Архейский образ жизни

Возможно, все выглядело именно так: жизнь на Землю была занесена из просторов Вселенной в виде уже готовых, вполне живых микроорганизмов – Пионеров.
Художник Петер Грик, "Событие II", 2006. Источник: www.gric.at

Данная статья – 10 001-й текст в поддержку теории панспермии, сформулированной в незапамятные года и поддержанной многими серьезными учеными мужами. Осмелюсь предположить, что смогу представить действительно достаточно независимый взгляд, подкрепленный некоторыми новыми научными и не только данными.

Космические сеятели

Основное положение. Жизнь на Землю была занесена из просторов Вселенной в виде уже готовых, вполне живых микроорганизмов – Пионеров, очень близкородственных представителям современных архей, или архебактерий. (Как, где и когда возникли эти самые микроорганизмы, автор не знает, и даже не пытается себе представить: ни его фантазия, ни уровень быстродействия его мозга не подсказывают ответов на эти вопросы.)

Некоторые исследователи полагают, что наиболее вероятным моментом «засева» Земли клетками Пионеров надо считать период, следующий за «лунным» этапом развития нашей планеты (4,2–4,0 млрд. лет назад). Именно тогда, когда Луна удалялась, недра и поверхность Земли остывали, и в результате конденсации водяных паров формировались первые открытые водные бассейны.

Второе основное положение. На поверхности Земли почти всё было готово для встречи с представителями живой материи, что и позволило им продолжить свое существование и даже эволюционное развитие.

Итак, повторюсь, как, где и когда возникли самые первые живые клетки, автор не знает. Зато у меня есть твердая убежденность, что единообразие фундаментальных принципов организации живых организмов на Земле доказывает принципиальную низводимость всей земной биоты к единому предку. Как микробиолог могу подтвердить: только если вы выращиваете микробную культуру из одной клетки, вы можете рассчитывать на однородность этой культуры. Соответственно, пока на Земле не обнаружены живые организмы, реализующие принципиально иной механизм наследственности или запасания энергии, логично считать, что все живое произошло от первичных организмов – Пионеров, передавших базовые принципы своей организации всем потомкам.

Досье на архей

Теперь несколько слов об археях или их непосредственных предшественниках. Археи были выделены в отдельное царство относительно недавно. До 1977 года эти микроорганизмы относили к бактериям. Исследования РНК показали, что археи заметно отличаются от других микроорганизмов на молекулярном уровне. Отличия наблюдаются, в частности, в биохимии (только среди архей имеются организмы-метаногены, выделяющие в результате жизнедеятельности метан) и устойчивости к факторам внешней среды (большая часть архей – экстремофилы, то есть обитающие в экстремальных условиях).

Существует большой массив данных, опровергаемых, впрочем, также многими исследованиями, что именно археи – самые древние обитатели Земли. Важно подчеркнуть, что именно археи обладают рядом генетических и биохимических признаков, объединяющих их со всеми земными и безъядерными, и ядерными микроорганизмами (про- и эукариотами).

Именно среди современных архей встречаются жители самых экстремальных уголков нашей планеты. Это значит, что и в прошлом они могли выживать в условиях почти полного отсутствия атмосферного кислорода, далеко не нейтральных значений показателей кислотности водных бассейнов, колебаний температуры, сильного излучения, давления и тому подобных факторов риска той еще Земли. Только в донных отложениях Мирового океана общая масса архей составляет около 90 млрд. тонн, что значительно превышает биомассу всех живых организмов, населяющих океан.

В наблюдаемом биоорганическом мире нарушена зеркальная (хиральная) симметрия: в противоположность неживой природе в биосфере используются только левые молекулы аминокислот и только правые молекулы сахаров. Или, как еще говорят, левые и правые энантиомеры: абсолютно схожие по составу и отличающиеся только в одном – как левые и правые перчатки, как две руки человека. Именно в этом и состоит отличие живой природы – вернее, одно из отличий! – от мертвого неорганического мира.

Так вот, некоторые виды архей, как это стало известно, могут транспортировать в клетки «правые» аминокислоты и там превращать их в пригодные для построения белков «левые» изомеры. Последнее обстоятельство очень важно: предполагается, что первые аминокислоты получались еще в неживой Природе путем химического синтеза, то есть скорее всего были смесью «левых» и «правых» изомеров.

Именно археи являются микроорганизмами, успешно восстанавливающими жизнеспособность после наиболее длительного покоя: ученым удалось их «высеять» из древнейших образцов пород. Именно археи способны длительное время сохранять жизнеспособность внутри кристаллов солей и переноситься с такими кристаллами на значительные расстояния – возможно, и межпланетные. В дополнение к перечисленным характеристикам следует подчеркнуть, что именно археи обладают совершенной системой восстановления генетических повреждений.

По всем статьям – не подобрать лучшего Пионера на Земле.

Археи – одноклеточные безъядерные организмы. На молекулярном уровне они сильно отличаются и от бактерий, и от эукариотов – ядерных микроорганизмов.

Битва за биомассу

Так чем же нам могут быть интересны представители архей как первопоселенцев на Земле? А тем, что они обладают совершенной энергетической фотобиосистемой и очень устойчивым геномом.

В принципе для «материального» обеспечения роста простейшего микроорганизма нужны только соединения, включающие несколько так называемых биоатомов – водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы. Те простые органические молекулы, которые могли образоваться на Земле в добиологическую пору, вполне годились на роль субстратов для накопления биомассы клеток Пионеров. Экспериментально подтверждено: эти атомы могут содержаться в более или менее сложных молекулах биополимеров, возникших чуть ли не в космическом пространстве «неорганическим путем».

А вот для обеспечения жизнедеятельности клетки Пионеров должны были иметь работающий механизм получения и запасания энергии. Сейчас известно до десятка биологических энергосистем микроорганизмов. Полагаю, что наиболее древний механизм реализован именно Пионерами – археями.

Низкое содержание кислорода в среде обитания Пионеров вынудило их выработать для обеспечения жизнедеятельности биологическую систему использования энергии солнечного света. В таких условиях в клетках активируется синтез фоточувствительного трансмембранного белка – бактериородопсина. Молекулы бактериородопсина путем самосборки объединяются в двумерные кристаллы, называемые из-за их цвета «пурпурные мембраны». В составе пурпурных мембран бактериородопсин начинает функционировать как светозависимый протонный насос, который обеспечивает, за счет электрохимических реакций, перенос протонов на поверхности клеточной мембраны. Это, в свою очередь, служит для аккумулирования солнечной энергии путем синтеза молекул АТФ.

Эта энергосистема архей своей простотой принципиально отличается от более «молодого» фотосинтеза хлорофиллсодержащих организмов, однако выполняет в клетках галобактерий ту же функцию – снабжает клетки достаточным количеством молекул АТФ для обеспечения реакций биосинтеза, движения, деления. Важно подчеркнуть, что функционирование именно этой системы позволило археям начать накапливать на поверхности Земли «энергосодержащие» органические вещества биогенного происхождения (часть этого вещества сохраняется даже в современной нефти). И именно эта органика послужила субстратом для развития в более поздние эпохи второй волны фототрофных микроорганизмов – фотосинтезирующих цианобактерий (от 3,1 млрд. лет). «Потомкам» бактериородопсина все животные Земли обязаны способностью видеть.

Специалисты по геномике и биоинформатике оценивают минимальный геном организма, способного жить в условиях Земли, примерно в 600 генов. По одной из наиболее признаваемых теорий эволюции генома, наибольшие изменения в наследственных признаках возможны только после удвоения у развивающегося вида объема геномной ДНК. Объяснение состоит в том, что только после удвоения исходного генома появляется возможность у одной из двух копий исходного гена изменить свою функцию на принципиально новую. Считается, что появление такой новой функции и позволяет прогрессировать организмам (видам).

А галобактерии могут больше! Они в состоянии пережить временное отсутствие ряда генов с последующим восстановлением всех исходных функций. Так клетки, пережившие сильный осмотический шок и утратившие ряд важнейших генетических признаков, тем не менее оказываются способными восстанавливать исходный фенотип, то есть полный геном. Для такого восстановления требуется не более 10–12 поколений клеток. Интересно, что восстановление исходного генома наблюдается только у клеток, находящихся в плотном окружении – в толще или на поверхности бактериальных колоний. То есть для репарации необходимы межклеточные геномные взаимодействия.

В свое время профессор Виталий Суходолец под минимальным геномом понимал сумму генов, обеспечивающих нормальную жизнеспособность и биотехнологический потенциал бактерии в строго определенных условиях. Минимальный геном не должен был содержать лишних структурных генов, отвечающих за дублирующие активности, за способность выживать в нестандартных условиях и т.п. Для Пионера, разумеется, требования к геному принципиально иные. Прежде всего этот компактный геном должен был обеспечить неубиваемость клеток (или именно генома) Пионера, их «энергетическую независимость» и плодовитость. Скорее всего именно такая высокая стабильность генома архей в сочетании с его «пластичностью-голографичностью» и могла быть тем признаком, по которому и отобрались Пионеры Земли.