Загадка жизни и грязные носки Йоса Гротьеса из Дрила

Ладно, хватит о белках, вернемся к аминокислотам. Как они возникли? Профессор Стэнли Миллер тоже хотел это знать. И в поисках ответа воссоздал в пробирке Землю, какой она была миллиарды лет назад. Наполнил пробирку всякими веществами, какие тогда встречались на Земле в мешанине ядовитых газов, нагрел примерно до 75 градусов и стал бомбардировать электрическими импульсами, имитируя удары молнии. И что же? Возникли аминокислоты!

Что такое ДНК?

К сожалению, профессор обрадовался рановато. Другие ученые установили, что Земля была не такой, какой Стэнли Миллер воссоздал ее в пробирке. Но его эксперимент имел огромное значение, поскольку доказал: в подходящих условиях могут спонтанно возникнуть аминокислоты.

И вот тут мы подходим ко второму этапу: как возникают белки? Очень просто: с помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты. Дезоксирибонуклеиновая кислота — это молекула, которая преобразует аминокислоты в белки, ну, как твоя рука формует из глины чашку. Дезоксирибо… (Ты уже по горло сыт длиннющим названием? Ученые тоже. Потому-то и сократили его до ДНК, а это сокращение тебе, конечно, знакомо. Создатели детективов его прямо-таки обожают. Прочитаешь дальше — поймешь почему. Форма молекулы ДНК тебе тоже наверняка знакома. Она похожа на веревочную лестницу, закрученную винтом. В науке, правда, принято говорить о «двойной спирали».) В общем, для жизни на Земле ДНК совершенно необходима.

Как сделать Йоса Гротьеса из Дрила?

В ДНК заложена полная информация о твоем облике и внутреннем устройстве. Некоторые люди сравнивают ДНК с поваренной книгой, где записан рецепт человека, животного или растения. Другие видят в ней инструкции по сборке. В каждой молекуле ДНК Йоса Гротьеса из Дрила, стало быть, записаны инструкции, как строить Йоса Гротьеса. Но ДНК — это нечто большее. Ее можно также рассматривать как крохотную фабрику, превращающую аминокислоты в белки, из которых выстроены все компоненты твоего тела.

ДНК состоит из длинных цепочек молекул. Большая часть генов располагается именно в молекулах ДНК. Они образуют звенья цепочки. Для простоты можешь сравнить гены с вагонами длинного поезда. Все люди выглядят по-разному, поэтому у каждого ДНК своя. Смекаешь теперь, почему ДНК — любимое сокращение каждого следователя, расследующего убийство? В любой клетке твоего тела ДНК одна и та же. Значит, имея волос убийцы и выделив из него ДНК, ты можешь сравнить ее с ДНК подозреваемого. Они совпали? Тогда подозреваемый и есть убийца.

Что было раньше — курица или яйцо?

Молекулы ДНК содержатся в каждой живой клетке и потому очень-очень малы. И все же цепочка одной такой молекулы, если ее развернуть, будет длиной целых два метра! А в твоем теле клеток столько… Если развернуть все молекулы ДНК из твоего тела, их совокупная длина составит 500 расстояний до Солнца и обратно.

Итак, миллиарды лет назад наверняка существовали аминокислоты, а также должны были возникнуть молекулы ДНК, которые могли превратить аминокислоты в белки. Иными словами… э-э… н-да… хм. К сожалению, все не так просто. Ведь ДНК сама собой не возникает. Для этого опять-таки нужны определенные молекулы. Попробуй с одного раза догадаться какие. Вот именно: молекулы белка! ДНК нужна, чтобы получить белок, а белок — чтобы получить ДНК. По сути, самая настоящая проблема яйца и курицы. Что было раньше — курица или яйцо? Курица появляется из яйца, а яйцо из… курицы. Стало быть, загадка возникновения ДНК — древнейшая на свете проблема яйца и курицы. Жизнь без белков невозможна. А белки невозможны без ДНК. То есть без ДНК невозможна жизнь. Да уж!

Теперь проблема яйца и курицы решена?

Проблема курицы и яйца кажется неразрешимой. Однако мы знаем: решение должно быть, ведь курица и яйцо существуют. Значит, должно быть решение и для проблемы ДНК и белка. Самое очевидное — это РНК. РНК (так принято коротко называть рибонуклеиновую кислоту) во многом похожа на ДНК, только по форме не… не двойная спираль. РНК, как и ДНК, хранит информацию о жизни. А что еще важнее, может сама себя копировать. Таким образом, молекулы РНК были первыми молекулами, которые могли обеспечить себе «потомство». Ведь чтобы существовать, РНК не нуждается в белке. И вполне возможно, именно она играла в начале жизни роль белков и ДНК. Впоследствии из нее развилась ДНК, которая создала белки. Неопровержимых доказательств пока нет, но ученые очень стараются их найти.

Перед нами встает очередная проблема — как же тогда возникла РНК? РНК тоже длинная молекула с очень сложной структурой. Представь, что ты высыпаешь в океан миллиарды пакетов макарон «Алфавит» и ждешь, когда к берегу сами собой прибьются тексты песен Джастина Бибера. Вероятность, что это случится, есть, но настолько ничтожная, что можно назвать ее несуществующей.

Как самому «оживить» вещества?

К счастью, с РНК обстоит несколько иначе. РНК образована из различных химических веществ, которые подчинены определенным химическим закономерностям. Одни молекулы в этих веществах притягиваются друг к другу, другие отталкиваются. Тут вроде как с буквами: одни часто стоят рядом, других же рядом никогда не встретишь. Ты нипочем не наткнешься на сочетания вроде «ФСДГ», «XXРТРГДД» или «УУУТТУИИ», зато можно встретить «ОХАБ», «ИБАБА», «ЭББИ». А отсюда уже недалеко до «Бэби, бэби, бэби…», верно?

Ты можешь провести в домашних условиях простой опыт, чтобы посмотреть, как происходит нечто подобное. Молекулы самых обыкновенных веществ сразу образуют цепочку, сами по себе принимают такую форму, будто они живые. Сделать надо вот что:

Соль живет?

И что получится? А вот что: вырастет деревце из соляных кристаллов. Пока вода испаряется, кристаллы соли медленно ползут вверх, будто живое существо. На самом деле соль, конечно, не живет, она просто следует разным химическим законам. РНК формируется примерно так же, только этот процесс в миллионы раз сложнее.

Но это не страшно. Ведь чтобы сформироваться, РНК имела в своем распоряжении сотни миллионов лет. Ученые, кстати, уже провели эксперименты по созданию РНК. И как? Успешно! РНК все-таки менее сложна, чем ДНК. Стало быть, ДНК почти наверняка возникла из РНК.

Как выглядела первая жизнь?

Самая примитивная жизнь, известная нам сейчас на Земле, это жизнь совсем простых клеток. Но и такая простая клетка довольно сложна. Это как бы маленькое тельце. Там есть ядро с молекулами ДНК и генами — вроде как мозг клетки. Есть части с красивыми названиями — рибосомы и митохондрии, это, так сказать, органы клетки. Есть цитоплазма, которую можно отдаленно сравнить с кровью. И есть мембрана, оболочка, в которой все это помещается. И еще кое-какие необходимые компоненты, обеспечивающие исправное состояние клетки. Словом, клетка весьма сложна. Поэтому первая жизнь едва ли изначально выглядела так.

Первые клетки наверняка были гораздо проще. Как мешочек с набором заготовок. Они не имели ни ядра, ни митохондрий, ни рибосом. Вместо них были аминокислоты, белки и молекулы РНК и ДНК. Молекулы РНК и ДНК отдавали «команды» аминокислотам и белкам. Сообща все они делали то, что положено делать клетке: поглощали полезные вещества, выводили отходы и выращивали новые «клетки».

Мы можем увидеть тех, кто старше динозавров?

Вещества и молекулы удерживались вместе благодаря пленочке жирной кислоты. Жирная кислота — материал, из которого сделаны мембраны. Первые клетки были незамкнуты. Допустим, что кучку живого материала окружала пленочка жирной кислоты в форме буквы С. Чем больше С закрывалась, чем больше походила на О, тем удобнее было удерживать то, что внутри. В конце концов оболочка замкнулась, тогда-то компоненты содержимого клетки уже могли развиться в полноценные рибосомы, митохондрии и все остальное.

В наши дни по-прежнему существуют очень простые клетки, которые выглядят как первые замкнутые клетки. Например, определенные бактерии. Не сложные бактерии с мотором-супержгутиком, такие возникли только после миллиардов лет эволюции, — нет, совсем простые клетки без ядра и митохондрий. Причем чувствуют они себя превосходно и за долгие миллиарды лет почти не изменились. Встречаются такие бактерии повсюду. Так что если хочешь взглянуть на жизнь, какой она была миллиарды лет назад, достаточно вооружиться хорошим микроскопом. И ты увидишь существа, которые на миллиарды лет старше тираннозавра рекса! Только вот… с виду они, увы, не настолько внушительны.

Страдает ли Земля избыточным весом?

По поводу возникновения жизни на Земле до сих пор существует множество вопросов. Но мало-помалу мы получаем все более ясное представление о том, как это могло произойти. Кстати, я пока едва упомянул наиболее вероятную гипотезу зарождения жизни на Земле. Она связана с метеоритами.

Осторожно! Пригнись! Пока ты читаешь это предложение, Землю бомбардирует вещество из космоса. Метеориты, а также космическая пыль. По этой причине Земля каждый день становится на несколько миллионов килограммов тяжелее. Не беспокойся, вероятность того, что метеорит свалится на тебя, исчезающе мала. Вдобавок Земля до того тяжелая, что эти миллионы килограммов совершенно незаметны. Так сколько она весит? Много: примерно 6 000 000 квинтиллионов килограммов! Так или иначе, некоторые из миллионов килограммов метеоритов содержат аминокислоты. И мы точно знаем, что аминокислоты прилетают из космоса, потому что порой они совершенно не такие, как те, что имеются у нас на Земле.

Откуда взялась жизнь на Земле?

Вселенная, конечно, намного старше Земли. Поэтому весьма велика вероятность, что аминокислоты занесены на нашу планету метеоритами. Например, с планеты, где восемь миллиардов лет назад уже были аминокислоты. А потом эта планета, возможно, взорвалась.

Земная жизнь могла, стало быть, возникнуть разными способами. На самой Земле, а возможно, в дальнем космосе. Это затрудняет поиски неоспоримых доказательств того или иного происхождения жизни. С другой стороны, все эти объяснения превращают зарождение жизни из чего-то исключительного во что-то чуть более закономерное и обыкновенное.

Часть 8

Выживание в палеоокеанах

Где на Земле возникла жизнь?

Итак, мы пока не вполне точно знаем, как возникла жизнь на Земле. Не знаем и где именно она возникла. Дело в том, что она могла появиться сразу в нескольких местах. Ясно только, что для человека любое из этих мест было бы крайне неблагоприятно. Учитывая целый ряд условий, каким они должны были удовлетворять.

Во-первых, там должно быть ужасно жарко — приблизительно от 70 до 80 градусов. При более низкой температуре аминокислоты не очень-то формируются из мелких молекул, а при более высокой они могут распасться. Во-вторых, это место, вероятно, располагалось не на ярком солнечном свете. Земля тогда еще не имела воздушной оболочки, поэтому каждый солнечный луч был смертельным. И наконец, необходима вода. Жизнь возникла в этаком первичном бульоне, а для бульона нужна вода, это знает любой повар. И если учесть все условия, каким должно удовлетворять такое место, то в конце концов остается всего несколько возможностей. Давай остановимся на них подробнее…

1. В кипящих грязевых лужицах?

Ты на пляже, у тебя с собой лопата и есть немного времени? Значит, ты можешь выкопать яму глубиной этак 6370 километров. И окажешься точно в центре Земли. Местечко не очень-то приятное, ведь температура там от четырех до семи тысяч градусов. Чем глубже копаешь, тем жарче становится. В наших краях земная кора настолько толстая, что мы вообще не чувствуем этого жара. Но на Земле есть области, где кора довольно-таки тонкая. Например, в Исландии. Или в Йеллоустонском парке в Соединенных Штатах. Там земная кора кое-где настолько тонка, что грунтовые воды, вырываясь на поверхность, иной раз почти кипят. Так получаются гейзеры.

Кто живет в суровейших условиях на Земле?

Существуют и подогретые озерца, и лужицы. Иногда вполне приятные, где зимой очень хорошо купаться. Но бывают и вонючие грязевые озерца, настолько насыщенные кислотами, что все скукоживается, настолько горячие, что в них можно сварить яйцо, и настолько ядовитые, что, едва вдохнув их испарения, почувствуешь себя дурно. Вот это идеальные места для возникновения жизни!

Хо-хо, подумаешь ты, да может ли там что-то жить? Ладно, давай поглядим. Найдены микробы (это собирательное название всех существ, которые настолько малы, что невооруженным глазом их не увидишь), прекрасно себя чувствующие при температуре ни много ни мало 85 градусов и уровне кислотности, при котором можно растворить велосипед. Стойкие ребята, а?

В такой горячей грязевой лужице удовлетворяются два условия из трех: там жарко и там есть вода. Правда, в этот неглубокий водоемчик проникает солнце. Но беда невелика. Подобные водоемчики всегда располагаются поблизости от вулканов. А мы знаем, что вулканы в ту пору прямо-таки неистовствовали. Все вместе они наверняка быстренько обеспечили основательное количество дыма и сажи. И таким образом могли успешно задерживать яркий солнечный свет. И пожалуйста, все три условия выполнены!

Какие существа на земле самые большие?

Исследователи выловили в таких грязевых лужицах различные виды бактерий, относящихся, вероятно, к числу древнейших видов на Земле. Нашли даже совершенно новую форму жизни, какую в других местах никогда не находили, — архей. И если говорить о стойкости, то кому-кому, а археям ее не занимать! Они встречаются в самых горячих источниках; некоторые выдерживают даже температуру в 121 градус. Другие археи живут в экстремальном холоде. Третьи — в убийственно кислой или просто ядовитой среде.

Археи во многом схожи с бактериями: они тоже одноклеточные и такие же микроскопические. У некоторых архей даже есть жгутик. Но действует он совершенно особенным образом. Археи устроены совершенно не так, как бактерии. То есть эволюция может разными способами обеспечить видовое сходство. Дальше в этой книге ты найдешь яркие тому примеры.

В общем, такие горячие лужицы вполне могли стать источником всей жизни на Земле.

2. Или все-таки на морском дне?

Вода, высокие температуры и отсутствие солнечного света — эти условия встречаются и на морском дне. Не везде, но на некоторых участках морского дна, где земная кора весьма тонка. Кое-где она вообще отсутствует, и наружу изливается текучая лава. Там ужасно жарко. Вода порой нагрета до нескольких сотен градусов. В обычных условиях она бы испарилась, здесь кипяток удерживает давление. А оно огромно — представь, что тебе на голову давит километровая башня ведер, до краев полных воды.

Но ведь в подобном месте ничто жить не может? Разве можно выдержать такое давление? Еще как можно. На дне океана найдены разные виды животных, которые живут себе там, будто иначе и быть не может: археи и бактерии, а еще черви, моллюски и креветки.

Так что вполне возможно, что жизнь зародилась как раз на дне океана.

3. Или все началось где-то глубоко под землей?

Глубоко под землей залегают грунтовые воды. Солнца там нет, зато достаточно жарко. А это опять-таки возможность для возникновения жизни. Но есть ли там вообще жизнь? Да, есть. Даже в местах, еще менее гостеприимных, чем морское дно или кипящие лужицы.

Одна из самых удивительных форм жизни под землей — бактерии-экстремофилы, так их называют. Колонии таких бактерий свисают с потолка пещер каплями слизи. Живут они в смертельно ядовитой атмосфере и питаются ядовитыми веществами. А сами выделяют серную кислоту. В серной кислоте обычно убийцы растворяют трупы своих жертв, чтобы от них и следа не осталось.

Бессмертные бактерии?

Но это еще пустяки по сравнению с другими бактериями, живущими в пространстве без кислорода, без пищи, среди ядовитых газов. Настоящие чемпионы по выживанию. Ведь они находятся там миллионы лет. Как же они умудряются выжить? Притворяются мертвыми. Почти не едят, почти не двигаются и почти не размножаются. Лишь изредка потребляют молекулу серы или железа. И очень-очень-очень редко — чуточку кислорода. Ага! Значит, все-таки кислород! Ну… и да и нет. Кислород, но в настолько ничтожном количестве, что даже с помощью самой чувствительной аппаратуры на свете пока невозможно измерить, сколько кислорода все эти бактерии, вместе взятые, потребляют за тысячу лет.

Эти бактерии происходят из той эпохи, когда еще жили динозавры. То есть они действительно немыслимо древние. Может, и не вечные, но, во всяком случае, живут невероятно долго. Каков же возраст самой старой из таких бактерий? Пожалуй, миллион лет. Они достигают такого возраста, потому что очень мало едят. Человек за два месяца съедает столько же пищи, сколько весит сам, а такой бактерии нужна для этого минимум тысяча лет.

Итак, существуют три возможных места, где на Земле могла возникнуть жизнь.

А дальше что?

Так или иначе, но жизнь возникла! А дальше с потомками этих горячеводных клеток все пошло очень быстро. Потомки завоевали весь мир. Им уже не было удержу. Некоторые одноклеточные остались на прежнем месте. Другие за миллионы лет приспособились, привыкли к более-менее нормальным температурам. Третьи обосновались на холоде. Но везде и всюду океаны кишели одноклеточной жизнью. А дальше?

Дальше не происходило ничего.

И еще дальше не происходило ничего.

И еще дальше миллионами лет не происходило со-вер-шен-но ничего.

Да, конечно, одноклеточные бурно размножались, возникали всякие новые виды. Но согласись, ничего поразительного здесь нет. На Земле властвовали микробы, которые только и делали, что носились по волнам, ели и размножались сотни миллионов лет. И еще сотни миллионов лет…

Кротовины возрастом в миллионы лет?

Этот огромный временной период, пожалуй, дал одноклеточным возможность стать более сложными. Мало-помалу они наверняка обзавелись крошечными ресничками, которые в конце концов превратятся в усовершенствованные жгутики. Возник совсем новый вид существ — он черпал энергию не только из веществ, но и из солнечного света. Солнце, миллионами лет приносившее лишь гибель и смерть, стало теперь для некоторых клеток как раз источником жизни.

В Австралии еще можно найти следы самых первых солнцепоклонников на Земле — строматолиты. С виду они немножко похожи на окаменевшие шампиньоны или непомерно разросшиеся коровьи лепешки. Это скопления миллионов одноклеточных. Клетки тесно прижимались друг к другу и формировали этакую живую кротовую кучу. Умершие клетки окаменевали, а на поверхности появлялся новый слой клеток. Так они вырастали до солидных глыб — достаточно больших, чтобы спустя миллиард лет их отыскали как окаменелость. И… как живое существо! Потому что строматолиты не вымерли. Их до сих пор можно кое-где найти.

Кто сильнее всех отравлял окружающую среду?

Помимо строматолитов существовали и другие виды, черпавшие энергию из солнечного света. Поскольку солнце светит каждый день, это очень удобный способ выживания. Большинство известных нам сейчас растений, например деревья, травянистые растения, водоросли и морские травы, живут за счет энергии солнца. И все они происходят от первых одноклеточных любителей солнечных ванн.

Солнечная энергия обеспечивала новым видам преимущество. И они неимоверно быстро распространились по Земле. Настолько быстро, что даже возникла огромная проблема: они выделяли опасный газ, отравлявший земной шар. Они были первыми отравителями окружающей среды на Земле. Газа было так много, что он истребил почти всю жизнь на планете. И этот смертельный, уничтожающий, ядовитый газ был… кислород. Тот самый кислород, от которого теперь практически зависит чуть не вся жизнь на Земле. Что одному отброс, другому погибель. А третьему пропитание…

Как бактерия стала китом?

Однако кислород уничтожил не всю жизнь. Не так-то это легко, даже с помощью сильнейшего яда. Фермеры, ядами защищающие свой урожай от вредителей, знают, что любое такое средство помогает лишь временно. Поначалу от него должны умирать все вредители, но всегда находится несколько таких, что живут чуть дольше. Их потомство получает такие же гены. И опять-таки живет дольше, а отдельные особи живут еще дольше других. Так продолжается до тех пор, пока вообще все вредители не перестают умирать от данного, яда. Миллионы лет назад с кислородом дело обстояло ровно так же. Появились бактерии и археи, которые научились с ним жить. И от этих одноклеточных происходят все рыбы, рептилии, птицы и млекопитающие на Земле — от крошечной сине-зеленой водоросли до величественного голубого кита.

Чтобы эволюционировать в огромного кита, маленькой бактерии необходимо очень важное свойство: умение взаимодействовать. Ну сам посуди! Все клетки очень-очень малы. Гигантских клеток не существует. Самые большие можно кое-как разглядеть невооруженным глазом. Но более крупных нигде не найдешь. Значит, если по-настоящему хочешь вырасти, надо состоять из многих клеток. Первые сотни миллионов лет эволюции это было невозможно. Но благодаря новому веществу, кислороду, такая возможность появилась.

Что будет, если пропустить губку через мясорубку?

Благодаря кислороду вдруг возникли совершенно новые белки, а потому опять-таки могли появиться всевозможные новые клетки. Некоторые из этих клеток содержали коллаген — вещество, похожее на клей. Он позволял клеткам прилепляться друг к дружке и образовывать довольно большие группы. Так в конце концов и получились деревья, киты, грибы, да и сам Йос Гротьес из Дрила. К тому же коллаген еще и один из самых распространенных белков в животном мире.

Прекрасным примером составных животных являются губки. Они принадлежат к числу древнейших из существующих многоклеточных организмов. На них хорошо видно, как происходил переход от одноклеточных к многоклеточным. Ведь у губок всего несколько видов клеток. Носа у них нет, сердца и мозга тоже (да и глаз и квадратных штанов, как у Губки Боба Квадратные Штаны, тоже нет! Существует, правда, гриб Spongiforma squarepantsii, названный в честь него). Большинство клеток губки выполняют одну и ту же роль. Это обнаруживается, если провести с живой губкой эксперимент. Разрежь губку на куски и пропусти через мясорубку[10]. Можешь даже протереть «губочный фарш» через сито. Да еще и взбить миксером. А если затем поместить эту кашицу в сосуд с водой и подождать неделю-другую, возникнет совершенно новая губка. Все клетки снова соединятся друг с другом, будто ничего не случилось.

Как сделать гипсовый слепок с плевка?

Многоклеточность дает большие преимущества. Клетки губки умеют взаимодействовать друг с другом. Чтобы их не унесло течением, они могут закрепиться в подходящем месте и спокойно фильтровать пищу из воды. Таким образом, каждая клетка извлекает выгоду из присутствия других клеток. В единении сила. Но подобное взаимодействие еще выгоднее, если у клеток разные задачи. Футбольная команда с вратарем, нападающими и защитниками играет успешнее, чем команда, сплошь состоящая из одних вратарей, защитников или нападающих. Человек с одним глазом, носом, ртом и сердцем устроен удачнее, чем человек с десятком глаз, пятнадцатью носами, но без рта. Для живого существа с разными видами клеток дело обстоит точно так же.

Значит, удобнее быть животным со множеством разных клеток, чем животным с несколькими простыми типами клеток вроде губки. Но как возникает животное с разными типами клеток? Какими были древнейшие образцы таких организмов? Н-да, это не так-то легко выяснить. Необходимо найти их окаменелости, а это трудная задача. Когда откапывают динозавра возрастом несколько миллионов лет, никогда не находят ни его сердца, ни языка, ни мозга. Ученые обнаруживают только твердые остатки: кости и зубы. Ну и раковины, конечно, ведь они такие же твердые. Вот почему можно найти несчетное количество двустворчатых и витых раковин возрастом много миллионов лет, притом что их обитатели давным-давно погибли. Но первые животные на Земле еще не имели ни костей, ни раковин. Более того, были очень слабыми и уязвимыми. Окаменелостью такое животное может стать только чудом. Это ведь все равно что получить гипсовый слепок с плевка. Очень и очень непросто. Хотя и возможно.

Как возникает окаменелая медуза?

Представь себе, что такие существа живут в неглубоком водоемчике, а по соседству произошло извержение вулкана, при котором были выброшены в воздух миллионы килограммов пепла. Пепел попадает в воду и покрывает мелких животных, которые от этого умирают. Слой пепла становится как бы илом, а ил в ходе миллионов лет каменеет. Все это происходило регулярно. Проблема в том, что останки похоронены в толстом слое камня и на поверхности не видны. Но когда камень разрушается, например под воздействием воды, льда или песка, окаменелости могут внезапно снова оказаться на поверхности.

Итак, мы все же получили хорошую картину того, как развивалась жизнь на Земле в течение миллионов лет.