Цивилизация
До недавних пор «предсказание погоды миллиардлетней давности» оставалось уделом геологов, основывавших свои выводы на анализе химического и изотопного состава древнейших горных пород. Глубокая детализация далекого прошлого нашей планеты во многом была обязана лишь интересу и любознательности ученых: практическую выгоду из находок палеонтологов и реконструкций эволюционистов практически невозможно извлечь.
Однако, с учётом последних климатических изменений, история может помочь если и не справиться с потеплением, то хотя бы понять, как на изменения климата отреагирует биосфера.
Идея проста — если знать, какими особенностями обладают живущие в то или иное время организмы, можно сделать обоснованные выводы не только о температуре, но и о влажности, химическом и газовом составе атмосферы и гидросферы. Раньше подобные исследования ограничивались исключительно анализом биологических отложений и строения древних организмов.
Объединив геологию с генетикой и эволюцией, ученые получили новый инструмент для подобных предсказаний.
Достижения генетики, а главное — большое количество накопившихся данных о геномах одноклеточных, позволяют пойти другим путем, и судить не только об обмене веществ, но и о принципиальных чертах строения наших очень далеких одноклеточных родственников.
Принцип, предложенный американскими учеными, опубликовавшими результаты своей работы в Nature, — «у детей природы нет ничего лишнего». И если бактерии обладали той или иной регуляторной системой, значит, она им была нужна для лучшего приспособления к условиям окружающей среды.
В данном случае — это устойчивость к повышенным температурам. В отличие от многих других организмов, для бактерий «потолок» переносимых температур определяется только устойчивостью биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. И если у многоклеточных существуют сложные системы терморегуляции, защищающие содержимое отдельных клеток от жары, превышающей 42 градуса, то белки бактерий остаются с теплом «один на один».
В случае подъема отметки термометра выше 42oC, белки денатурируют — поочередно теряют сначала третичную (объемную) структуру, потом вторичную, а затем, когда рвутся ковалентные связи между аминокислотами, и первичную, причем уже необратимо.
Определяющей в таком случае становится система синтеза и восстановления разрушенных связей между аминокислотами, за которую ответственны белки элонгации (elongation factor thermo-unstable, EF-Tu). За счет высокой энергии связей в этих белках они самостоятельно могут оставаться устойчивыми к высоким температурам и при этом восстанавливать другие, термостабильность которых практически не менялась многие миллионы лет.
Чтобы исследовать эти белки, ученые восстановили последовательности участков ДНК, кодировавших эти белки у архебактерий и бактерий, населявших Землю со времен архейской эры. Конечно, найти какие-либо следы настоящих древних ДНК невозможно — за миллиарды лет молекулы разрушились. Поэтому учёные восстановили их наиболее правдоподобные конфигурации, используя данные о разнообразии и родстве современных микроорганизмов. Подобный способ построения филогенетического древа «от листьев к корням» является стандартным в эволюционных исследованиях, хотя уместность его применения к определённым задачам иногда ставится под сомнение.
Далее учёные опять обратились к компьютерам. Современные средства моделирования позволяют с высокою точностью воссоздать структуру и свойства белка по последовательности аминокислот. Для подтверждения модельных выводов эти последовательности даже были синтезированы и внедрены в живущих ныне бактерий.
Для контроля метода ученые использовали современные кишечную палочку (Eisherichia Coli) и термофильную Thermus thermophilus. Как и предполагалось, оптимальные температурные условия для них чётко определяются температурами плавления белков EF-Tu — для жизни им идеально подходят температуры в 40oC и 74oC, а предел температуры среды обитания составляет 42,8oC и 76,7oC соответственно.
Итоги компьютерного анализа показали: средняя температура плавления белков бактерий-предшественников, живших в архейском эоне, была на 30–40 градусов больше, чем сейчас.
Спорным остается вопрос о глобальности обнаруженных биологами изменений в окружающей среде, ведь эти бактерии могли обитать в горячих источниках и лишь потом переселяться в мировой океан.
Это возражение ученые опровергают двумя аргументами. Во-первых, обнаруженные свойства характерны для всех бактерий того времени. А во-вторых — содержание изотопов кислорода и кремния — 18O и 30Si в отложениях, сформировавшихся из бактерий, такое же, как и в мировом океане архейской эры. Эти отложения, датируемые 3,43 и 3,62 миллиардами лет, были обнаружены в Западной Австралии, что было уникальной находкой, ведь в отличие от позднего докембрия (2 500 — 542 миллиона лет назад) подобные свидетельства древней жизни очень редки.
Так что за жизнь даже в случае настолько глобального потепления переживать не стоит — прокариоты не просто сохранятся, но и будут чувствовать себя неплохо и в таких экстремальных условиях. А вот судьбе эукариот, даже одноклеточных, не позавидуешь — ведь за сложноустроенный генетический аппарат и цитоскелет нам пришлось пожертвовать способностью существовать при высоких (больше 42 градусов) температурах.