Друзья, мы получили очень много писем с благодарностями за серию «Альтернативное развитие разума» и так как она скоро подойдёт к концу, мы решили заранее запустить новую — «В поисках общего предка». Мы рассмотрим и прямых предков человека, и параллельные человечества, и причуды эволюции, чтобы вместе с вами максимально расширить понимание возникновения жизни как на Земле, так, возможно, и в других мирах.
Начнём.
Если посмотреть практически на всех животных, то легко увидеть в них кучу всего общего с человеком — ручки, ножки, глазки в той или иной степени (явные или рудиментарные). Одна из идей говорит о том, что похожесть в плане строения тел обусловлена наличием у организмов общего предка. Но существуют же всякие многоножки, медузы, деревья, кукуруза, пшеница и как выяснилось у нас с ними тоже есть общий предок, который дал начало всей известной жизни на Земле.
Теория последнего универсального общего предка была впервые предложена Чарльзом Дарвином в его книге «Происхождение видов» 1859 года.
Кто он, общий предок?
Последний универсальный общий предок (Last universal common ancestor, LUCA, или Last universal ancestor, LUA) — наиболее древняя популяция организмов, от которой произошли все организмы, ныне живущие на Земле. То есть LUCA является последним общим предком всей жизни на Земле. Считается, что LUCA существовал(о) 3,5—3,8 миллиарда лет назад (в палеоархейскую эру). Окаменелых останков LUCA не сохранилось, поэтому его(их) можно изучать только путём сравнения геномов. С помощью этого метода в 2016 году был определён набор из 355 генов, точно имевшихся у LUCA.
При помощи анализа предполагаемых потомков LUCA было показано, что он(о) был(о) маленьким одноклеточным организмом, вероятно, имевшим кольцевую ДНК, свободно плавающую в клетке, как у современных бактерий. Однако Карл Вёзе, который предложил трёхдоменную систему живого мира на основе последовательностей ДНК бактерий, архей и эукариот, утверждает, что LUCA был(о) более прост(о), чем отдельные предки, давшие начало трём доменам жизни.
В то время как анатомия LUCA может быть реконструирована лишь в общих чертах, его внутренние биологические механизмы могут быть описаны более детально на основании свойств современных организмов.
Следующие три абзаца будут понятны тем, кто интересуется микробиологией, но суть их сводится к тому, что функционирование LUCA очень неплохо описано при том, что у нас нет ископаемых останков этих организмов.
Генетический код, скорее всего, был основан на ДНК. Некоторые исследователи полагают, что LUCA мог быть лишён ДНК, а его геном был представлен только РНК. Если он имел ДНК, то она состояла из четырёх нуклеотидов (дезоксиаденозин, дезоксицитидин, дезокситимидин и дезоксигуанозин), исключая остальные возможные дезоксинуклеотиды. Генетический код состоял из трёхнуклеотидных кодонов, и всего было возможно 64 различных кодона. Поскольку для построения белков использовалось только 20 аминокислот, некоторые аминокислоты кодировались несколькими кодонами. Экспрессия генов осуществлялась через промежуточное образование одноцепочечной РНК. РНК образовывалась ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой с использованием нуклеотидов, похожих на нуклеотиды ДНК, за исключением тимидина, который в РНК был замещён на уридин.
Для построения белков использовались только 20 аминокислот, причём исключительно их L-изомеры. В качестве энергоносителя использовались молекулы АТФ. Существовало несколько сотен белковых ферментов, которые катализировали химические реакции, высвобождающие энергию из жиров, сахаров и аминокислот, а также реакции синтеза жиров, сахаров, аминокислот и азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот.
Клетка содержала цитоплазму, в основном состоящую из воды, которая была окружена мембраной, представленной липидным бислоем. Внутри клетки концентрация натрия была ниже, а калия — выше, чем снаружи. Этот градиент поддерживался ионными каналами, также известными как ионные насосы. Клетка размножалась посредством дупликации содержимого перед делением. Для образования энергии клетка использовала хемиосмос.
Клетка предположительно жила в глубоководных гидротермальных источниках, образуемых при взаимодействии морской воды с магмой под океанским дном.
Что следует из наличия общего предка всего живого на Земле?
Каждый из нас напрямую связан с этим существом. Если бы однажды что-либо прервалось, то нас бы здесь не было, так как это существо является первоисточником тех генетических текстов, которые в дальнейшем изменялись, ветвились, эволюционировали в общем, и которые мы сегодня можем сравнивать между собой для выявления степени родства тех или иных существ между собой.
Таким образом, с точки зрения молекулярного строения, у жизни нет разнообразия, так как вся жизни на Земле происходит от общего предка, который существовал 3,5 млрд. лет назад.
Следует отметить, что самые интересные события, связанные с происхождением жизни, происходили в промежутке между 6,5 млрд. лет, когда возникла Земля, и 3,5 млрд. лет, когда возник LUCA. Дело в том, что когда он(о) существовал(о), он(о) было уже очень сложным, являясь в сущности готовой в нашем понимании клеткой. Что было до него мы просто не знаем. При этом, стоит понимать, что 2,5 млрд. лет после возникновения Земли, она была очень горячей и чисто по физико-химическим свойствам никакой жизни на ней быть не могло. Получается, что за очень короткий промежуток времени возникло очень сложное существо непонятно каким образом, и у нас нет никаких свидетельств о том, что было до него.
Что такое ДНК?
Генетическую информацию можно представить в виде текста, состоящего из 4 букв (аминокислот, кодирующих белки). Всего их 3 млрд. (по 1,5 млрд. от каждого из родителей). Эта информация передаётся потомству с постоянными изменениями.
Структурно это выглядит следующим образом. Молекула ДНК состоит из двух цепей с этими четырьмя буквами. Одна цепь имеет некую последовательность этих букв, а вторая имеет такую последовательность, которая полностью определяется последовательностью первой цепи. Так и возникает двойная спираль.
Именно благодаря этому принципу, называемому комплиментарностью, при разделении цепей ДНК информация не теряется, так как каждая из цепей имеет информацию, необходимую для того, чтобы достроить вторую цепь. Процесс возникновения двух молекул из одной называется репликацией. В принципе этот процесс очень точный, но иногда в нём возникают ошибки, которые и называются мутациями. То, почему наши дети не являются точными копиями нас самих и есть до какой-то степени следствие наличия этих ошибок при копировании. То, что мы есть физически, от цвета глаз до врождённых заболеваний «написано» тремя миллиардами нуклеотидов ДНК.
Адам и Ева.
Мальчики от девочек отличаются набором хромосом. У каждого из нас, независимо от пола, 46 хромосом. 44 из них можно назвать полезными — в них содержатся, скажем так, всякие нужные гены. И именно оставшаяся пара хромосом и определяет наш пол. Это, собственно, половые хромосомы. У девочек эта пара так называемых XX хромосом. У мальчиком эта пара хромосом — XY. При половом размножении мама отдаёт одну свою половую хромосому и папа отдаёт одну свою. Так, в равной степени и получаются мальчики или девочки. Существенно в данном случае то, что мальчики свою Y-хромосому получают только от отца.
Давайте проведём мысленный эксперимент. На планете сейчас около 7 млрд. людей. Плюс-минус половина из них — мужчины. То есть мы имеем 3,5 млрд. носителей Y-хромосом. Совершенно очевидно, что количество мужчин, которые родили всех ныне живущих людей меньше того количества мужчин, которые сейчас существуют, так как часть мужчин рожали только девочек, а некоторые никого не рожали. То есть в предыдущем поколении количество носителей Y-хромосом меньше, чем сейчас. Постепенно проделывая этот эксперимент, двигаясь вглубь истории, от поколения к поколению, мы придём к одному мужчине, которого микробиологи, а за ними и остальные учёные назвали Y-хромосомным Адамом, являющимся наиболее близким общим предком людей по мужской линии. Неоспоримый факт о нём заключается в том, что он является прямым источником Y-хромосомы всех существующих мужчин.
Следует понимать, что это вовсе не означает, что все Y-хромосомы всех существующих мужчин совершенно одинаковые. За всё время существования Y-хромосомы в ней постоянно возникали мутации, как описано выше, но существенно то, что их всё равно можно свести к одному корню. Благодаря математике мы можем оценить скорость размножения человека и, хоть это и не очень точно, но считается, что Y-хромосомный Адам существовал порядка 50 тысяч лет назад.
Ту же процедуру можно проделать и с женщинами, ведь, как и с мужчинами, у них есть уникальная составляющая, которая передаётся только по материнской линии — митохондрии. В них есть свои гены, так как это существовавшая отдельно бактерия, захваченная нашими предками для обеспечения выработки энергии (об этом будет отдельная статья), но продолжительностью всего 20 тысяч нуклеотидов. Отличие в том, что митохондрии получают и мальчики, и девочки, но, повторюсь, только от мамы. В итоге, проделав ту же процедуру, что и с Y-хромосомой, получаем одну женщину.
Митохондрии так же накапливали изменения в ходе распространения, а так как они передаются всем детям от своих матерей, анализ этих изменений помогает определить как люди распространялись по планете или доказать, что люди возникли в Африке.
Интересно то, что митохондриальная Ева существовала порядка 150 тысяч лет назад, то есть на 100 тысяч раньше Y-хромосомного Адама. Не стоит удивляться этому факту, так как совершенно не обязательно, что митохондрия, являющаяся предковой для всех ныне живущих людей, и Y-хромосома, предковая для всех ныне живущих мужчин, должны были существовать в одно время и даже в одном месте. У каждого гена есть свои «Адам» и «Ева». Ни митохондриальная Ева, ни Y-хромосомный Адам, естественно, не были одиноки в своё время. Мы говорим лишь о крохотных участках ДНК.
Да, митохондриальная Ева является источником митохондрий всех ныне живущих людей, но её «подруга» может являться таким же источником другого участка ДНК. Так, например, «Ева» резус-фактора существовала гораздо раньше митохондриальной Евы. От кого-то не осталось совсем ничего, так как в какой-то момент их линии просто прервались, не успев ничего передать.
Отдельно следует отметить, что всех нас можно свести к одному мужчине и к одной женщине, как физическим телам, но что это означает?
Давайте проведём ещё один мысленный эксперимент. Представьте себя просто как набор генов. Вы получили по половине их от своих отца и матери. Каждый из Ваших родителей является такой же комбинацией генов своих родителей, Ваших бабушек и дедушек. Вопрос: какой вклад в Вас внесли Ваши бабушки и дедушки? Интуитивно Вам кажется, что по четверти генов от каждого, но это не так. Вспомните принцип репликации ДНК, который описан выше. Двойная спираль разделяется на две половины, по которым достраиваются две полноценные новые спирали с небольшими опечатками. Дальше эти две новые спирали также разделяются, но разделяются совершенно случайно. В тот момент, когда в организме производятся половые клетки, производится перетасовывание генетической информации. Именно поэтому сперматозоидов в половых клетках мужчины образуется огромное количество — они все несут разные наборы половин Ваших генов.
Таким образом, если даже от прабабушек и прадедушек Вы и получили какие-то гены, но уже с прапрадедушкой, например, у Вас может не быть того, что является общим с генетической точки зрения. А связано это с тем, что эволюция организмов — это эволюция генов и их комбинаций, а не нас с вами, так как для того, чтобы работала эволюция, нужно передавать именно генетическую информацию с изменениями именно в генах. То есть организмы — это способ передачи генов.
P. S.
То, что описано в этой публикации, является лишь крохотной сильно урезанной частью огромного знания. Это сделано для того, чтобы дать начало новой серии статей, которая призвана расширить наше понимание эволюции и существования жизни вообще. Это будет увлекательное путешествие — присоединяйтесь.
Оглавление канала
Подписывайтесь на канал в Telegram, чтобы следить за обновлениями онлайн, и не пропускать интересные новости о науке и технике.