Как жизнь стала сложной и может ли это произойти за пределами Земли?
Астробиологи часто предполагают, что жизнь на других планетах или спутниках будет простой, например, микробной, а не многоклеточной. Но из простой жизни в итоге могут возникнуть сложные формы, как это произошло на Земле. Эволюционный генетик Фрэнк Розенцвейг из Университета Монтаны изучает этот вопрос при поддержке NASA Astrobiology Institute. Его лаборатория исследует, как жизнь эволюционирует к «сложным признакам», влияющим на всё — от продолжительности жизни до биоразнообразия.
Поиск жизни в Солнечной системе
Сложная жизнь известна только на Земле, но учёные не исключают её наличия в других местах Солнечной системы. Изучение спутника Сатурна Титана, чья углеводородная химия считается предшественником живой системы, может прояснить эволюцию жизни. Исследователи пытаются воссоздать в атмосфере Титана органические аэрозоли — толины, образующиеся под действием солнечной радиации на метан и азот.
На Земле примерами переходов к сложности являются:
- Эволюция отдельных белков в белковые сети.
- Превращение одноклеточных бактерий в эукариотические клетки с двумя или тремя геномами.
- Объединение конкурирующих микробов в кооперативные системы (например, микробные маты в горячих источниках или биоплёнки в кишечнике человека).
Новое исследование Розенцвейга сосредоточено на четырёх областях, где сложные системы возникают из простых элементов: метаболизм, эукариотическая клетка, мутуализм (взаимовыгодное сотрудничество видов) и многоклеточность. Пятое направление — изучение мутаций и взаимодействий генов, определяющих скорость возникновения таких систем. Восемь команд будут работать над этими вопросами, а теоретики в области популяционной генетики и статистической физики интегрируют результаты в общую картину.
Применение за пределами Земли
Предыдущие проекты Розенцвейга при поддержке NASA (программа Exobiology and Evolutionary Biology) привели к неожиданному открытию: стресс может увеличивать частоту перестроек геномных последовательностей. Новые хромосомные варианты, возникающие при стрессе, могут быть полезны в сложных условиях. Исследования дрожжей в условиях, близких к голоданию, показали, что адаптивные геномные перестройки приводят к репродуктивной изоляции новых форм от предков. Это означает, что для видообразования у низших грибов географическая изоляция может не требоваться.
Отличительная черта этого исследования — изучение организмов в условиях сурового стресса (близкого к голоданию), что лучше моделирует природные условия адаптации к резким изменениям. Такие результаты важны для понимания возможной жизни на других планетах.
Ключевая идея: изучая эволюционные процессы в лаборатории на простых одноклеточных видах, можно выявить правила, управляющие эволюцией любых самореплицирующихся систем. Розенцвейг призывает искать признаки дифференциации (разных белков в метаболической сети, разных генотипов в популяции, разных геномов в клетке или разных клеток в многоклеточном организме), которая открывает путь к разделению труда и кооперации. Следы таких более сложных форм жизни могут существовать и на других мирах.