Новая история происхождения жизни на Земле

Переработанная нами версия древа жизни, которая включает вирусы и вымершие образцы РНК-жизни. Данный вариант древа жизни требует новой систематической категории, превосходящей домен (который в свою очередь превосходит царство). РНК-жизнь нельзя вписать в принятое древо жизни. (см.: Питер Уорд. «Жизнь, которую мы не знаем» (Peter Ward, Life as We Do Not Know It, 2006).

Вирусы, которые содержат только РНК, демонстрируют, что РНК сама по себе, в отсутствие ДНК, может содержать информацию и служить фактической молекулой ДНК [46]. Это доказывает, что до ДНК и появления жизни мог существовать «мир РНК» [47]. И существование вирусов с РНК без ДНК позволяет сделать еще более удивительный вывод.

Вирусы — паразиты. Технически они классифицируются как внутриклеточные паразиты, поскольку не могут размножаться без клетки-хозяина. В большинстве случаев вирусы внедряются в клетку живого организма, захватывают органеллы, производящие белок, и начинают производить себе подобных, превращая пораженную клетку в завод по производству вирусов. Вирусы, таким образом, имеют огромное влияние на биологию зараженных «хозяев».

Самым сильным аргументом против вирусов как живых организмов является тот факт, что они не способны к самостоятельному воспроизведению и поэтому не соответствуют понятию «живой». Но следует помнить, что вирусы — безусловные паразиты, а паразиты имеют тенденцию подвергаться значительным морфологическим и генетическим изменениям, приспосабливаясь к своим «хозяевам».

Возникает вопрос: являются ли живыми другие паразиты? Паразитизм, который на деле есть весьма развитая форма хищничества, вообще рассматривается как результат долгой эволюции. Паразиты — не примитивные создания. Но, как и вирусы, они кажутся не совсем живыми. Роды простейших Cryptosporidium и Giardia, оба паразитирующие на людях и других млекопитающих, имеют периоды покоя, когда они мертвы, как и любой вирус вне организма хозяина. Без хозяина эти и прочие организмы (и тысячи других) не живут и, вероятно, не могут быть причислены к живым. Однако, попадая в хозяина, они демонстрируют все признаки жизни, которые мы знаем: метаболизм, воспроизводство, проходят отбор по Дарвину. Но если мы допустим, что вирусы — живые, а это мнение получает все более широкое распространение, то нам придется радикально переосмыслить существующее представление о древе жизни на Земле.

К вопросам о жизни на Земле можно добавить еще несколько: каково самое простое соединение атомов, которое можно назвать живым? Какова самая простая форма жизни на Земле? И что ей необходимо, чтобы остаться живой? Чтобы ответить на эти вопросы, нам необходимо понять, что требуется текущим формам жизни на планете для обретения и поддержания того состояния, которое мы выше определили как «живое». А для этого мы кратко опишем всю ту химию, которая вовлечена в процессы обретения и поддержания жизни.

Неживые составляющие земного живого организма

Из всех веществ, необходимых для жизни, нет более важного, чем вода, причем вода в одном состоянии — жидком, не в твердом (лед) и не в газообразном (пар). Земная жизнь состоит из молекул, купающихся в жидкостях. Вообще, хотя в жизненных формах можно найти много больших неустойчивых молекул, на самом деле в основном жизнь использует только четыре основных типа: липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и белки — и все они либо погружены в жидкость (в живом организме — в воду с растворенными солями), либо служат внешними стенками для содержания молекул и воды.

Липиды, жиры, являются ключевыми ингредиентами для клеточных мембран. Они водоустойчивые из-за множества атомов водорода, но содержат мало кислорода и азота. Липиды — основные компоненты клеточных границ, стенок, которые разделяют внешнюю среду и внутреннее пространство клетки, которую мы называем живой. Эти мембраны очень тонки, они контролируют проникновение веществ в клетку и выделение веществ из нее.

Углеводы — второй важнейший тип структур, из которых состоит жизнь, их по-простому называют сахара. Соединив их «цепочкой», мы получим полисахарид, то есть «много-сахарид». Углеводы, один он или их много, являются важным строительным материалом, поскольку обладают способностью соединяться друг с другом или с другими органическими и неорганическими молекулами и образовывать молекулы большего размера.

Сахара весьма значимы еще и потому, что являются строительным элементом для следующего типа жизненных молекул — нуклеиновых кислот. Представители этой группы хранят генетическую информацию каждой клетки. Это — молекулы-великаны, в которых объединены сахара и азотсодержащие соединения, называемые нуклеотиды, которые в свою очередь созданы из меньших единиц-оснований, фосфора и других сахаров. В такой структуре самыми важными являются основания — именно они и становятся «буквами» генетического кода.

ДНК и РНК — сахара, которые из всех важных молекул жизни занимают самое главное место. ДНК, имеющая два «позвоночника» (знаменитая «двойная спираль», описанная ее открывателями, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком), является системой хранения информации самой жизни. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Порядком пар обеспечивается язык жизни — это гены, которые кодируют сведения о той или иной форме жизни.

ДНК — носитель информации, а РНК? А РНК имеет только одну цепочку и является слугой для ДНК — приводит информацию в действие, или обеспечивает производство белков. Молекулы РНК схожи с ДНК, имеют спираль и основания, но отличаются обычно (но не всегда) тем, что спираль только одна.

Почему ДНК и РНК так сложно устроены? Дело в том, что информация нужна как для первичного строительства («закладка фундамента»), так и для дальнейшего решения и выполнения множества прочих задач, для того чтобы «здание» оставалось живым. ДНК — это инструкция по сборке, строительству, ремонту, а также по производству копий самой себя и всего, что в ней есть закодированного. Согласно компьютерной терминологии ДНК — это «программное обеспечение», она несет в себе информацию, но выполнять предписанное этой информацией сама не может. А белки можно принять за компьютерное «железо», аппаратное обеспечение, оно нуждается в «софте», который указывает, когда и где должны произойти те или иные химические изменения, чтобы произвести материалы, необходимые для жизни РНК имеет интересное свойство быть как программным, так и аппаратным обеспечением, а в некоторых случаях — и тем и другим одновременно.

Белок, последний из обсуждаемых ключевых материалов, имеет четыре функции для земной жизни: строительство других больших молекул, ремонт других молекул, перемещение материалов и обеспечение энергетических запасов. Белки также преобразовывают большие и малые молекулы для самых разнообразных целей и служат средством сигнализации между клетками. Существует огромное количество разнообразных белков, и мы только еще изучаем, как они работают и что именно они делают. Новым открытием, например, является то, что в выполнении своих функций для белка очень важна его схема, структура.

Все белки на Земле строятся на основе одних и тех же двадцати аминокислот. В начале XXI века мы задаем себе все тот же вопрос: эти постоянные 20 кирпичиков используются потому, что являются самым удобным строительным материалом, или потому, что они были обычным материалом в тот момент, когда возникла жизнь, а потом стали постоянно копироваться жизненными формами? Кажется, скорее всего, причиной послужило первое — они самые лучшие, по крайней мере, согласно исследованиям 2010 года [48]. Эта группа из 20 аминокислот является специфичной для Земли и, вероятно, признаком жизни именно на Земле.