Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

В течение следующих 30 лет ученые двигались по пути, указанному Вёзе, и изображение древа жизни становилось все подробнее. Исследователи обнаружили и изучили рибосомную ДНК у многих видов живых организмов; нашли другие гены, пригодные для сравнения; применили новые статистические методы, позволявшие получить более надежные результаты; обнаружили множество новых видов архей и подтвердили обоснованность выделения их в отдельный домен. На первый взгляд кажется, что археи похожи на бактерии, но на самом деле они обладают вполне конкретными отличительными свойствами: к примеру, клеточная стенка у них состоит из совершенно уникальных молекул.

Пытаясь измерить разнообразие жизни, Вёзе и его коллеги подсчитали число мутаций рибосомной РНК, накопившихся в различных ветвях эволюционного древа. Чем больше мутаций, тем длиннее ветвь — и дерево Вёзе оказалось совсем не похожим на дерево Геккеля. Все животное царство съежилось до небольшого пучка веточек, угнездившихся где?то в глубине домена эукариот. Нередко оказывалось, что две бактерии, которые выглядят под микроскопом совершенно одинаково, разделяет более глубокая эволюционная пропасть, чем та, что пролегает между нами и морскими звездами или, к примеру, губками. Одного взгляда на дерево Вёзе было достаточно, чтобы ясно понять: эволюционная история любого вида бактерий — к примеру E. coli — вылилась бы в настоящий и весьма объемный роман.

Дерево или паутина?

В 1980–е гг. у специалистов по древу жизни появились серьезные основания для беспокойства. Мало — помалу становилось ясно, что горизонтальный перенос генов — не просто забавная особенность лабораторной жизни бактерий и не следствие появления антибиотиков. Гены переходили от одного вида к другому задолго до того, как человек начал свои эксперименты с жизнью на Земле. Некоторые ученые опасались, что беспорядочные прыжки генов, если они происходят слишком часто, могут сделать построение эволюционного древа попросту невозможным.

При реконструкции древа жизни ученые сравнивают ДНК разных видов и получают наиболее вероятную схему взаимного расположения эволюционных ветвей, при котором могли возникнуть соответствующие различия. Генетический маркер, присутствующий у двух биологических видов и отсутствующий у всех остальных, может означать, что эти виды находятся в близком родстве. Но вся система генетических маркеров имеет смысл лишь в том случае, если гены живых организмов передаются ими только по наследству, от поколения к поколению. Ген, свободно переходящий от одного вида к другому, может создать иллюзию родства там, где на самом деле никакого родства нет.

Поначалу ученые в большинстве своем попросту отмахивались от подобных мыслей. Им по — прежнему казалось, что в течение миллиардов лет горизонтальный перенос генов не играл заметной роли. Восстанавливая структуру древа жизни, ученые предполагали, что редкими случайными прыжками генов можно пренебречь.

Позже ученые смогли лучше оценить частоту горизонтального переноса генов путем сравнения геномов.

В геномах человека и других животных свидетельств недавнего переноса генов обнаружить не удалось — и не удивительно, если принять во внимание наш способ размножения. В организме животного лишь несколько клеток — яйцеклетки и сперматозоиды — имеют шанс стать когда?нибудь новым организмом. А эти клетки практически не контактируют с другими видами, клетки которых могли бы в принципе передать им какие?то гены. (Главное исключение из этого правила — тысячи вирусов, обосновавшихся в нашем геноме.) Но в этом отношении животные — скорее исключение, чем правило. Оказалось, что бактерии, археи и одноклеточные эукариоты обмениваются генами с удивительной неразборчивостью. А передаваемые туда и сюда гены, по утверждению некоторых ученых, представляют серьезную угрозу мечтам о построении когда?нибудь полного и точного древа жизни.

В 2000 г. в журнале Scientific American вышла статья, в которой биолог Форд Дулиттл из Университета Далхаузи в Галифаксе проиллюстрировал серьезность этой угрозы. В статье были помещены две иллюстрации с изображением деревьев. На одной из них было древо жизни в том виде, в каком оно открывается при изучении рибосомной РНК: бактерии, археи и эукариоты аккуратно и упорядоченно расходились от общего предка. На втором рисунке автор попытался показать, как могло бы в действительности выглядеть древо жизни; там было изображено дерево, растущее, подобно мангровым зарослям, из множества корней и представляющее собой беспорядочный клубок побегов. Некоторые его части походили не столько на дерево, сколько на паутину.

Как большинство научных дискуссий в биологии, спор «Дерево или паутина?» не имеет однозначного, единственно верного решения. Сторонники паутинной теории, такие как Дулиттл, не отрицают, что организмы связывает друг с другом более или менее близкое общее происхождение. Они просто считают, что поиски истинного древа жизни путем сравнения генов ни к чему не приведут. Сторонники классической древесной версии, в свою очередь, не отрицают ни факта горизонтального переноса генов, ни его значения в истории жизни. Они просто утверждают, что исследование правильно выбранных генов поможет вскрыть истинные отношения между всеми живыми организмами на Земле.

Когда ученые впервые стали сравнивать полные геномы многих видов, некоторые из них решили, что эволюционная схема в виде дерева остается в силе. В частности, к этому выводу пришел Говард Охман с коллегами, которые исследовали E. coli и дюжину других бактерий. Ученые обнаружили ряд генов, которые, по всей видимости, переместились в их геномы с помощью горизонтального переноса. Но большинство этих генов переменили место жительства недавно, уже после того как исследованные виды отделились друг от друга.

Как выяснили ученые, горизонтальный перенос генов — вещь обычная, но немногим генам — иммигрантам удается удержаться на новом месте. Многие из них выводятся из строя мутациями, превращаясь в псевдогены. Время от времени другие мутации полностью вырезают их из генома, и бактерия не замечает потери. Но часть генов, перенесенных в геном предков E. coli и других бактерий, закрепляется в новых хозяевах надолго и обнаруживается там и в наши дни. Чтобы избежать забвения, они становятся домоседами и прекращают свои скитания. После того как вирус встраивает их в геном хозяина, они больше не покидают насиженного места. Охман и его коллеги сделали заключение, что даже с учетом генов, курсирующих между ветвями древа жизни, эти ветви остаются вполне обособленными.

Дорога к эшерихии

Новейшая версия эволюционного древа совершенно не похожа на стройную зеленую колонну Геккеля. Сегодня ученые могут без труда сравнивать тысячи видов одновременно, и единственный способ нарисовать все выявленные при этом ветви — это расположить их по кругу, как спицы в колесе. В центре колеса находится последний общий предок всей современной земной жизни. От центра можно двигаться наружу, от ветки к ветке, по следам конкретной эволюционной линии. Чтобы добраться до нашего собственного побега на этом дереве, следует сначала подняться до общего предка архей и эукариот, а оттуда уже свернуть на ветвь эукариот и дальше двигаться по ней. Наши предки были одноклеточными простейшими еще примерно 700 млн лет назад. На этом участке находятся развилки, на которых наша ветвь разошлась с теми, что в дальнейшем дали начало многоклеточным растениям и грибам; нас же со временем выбранный путь приведет в царство животных. Держитесь верного пути и доберетесь вслед за нашими предками до момента, когда они стали позвоночными. По пути будут ответвляться боковые побеги, ведущие к другим позвоночным: рыбкам данио, курам, мышам, шимпанзе. В конце концов ветвь, по которой вы следуете, завершится видом Homo sapiens.

Но достаточно о нас. К E. coli от общего предка ведет совсем другая дорога. Если пойти по ней, то путешествие получится столь же длинным и нисколько не менее интересным.