4.3.5. Бактерии усложняют проблему

Проблему возникновения земной жизни дополнительно усложняют бактерии.

То, что бактерии и остальные прокариоты имеют общие эволюционные корни, видно из общности их биохимических констант. Распространено мнение, будто бактерии являются едва ли не самыми примитивными формами жизни, от которых позже могли развиться более крупные и совершенные формы, например, сине-зелёные водоросли, называемые теперь цианофитами.

Но особенности организации бактерий показывают, что они оказались самостоятельной, оригинальной линией эволюции, очень давно отделившейся от общего древа жизни и достигшей на своём пути рекордных успехов. Если сравнивать бактерии с сине-зелёными водорослями, то нужно признать более высокий уровень совершенства именно у бактерий.

Как отмечалось в первой части (гл. 1.5., 1.7.), живая материя приобретает важное преимущество перед неживой материей, в частности, благодаря отделению биологических процессов от неживой внешней среды с помощью липидной мембраны. Обособленность части пространства повышает локальную концентрацию биологически значимых молекул, уменьшает расстояния между ними, что даёт новое преимущество – сокращает пути рабочих перемещений молекул, увеличивает среднюю скорость протекания реакций по сравнению с процессами в окружающей неживой материи. Грубо говоря, чем выше концентрация молекул в протоплазме, тем интенсивнее Жизнь.

Но повышению концентрации поставлен естественный предел – одновременно увеличивается осмотическое давление, и при достижении предела прочности оболочка клетки разрушается. Принципиальным отличием бактерий, повлёкшим за собой все остальные отличия, стало то, что у них механические растягивающие нагрузки осмоса на клеточную оболочку приняла на себя невиданная единая молекула пептидогликана, как мешок вместившая в себя всю протоплазму клетки. У бактерий прочность оболочки стала определяться не межмолекулярными связями (например, молекул липидной мембраны), а внутримолекулярными связями, которые, как правило, намного прочнее.

Очень прочная мешкообразная молекула пептидогликана построена из линейных полисахаридных цепей, поперечно сшитых короткими пептидами. Она позволила поднять давление в клетке (осмотическое давление) до 20 атмосфер. (Для сравнения – давление в котлах паровозов не превышало 15 атмосфер.) Но чтобы достигнуть такого результата, живой материи пришлось решить ряд непростых проблем. Для создания тетрапептида поперечной сшивки, обладающего нужной прочностью, потребовалось чередовать обычные левые аминокислоты (аланин и лизин) с аминокислотами, не свойственными земной жизни – с правым глутамином и правым аланином.

Стандартная земная биохимия не предусматривает синтеза правых аминокислот. Поэтому Природой были созданы особые ферменты – рацемазы, преобразующие левые глутамин и аланин в их правые энантиомеры. Другая беда – цепочка из аминокислот с чередующейся хиральностью не может собираться обычным способом, на рибосомах. Для выполнения такой операции также пришлось создать специальные ферменты. Они работают с привлечением энергии АТФ.

Следующая трудность заключалась в том, что предшественники фрагментов пептидогликана, располагающихся на внешней поверхности клетки, синтезируются внутри неё, но выйти вовне не могут, так как содержащийся в них уридиндифосфат является полярным соединением, отчего не способен пройти сквозь клеточную мембрану. Для преодоления этого, живая материя создала специальный липидный переносчик, маскирующий полярность уридиндифосфата и совершающий челночные транспортные рейсы сквозь мембрану¹.

Наконец, трудность была в том, что для прочной поперечной сшивки требовалась затрата значительной энергии в момент присоединения тетрапептида к полисахаридной цепи. Но тетрапептидные перемычки, опять-таки, располагаются на внешней поверхности пептидогликановой оболочки, т.е. в пространстве, где нет АТФ, который мог бы предоставить такую энергию. Живая материя нашла выход в создании энергетически насыщенного предшественника тетрапептида, содержащего не один, а два остатка правого аланина. В момент присоединения к полисахаридной цепи один остаток D-аланина высвобождается, и энергия связи используется для сшивки². [Страйер, 1985]

Отличием бактерий является также использование особых, нигде больше не встречающихся фотосинтезирующих молекул бактериородопсина. С одной стороны, это подчёркивает их эволюционную обособленность. Но, кроме того, вызывает предположение – а не был ли бактериородопсин вынужденно создан Природой из-за того, что другие подобные вещества (хлорофилл, каратиноиды, фикоэритрин и т.п.) не приспособлены для работы в клетке со столь высоким перепадом давления на оболочке?

Интересно отметить также существование „археобактерий”, ещё больше отличающихся от других организмов, чем обычные бактерии. При сохранении общности биохимических констант, „археобактерии” выделяются исследователями в особую группу, в которую кроме них входят бактерии, живущие в экстремальных условиях очень солёных озёр, кислых горячих источников и так называемые метановые бактерии (получающие энергию в реакциях с выделением метана). Например, метановые бактерии отличаются от всех других организмов необычными коферментами (в частности, у них заменены такие переносчики электронов, как NAD, NADP, флавопротеиды, хиноны и цитохромы), они отличаются необычной структурой транспортных РНК и гРНК.

„Доподлинно известны бактерии, живущие в устьях гидротермалей и имеющих оптимум роста при 110 градусах – как в скороварке. Они восстанавливают углекислый газ и серу, окисляя водород и выделяя наружу метан и сероводород, чем обеспечивают включение основных химических элементов в биологические круговороты.” При этом „у нас нет никаких оснований предполагать, что бактериальные обитатели реликтовых сообществ сколько-нибудь серьезно изменились со времени своего возникновения.” [Сергеев и др., 1996]

Так же, как упомянутые галофильные и термоацидофильные бактерии, „археобактерии” не содержат в клеточных стенках характерной для других бактерий мурамовой кислоты (она входит в пептидогликановую оболочку-молекулу в виде N-ацетилмурамовой кислоты), но содержат ди- и тетраэфиры. Такие особенности указывают на очень давнее отделение „археобактерий” от других бактерий в ходе эволюции. Отличие оболочки, отличие коферментов и тРНК противоречит предположению, будто „археобактерии” могли произойти от сине-зелёных водорослей или грибов. Это лишний раз объясняет, почему исследователи не видят филогенетических связей бактерий с другими организмами, а в более широком плане – почему для прокариот вообще нельзя построить общее филогенетическое древо.

Если сравнивать бактерии с пептидогликановой оболочкой-молекулой (позволившей резко повысить осмотическое давление) с клетками без такой структуры, то напрашивается аналогия с радиоаппаратурой на радиолампах и на кремниевых микросхемах. Вряд ли кому-то придёт на ум считать ламповую аппаратуру более совершенной только потому, что она имеет более внушительные размеры. Между тем, отношение к бактериям как к наиболее примитивным организмам имеет как раз такое происхождение. Оно не учитывает исключительно высокую интенсивность биологических процессов (т.е. жизни) в протоплазме бактерий, которая больше нигде в известной нам живой природе (в том числе, и в организме человека) не достигнута!

Поразительным фактом оказывается то, что все известные нам организмы, от археобактерий до человека, выстраивают свою биохимию на одном и том же (при чём, высокоразвитом, далеко не примитивном) сочетании биохимических констант. Такой совершенный комплекс основных характеристик, безусловно, не является первым, простейшим вариантом, возникшим в результате предбиологической эволюции. Он, несомненно, представляет собой достойный итог долгого и трудного этапа развития живых организмов.

Возможны два варианта. Во-первых, „археобактерии” могли быть занесены на Землю непреднамеренно, с клетками водорослей, в качестве их симбионтов или инфекции. Во-вторых, по предположению С.В. Македона, они могли быть занесены на молодую планету преднамеренно, из-за того, что отличались от водорослей по способу питания, были хорошо приспособлены к экстремальным параметрам среды, и существенно расширяли диапазон условий, пригодных для жизни, повышали вероятность успешного начала биологической эволюции. Можно лишь гадать, какой вариант имел место в действительности.

Таким образом, сложилась удивительная ситуация. При том, что возможны разные варианты хиральности биологических молекул, генетических алфавитов и „энергетической валюты”, возможны многочисленные вариации наборов аминокислот, а особенно – генетических кодов, при всём том, и бактерии, и остальные земные организмы имеют принципиально одинаковую биохимическую основу!

Следовательно, существовал этап развития, за время которого от единого биохимического „корня” развились сильно отличающиеся таксоны прокариот – от археобактерий до сине-зелёных водорослей. Не говоря уже о разнообразии планктонных организмов, на отметке 3,5 млрд. лет назад распространены следы жизнедеятельности цианобактериальных матов в виде строматолитов и онколитов. А ведь такие маты представляют собой сообщества многих таксонов бактерий и других прокариот (см. гл. 4.3.1.). А каких-либо промежуточных форм, следов этого длительного этапа развития – не обнаружено. Куда же исчез, безусловно, существовавший, этап эволюции? Приходится делать вывод, что невидимым для палеонтологии оказался не только длительный период предбиологической эволюции, но также, вероятно, очень продолжительный начальный этап эволюции прокариот.

Подобный феномен может быть объяснён только тем, что раздельная эволюция бактерий с пептидогликановыми оболочками и остальных прокариот, так же, как вся предбиологическая эволюция, протекали за пределами Земли! Феномен бактерий особенно обостряет проблему невозможности построения генеалогического древа прокариот [Мейен, 1987]. Эта сумма фактов решительно убеждает, что до попадания на Землю клетки водорослей и бактерий уже прошли длительную эволюцию и далеко разошлись от своих корней.

* * *

Итог таков. Глубокие отличия бактерий от других прокариот, наряду с общностью их биохимических констант, да в сочетании с отсутствием этапа предбиологической эволюции и этапа расхождения таксонов прокариот, говорят в пользу того, что Жизнь не возникла автономно на Земле, а была принесена извне в виде нескольких видов простейших клеток.

Характерно, что земная часть эволюция Жизни была эволюцией организмов, но не эволюцией принципиальных основ биохимии, которые, вопреки возможности дальнейшего совершенствования, заметно не изменялись! Вероятно, это объясняется предшествующим очень долгим существованием данного варианта биохимических констант в постоянных условиях внешней среды, под действием стабилизирующего естественного отбора.

Если предположить, что Жизнь случайно занесена на Землю метеоритами с планеты, где она автономно возникла, а перед тем подготавливалась предбиологической эволюцией, то такие процессы должны были бы породить разные ветви Жизни, с разными вариантами биохимии или хотя бы сохранить следы начальной, более простой биохимии.

Для организации круговорота веществ важна только совпадающая хиральность молекул. Единство набора аминокислот и генетического алфавита требуется в меньшей степени, а общая „энергетическая валюта” в виде АТФ и общий генетический код вовсе не существенны, так как при усвоении пищи два последних параметра определяются только биохимией усваивающего организма. Поэтому, при случайном занесении метеоритами клеток с другой „энергетической валютой” или архаичным генетическим кодом, эти клетки могли бы идеально включиться в круговорот веществ, и какие-то из их потомков с немалой вероятностью сохранились бы до наших дней.

Но все обнаруженные на Земле клетки используют АТФ и одинаковый код (без следов его эволюции!), свидетельствуя против случайного выбора „посеянных” клеток и случайного занесения Жизни. В сочетании с отсутствием периодов предбиологической эволюции и расхождения таксонов прокариот, всё это говорит в пользу целенаправленной доставки космическим кораблём (как указывали Ф. Крик и Л. Оргел [Crick, Orgel, 1973]), специально отобранных клеток.

Такой вывод не может обрадовать биологов и философов, торопящихся раскрыть таинство первоначального возникновения Жизни. Потому-то им больше нравится тезис о независимом зарождении Жизни на Земле. Однако лучше ответить на вопрос частично, но в этой части правильно, чем ответить полностью … и полностью неверно. Тем более, что последующие главы предложат объяснение и той части вопроса, которая осталась загадкой.