Гипотетические миры прокариотов

Любопытно, что в то время, как о художественной литературе создана развитая наука, которая может, скажем, точно определить, чем роман отличается от повести, у научной литературы подобного подспорья нет. А ведь научные статьи различаются подчас между собой много больше, чем повести и романы. Само понятие «научная статья» таит в себе явления крайне разнообразные. Научные статьи пишут, чтобы сообщить что-нибудь, рассмотреть, подытожить, опровергнуть, убедить своих коллег, сделать обзор, опубликовать идею, теорию, мысль, создать новый метод и даже концепцию. И каждая из целей диктует свои методы написания. Статья может рассказывать об исследованиях, а может быть и сама по себе методом исследования, она иногда сообщает о новой теории, а подчас является орудием ее создания. Исследователи в каждой из научных областей наизусть знают названия статей (реже это книги, чаще именно статьи), начавших эпоху в их науке.

Создавшие генетику и перевернувшие биологию «Опыты над растительными гибридами» Г. Менделя были опубликованы в «Записках Брюннского общества естествоиспытателей». Об опытах Майкельсона мир тоже узнал из статьи в «American Journal of Science».

Есть у научных статей еще одна характеристика — степень их ценности для тех, кто в данной науке несведущ. Иные, имея точный адрес — своих коллег, в их памяти и остаются. Есть же такие, которые оказываются важными и вне «своей» науки.

«Журнал общей биологии» — конечно, издание для посвященных. Раскрываем том XL, № 1 этого журнала. Первая статья в нем в полном соответствии с канонами научного издания называется «Прокариотные системы в связи с филогенией бактерий». Автор — Г. А. Заварзин. Казалось бы, типичный случай статьи первого типа — для узкого круга специалистов. Но, оказывается, она может взволновать отнюдь не только знатоков, а и всякого, кого интересует загадочная история рождения и эволюции жизни на Земле. Надо лишь переложить ее на популярный язык, истолковывая «свернутые» места, рассчитанные на понимание коллег.

Истинные «хозяева Земли»

Будущий создатель классификации научных статей, безусловно, отнесет работу Г. А. Заварзина к самому сложному разряду научных публикаций: это размышление о важнейших биологических проблемах, содержащее новые теоретические выводы. Она опирается не на какую-то конкретную работу и не на серию работ, а на весь научный багаж автора, на выработанные им представления о той области живого, которую он хорошо знает: Г. А. Заварзин — микробиолог. По начальному прочтению статья и выглядит скромной микробиологической публикацией, размышлениями специалиста о родословной Procaryota — бактерий и сине-зеленых водорослей. Но только по начальному прочтению. Как мы увидим, проблема их филогении — кто, когда, от кого из них произошел — автора интересует лишь как отправной пункт, не более того. Он даже не заканчивает эту тему, греша против композиционного единства своего материала.

Но ведь и читателю эта тема сама по себе малоинтересна; если бы он и узнал, какой же у бактерий более древний вид, к чему пригодилась бы ему, неспециалисту, подобная информация? Гораздо интереснее для него будет узнать, что в родственных связях этого не видимого глазом мира вообще вроде бы невозможно разобраться. Почему — вот вопрос, уже выходящий за внутринаучные рамки. Именно от этого вопроса отталкивается и Г. А. Заварзин в тех из рассуждений, которые делают его материал итогом раздумий естествоиспытателя над одной из главных предпосылок развития живого на Земле. Но прежде чем перейти к ним, стоит познакомиться получше с самими Procaryota.

Бактерии и сине-зеленые — благодатный «полигон» для отработки и проверки общетеоретических положений в биологии по нескольким причинам. Начать хотя бы с того, что их сообщества долгие миллиарды лет были единственными обитателями биосферы. Они и сейчас настоящие «хозяева Земли» — Procaryota, простенькие существа, одноклеточные, без ядра, с единственным колечком ДНК, несущим наследственный код. Мы живем рядом с ними, а точнее – среди них, как редкостные экзотические образования в скромной массе трудяг биосферы. (Мы — это все многоклеточное население планеты.)

Большую часть истории Земли Procaryota великолепно обходились без нас, мы же все, за исключением зеленых растений — без них существовать не можем. Они населяют толщи почв и все водные бассейны Земли, воздух и нас самих, они буквально вездесущи, именно они определяют границы жизни при всех возможных условиях — температурных, геохимических и прочих. Они создавали и создают месторождения полезных ископаемых, превращают останки других живых существ в материал для новой жизни, помогают нам переваривать пищу и приготовлять ее, иногда, правда, убивают нас болезнями…

Трудно перечислить все многообразные функции бактерий и сине-зеленых в общем круговороте жизни, а ведь каждая, из них — важнейшая. Все мы это, собственно, хорошо знаем, но обычно плохо представляем себе, что биосферу планеты как замкнутую систему, устойчиво развивающуюся многие миллионы лет, обеспечивают, прежде всего, Procaryota — бактерии и сине-зеленые. Они же, сине-зеленые, породили свободный кислород, если он вообще появился на Земле с помощью живой природы.

Но это было давно, и до этого мы еще доберемся. А пока обратимся к первым из заключений статьи Г. А. Заварзина. Из них выясняется, что, играя столь важную роль в истории Земли, Procaryota собственную историю — как мы уже обмолвились — хранят в глубокой тайне, и эволюционисты разводят руками, лишь только обращаются от ветвистого древа, в которое удалось им воплотить эволюцию высших форм жизни, к бактериям. Потому «немногие области науки могут гордиться таким обилием литературы и теоретических подходов при такой ограниченности фактического материала, как филогения бактерий».

Да и тот факт, что Procaryota были первыми — что до них жизни не было, делает их в глазах биолога существами особыми. Выяснить происхождение бактерий — это уже даже само собою кое-что прояснит в проблеме проблем, происхождении жизни.

«Собственно говоря, у организмов, относимых во всех учебниках к древнейшим обитателям Земли, и не должно быть филогении (родословной) как у группы, поскольку нельзя назвать их предшественников. Можно лишь рассматривать возникновение бактерий из «предбиологической системы», — пишет Г. А. Заварзин. О «предбиологической системе» мы говорить здесь не будем — это тема особая. А «относительно филогении внутри группы бактерий мнения различны». Одни решают вопрос прямолинейно: «Бактерии и сине-зеленые водоросли, образно выражаясь, не помнят прошлого и не готовятся к будущему, живя сегодняшним днем. Они, приспособляясь, не эволюционируют, оставаясь и в наши дни практически такими же, как и в то время, когда были единственными обитателями нашей планеты»…

«По другому, не менее прямолинейному подходу эволюция у бактерий все-таки была, и вершиной ее являются такие организмы, как гонококк и бледная спирохета»,— пишет Г. А. Заварзин.

Третья же точка зрения основывается на изучении строения белков или других органических макромолекул. Ее сторонники пытаются проследить родословную бактерий по степени близости белковых или иных структур, их составляющих. «К сожалению, изучение структурно-родственных белков само по себе не разрешит вопрос. Такие сравнения говорят больше о белках, чем об организмах»,— читаем мы в статье. Ведь скорость эволюции белков может и не отражать скорость эволюции тех организмов, которым они принадлежат.

Древние виды благополучно могут сосуществовать с недавно возникшими, но родственными им. Словом, попытки построить филогенетическое древо подобным путем дают не очень убедительную картину, хоть у него и есть важное достоинство — экспериментальная основа.

Попытки упорядочить мир микроорганизмов, выстроив их от простого к сложному, предпринимались множество раз. Всякий раз для таких построений выбиралось то или иное свойство. Сначала это было устройство организмов, потом сложность обмена веществ, и в последнее время в силу вступила биохимия. Вся беда, однако, в том, что при подобных построениях ряды, составленные на одних основаниях, не согласуются с рядами, полученными по сопоставлению других свойств, и вместо искомого древа к услугам эволюционистов оказывается густой «кустарник».

И даже «решетка»: неопределенность такой картины усугубляется еще и тем, что бактерии владеют способностью обмениваться генным материалом, поэтому, как пишет Г. А. Заварзин, «запасы генетической изменчивости могут быть обобществлены» у бактерий, то есть вовсе не такие уж близкие организмы оказываются иногда наделенными одинаковыми качествами, возникшими в результате сложных генных обменов.

Все это может навести на грустную мысль, что эволюцией бактерий заниматься вообще бессмысленно.

Шерлок Холмс и докембрий

Вот здесь мы и подходим к более глубокому слою рассуждений Г. А. Заварзина. Итак, огромная группа живых существ пока никак не укладывается в имеющиеся у биологов теоретические положения, – и что-то с этим надо предпринять. Еще важнее, что естественная история Земли — конечный итог деятельности целого ряда наук — из-за теоретических неувязок пока лишена одной из своих начальных глав.

Но рассмотренные филогенетические построения во многом потому и упираются в тупик, что исходят из необходимости найти одно — единственное первоначальное существо, единственную группу, от которой потом пошли все остальные. Однако можно предположить и другой вариант — и такие предположения уже выдвигались в теоретической биологии,— что с самого начала живой мир был достаточно разнообразен: «кустарник», а не «древо». А в таком случае многие теперешние камни преткновения для филогенетиков перестанут существовать. Как же доказать, что какое-то из этих двух предположений истинней другого? Ведь страницы той — самой примитивной — жизни скрыты под толщами пород, и находки, к ней относящиеся, столь редки, что их всегда можно счесть случайными, не дающими целостного представления. Неужели этим двум полярно противоположным эволюционным моделям так и суждено оставаться умозрительными и вечно противостоять друг другу?

В своей статье Г. А. Заварзин как раз и предлагает простой, чисто дедуктивный способ их проверки. Он выдвигает тезис, а точнее, напоминает общепринятую истину, что биосфера Земли может существовать лишь как сложная система взаимных связей живых сообществ между собою и с неживыми элементами земной оболочки. И она во все времена была обязана сохранять эту сложность, оберегать длинные цепи передачи вещества и энергии. На современной Земле обязательно должны жить все, кто на ней живет: и зебры, и львы, и волки, и олени, и гнилостные бактерии, и зеленые растения. А если это обязательно для нынешней биосферы, то почему в прошлом она должна была быть иной? Вернее, могла ли она быть иной в эпоху возникновения Procaryota, то есть мог ли ее населять, хотя бы чисто теоретически, кто-то единственный?

На вопрос, сформулированный таким образом, всякий, видимо, ответит отрицательно. Любопытно, что почему-то до сих пор этот вопрос не был поставлен. А ведь идеи великого украинского исследователя В. И. Вернадского, из которых исходил Г. А. Заварзин, развиты уже полвека назад.

Но в науке не приняты умозрительные утверждения. Всегдашнее многообразие земного населения, даже когда оно было целиком одноклеточным, еще надо подтвердить. И автор статьи далее, совершенно в соответствии с приемами знаменитого литературного героя — изобретателя дедуктивного метода в сыскном деле,— проводит форменное следствие над той геологической эпохой, когда «в природе был поставлен эксперимент работы экосистемы, в которой отсутствуют высшие организмы»,— над докембрием. При этом он использует лишь бесспорные вещественные доказательства, предлагая обратиться к осадочной летописи Земли, сохраненной геологией, и привести «ее данные в соответствие с современными знаниями о развитии бактериального мира».

В самом деле, ведь было время, когда никого живого, кроме прокариотов, не было. Представим себе Землю без лесов, лугов, болот и даже пустынь, без тигров и баобабов, без медведей и сосен, без китов в океанах. Такую планету иногда рисуют в антиутопиях фантасты, но важное отличие нашей планеты в прошлом от якобы угрожающего ей будущего в том, что она была живая, хоть жизнь тогда обволакивала ее лишь незримым покровом.

Незримым, но весьма деятельным. Результаты этой деятельности сохранились только в виде химических осадков. Каждая группа бактерий оставляла свои ископаемые слои, как правило, ныне полезные для нас. По ним геологи и палеонтологи и судят о первобытной жизни. «По многочисленным утверждениям группы геологов, в отсутствие высших организмов в докембрии действуют те же закономерности, что и в их присутствии в фанерозое». Фанерозой — это следующий за докембрием геологический период, когда развилась теперешняя ядерная (эукариотная) и многоклеточная жизнь. Так вот, по утверждениям ряда геологов, химический состав атмосферы и гидросферы и органическое вещество были принципиально сходными на всем протяжении истории Земли. А это три главных фактора, обусловливающие развитие биосферы, и потому из приведенной точки зрения следует, что в атмосфере нашей планеты и в эпоху самой ранней жизни был свободный кислород в сходных с нынешними количествах.

Свободный кислород в атмосфере оказывается для исследователя как бы лакмусовой бумажкой: если он есть, значит, биосфера имеет те же существенные черты, что и сейчас. Но сложность в том, что позиции геологов, основывающихся на осадочной летописи Земли, противоречивы. Некоторые из них утверждают, что «на протяжении докембрия господствовали восстановительные условия». То есть кислорода в атмосфере не было. И круговорот веществ в земной экосистеме должен был быть иным. Есть расчеты, которые опровергают такую модель, зато некоторые геологические построения с нею согласуются.

Необходимо привести имеющиеся факты и мнения в соответствие с современными знаниями о развитии бактериального мира,— быть может, число противоречий уменьшится. Для этого Г. А. Заварзин предлагает как исходные три очень важные вещи.

Первая: «Реконструируя возможную микробную жизнь того времени, основное внимание уделять тем группам организмов, которые оставляют определенные геохимические продукты, наблюдаемые в геологической летописи». Это так называемые литотрофы — их существование тесно связано с историей кислорода, так как по расчетам почти весь образовавшийся в продолжение истории Земли кислород распределился между окислами железа, сульфатами моря и атмосферой (в ней, между прочим, его скопилось всего лишь пять процентов). Окислы железа образуются же главным образом как раз в результате деятельности литотрофов — железобактерий, а сульфаты моря — серных и тионовых бактерий. (Для специалистов последний факт — вещь давно известная, но несведущим трудно представить, что железная руда в значительной степени может быть продуктом былой жизни).

Второе принципиальное предложение Г. А. Заварзина относится к последовательности реконструкции: «Идти не от протопланетного облака или первичной атмосферы, о которых наши знания недостаточно достоверны, а спускаться вниз по геологической летописи от более известного нам фанерозоя».

И третья мысль,— пожалуй, наиболее важная — следует из главного постулата, гласящего, что биосфера на Земле — извечно сложная, многокомпонентная система: «сменяющие друг друга экосистемы должны представлять собой замкнутые круговороты веществ, а не прямые цепи исчерпания какого-либо резервуара». И отсюда — неполная замкнутость круговорота должна приводить к смене систем.

Мысль эта важна потому, что, придерживаясь ее, историческая реконструкция прокариотной жизни начинает опираться не только на немногочисленные, пока достоверные факты, добытые геологами, а и на строгие требования системного подхода. Сразу же оставляются за рамками рассуждений построения, в которых возникновение групп бактерий рассматривается «без учета того, могут ли они образовать систему».

В соответствии с предложенным планом действий Г. А. Заварзин начинает с хорошо известного естественным историкам фанерозоя. Это эра, следующая, как уже говорилось, за самой древнейшей, за докембрием, и начавшаяся около 700 миллионов лет назад. О фанерозое мы знаем гораздо больше, чем о докембрии, потому что развившаяся в этот период жизнь оставляла гораздо более весомые следы, чем прокариотная.

«Фанерозой начинается в условиях вполне сформированной кислородной атмосферы»,— пишет Г. А. Заварзин. Доказательство тому: все многоклеточные и даже все ядерные одноклеточные обладают так называемой аэробной формой обмена веществ — формой, в которой так или иначе обязательно участвует свободный кислород.

«Высшие организмы не ввели новых типов обмена». Иными словами, их эволюция — это преимущественно усложнение их телесного устройства. «Следовательно, кислородная атмосфера Земли была сформирована прокариотной экосистемой». А высшие организмы, будучи более приспособленными (например, более крупными), просто-напросто заместили экологические ниши прокариотов. В частности, растения вытеснили сине-зеленые водоросли, главного владельца секрета фотосинтеза в докемрийскую эпоху и главного, следовательно, поставщика кислорода.

Ближайшая по времени к нам прокариотная экосистема в целом, по мнению Г. А. Заварзина, была очень похожей на экосистему фанерозоя, если говорить о круговороте химических элементов, принципиально важных для жизни. О том, что в позднем докембрии была очень развита фотосинтетическая деятельность (производство кислорода), свидетельствуют соответствующие ископаемые останки — продукты жизнедеятельности сообщества сине-зеленых и бактерий — строматолиты. В наибольшем количестве они попадаются геологам в эпоху, непосредственно предшествующую развитию высших организмов. За те два с лишним миллиарда лет, пока строматолиты существовали, форма их менялась, а значит, и эволюционировали их хозяева. Но не только по косвенным сведениям — по продуктам жизнедеятельности судят геологи о характере древней биосферы: иногда в строматолитах обнаруживаются отчетливые остатки прокариотных организмов удивительной сохранности. И древнейшим из остатков бесспорных сине-зеленых водорослей около двух миллиардов лет. Так пишет Г. А. Заварзин. Есть и другие точки зрения на этот счет, мы к ним еще вернемся.

Чтобы понять процессы, которые происходят и происходили в прокариотной экосистеме, «геологи опираются в первую очередь на прямые микроскопические исследования в местах обитания» современных микросообществ. Исследователи рассматривают водорослевые маты — слоистые образования, где каждая группа микроорганизмов живет на своем этаже.

Что же дают такие исследования? Прежде всего, они-то и подкрепляют вывод, что величина фотосинтеза водорослевого сообщества вполне сопоставима с фанерозойской. Правда, чтобы получаемый фотосинтетиками свободный кислород оставался в атмосфере, одного фотосинтеза мало, надо еще, чтобы из биосферы как-то удалялись элементы-восстановители, тут же превращающие с помощью тех же прокариот кислород в его соединения, прежде всего с углеродом. (Это происходит и сейчас — как известно, при дыхании всего живого поглощается кислород и выделяется углекислота.) В современной биосфере есть способ консервации углерода в виде захороненных органических остатков — прежде всего древесных,— он возвращается в живой круговорот крайне медленно, это неприкосновенный запас природы. В докембрии, естественно, древесины не было, и работу по удалению необходимой для общего баланса части углерода из круговорота в биосфере должны были проделывать соответствующие бактерии — анаэробы, те, что обладают обменом веществ без участия свободного кислорода.

Вывод парадоксальный — кислород накапливали в атмосфере, оказывается, не те, кто его производил, а те, кто в нем не нуждался!

Граница может исчезнуть

Мы проследили за тем, как простая, в сущности, мысль, обоснованная замечательным учением В. И. Вернадского о биосфере, помогла разобраться в многообразии мира, давно ушедшего в прошлое. Найти в биосферном круговороте ключевые опоры для своих рассуждений было задачей исследователя. Он эти опоры нашел.

Теперь, чтобы круг рассуждений замкнулся, надо на практике подтвердить рисуемую этими рассуждениями картину докембрийской жизни. Нужно вычислить, а затем обнаружить в природе что-то вроде недостававших в свое время Д. И. Менделееву скандия, галлия и германия.

Коротко скажем, что такие геологические подтверждения есть. Есть и биологическое свидетельство существования в докембрии свободного кислорода. Это остатки существа под названием «металлогениум».

Металлогениум — одно из древнейших существ, «прошедшее, по-видимому, без изменений через всю историю Земли»,— пишет Г. А. Заварзин. Существует оно и сейчас, и обязательно в присутствии кислорода. В древнейших слоях — около двух миллиардов лет назад — найдены его следы в виде характерных «паучков»: отложений двуокиси марганца. Такие «паучки» — надежнейший свидетель кислородной обстановки. Как оказалось найденным это вещественное доказательство номер один. (Кстати, на эти поиски исследователем и его коллегами было потрачено немало трудов.) Зато, владея доказательством подобной убедительности, любой следователь мог бы считать свое дело законченным. Подытоживает рассуждения и Г. А. Заварзин, «конечное состояние экосистемы, сформированной прокариотами, мы можем характеризовать довольно полно: это состояние, близкое к современной Земле».

А что было на Земле в достроматолитовую эпоху? «Здесь приходится перейти от реконструкции на основании геологической летописи к конструированию экосистемы на основании предвзятых соображений…» — пишет исследователь.

Но почему? Ведь, по его же словам, на современной Земле можно найти аналог и такой экосистемы: это живые сообщества в термальных источниках. Дело, однако, в том, что без организмов, способных к фотосинтезу, экосистема выглядит неустойчивой, слишком коротки и недолговечны в ней оказываются трофические цепи, не хватает живых исполнителей для ряда функций. А подставляемые вместо них геохимические компоненты в силу «пассивности», присущей неживой природе, и делают равновесие зыбким.

Словом, для убедительной реконструкции экосистемы раннего докембрия, то есть биосферы эпохи, существовавшей на Земле более двух миллиардов лет назад, исследователю «не хватило» существа, производящего кислород. А без такого существа реконструкция пока не состоялась.

Здесь можно добавить, что, быть может, в будущем историкам первоначальной жизни и не придется «обходиться» без такого непременного участника естественного круговорота, поскольку среди геологов существует и такая точка зрения: «сине-зеленые водоросли, бактерии и грибы — три ствола, общности происхождения которых мы не знаем, и очень может быть, что они все три имеют совершенно разные корни, углубляющиеся вплоть до «преджизни». Цитируемая мысль принадлежит одному из крупнейших «докембристов» нашего времени, геологу и палеонтологу академику Б. С. Соколову. Он же, подводя итоги работам по докембрию, проводившимся геологами в последние десятилетия, неоднократно подчеркивал, что углеродистые продукты преобразования первых фотосинтезирующих организмов найдены в убедительных количествах в слоях самого древнейшего докембрия в эпоху, существовавшую три и более миллиарда лет назад.

«Хотя ко всем этим данным,— писал Б. С. Соколов,— следует относиться с большой осторожностью, в целом уже как будто нет сомнения, что четыре или минимум три с половиной миллиарда лет назад на Земле существовали фотосинтезирующие организмы, усваивающие неорганические вещества».

Но если так, то экологу предоставляются гораздо более богатые возможности для его реконструкций. Правда, при этом, видимо, начнет отодвигаться еще дальше вглубь времен граница бескислородной эпохи, но зато с новыми открытиями геологов она будет становиться все менее гипотетичной или… исчезнет совсем.

Итак, доктор Ватсон…

Г. А. Заварзин кончает свою статью словами о том, что «расшифровка геохимии Земли в огромный интервал времени господства исключительно прокариотной системы возможна лишь при прямом сотрудничестве естествоиспытателей — геологов и микробиологов». И в связи с этим его последним выводом, а также только что приведенными мыслями Б. С. Соколова хочется отметить одну любопытную вещь. У будущих союзников уже есть некоторая общая платформа, к которой они пока пришли явно независимым путем.

Палеонтолог Б. С. Соколов говорит о том, что «мы видим эволюционирующими совершенно независимо такие резко различные группы, как бактерии и сине-зеленые водоросли, и у нас нет надежды когда-либо палеонтологически доказать их единое происхождение». Но ведь и микробиолог Г. А. Заварзин утверждает подобное: жизнь на Земле с самого своего возникновения могла существовать только в виде разнокомпонентной устойчивой системы, в которой каждый компонент делал бы свою работу. Но если так, то «каждая такая система «полифилетична» по своему происхождению», то есть на Земле всегда жили разнородные организмы. А это значит, у родословного древа жизни не может быть общего «ствола» никоим образом. Этот «ствол» мог бы иметь лишь внебиосферное происхождение, что уже явная фантастика.

Итак, для создания убедительной родословной любых живых существ — в данном случае прокариотов — обязательно следует не только искать приметы их родственной близости, но и реконструировать последовательный ряд экосистем, которые они населяли. Надо ли доказывать, насколько существенно такое дополнение к основным заповедям эволюционистов?

Препарировать научную статью — дело рискованное: автор ее намеренно не ставит всех точек над «и» предоставляя это делать коллегам там, где они сочтут нужным. Вправе ли мы вытаскивать на свет недосказанное, недоказанное и, быть может, недодуманное? Но ведь никто и не пытался изобразить дело так, будто все уже решено и доказано. Наоборот, решение проблем происхождения жизни все еще впереди, и сведения, добытые благодаря прокариотам, лишь бросают луч света на долгий и трудный путь к истине. Но и это совсем немало.

Автор: Т. Чеховская.