June 28th, 2016

Chance and necessity



Насколько закономерным или случайным событием по меркам Вселенной было появление земной жизни? Тут интересно сравнить мнения двух крупных биологов, работавших в одно и то же время. Это француз Жак Моно (Jacques Lucien Monod) и бельгиец Кристиан де Дюв (Christian Rene Marie Joseph, Viscount de Duve). Оба они получили Нобелевскую премию за открытия в области клеточной биологии; Моно открыл важные механизмы регуляции экспрессии генов, а де Дюв обнаружил несколько новых клеточных органелл. В том, как работает живая клетка, и Моно, и де Дюв разбирались очень хорошо. К тому же они поддерживали дружеские отношения, благо оба принадлежали к франкоязычному миру. Но вот их взгляды на происхождение жизни оказались принципиально разными.
Жак Моно считал, что раз жизнь (насколько мы пока знаем) уникальна, то нет никакой необходимости объяснять ее появление чем-то иным, кроме игры слепого случая. В конце концов, Вселенная настолько огромна, что где-то на ее просторах вполне может один раз произойти любое сколь угодно маловероятное событие - достаточно, чтобы вероятность такого события не была строго нулевой. Это не причина принимать случайность за закономерность.
"Вселенная не была чревата жизнью, как и биосфера не была чревата человеком, - писал Моно. - Нам просто выпал счастливый шанс в рулетке, как тому, кто только что выиграл миллион в казино".
Де Дюв, наоборот, считал, что появление жизни - закономерный процесс, который готов реализоваться на любой планете с подходящими физико-химическими условиями. Возражая Моно, он говорил, что Вселенная как раз-таки "чревата жизнью", и приводил два аргумента, которые с тех пор стали только сильнее (De Duve, 1998).
Во-первых, строительные блоки, пригодные для создания живых систем, легко синтезируются в космосе. Известно, что они входят в состав метеоритов и комет. Де Дюв пользуется здесь труднопереводимым выражением "vital dust" - "жизнетворная пыль". По его словам, "жизнетворная пыль" пронизывает всю Вселенную и образует своего рода химические семена жизни, готовые взойти на любом подходящем небесном теле. В самом деле, сейчас мы точно знаем, что в метеоритах есть аминокислоты, сахара, азотистые основания, жирные кислоты, многоатомные спирты и другие соединения углерода, причем все они там довольно разнообразны. Похоже, что их синтез не требует никаких особенно редких условий.
Во-вторых, возникновение жизни - процесс по своей сути химический. Все информационные аспекты здесь вторичны; истинные действующие лица - это нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и другие молекулы. А уж химию-то мы знаем хорошо - и можем точно сказать, что все химические процессы в большой мере детерминистичны, то есть дают при одних и тех же условиях один и тот же результат. Здесь участвует статистика (поскольку молекул очень много), но в итоге на волю случая почти ничего не остается. Применительно к нашей задаче это означает, что если на какой-нибудь планете сложатся такие же условия, какие были на Земле примерно 4 миллиарда лет назад, то вероятность возникновения жизни там будет близка к единице.
Сейчас мы понимаем, что многие свойства живых объектов на самом деле предопределены химией. Например, каталитическая активность РНК появляется автоматически, как только начинают синтезироваться (каким угодно способом) цепочки длиной хотя бы в десятки нуклеотидов. Сборка жирных кислот и других липидов в мембраны тоже происходит сама собой, стоит им попасть в раствор. Для всего этого достаточно подходящих внешних условий. Другое дело, что такие условия далеко не повсеместны, и - что еще важнее - даже там, где они готовы сложиться, ничего не стоит выйти за их пределы по каким-то случайным причинам; пользуясь английской идиомой, это проще, чем упасть с бревна (as easy as falling off a log). Например, на современной Венере зарождение жизни земного типа совершенно невозможно, хотя почти по всем физическим параметрам эта планета очень близка к Земле, и изначально они скорее всего были гораздо более похожи, чем сейчас. Судьба Венеры наглядно показывает, насколько Земле повезло.

Происхождение вирусов

Очень хорошая статья, написанная на уровне продвинутой популяризации:

http://www.nature.com/wls/topicpage/the-origins-of-viruses-14398218

Вешаю для себя, чтобы не потерять, ну и рекомендую всем, кто читает по-английски.
Предполагается, что читатель знает, что такое РНК, ДНК, рибосомы, репликация, транскрипция, трансляция, иРНК, геном и фермент. Но для тех, кто подзабыл, есть всплывающие подсказки.

Первая жизнь



Когда на Земле появилась жизнь? Самый распространенный ответ: древнейшие предполагаемые остатки живых организмов найдены в Гренландии, в горных породах зеленокаменной формации Исуа, имеющих возраст 3,8 миллиарда лет. Значит, к этому времени жизнь уже точно была. Правда, неизвестно, какая. И вот тут кроется первая проблема. Найденные в Исуа остатки не сохранили никаких следов структуры живых клеток — это зерна чистого углерода, и вывод о том, что они когда-то были живыми существами, сделан только по составу этого углерода.
Здесь надо немного поговорить о том, какими бывают атомы. Главный параметр любого атома - это число протонов, или атомный номер (Z). Только от него зависит, к какому химическому элементу атом относится. Однако в ядре атома есть не только протоны, но и нейтроны. Суммарное количество протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом (A). И вот оно у атомов одного и того же элемента может отличаться. Например, любой атом, в ядре которого 6 протонов, будет атомом углерода. Но есть несколько типов атомов углерода, например с шестью нейтронами в ядре (12C) или с семью нейтронами в ядре (13C). Атомы, имеющие одинаковый атомный номер, но разное массовое число, называются изотопами.
Углекислый газ (CO2) может включать в себя как атом 12C, так и атом 13C. Но вот фермент, связывающий углекислый газ для фотосинтеза, гораздо охотнее захватывает молекулы CO2 с углеродом 12C - просто потому, что они более легкие. Так происходит разделение изотопов. Соответственно, живые организмы, прямо или опосредованно питающиеся продуктами фотосинтеза - то есть почти все живые организмы на Земле - имеют смещенное по сравнению с атмосферным CO2 соотношение изотопов углерода: "легкого" углерода в них намного больше, чем "тяжелого". А это означает, что, найдя чистый углерод, можно по соотношению 12C/13C определить, является ли этот углерод биогенным, то есть входил он когда-нибудь в состав живых организмов.
Но что, если при переплавлении горных пород включился какой-нибудь другой, чисто физический механизм разделения изотопов углерода? Это возможно, и некоторые ученые считают, что с породами Исуа так и было (Fedo, Whitehouse, 2002). Тогда "следы самой древней жизни" исчезают. Нельзя сказать, что эта тема закрыта, но статус пород Исуа сейчас определенно под сомнением. Печальнее всего, что биология тут и сделать ничего не может - решающее слово принадлежит геологии и изотопной химии. Биогенное происхождение углерода из Исуа не исключено, оно просто спорно.
С другой стороны, зеленокаменная формация Исуа - не предел. Недавно вышла статья, в которой предполагается биогенное происхождение углерода возрастом 4,1 миллиард лет (Bell et al., 2015). Это совершенно поразительно, потому что для настолько древних времен неизвестны никакие полноценные горные породы - только зерна минерала циркона, захороненные в более поздних отложениях. Вот в составе этих цирконовых зерен геологи и нашли углерод со смещенным изотопным соотношением, типичным для живых систем. По оценке авторов, другие пути разделения изотопов в данном случае маловероятны, так что это могут быть следы жизни - невообразимо древней жизни! Форма этой жизни в любом случае остается загадкой, ведь в изученных образцах налицо только химический сигнал.
Между тем первые живые организмы могли сильно отличаться от современных - причем под современностью в данном случае понимаются примерно последние три с лишним миллиарда лет. Например, молекулярные данные свидетельствуют, что у общего предка всех клеточных организмов системы транскрипции и трансляции были намного более простыми, чем у современных клеток, а системы репликации ДНК не было совсем (Woese, 2002). ДНК-полимеразы бактерий не имеют почти ничего общего с ДНК-полимеразами архей и эукариот; скорее всего это означает, что весь механизм репликации ДНК возник минимум дважды - в ветви бактерий и в ветви архей, от которых произошли эукариоты. Получается, что у их общего предка геном был РНКовым.
Кроме того, этот общий предок вполне мог еще не достичь дарвиновского порога - момента, когда интенсивность привычной нам вертикальной передачи генов (от предков к потомкам) начала существенно превышать интенсивность горизонтального переноса генов (между соседними генетическими системами независимо от родства). Понятие "дарвиновский порог" ввел Карл Вёзе (Carl Richard Woese), тот самый великий биолог, который открыл архей и разделил клеточные организмы на три домена. Нам сейчас трудно представить, как выглядела жизнь по ту сторону дарвиновского порога, но ясно, что организмы были предельно изменчивы - никаких устойчивых видов в тех условиях существовать не могло.
Самые древние более-менее достоверно определимые остатки живых клеток имеют возраст 3,4 миллиарда лет (Wacey, 2011). Это уже типичные прокариоты, скорее всего входящие в дожившую до современности группу сульфатредуцирующих бактерий. На этой отметке заканчивается туманная повесть о происхождении жизни и начинается ее собственная история.