Представьте, что мы могли бы вместе передвигаться на машине времени, чтобы засвидетельствовать этот момент рождения жизни. Вы бы не узнали нашу Землю: неуютная планета, из-за солнца ничего не видно, странный пейзаж с извергающими огонь вулканами, красным небом и медно-красным морем. И начали бы задыхаться, ведь кислорода еще почти не было.
Когда Чарльз Дарвин, отец теории эволюции, размышлял о происхождении жизни, он представлял себе теплую заводь, образованную приливом, на берегу моря под палящим солнцем. По его мнению, в этом «первичном бульоне» все строительные элементы жизни перемешались и встряхнулись, как коктейль, так и образовалась новая жизнь.
Сегодня исследователи считают, что жизнь зарождалась в обстановке кипящего ада под постоянной бомбардировкой метеоритами, в условиях экстремальных температур, под интенсивным ультрафиолетовым излучением и в разреженной атмосфере, перенасыщенной метаном, аммиаком и другими токсичными для нас газами. Самые вероятные места зарождения жизни это клокочущие жерла вулканов на морском дне. В этих гейзерах, «черных курильщиках» в Срединно-океаническом хребте, органические структуры и новые клетки были защищены от смертельного ионизирующего солнечного облучения. Эти источники кишат жизнью и сегодня. Населяют их прежде всего первобытные одноклеточные живые организмы, такие, например, как археи бактерии, составляющие основу пищевой цепи.
С днем рождения! Вы только что в прямом эфире были свидетелем появления жизни, и я могу представить вас вашему предку LUCA. Это имя не имеет ничего общего с известной песней Сюзанны Веги, данная аббревиатура расшифровывается как last universal common ancestor, что в переводе означает «последний универсальный общий предок», иными словами, первый общий родственник и предок всего живого на нашей планете. Пусть вас не расстраивает тот факт, что этот кроха достаточно невзрачный: маленький комочек жизни, образованный из мембран и белков, которые могут питатьcя, развиваться и производить потомство. LUCA состоит всего-то из некоторого количества РНК (рибонуклеиновой кислоты) как генетической информации, которая содержится в цитоплазме (жидкое основное вещество клетки), и в лучшем случае одной тонкой мембраны. У него еще даже не было клеточного ядра. Вот почему эти ранние прабактерии также называют «прокариотами» от греч. «доядерный». Все другие живые существа (в том числе и мы, люди) состоят из клеток с клеточными ядрами и относятся к эукариотам (от греч. «настоящее» и «клеточное ядро»). Но мы, высшие существа, появимся на сцене намного позже!
Эти простые прабактерии не испытывали никаких проблем с тем, чтобы заселить любую мало-мальски пригодную нишу. Тогда-то они пришли в отличную форму, и поэтому их также называют «экстремофилами». Первые жители Земли живут и выживают по сей день в самых холодных и жарких местах на планете, на суше и на море. Археи являются еще более «экстремальным» подвидом среди них. Они могут сохранять жизнеспособность даже в кислоте, любят едкие газы или кипящую воду и чувствуют себя комфортно на вулканах или на дне болот. Самые ранние следы жизни исследователи обнаружили в древнейшей породе серпентините Исуа из Гренландии (возраст 3,8 миллиарда лет). Желающие наглядно испытать, в каких экстремальных условиях зародилась жизнь, должны выехать из Германии. Йеллоустоунский национальный парк или гейзерные пейзажи Исландии и Новой Зеландии самые известные примеры. Но вы найдете такие места и в Италии: в Сассо Пизано в Тоскане или у вулкана Сольфатара недалеко от Неаполя в горячих грязевых и серных источниках, которые воняют тухлыми яйцами, разноцветные, желтые, ржаво-красные и ядовито-зеленые корки слизистые отложения, образованные микроорганизмами. Микробиолог Томас Д. Брок из Индианского университета в Блумингтоне выделил на них в 1969 году «термофильную» (теплолюбивую) бактерию thermus aquaticus. Кстати, она живет в наших домах: в посудомоечных машинах, водонагревателях и стиральных машинах.
Бактерии везде от начала до конца
Если представить историю Земли как 24-часовой день, прабактерии были бы самыми ранними пташками. Жизнь на планете началась с них в 4.30 утра, но пока не отличалась разнообразием и стремительностью событий. Первые одноклеточные микроживотные и водоросли появились только после обеда, около 16 часов. С девяти вечера на земном шаре можно было встретить и простых животных. Наши ранние предки, обезьяны, появились всего за 90 минут до полуночи, а мы сами, представители вида homo sapiens, за две секунды до 24.00.
Бактерии везде от начала до конца
Если представить историю Земли как 24-часовой день, прабактерии были бы самыми ранними пташками. Жизнь на планете началась с них в 4.30 утра, но пока не отличалась разнообразием и стремительностью событий. Первые одноклеточные микроживотные и водоросли появились только после обеда, около 16 часов. С девяти вечера на земном шаре можно было встретить и простых животных. Наши ранние предки, обезьяны, появились всего за 90 минут до полуночи, а мы сами, представители вида homo sapiens, за две секунды до 24.00.
Таким образом, люди стали свидетелями лишь крошечной части истории Земли. В это трудно поверить, но на протяжении двух миллиардов лет невидимые микроорганизмы были единственными хозяевами на планете, они пользовались ею вдосталь. Создали нашу биосферу и все важные циклы круговорота углерода, кислорода, серы и фосфора. Сформировали почву и гумус. И наконец, создали основу для развития многоклеточной жизни растений, животных и человека.
В какой-то момент одноклеточные цианобактерии, известные также как сине-зеленые водоросли, научились отцеживать вещество, которым богата наша планета, водород, в изобилии содержащийся в воде. И выделили кислород продукт распада. Фотосинтез стал, несомненно, самым важным биохимическим новшеством, и изобрели его не растения, а бактерии. Большая часть атмосферного кислорода поступает из микроорганизмов, включая современные формы цианобактерий. Морские водоросли и микробы выбрасывают в воздух около 150 миллиардов килограммов в год.
Сначала новый кислород не собирался в атмосфере, а связывался с железом и образовывал оксид железа, который опускался на дно первобытных морей. Много миллионов лет планета буквально ржавела.
Но кислород пошел на пользу не всем живым организмам для некоторых он стал настоящей катастрофой: они не были к нему приспособлены. В анаэробном (то есть бескислородном) мире он действительно был токсичным. Новые существа, которые могли использовать кислород, обладали двумя большими преимуществами. Благодаря кислороду они производили энергию быстрее, в то же время он уничтожил другие конкурирующие организмы. Теперь на Земле были аэробные организмы, которые переносят кислород, и анаэробные, которые боятся кислорода как черт ладана. Эти последние отступили в ил самых глубоких водоемов, а намного позже в наши органы (например, кишечные бактерии в кишечнике). Но бесчисленные виды не смогли адаптироваться и погибли.
Должно было пройти 40 процентов времени на часах нашей планеты, чтобы кислород в ее атмосфере достиг примерно такого же содержания, как теперь. Но затем неожиданно появился новый тип клеток с ядром и другими маленькими телами, так называемыми органеллами (по-гречески «маленькие инструменты»). Родились эукариоты.
Сегодня считается, что такие органеллы, как митохондрии и хлоропласты, были созданы в результате того, что какая-то шаловливая бактерия подселилась к другой или одна поглотила другую. Такое сожительство оказалось очень разумным, и в выигрыше остались обе. Согласно этой «теории эндосимбиоза», захваченные бактерии превратились в митохондрии и хлоропласты. Первые вырабатывают энергию в клетках животных, вторые в клетках растений. Без этой изящной уловки эволюции жизнь на планете осталась бы слизью, состоящей из простых микроорганизмов.
И наконец, эукариоты разучили еще один великолепный трюк научились создавать более сложные живые организмы, состоящие из многих клеток. Только благодаря этому новшеству стало возможным появление больших организмов со сложным строением, заметных невооруженным глазом, таких как вы и я.
Человек это только капля в море микробов
Ученые полагают, что на Земле около триллиона видов микробов, причем 99,999 процента из них еще не обнаружены. До начала эры космических путешествий о микроорганизмах даже не говорилось в школьных учебниках. Жизнь на планете была красиво разделена на две категории: растения и животные. Долгое время биологи причисляли микроорганизмы к растениям, хотя все знали, что им там не место. В чем была причина?
Многие микробы просто не растут в чашках Петри в лаборатории. Они не размножаются, и исследователи не могут ничего узнать о них. Поэтому большинство микроорганизмов до сих пор не имеют названия, а мы не знаем ничего об их функциях и задачах.
Ситуация изменилась около 1980 года благодаря революционному открытию Карла Вёзе, американского микробиолога и эволюционного биолога, который считал, что в генах бактерий скрыты отношения родства. Поэтому он и его коллеги разработали элегантный молекулярно-генетический метод, с помощью которого удалось разделить бактерии на типы, используя ген так называемой 16S-рибосомальной РНК. Это важный строительный элемент на белковых фабриках клеток рибосомах. Исследователи могут работать с этими молекулами в кислородсодержащей среде лаборатории так же легко, как и с ДНК. Каждый тип микробов обладает индивидуальной версией этого гена, и с его помощью можно построить целые родословные, причем гораздо лучше, чем при любом микроскопическом анализе.