Как жизнь стала сложной и может ли это произойти за пределами Земли?

Когда астробиологи думают о жизни на ближайших планетах или лунах, они часто предполагают, что такая жизнь должна быть простой. Вместо того чтобы искать многоклеточные организмы, скажем, на спутнике Юпитера Европе, ученые пытаются найти там что-то, похожее на микроба.

Но из такой простой жизни может развиться и более сложная жизнь. Это случилось на планете Земля и может случиться в других местах. Как развивалась химия, чтобы привести жизнь к тому, что мы имеем сейчас? Какие изменения произошли?

Фрэнк Розенцвейг, эволюционный генетик из Университета Монтаны, думал над этими вопросами пять лет в Астробиологическом институте при NASA. Его лаборатория исследует развитие «сложных признаков» жизни, факторов, которые влияют на все, от продолжительности жизни до биоразнообразия.

«В своей карьере я интересовался генетическими основами адаптации и как сложные сообщества развиваются из одиночных клонов, — говорит Розенцвейг. — Связанными с этим вопросами и другим, вроде того, что стало генетической «отправной точкой», а также воздействием окружающей среды на траекторию эволюционного изменения».

Поиск жизни в Солнечной системе

Сложная жизнь, как известно, существует только на Земле, но ученые не исключают, что в других местах нашей Солнечной системы она может существовать в том числе. Наше понимание эволюции жизни можно построить на изучении луны Сатурна Титане, на котором углеводородная химия вполне может быть прекурсором живой системы. Недавно ученые попытались воспроизвести вещество в атмосфере Титана — толины, такие органические аэрозоли, которые появились, когда солнечная радиация попадала в метаново-азотную атмосферу.

Понимание того, как толины и другие вещества образовались на Титане, может дать ученым представление о том, как жизнь появилась на юной Земле. Кроме того, изучение того, как земные формы жизни и их биохимические прекурсоры развились из простейших субъединиц до более сложных и независимых систем, может предоставить нам подсказки о том, как жизнь могла развиться на других лунах или планетах.

На Земле примеры таких переходов включают коллекции одиночных белков, развивающихся в белковые сети. К примеру, одноклеточные бактерии эволюционируют в эукариотические клетки, содержащие два или даже три генома. Кроме того, конкурирующие микроорганизмы собираются вместе, чтобы образовать кооперативную систему вроде микробных матов в горячих источниках и микробных биопленок в кишечнике человека. Каждый такой переход приводит к росту биологической сложности, независимости и определенной автономии; появлению чего-то нового, большего, чем просто сумма частей.

Работа Розенцвейга основана на исследованиях NASA последних шести лет.

«Проделано и еще предстоит проделать много работы в области химической эволюции, пребиотической эволюции, экстремальных условий и биосигнатур, — говорит Розенцвейг. — Меня поразило, что пришлось убеждать NASA добавить в его исследовательское портфолио работы, которые рассматривают генетические основы, лежащие под крупными эволюционными переходами, которые привели к сложности высшего порядка».

Новое исследование Розенцвейга сосредоточено на четырех областях, согласно которым сложная система развилась из простых элементов: метаболизм, эукариотические клетки, мутуализм (кооперирующие виды) и многоклеточность. Также он рассматривает пятую область — мутации и взаимодействия генов — которая весьма важна в понимании того, как быстро может возникнуть сложная система жизни. Розенцвейг считает, что лабораторные эксперименты, которые направлены на повторение ключевых аспектов эволюции жизни на Земле, могут серьезно помочь нам определить, что искать в пригодных для жизни местах на Марсе, Европе, Титане или где-нибудь еще.

Розенцвейг планирует создать восемь разных команд, которые будут изучать вопросы развития и изменения простой формы жизни к более сложной.

Применение за пределами Земли

Предыдущий грант NASA Розенцвейг получил по программам экзобиологии и эволюционной биологии. Первый проект, начатый в 2007 году, изучал, как генетический материал (или геном) развивается в дрожжевых видах, которые культивируются при условии ограниченных ресурсов. Второй проект, начатый в 2010 году, изучает, как родительские клетки генотипов кишечной палочки, а также окружающая их среда влияют на разнообразие и стабильность последующих поколений.

Первый проект привел к неожиданном открытию: стресс может увеличить частоту перераспределения геномных последовательностей. Стресс добавляет новые хромосомные варианты в популяцию вида, которые могут оказаться полезными в сложных условиях. Предыдущие же исследования показали, что новые хромосомные вариации являются устойчивыми к стрессу. В 2013 году команда Розенцвейга под руководством профессора Юджина Кролла начала изучать, как дрожжевые культуры реагируют на голод.

Новая серия исследований привела к другой крупной находке: перераспределение генома, вызванное голодовкой, может привести к репродуктивной изоляции в дрожжах. Кролл и Розенцвейг показали, что дрожжи, содержащие стресс-адаптивные геномные перераспределения, становятся «репродуктивно изолированы» от своих предков, что позволяет предположить, что у низших грибов географическая изоляция не требуется для производства новых видов. Последнее исследование Розенцвейга, проведенное летом 2014 года, позволило команде раздразнить генетические механизмы, которые лежат в основе адаптации и репродуктивной изоляции голодающих дрожжей.

Как отмечает Розенцвейг, особенность этого исследования заключается в том, что, хотя большинство ученых рассматривают производительность видов в относительно благоприятных условиях, Розенцвейг изучает дрожжи в условиях голода. Этот вид стресса может быть близок к тому, с чем сталкиваются в природе реальные виды, которые генетически адаптируются к резко меняющимся условиям среды. Поскольку голод может быть ключом к любому виду стресса, от уменьшения ресурсов до серьезных изменений температуры и появления мощного конкурента, результаты этого исследования будут важны для поиска жизни на других планетах.

Основная задача всех этих исследований — изучить в лабораторных условиях эволюционные процессы, которые помогут раскрыть правила, регулирующие темп и траекторию эволюции любой популяции самовоспроизводящихся видов, чья структура и функция запрограммирована в информационных молекулах.

«Однако, — говорит Розенцвейг, — мы должны быть готовы к тому, что жизненные формы в других мирах могут развиваться совершенно иным образом. Мы должны уметь различать сигнатуры, которые остаются от более сложных форм жизни».