Ваш прадедушка ел водород

Если кто-то не верит, что все живое на земле произошло от общего предка путем эволюции, ему не надо читать эту статью: пусть идет играть в шарики, пока взрослые разговаривают о серьезных вещах. Остальные же могут разделить с автором его изумление: подберезовик, береза, медуза и человек восходят к одному предку. Или скажем так: у кого-то из ваших предков были, кроме вас, такие неудачные потомки, как стафилококк.

Если у вас богатое воображение, эта идея не может вас не поразить. Удивительное в ней, в частности, вот что: потомки всегда как-то похожи на предков. У подберезовика рождаются все же в основном подберезовики, ну разве что шляпки потемнее или посветлее. Отсюда следует, что когда-то жило на земле существо, чем-то похожее одновременно на... вот на всех вышеперечисленных и еще на десяток миллионов видов живых существ. Вот бы поглядеть на этакое чучело.

Именно так, ну, или примерно так сформулировали свою задачу исследователи из Дюссельдорфа. А сформулировав, написали статью под заголовком: «Физиология и среда обитания последнего всеобщего предка». Если любите спойлеры, можете сразу ее прочитать и узнать развязку.

Но мы лучше начнем чуточку издалека, чтобы сохранить интригу.

О застольном этикете

Общий предок всего живого явно должен иметь что-то общее со всеми ныне живущими земными существами. Что вообще может нас объединять? Медуза, береза, человек дышат кислородом; но есть на Земле множество тварей, которым этот кислород крайне неприятен. И неудивительно: кислорода когда-то на нашей планете не было. Собственно, он весь образовался как раз за счет деятельности живых тварей, так что дыхание — явно вторичный признак жизни.

Мы состоим в основном из углерода, кислорода, азота и водорода — похоже, природа внимательно прочла только первую строчку творения Менделеева, а остальные пробежала по диагонали. Мы состоим из белка (вот, это уже что-то!) и храним важную информацию в виде ДНК (почти все мы, кроме вирусов). Но этого маловато, чтобы понять, как жил-поживал наш общий предок.

Ах, вот еще что: мы получаем энергию из пищи. Пища у всех разная: кусок сала на пшеничном хлебе или 0,1% глюкозы в питательной среде для культивирования. Что уж там мы делаем с этой пищей — тоже вопрос личных пристрастий: лично вы предпочитаете окислять ее кислородом, некоторые бактерии окисляют ее железом, а вот винные дрожжи вообще используют свой собственный фокус под названием «брожение», и кислород им для этого ни к чему. То есть консенсус нащупать опять не удается.

Или удается? Если бы вы, например, были биохимиком, вы бы могли заметить странную манеру обращения с пищей, принятую у самых разных организмов. Взять хотя бы ту же глюкозу: хоть мы и называем себя с гордостью «жизнью на углеродной основе», но, получив на завтрак молекулу глюкозы (С6Н12О6), живая клетка, кажется, не обращает на этот самый углерод (С) особого внимания. Некоторые — например мы, при дыхании — даже сразу его выбрасывают в виде углекислого газа (СО2). Зато клетка очень бережно носится с водородом. То есть буквально выковыривает изюм из булки, смакуя каждую водородинку, обсасывая каждый ее электрон и аккуратно откладывая на край тарелки образовавшиеся протоны, которые потом тоже идут в дело. Интересно, что сало на пшеничном хлебе (то есть жирные кислоты и крахмал) пожираются вами в точно такой же манере.

Зеленые растения не едят. Однако посмотрите, что они вытворяют во время фотосинтеза: весь этот прекрасный солнечный свет используется на то, чтобы выковырять из молекулы воды водород (кстати, ровно тот же процесс — разбивание молекул воды солнечным светом — естественным образом происходит в мировом океане, хоть и куда медленнее). Кислород идет на выброс, а электроны из вкусненького водорода навешиваются на удачно попавшую под руку молекулу СО2. Из этого уже просто сама собой получается глюкоза, которую можно есть, опять же в конечном итоге отрывая с углеродного каркаса смачные водородинки.

Если все ваши родственники, очистив воблу, первым делом сжирают икру, скорее всего, они научились этому у вашего общего дедушки. Если все ваши родственники, включая дрожжи и спирохет, из всех типов еды первым делом выковыривают водород, вероятно, таково наследие ваших общих предков. Пока это только догадка, но какая! Организм, питающийся водородом, на первый взгляд довольно экзотичен для биосферы. И если наш общий предок был именно таков, это многое говорит о его повседневном быте, сфере интересов и ближайшем окружении. Осталось только это доказать.

Анализ родословной

Генетики из Дюссельдорфа не заморачивались с тем, чтобы сравнивать медузу с березой и подберезовиком: в широкой эволюционной перспективе все эти организмы слишком похожи, о чем мы недавно писали. Вместо этого они сосредоточились на двух основных ветвях микроорганизмов — бактериях и археях, — потому что более отдаленных родственников, чем бактерии и археи, в нашей биосфере вроде бы нет. Ученые стали смотреть, какие гены есть и у тех, и у этих. Метод этот использовался уже давно, и ему мешает одно неприятное обстоятельство: бактерии довольно легко обмениваются генами между собой, так что не все их гены унаследованы от предков. Поэтому критерий был жесткий: чтобы попасть в шорт-лист, ген должен был присутствовать минимум у пары отдаленных бактерий и у пары отдаленных архей.

Результаты были вот какие: из почти трехсот тысяч семейств генов (то есть белков, потому что гены кодируют белки), обнаруженных у 2000 видов микробов, были отобраны всего 355, или одна десятая процента, которые, видимо, все же были унаследованы от общего предка всего живого. И вот из этих генов можно примерно понять, каков этот самый предок был по характеру и привычкам.

Да, конечно, он умел синтезировать белки и реплицировать свою ДНК — другого никто и не ожидал. Он умел брать из окружающей среды углекислый газ (это умеют сейчас растения) и азот (а вот этот почти утраченный навык остался достоянием горстки бактерий). И — о да! — он ел водород. Он обжирался водородом, купался в нем. Причем ему-то не надо было выковыривать этот водород отовсюду, как изюм из булки: он кушал только чистый продукт. Биохимики называют эту манеру «путем Вуда-Люнгдаля».

Где же он брал этот водород в таких количествах? Об этом дюссельдорфским генетикам тоже донесли отобранные ими гены: часть из них явно подразумевала, что общий предок был термофилом. То есть жил там, где горячо. То есть, очевидно, в подводных вулканах: именно там водород выделяется — и в гораздо большем количестве выделялся, когда планета была моложе, — из земной коры.

Вот как, по всей видимости, жил наш с вами — а также зайкин, рыбкин, медузин и елкин — общий предок.

Широкая перспектива

Некоторые, в том числе даже в нашей редакции, считают, что мы тут пишем о науке, в частности, для того чтобы читатель узнал, какие чудесные гаджеты будут у следующего поколения хипстеров. Но наша тайная цель иная: мы хотим приоткрыть читателю широкую панораму мира, в котором он имеет честь проживать, чтобы, встретившись на том свете с Творцом и узнав все подробности, читатель оказался хоть чуть-чуть к этому подготовлен. Так вот, что нового добавляет в нашу картину мира новость про предка, пожиравшего водород?

Некоторые потомки того предка за истекшие 4 млрд лет изменились не слишком сильно. Современные микробы, метаногены и клостридии, кажется, живут ровно тем манером, как жил общий предок всего живого. О созданиях, и поныне поедающих сочащийся из земных недр водород, мы писали в заметке «Твари нижнего мира».

И все же подобные создания сейчас довольно экзотичны: вряд ли многие из нас встречали в своей жизни архею-метаногена. На первый взгляд, почти вся наша биосфера сейчас получает энергию от солнышка, в основном посредством фотосинтезирующих зеленых растений. На второй взгляд — тоже, и питающиеся водородом бактерии — не исключение. Весь тот водород, который ели и поныне едят специализирующиеся на нем твари, — продукт фотолиза воды: он получается, когда аш-два-о ловит солнечный лучик и от удовольствия разваливается на атомы. Если бы не дневное светило, его бы тут и не было, так что банальная мысль о Солнце как источнике жизни абсолютно верна. Зато теперь мы можем увидеть в этой банальности новые нюансы: зеленые растения, которые нас кормят, просто повторили то, что перед этим делала за них вся планета. Ловя фотоны, разбивают ими воду, добывают водород, берут из него электроны. Электроны бегут вниз по энергетической лестнице, проходящей сквозь всю биосферу. И вот это, собственно, жизнь и есть.

За миллиарды лет эта общая схема обросла множеством прекрасных подробностей. Только очень внимательный взгляд заметит странную привычку всего живого выковыривать водород из еды, а невнимательный и вовсе скользнет мимо. Но теперь эти мелочи приобретают для нас смысл. Получается, что вся наша биохимия — вовсе не идеально разработанная технология использования доступных ресурсов, а продукт случайной и хаотичной переделки старинного процесса, который сам в наше время давно стал экзотикой. Может, если бы мы начинали с чего-то другого, то и деревья наши не были бы зелены, и не кислородом бы мы дышали, а черт знает чем, и ели бы не булку с салом, а какие-нибудь аллюмо-калиевые квасцы. Глупо даже загадывать. Если хотите определение жизни, единственно корректное на сегодняшний день, то вот оно: «Жизнь — это такая фигня, которая получается на выходе, когда два пузырька с органикой начинают конкурировать за выделяющийся из вулкана водород». Остальное — пока фантазии.

Удалось ли нам вырвать читателя из сетей обыденности и приоткрыть перед ним сияющую тайну жизни — непонятно. Ну, может, чуть-чуть. Но вот так, по чуть-чуть, мы из первобытного водородоеда и превратились в мыслящий венец эволюции (а другие из него же — в клостридия). А если вам хочется сделать следующий шаг, прочитайте по-английски статью из Science, где история общего предка всего живого изложена под другим углом зрения.