходного минимума информации;

c) объясняет отсутствие на Земле следов предбиологической эволюции и гениалогических связей между разными таксонами наиболее древних организмов (прокариот);

d) объясняет единство биохимических констант всех земных организмов, а также отсутствие следов прошлой, более примитивной биохимии;

e) объясняет стабильность рибосом и РНК-полимеразы прокариот на фоне широкой изменчивости других ферментов.

* * *

Последний тезис требует пояснения. Подавляющее большинство ферментов в ходе эволюции существенно изменилось, приобрело видовые отличия, что иногда проявляется очень ярко. Например, среди многих видовых вариантов довольно „спокойных” пероксидаз – ферментов, катализирующих образование перекисей – есть совершенно удивительная пероксидаза хрена, чудовищная активность которой способна доводить нас до слёз. Уникальные свойства этого фермента позволили даже создать на его основе особые методы исследований. Вообще, большой разброс свойств однотипных ферментов у разных организмов – явление, хорошо известное биологам.

Но на фоне подобных широких вариаций выделяется группа ферментов (молекул и молекулярных агрегатов), оставшихся в ходе эволюции практически неизменными. Сюда относятся ДНК-полимераза, РНК-полимераза, рибосомы прокариот и др. Их высокая стабильность на протяжении эволюции может объясняться только длительной внеземной предысторией, настолько „отшлифовавшей” молекулярную структуру, что все дальнейшие изменения ведут лишь к ухудшению свойств и потому отметаются естественным отбором. Только у эукариот данные ферменты претерпели чёткие изменения (например, появилось три типа РНК-полимераз), но к этому привели особо веские причины.

ДНК- и РНК- полимеразы, РНК рибосом составляют основу комплекса молекул, реализующего генетический алфавит и код. От стабильности этих молекул зависит сохранение генетического алфавита и кода в ходе эволюции. Отсутствие видовых вариаций генетического алфавита и кода показывает, что земная жизнь получила извне не просто первые „сырые” молекулы, способные зажечь на планете Жизнь, а хорошо отработанный комплекс молекулярных структур и агрегатов, ставший незыблемым фундаментом всей биохимии.

* * *

Сейчас доминирует представление, что возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет, а возраст нашей галактики Млечный Путь – 13 млрд. лет. Солнце, хоть и считается старой звездой, отнюдь не относится в Галактике к звездам первого поколения. Это принципиально важно, потому что, по данным астрофизики, звёзды первого поколения содержат только водород и гелий. Тяжёлых элементов, необходимых для формирования планет земного типа и для зарождения Жизни, в первых звёздах нет. Эти элементы образуются в недрах звёзд в ходе термоядерного синтеза, и высвобождаются, например, при взрывах „сверхновых”. Из образующихся при взрывах газо-пылевых облаков рождаются новые звёзды и планеты. Полагают, что в нашей Галактике между звёздами первого поколения и рождением Солнца успело просуществовать ещё несколько поколений звёзд.

С. Доул в 1974 г. нашёл, что среди 100 ближайших звёзд у 43 есть планеты, на которых экологические условия не исключают возможности жизни. Расстояние между такими планетами составляет около 20 световых лет. Если в семидесятые годы планеты возле других звёзд обнаруживались по косвенным признакам, то после запуска космического телескопа „Хаббл” данные о реально наблюдаемых планетах посыпались как из рога изобилия. Правда, пока у других звёзд видны только очень крупные планеты типа нашего Юпитера или Сатурна, а до планет земного типа астрономия лишь подбирается.

Темп эволюции звезд зависит от их массы. Чем массивнее звезда, тем короче её век. В нашей Галактике есть много более массивных звёзд, чем Солнце. Их жизнь, от начала свечения до гибели, протекает всего за десятки (или сотни) миллионов лет. За один оборот Солнца вокруг центра Галактики (а уже пройдены десятки оборотов) сменяется несколько поколений массивных звёзд. Их планеты, из-за относительной краткости существования, не могут быть местом долгой биологической эволюции, но могут стать временным пристанищем разумных существ другой гибнущей звезды, вынужденных мигрировать в пределах Галактики („звёздные кочевники”).

Высокоразвитый организм поневоле оказывается весьма специализированным, в высокой степени приспособленным именно к условиям своей планеты. Поэтому ему нелегко найти новое пристанище. Нужна привычная по составу и плотности атмосфера, сходная сила тяжести и освещённость звездой и т.п. Так, если бы люди поселились на Марсе или Венере, им, при самых благоприятных условиях, трудно было бы жить без скафандров. Трудно было бы акклиматизировать земные растения, земных животных. А если меняется и звезда, если меняется спектр дневного света? Тогда ситуация ещё труднее.

Поэтому, при необходимости переселения, цивилизация, вероятно, готовит не корабль, а крупную движущуюся базу. Создаётся просторный, но закрытый, изолированный мир, лишь изредка требующий пополнения запасов водорода для термоядерных реакторов, да метеоритного вещества для остальных нужд. Такой искусственный мир, практически, независим от существующих планет. Но иногда он, всё-таки, должен приближаться к звездам, потому что вдали от них, в межзвёздном пространстве, мало водорода и метеоритного вещества.

Для „кочующей цивилизации”, покинувшей гаснущую звезду, межзвёздные перелёты становятся элементом существования. Перенося базу от звезды к звезде, цивилизация может попутно засевать жизнью ближайшие планеты. В этом смысле, Земля, с её относительно спокойным и длительным существованием, могла бы показаться им идеальным кандидатом для посева Жизни.

„Кочующая цивилизация” способна создавать на новых планетах условия, пригодные для жизни, способна сеять там простейшую, не специализированную жизнь (уже потому более способную к адаптации). Но ей трудно найти планету, соответствующую собственным понятиям о комфорте, сформировавшимся за долгую жизнь на своей планете. Трудно найти планету точно с параметрами бывшей родины. Внутри искусственного, закрытого мира создать привычные, комфортные условия намного проще. Поэтому „кочующая цивилизация”, как правило, не колонизирует другие планеты, не становится конкурентом новой жизни.

Отвлечённые рассуждения всегда вызывают сомнения. Но вот реальность – получена информация, что телескоп „Хаббл” обнаружил более полутора десятков удивительных планет, движущихся в Космосе вне связи с какой-либо звездой, вдали от любой из них. Совсем недавно существование таких планет казалось совершенно немыслимым.

Учёными уже высказано предположение, что внутри планеты, не связанной со звездой, цивилизация создаёт замкнутый мир, использующий термоядерную энергию, и этот факт может быть обнаружен инфракрасными телескопами по аномальной температуре поверхности планеты. Учёными уже начат поиск близких цивилизаций по ИК-излучению блуждающих планет. Это укрепляет предположение о существовании „кочующих цивилизаций”.

Если бы некая „кочующая цивилизация” внесла в наш Океан примитивные клетки, результат был бы как раз таким, какой мы видим. Естественно, что были бы посеяны клетки с единым вариантом биохимии – таким же, как и у „сеятелей”. Сразу за посевом последовал бы мощный всплеск биосинтеза, оставивший след на миллиарды лет. И, конечно, никакого намёка на предбиологическую эволюцию или на общего предка всех прокариот палеонтологи после этого не обнаружили бы. И, конечно, стабильность очень древних молекул, обслуживающих генетический аппарат, резко контрастировала бы с широкой видовой изменчивостью молодых ферментов.

Однако не нужно думать, что вариант „посева” жизни на Земле „звёздными кочевниками” наиболее вероятен. Больше шансов у другого варианта. Но об этом – далее.

Дата добавления: 2015-07-08