Эволюция по Вёзе
Где проходит граница между химией и биологией? Это законный вопрос: все биологические структуры состоят из молекул, изучать которые приходится обычными химическими методами. Очевидно, химическая система «переходит в ведение» биологии в тот момент, когда она начинает эволюционировать. Чтобы стать биологическими, химические объекты должны обладать четырьмя свойствами: (1) самовоспроизведение, (2) наследственность, (3) изменчивость и (4) конкуренция за субстрат. При совпадении этих четырех условий автоматически запускается естественный отбор и начинает работать механизм эволюции, вскрытый когда-то Чарльзом Дарвином (лучшее современное описание этого механизма можно найти в книге Ричарда Докинза «Слепой часовщик»). Согласно официальному определению НАСА, «жизнь - это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции» (Benner, 2010). Важно заметить, что, например, вирусы по этому определению безусловно относятся к живым существам. Живая материя вовсе не обязана состоять из сложных структур наподобие клеток. И есть причины считать, что такие структуры были далеко не первой ступенью ее развития.
На картинке - эволюция древней жизни, как представлял ее великий биолог Карл Вёзе (Carl Richard Woese; 1928-2012). Именно Вёзе в свое время показал, что все живые организмы, состоящие из клеток, входят в три большие группы, называемые доменами: бактерии, археи и эукариоты. Но с этих ли существ началась история жизни на Земле? Вёзе был уверен, что нет. Первыми «субъектами» эволюции были репликаторы - молекулы, способные к синтезу собственных копий (скорее всего, вначале это были молекулы РНК). Древние репликаторы быстро эволюционировали, зачастую образуя при этом комплексы с другими молекулами - РНК, белками и липидами. В результате возник огромный мир изменчивых вирусоподобных частиц, которые к тому же постоянно обменивались между собой несущими информацию фрагментами репликаторов, то есть генами. Несколько позже появились молекулы ДНК, отличавшиеся от РНК более высокой химической устойчивостью; это было приспособление для длительного хранения генетической информации. Устойчивость ДНК позволила живым организмам достичь дарвиновского порога (Darwinian threshold) - момента, когда интенсивность привычной нам вертикальной передачи генов (от предков к потомкам) начала значительно превышать интенсивность столь же древнего горизонтального переноса генов (между любыми организмами независимо от родства). Только после этого жизнь распалась на генетически замкнутые системы, которые называются биологическими видами. В процессе эволюции биологические виды, как правило, увеличиваются в числе и расходятся, но иногда они могут и сливаться. Слияние видов, в данном случае в форме вселения одной клетки внутрь другой (эндосимбиоз), было важной частью процесса возникновения эукариот - организмов с клеточными ядрами.
Переход дарвиновского порога был связан с резким падением генетической температуры - гипотетического параметра, отражающего среднюю скорость хаотичных изменений в совокупностях генов. Вёзе сравнивал это событие с фазовым переходом в физических системах, который происходит, например, при кристаллизации. На заре жизни генетическая температура была очень высока; чтобы сделать возможным появление таких устойчивых структур, как клетки и виды, она должна была сильно понизиться. По мнению Вёзе, приблизительно в момент перехода дарвиновского порога возник так называемый «Лука» - последний общий предок всех клеточных форм жизни (LUCA, last universal cellular ancestor; см. Philippe, Forterre, 1999). Причем возможно, что он сам полноценной клеткой еще не был.
Только после дарвиновского порога появляется возможность изображать ход эволюции жизни в виде последовательно ветвящегося эволюционного древа; хотя в сложных случаях это древо все равно трансформируется в сеть. От «Луки» произошли бактерии и археи. А еще через пару миллиардов лет симбиоз между бактериями и археями привел к появлению эукариот - сложных организмов, в число которых входят растения, грибы и животные.
Иллюстрация из статьи: E. V. Koonin, 2014. Carl Woese's vision of cellular evolution and the domains of life (с изменениями).
Оригинал данной публикации: http://elementy.ru/kartinka_dnya/143/
Примечание: обычно я помещаю в ЖЖ только ссылки на мои элементовские тексты, но тут решил сделать полную републикацию, заодно чуть-чуть подредактировав.
На картинке - эволюция древней жизни, как представлял ее великий биолог Карл Вёзе (Carl Richard Woese; 1928-2012). Именно Вёзе в свое время показал, что все живые организмы, состоящие из клеток, входят в три большие группы, называемые доменами: бактерии, археи и эукариоты. Но с этих ли существ началась история жизни на Земле? Вёзе был уверен, что нет. Первыми «субъектами» эволюции были репликаторы - молекулы, способные к синтезу собственных копий (скорее всего, вначале это были молекулы РНК). Древние репликаторы быстро эволюционировали, зачастую образуя при этом комплексы с другими молекулами - РНК, белками и липидами. В результате возник огромный мир изменчивых вирусоподобных частиц, которые к тому же постоянно обменивались между собой несущими информацию фрагментами репликаторов, то есть генами. Несколько позже появились молекулы ДНК, отличавшиеся от РНК более высокой химической устойчивостью; это было приспособление для длительного хранения генетической информации. Устойчивость ДНК позволила живым организмам достичь дарвиновского порога (Darwinian threshold) - момента, когда интенсивность привычной нам вертикальной передачи генов (от предков к потомкам) начала значительно превышать интенсивность столь же древнего горизонтального переноса генов (между любыми организмами независимо от родства). Только после этого жизнь распалась на генетически замкнутые системы, которые называются биологическими видами. В процессе эволюции биологические виды, как правило, увеличиваются в числе и расходятся, но иногда они могут и сливаться. Слияние видов, в данном случае в форме вселения одной клетки внутрь другой (эндосимбиоз), было важной частью процесса возникновения эукариот - организмов с клеточными ядрами.
Переход дарвиновского порога был связан с резким падением генетической температуры - гипотетического параметра, отражающего среднюю скорость хаотичных изменений в совокупностях генов. Вёзе сравнивал это событие с фазовым переходом в физических системах, который происходит, например, при кристаллизации. На заре жизни генетическая температура была очень высока; чтобы сделать возможным появление таких устойчивых структур, как клетки и виды, она должна была сильно понизиться. По мнению Вёзе, приблизительно в момент перехода дарвиновского порога возник так называемый «Лука» - последний общий предок всех клеточных форм жизни (LUCA, last universal cellular ancestor; см. Philippe, Forterre, 1999). Причем возможно, что он сам полноценной клеткой еще не был.
Только после дарвиновского порога появляется возможность изображать ход эволюции жизни в виде последовательно ветвящегося эволюционного древа; хотя в сложных случаях это древо все равно трансформируется в сеть. От «Луки» произошли бактерии и археи. А еще через пару миллиардов лет симбиоз между бактериями и археями привел к появлению эукариот - сложных организмов, в число которых входят растения, грибы и животные.
Иллюстрация из статьи: E. V. Koonin, 2014. Carl Woese's vision of cellular evolution and the domains of life (с изменениями).
Оригинал данной публикации: http://elementy.ru/kartinka_dnya/143/
Примечание: обычно я помещаю в ЖЖ только ссылки на мои элементовские тексты, но тут решил сделать полную републикацию, заодно чуть-чуть подредактировав.