С чего началось все живое
Человек не похож на бактерию, но на молекулярном уровне мы устроены практически одинаково. Как смотрелся отечественный неспециализированный прапрадедушка?
Николай Кукушкин – о том, что собой воображал, где жил и чем питался последний неспециализированный предок всего живого.
Снаружи у многоклеточных животных возможно мало неспециализированного, скажем, с плесневыми грибами. Но в случае если взглянуть под электронным микроскопом, то обнаружится, что между нами практически нет отличия. Все мы складываемся из клеток.
Все клетки окружены липидной мембраной. Все они обслуживаются белками и РНК, закодированными в двойной спирали ДНК. Наконец, все живое одинаково добывает энергию.
Все эти особенности показывают на то, что у всех известных нам форм судьбы был неспециализированный предок, он же LUCA (last universal common ancestor).
Из-за чего предок – неспециализированный
Жизнь, вероятнее, зарождалась неоднократно. Вероятно – миллионы раз.
Но лишь в один раз зародившаяся судьба была такой успешной, что дала начала всему многообразию живой природы, которое мы замечаем сейчас. Данный единичный случай – именно LUCA.
Мысль о том, что все живое происходит из одного-единственного организма, в большинстве случаев приписывают Чарльзу Дарвину, что видел в ней логическое завершение собственной теории эволюции. Ясно, что неспециализированного предка ни Дарвин, ни кто-либо еще не видел и вряд ли когда-либо заметит – речь заходит о существе, отдаленно напоминающем бактерию и жившем неизвестно где порядка 3,5 млрд лет назад.
Из-за чего тогда мы так уверены, что неспециализированный предок у всего живого был? По причине того, что все живое весьма похоже.
В 2010 г. американский биохимик Даглас Теобальд (Douglas L. Theobald) математически проанализировал последовательности нескольких везде распространенных белков. Выбранные молекулы имеется и у человека, и у мухи, и у растений, и у бактерий – но имели возможность ли они показаться независимо?
Теобальд вычислил, что неспециализированный предок не просто возможнее, а в 102860 раз возможнее. Количество атомов во вселенной, для сравнения, образовывает 1080.
Изучения неспециализированного предка в большинстве случаев организованы по одной и той же схеме: мы сопоставляем себя со всеми остальными (бактериями, археями, растениями) и пробуем осознать, какие конкретно элементы отечественного устройства универсальны и, следовательно, имеют неспециализированное происхождение.
К примеру, практически все ученые уверенны, что LUCA был клеткой. Во-первых, жизни без клеток сейчас мы просто не знаем. Во-вторых, ее весьма сложно представить. Жизнь зародилась в океане.
Океан – неимоверно громадная масса воды. какое количество бы активных, «жизнеспособных» молекул в нем не оказалось, их концентрация в океане будет практически нулевой. Дабы эти молекулы начали между собой продуктивно реагировать, их необходимо поместить в замкнутое пространство – к примеру, клетку, окруженную липидной оболочкой либо мембраной.
Мембрана считается одним из основополагающих особенностей живого – соответственно, одной из отличительных линия отечественного неспециализированного предка.
Кроме мембраны, для жизни необходимы молекулы, каковые могут воспроизводиться – или сами по себе, или при помощи вторых молекул. Сейчас самая узнаваемая такая молекула – это ДНК.
Но первыми самовоспроизводящимися, «живыми» молекулами, от которых в конечном счете случился LUCA, были РНК. Кое-какие ученые кроме того высказывают предположение, что ДНК у LUCA по большому счету не было – она независимо показалась у его потомков.
Так или иначе, самовоспроизводящийся геном – из ДНК либо РНК – у неспециализированного предка совершенно верно был.
Двойная спираль ДНК в живых организмах существует в различных формах.
На рисунке представлены формы A, B и Z (слева направо)
©Wikimedia Commons
Наконец, для жизни нужна еда. Лишь потребляя энергию возможно создать из менее упорядоченной совокупности более упорядоченную, другими словами владеющую меньшей энтропией.
Чем питался последний неспециализированный предок живого?
РНК – молекула судьбы
Откуда мы знаем, что жизнь началась с РНК?
Во-первых, РНК кодируют белки – базу современной клетки – но не наоборот. Причем рибосома – молекулярная машина, «декодирующая» РНК в белок – состоит в основном из РНК особенного типа.
Другими словами РНК теоретически в полной мере самодостаточна.
Во-вторых, РНК смогут эволюционировать – это в далеком прошлом продемонстрировано экспериментально. Последовательность цепи РНК в пробирке будет случайным образом изменяться – в случае если наряду с этим каким-то образом отбирать «нужные» трансформации, получается полноценная и замечаемая эволюция.
В-третьих, РНК, в отличие от ДНК, достаточно активная молекула. Она может катализировать реакции – практически как белок, делающий в современной клетке практически все функции.
Возможно, к примеру, искусственно создать РНК, которая будет в точности копировать саму себя без дополнительных приспособлений.
Молекулярный бензин
Практически все молекулы, из которых состоит живое, трудятся на одном и том же горючем: аденодинтрифосфорной кислоте, либо АТФ. Дабы существовать, клетке – самой основной универсальной единице живого – необходимо всегда производить это вещество.
Для этого нужна энергия извне.
Источник энергии может различаться. Растения усваивают ее из солнечного света.
Животные расщепляют еду – биологическое горючее. Кое-какие бактерии ограничиваются горючим минеральным.
Но конечная стадия – неизменно производство АТФ. А производится АТФ у всех известных нам форм судьбы одинаково – посредством молекулярной турбины, раскручиваемой (в буквальном смысле) потоком ионов.
Значительно чаще в качестве раскручивающего иона употребляется протон.
Протон, либо ион водорода – это несложная положительно заряженная частица, которая вместе с отрицательно заряженным гидроксил-ионом образовывает молекулу воды. Маленький процент молекул воды все время будет в расщепленном состоянии: протон существует раздельно от гидроксил-ионов.
В чистой воде протонов столько же, сколько гидроксилов. При добавлении кислоты делается больше протонов.
Щелочь, напротив, додаёт в раствор гидроксилов.
Представьте, что в толще воды сидит некое микроскопическое, но весьма умное создание, которое может отличать протоны от гидроксил-ионов. В физике аналогичных гипотетических существ именуют демонами – отечественный, к примеру, сильно напоминает известного демона Максвелла.
Данный подводный демон хватает протоны и силой запихивает их в мешок. В мешке протонов делается больше, чем гидроксилов – вода преобразовывается в кислоту.
В случае если сейчас сделать в мешке дырку размером с протон, то те струей вырвутся из мешка: из высокой концентрации в низкую концентрацию. Другими словами перепад – либо градиент концентрации протонов содержит в себе энергию, совершенно верно так же, как вода, вращающая турбину ГЭС.
Откуда эта энергия взялась?
В отечественном примере источник энергии – демон, прилагающий упрочнения, дабы рассортировать гидроксилы и протоны. Энергия накапливается в мешке и высвобождается, в случае если в нем выполнить дырку.
В случае если исхитриться, то эту энергию возможно собрать – как собирает ее ГЭС, выстроенная на реке – и сделать с ней что-то нужное. Как раз таким методом пара миллиардов лет назад предки всего живого обучились создавать АТФ: они придумали турбину, вращение которой питало синтез данной энергетической молекулы.
Но чем, если не чудесным демоном, создавался градиент протонов, необходимый для синтеза АТФ?
Что показалось раньше: кастрюля либо суп?
Современные организмы создают градиенты сами. Делается это неизменно по одной и той же схеме: протоны куда-нибудь накачиваются (либо откуда-нибудь выкачиваются) особыми протеиновыми насосами, каковые тратят на это энергию из еды либо, к примеру, солнечного света.
Насосы засунуты в непроницаемую для протонов мембрану – вследствие этого они не смогут обратно. В итоге с одной стороны мембраны протонов делается большое количество, с другой – мало, как в примере с мешком и демоном. «Протонный шлюз» – дырка в мешке – раскрывается, и протоны устремляются обратно, в том направлении, где их стало мало, раскручивая наряду с этим турбину и создавая АТФ.
У нас это происходит в митохондриях, у фотосинтезирующих растений – в хлоропластах, у бактерий – на их собственной клеточной мембране. Но сам искусственно создаваемый градиент ионов универсален.
В случае если что-то универсально – то исходя из теории эволюции, вероятнее, оно было и у неспециализированного предка. Весьма трудно предположить, что такие похожие системы накопления и добычи энергии независимо показались во всех царствах живого.
LUCA должен был вовсю пользоваться градиентами еще перед тем, как он положил начало двум главным ветвям эволюции: археям и бактериям.
Но тут появляется парадокс, что много лет не давал спокойствия биохимикам и эволюционистам.
Три домена
Самая популярная сейчас модель деления живого мира была в первый раз предложена в 1977 г. Карлом Воузом (Carl Woese). На основании анализа генов рибосомальной РНК он заключил, что все живое подразделяется на три царства, либо домена (последний термин был введен в 1990-х): бактерии, археи и эукариоты.
Бактерии и археи (объединяемые кроме этого под термином «прокариоты») снаружи похожи – к примеру, ни у тех, ни у других нет ядра. Но наряду с этим они очень сильно различаются подробностями молекулярного строения.
По некоторым показателям археи ближе к эукариотам, к каким относятся все организмы с клеточным ядром, включая животных, растений и грибов.
Сейчас хорошее «тройное» эволюционное древо начало видоизменяться. Сейчас большая часть ученых уверены в том, что эукариоты случились методом слияния архей и бактерий.
Помимо этого, не факт, что четкое древо ранней эволюции в принципе возможно выстроить: вероятнее, между ранними организмами происходил постоянный горизонтальный обмен генами, что размывает и усложняет понятия вида а также домена.
©Wikimedia Commons
Одно из основных отличий современных бактерий и архей – это строение их мембран. В обоих царствах, либо доменах, клеточные мембраны складываются из липидов, но химически эти липиды быстро различаются.
Белки в составе мембран также совсем различные – похожи лишь редчайшие и старейшие молекулы наподобие той самой «протонной турбины», которая имеется у всех. По логике эволюции, это должно означать, что строение и состав мембран у бактерий и архей формировались уже по окончании разделения.
А градиенты, как мы узнали, были еще до разделения. Но для градиентов необходимы мембраны и протеиновые насосы!
Как имело возможность оказаться, что неспециализированный предок уже «питался» градиентами, но еще не умел их «готовить»?
Разгадка может заключаться в том, что градиенты протонов древними клетками не производились. Они ими, скорее, усваивались из окружающей среды.
насос и Кислотная река, что поменял все
Несколько английских ученых под управлением Ника Лэйна (Nick Lane) предлагает следующее объяснение. В соответствии с самый распространенной версии, жизнь зародилась на глубине океана рядом с подводными тёплыми источниками.
В таковой среде перепады концентраций протонов смогут образовываться естественным образом: щелочная среда вблизи осадочных пород, создаваемых горячим источником, медлено переходит в слабокислую среду толщи океана. В случае если устроиться ровно на границе кислой и щелочной среды, то этим возможно воспользоваться.
С одной стороны протонов будет больше, с другой – меньше. Перепад – значит «течение».
Течение – значит «энергия». Лэйн и его сотрудники считают, что именно так у отечественного предполагаемого предка в первый раз показалась мысль превращения градиента концентраций в нужную энергию – на естественной «реке» протонов была выстроена АТФ-синтезирующая турбина.
Из таковой модели имеется пара следствий. Во-первых, отпадает необходимость в насосах: градиент протонов образуется сам по себе за счет перепада кислотности.
Во-вторых, дабы этим градиентом воспользоваться, клеточная мембрана должна быть легко проницаема для протонов – в противном случае перепад их концентрации ее никак не коснется. Другими словами «мешок» должен быть дырявым.
В-третьих, клетка должна быть неподвижной: если она сдвинется с хорошего «градиентного» места, то градиента уже не будет, а раз мембрана легко проницаема, «унести градиент с собой» не окажется – протоны будут легко вольно двигаться между внешней средой и клеткой.
Как тогда по большому счету предки бактерий и архей обучились жить далеко от спасительных тёплых источников? Лэйн и его сотрудники уверены в том, что ключевую роль в этом сыграло появление протонно-натриевого насоса.
Это мембранный белок, что обменивает протоны на равное количество ионов Na. Другими словами протонно-натриевым насосом «натуральный» градиент протонов возможно перевоплотить в «неестественный» градиент натрия.
Преимущество этого способа содержится в том, что протащить через «дырявую» мембрану натрий значительно тяжелее, чем протон. Другими словами перепад концентраций натрия «сохраняется» лучше, чем перепад концентраций протонов.
Насосы, создающие градиент протонов искусственно, не могли сами по себе показаться при дырявой мембране: в них бы просто не было смысла. В случае если мембрана дырявая, как показывают математические расчеты группы Лэйна, насосы не дают никакого преимущества.
Но стоит добавить «обменник» – протонов на натрий – как накопление градиентов делается значительно действеннее, и в насосах появляется значительная польза.
Что происходит дальше? Клетка эволюционирует . Раз насосы действенны, значит неспешно их будет становиться больше и больше – , пока это приносит пользу.
Раз имеется протонно-натриевый «обменник» – значит, все накопленное возможно носить с собой. Необходимость в «естественном» градиенте отпадает: клетка делается независимой.
Одновременно с этим отпадает необходимость в дырявой мембране – напротив, прочная мембрана куда лучше удерживает градиенты. Когда мембрана делается прочной и перестает пропускать протоны, в сидении на тёплом источнике исчезает суть.
Итого, протонно-натриевый «обменник», согласно точки зрения Ника Лэйна, своим возникновением привёл к цепной реакции эволюционных преобразований, по результату которых неподвижные дырявые полу-клетки, всецело зависимые от тёплых источников, превратились в прижимистых и прозорливых исследователей океанических глубин – и в конечном счете во все многообразие современной природы. Как раз по окончании происхождения «обменника», вычисляют исследователи, случилось разделение бактерий и архей – двух основных ветвей ранней эволюции.
Их мембраны «затвердели» по-различному – но верность градиентам ионов как конечной стадии переработки энергии сохранили обе группы.
Споры о биологии LUCA – прадедушки всего живого – вряд ли когда-нибудь разрешатся однозначными данными. Прадедушкино тело за миллиарды лет истлело – но дух его живет.
Отечественный организм так же, как и прежде закодирован в последовательности нуклеотидов. Он так же, как и прежде складывается из клеток.
Мы обучились извлекать энергию из бутербродов – но дабы ее усвоить, мы так же, как и прежде устраиваем в каждой клетке старый тёплый источник.
Источник: naked-science.ru
ВСЯ ИСТОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ
