Где ты, LUCA?

Возможно, вам знакома классификация всего живого по трем доменам: эукариоты (все организмы с большими сложными клетками, в том числе растения, животные и грибы), бактерии и археи, внешне напоминающие бактерии, но резко отличающиеся генетикой и биохимией. Сегодня мы знаем, что эукариоты — обладатели клеток того же типа, что и у нас, фактически сшиты на живую нитку из бактерий и архей, т.е. являются результатом причудливого взаимодействия клеток двух других типов. Это захватывающая тема, но не имеющая касательства к предмету нашего разговора, поскольку эукариоты возникли на 2 млрд лет позже и никак не помогут нам раскрыть тайну зарождения жизни. В последние годы становится все более очевидно, что первичными доменами являются только два — бактерии и археи. Каждая из этих генетически разных групп включает крохотные одноклеточные организмы с невероятной биохимической изобретательностью, но морфологически простых.

Если вы ничего не знаете о бактериях и археях, то, вероятно, считаете эту тему скучной и примитивной. Ничего подобного! Они господствовали первые 3 млрд лет существования жизни на Земле и «изобрели» все важнейшие биохимические процессы — от фотосинтеза и фиксации азота до дыхания. Даже сейчас мы не сможем без них выжить. Но самой важной для нас на сегодняшний день является возможность сравнить подробно изученную биохимию этих двух групп организмов и попытаться понять, каким мог быть их общий предок — LUCA. Например, бактерии и археи хранят наследственную информацию в ДНК, кодирующей последовательность строительных блоков (аминокислот) в белках. У обеих групп этот код совершенно одинаков — это так называемый универсальный генетический код. Можно предположить, что и LUCA уже обладал генетическим кодом, ДНК и белками.

Чем еще? Мы можем почти наверняка утверждать, что он был автотрофом, т.е. получал все необходимое для роста из неорганической материи — минералов и газов, а не «поедал» органику. Самые древние бактерии и археи, по-видимому, питали свою жизнедеятельность такими газами, как водород и углекислый газ, — как, вероятно, и LUCA. Он почти наверняка не занимался фотосинтезом (следовательно, не нуждался в свете Солнца), поскольку этим изощренным процессом владеют только бактерии, но не археи. Однако водород и углекислый газ не слишком химически активны. Видимо, LUCA использовал протонодвижущую силу — электрический заряд на своих мембранах, — чтобы заставлять их вступать в реакцию с помощью минеральных веществ, содержащих железо и серу и выступающих в качестве катализатора — ускорителя естественных реакций. Эти черты наблюдаются в обеих группах одноклеточных живых организмов, следовательно, должны были иметься и у их общего предка.

Однако самым интересным является то, что отличает два базовых домена. Прежде всего, это фундаментальная разница клеточных мембран и стенок, отделяющих внутренность клетки от окружающей среды, у бактерий и архей. Это и механизм, создающий электрическое поле. Очевидно, LUCA тоже был автотрофом и использовал электрический заряд на своей клеточной мембране для осуществления медленной реакции между углекислым газом и водородом. Тем не менее эта мембрана, играющая столь важную роль, у современных бактерий и архей непостижимым образом отличается, как и механизм генерации заряда.

Как это объяснить? Имеется несколько возможных вариантов, по которым специалисты, занятые решением этой проблемы, никак не могут прийти к согласию. Одно из объяснений является особенно привлекательным, поскольку напрямую указывает на источник всей жизни и ее возникновение в чрезвычайно специфической среде. Возможно, LUCA пользовался электрическим зарядом на мембране, не умея его создавать, поскольку получал этот заряд в готовом виде из среды обитания.