Книга: Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

Глава 6. Защита важнейших генов

Глава 6. Защита важнейших генов

Жизнь на Земле – вещь очень хрупкая, неизбежно краткосрочная и вместе с тем невероятно стойкая. Время от времени случаются катастрофические события далеко за пределами контроля любых живых организмов, ведущие к массовой гибели целых видов. Летопись ископаемых останков за последние 550 млн лет показывает по меньшей мере пять крупных эпизодов вымирания морских животных. За одним исключением все эти случаи плохо объяснимы. Исключение, о котором идет речь, случилось 65 млн лет тому назад, и с большой долей вероятности его причиной стало столкновение Земли с крупным метеоритом, упавшим в районе нынешнего побережья полуострова Юкатан в Мексике. Это был несчастливый день для динозавров и многих видов растений. Однако микроорганизмы преспокойно пережили эту катастрофу, в точности так же, как пережили все предыдущие катастрофы, охватывавшие большие промежутки времени в истории Земли. Каким же образом природа устроила так, чтобы инструкции по созданию важнейших наномеханизмов оставались в сохранности, невзирая на все ужасные события, способные приводить к уничтожению животных и растений в огромных количествах?

Инструкции по воспроизводству основных наномеханизмов закодированы в генах. Гены – это наборы последовательностей из четырех молекул дезоксирибонуклеиновых кислот, используемых всеми организмами в качестве инструкций по производству белков. У прокариотов, таких как бактерии, несколько миллионов дезоксирибонуклеиновых кислот прикреплены одна к другой, в результате чего формируется большая замкнутая в виде окружности молекула, в которой содержатся инструкции по созданию нескольких тысяч белков. Эти белки в свою очередь состоят из двадцати определенных аминокислот, также прикрепленных друг к другу в определенном порядке. Эти двадцать аминокислот, используемых для синтеза белков, присутствуют в любом живом организме на Земле.

Наборы из трех дезоксирибонуклеиновых кислот, расположенных в определенном порядке, составляют код для определенной аминокислоты, а белки производятся древнейшими наномеханизмами, о которых уже шла речь, – рибосомами. Сами белки используются для производства наномеханизмов, которые позволяют организму вырабатывать энергию и размножаться. Размножение клеток зависит от воспроизводства генов, а воспроизводство генов зависит от способности организма вырабатывать энергию, выживать и расти.

Основополагающее открытие того, что генетическая информация передается по наследству, приписывается Грегору Менделю, австрийскому монаху, исследовавшему цветовые закономерности цветов и семян, форму стручков и так далее у приблизительно 29 тысяч растений гороха. Его работа была опубликована в Германии в 1865 году, через шесть лет после того, как Дарвин выпустил в свет первое издание своего «Происхождения видов». Само собой разумеется, что Дарвин ничего не мог знать о генах. Работа Менделя оставалась практически незамеченной вплоть до начала XX века, когда ее вновь обнаружил и, можно сказать, возродил к жизни британский биолог Уильям Бэтсон – тот, что пустил в оборот сам термин «генетика». Бэтсон не имел представления о том, как генетическая информация передается из поколения в поколение, однако же признал, основываясь на работе Менделя, что для потомства спаривающихся организмов существуют некоторые основные, предсказуемые закономерности. И лишь во второй половине XX века ученые поняли, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу инструкций относительно того, как должны производиться белки и какие характерные особенности должны передаваться.

Существование естественной изменчивости видов и возможность ее отбора путем селекции стали одним из главных озарений Дарвина. Например, люди, несомненно, использовали естественные изменения у собак, чтобы выращивать новые породы с новыми характеристиками; однако все это были собаки. Если люди могут проделывать это с собаками, лошадьми или голубями, почему не может природа? В то время существовало четкое определение вида: вид в применении к животным и растениям (а ничто другое тогда не принималось во внимание) представлял собой организм, способный размножаться половым путем и давать жизнеспособное потомство, то есть потомство, также способное размножаться половым путем. Голуби могут давать жизнеспособное потомство, совокупляясь с другими голубями, но гибрид, возникший при скрещивании голубя и орла, если даже и будет жизнеспособным, уже не сможет размножаться. Результатом скрещивания самца осла и самки лошади является мул – стерильное животное. Голуби и орлы, лошади и ослы – различные, четко распознаваемые виды.

Вариации видов, по утверждению Дарвина, отбираются путем соревнования внутри вида, постепенно приводя к таким изменениям, что новый вид больше не может воспроизводиться совокупно с последним предком нового вида и давать жизнеспособное потомство. Это представление – о наследовании с изменениями, за чем следует отбор и видообразование – формирует теоретический базис дарвиновской эволюции. Передача генов от родителя к потомку, или наследование по происхождению, представляет собой концепцию вертикального наследования. Организмы, размножающиеся главным образом посредством половой рекомбинации, передают гены именно таким путем. Однако это не единственный способ передачи генов через долгие временные периоды, в особенности для микроорганизмов. Однако, прежде чем мы углубимся в вопросы микробиологической эволюции и того, как наномеханизмы передаются новым поколениям, давайте обратимся к вопросу, почему, собственно, вообще существует изменчивость внутри видов, поскольку без изменчивости не могло бы быть эволюции, как мы ее понимаем.

Время от времени в процессе репликации генов клетка допускает ошибку, и копия гена оказывается слегка измененной по отношению к оригиналу. Это очень похоже на монахов, переписывающих книги: ошибки почти всегда заключаются в неправильном «написании» последовательностей нуклеиновых кислот в процессе репликации. В ДНК заключаются четыре нуклеиновые кислоты – аденин, гуанин, цитозин и тимин, обозначающиеся буквами A, G, C и T. ДНК состоит из двух нитей, и каждой Т в одной нити соответствует А в другой. Точно так же каждая С в одной нити имеет парную G в другой нити. Однако, например, при высоком уровне ультрафиолетового излучения имеется вероятность выше среднего, что вместо совмещения Т с А энергия излучения вынудит Т совместиться с соседней Т в противоположной нити. И если такая мутация не будет исправлена, организм передаст ее следующим поколениям.

Могут случаться и другие типы однонуклеотидных мутаций, и большинство таких ошибок не оказывает фундаментального воздействия на способность клетки расти и размножаться. Как уже было сказано, ошибки подобного типа (нейтральные мутации) могут вести к отклонениям, но не наделяют организм какими-либо преимуществами или недостатками. У некоторых людей глаза голубые, а у некоторых карие, у одних волосы вьются, а у других прямые, у одних нос большой, у других маленький. Такие отклонения могут оказать лишь очень небольшое влияние на способность человека размножаться; они попросту присутствуют у данного индивида по причине незначительных генетических «ошибок», или отклонений, передающихся по наследству. Нейтральные мутации по определению не оказывают влияния на способность организма воспроизводиться и иметь жизнеспособное потомство; такие мутации просто передаются из поколения в поколение.

Тем не менее некоторые ошибки могут быть весьма пагубными. У людей встречается множество однонуклеотидных мутаций, которые могут приводить к очень серьезным и порой летальным заболеваниям, таким как муковисцидоз, гемофилия и болезнь Тея – Сакса. В подобных случаях носители мутации редко доживают до репродуктивного возраста или, если это случается, зачастую не способны размножаться. То же относится и к микроорганизмам: такие однонуклеотидные, или точечные, мутации, вызывающие, например, неспособность клетки производить белки, дышать или эффективно вырабатывать АТФ, неизбежно ведут к гибели этого организма. Они не передаются по наследству.

Помимо точечных мутаций нуклеотидов встречаются и другие виды ошибок. Иногда организмы ошибочно производят серийные копии генов (это называется тандемная дупликация), которые порождают пару повторяющих друг друга белков, слипающихся вместе. Такой процесс генной дупликации – нечто вроде сиамских близнецов, которых нельзя разделить, только на молекулярном уровне. В других случаях кусочки одного гена попадают в середину или в конец другого. Такие ошибки могут вести к изменению длины молекулы белка, однако если основной механизм остается работоспособным, гены для этого нового белка могут сохраняться. Во многих случаях такой тип мутации может привести к появлению новых функций данного гена.

Ошибки постоянно и спонтанно возникают во всех генах у всех организмов, и порой они оказываются благоприятными. Если ошибка позволяет организму обогнать других в соревновании по получению энергии или увеличению ареала обитания, при этом не мешая ему давать жизнеспособное потомство, говорят, что такой организм был наделен селективным преимуществом. Как оказывается, множество генов испытывают границы разнообразия посредством мутаций. Это означает, что множество таких весьма отличающихся друг от друга генов успешно передаются от поколения к поколению и сохраняются в потомстве при условии, что они дают организму преимущество или по меньшей мере не оказываются для него неблагоприятными.

Последствием всех этих постоянно случающихся ошибок явилось огромное число отклонений в генах, и почти все эти отклонения относятся к микроорганизмам. Вычислено, что в любой момент времени на Земле живет приблизительно 1000 000 000 000 000 000 000 000 (то есть 1024) микроорганизмов. Это невероятное количество самовоспроизводящихся организмов. Для сравнения скажу, что число существующих на настоящий момент микроорганизмов примерно в 100 000 раз превышает число всех звезд в видимой Вселенной. Каждый микроорганизм содержит в себе приблизительно 10 000 генов. Посредством технологий генного секвенирования и компьютерного анализа людям удалось идентифицировать более 25 миллионов существующих в природе генов, и каждый год добавляются миллионы новых. Мы не имеем представления о том, сколько генов существует на Земле, и, возможно, их число вообще не поддается вычислению, поскольку гены непрестанно изменяются. Оценка численности генов в чем-то сродни попытке сосчитать число капель дождя, ежедневно выпадающих на поверхность планеты. По наиболее правдоподобным оценкам, число генов составляет приблизительно от 60 до 100 миллионов.

Функция приблизительно 40 % генов, которые были идентифицированы, неизвестна. То, что они сохраняются в организме, с большой долей вероятности означает, что эти гены для чего-то используются – мы просто не знаем, для чего. Функции других 60 % предполагаются на основе их сходства с генами, действие которых было ранее идентифицировано в каком-либо организме. При классическом отборе по Дарвину каждый ген должен со временем случайным образом мутировать, оптимизируя свою функцию, чтобы организм – носитель этого гена мог более эффективно добывать ресурсы и размножаться. Однако на деле это работает не совсем так.

Не все гены созданы равными. Хотя большинство генов действительно мутируют, со временем постепенно изменяясь и накапливая отклонения между различными организмами, те гены, в которых закодированы очень узкоспециализированные компоненты ключевых наномеханизмов, вообще почти не меняются. Например, у фотосинтезирующих организмов различные белки, образующие основную структуру этого аппарата, должны соответствовать друг другу и работать вместе, а также удерживать другие компоненты в индивидуальных позициях и ориентациях, иначе аппарат не будет функционировать. Каждый из белков, составляющих основную структуру этого аппарата, закодирован в особом гене. Внимательное исследование этих генов обнаруживает, что они практически идентичны – от древнейших существующих организмов, выделяющих кислород в процессе фотосинтеза (цианобактерий), до лишь совсем недавно выведенных наземных растений. Собственно, один из важнейших белков, называемый D1, обнаруженный в фотосинтетическом реакционном центре, расщепляющем воду, на 86 % идентичен у всех производящих кислород фотосинтезирующих организмов. Это не означает, что при копировании генов для D1 не происходит ошибок, но это означает, что даже очень небольшие ошибки часто заканчиваются фатальным исходом для организма, наследующего мутировавшие гены. Отсутствие отклонений в генах, кодирующих информацию для этих наномеханизмов, указывает на наличие абсолютной необходимости того, чтобы эти белки формировались с высокой точностью, так, чтобы все части максимально соответствовали друг другу, иначе аппарат не будет функционировать так, как надо.

Многие из белков, формирующих структурные компоненты в ключевых механизмах, имеют сходные небольшие отклонения. Это относится к механизмам, ответственным за респирацию, за синтез белков, за производство АТФ, за связывание азота, выработку метана и так далее. По моей оценке, существует всего лишь около 1500 основных генов, требующихся для синтеза всех наномеханизмов в природе. Все они встречаются у микроорганизмов. Эта оценка может показаться довольно скромной; однако, даже если допустить, что она неверна на порядок, это будет означать, что из приблизительно 60–100 млн генов, встречающихся в природе, лишь 0,015–0,025 % содержат критическую для жизни информацию. Остальные 99,98 % генов связаны с функционированием конкретных организмов. Огромное большинство из этих 99,98 % генов не постоянны: у одних групп они могут эволюционировать, приобретая новые функции, у других – исчезнуть или же просто изменяться нейтральным порядком по мере развития организмов во времени. Тем не менее ключевые гены не могут быть потеряны или претерпеть значительные изменения. Если бы это случилось, это было бы катастрофой. В случае если в относительно скором времени не возникнет какого-либо механизма на замену, потеря такого ключевого гена потенциально может нарушить циркуляцию на планете нескольких важнейших элементов.

Ввиду того что гены, кодирующие части основных наномеханизмов, настолько строго охраняются, я называю их «застывшие метаболические случайности». Хотя эти гены могли появиться совсем для других целей или в сильно отличающихся обстоятельствах, они с тех пор передаются в практически неизменном виде от одного поколения микроорганизмов к другому и от одного микроорганизма к другому. Это не обязательно означает, что они совершенны, – просто они работают. А природа выработала несколько программ для сохранения генов, кодирующих ключевые механизмы, даже если эти механизмы не совершенны.

Часто встречается неверное представление об эволюции и оптимизации в природе. Идея состоит в том, что естественный отбор, действуя на протяжении миллионов лет, оптимизирует процессы, критические для выживания организма и его способности размножаться. Давайте рассмотрим эту основную идею на примере трех наномеханизмов.

Белок D1 в реакционном центре всех производящих кислород фотосинтезирующих организмов произошел от почти идентичного белка, найденного у пурпурных несерных фотосинтезирующих бактерий, которые не могут расщеплять воду, чтобы производить органические соединения. В отсутствие кислорода, и только при этом условии, эти пурпурные бактерии фотосинтезируют, но в качестве источника электронов и протонов они используют водород или углеводы. Эволюционный предок D1 у этих бактерий чрезвычайно стабилен, но во всех фотосинтезирующих организмах, вырабатывающих кислород, этот белок разрушается после того, как переработает около 10 тысяч электронов. «Разрушается» здесь означает не просто то, что он перестает функционировать, – он в буквальном смысле начинает распадаться на части. Этот процесс занимает около 30 минут.

Каково же было решение этой проблемы? Вместо того чтобы заново создавать в процессе эволюции новую версию белка D1, фотосинтезирующие организмы, расщепляющие воду, развили сложный механизм его восстановления. Этот восстанавливающий аппарат включает в себя распознавание поврежденного D1, удаление его из остального механизма, пока он еще находится в работе, и замену его новым белком, подходящим к тому месту, где находился поврежденный. Можно сравнить это с ситуацией, когда при каждой поездке на машине приходится брать с собой бригаду механиков, и через каждые 10 тысяч оборотов каждого колеса механикам приходится свешиваться наружу, чтобы выяснить, какая из шин повреждена, и потом заменять ее прямо во время движения. В случае с D1 это потребовало значительных эволюционных уловок. Однако это также позволило старому аппарату, унаследованному от пурпурных фотосинтезирующих бактерий, продолжать действовать в новых условиях – в присутствии кислорода.

Повреждение D1 вызывается присутствием определенных форм кислорода – тех, которым не хватает электронов, или, наоборот, тех, у которых их слишком много. Такие частицы кислорода – их называют активными – могут вызывать у белков большие повреждения, и в процессе эволюции возникли несколько ферментов, чтобы их детоксифицировать. Однако кислород и сам по себе также высокоактивен, в особенности когда вступает в контакт с наномеханизмами, содержащими железо. Одним из таких механизмов является фермент нитрогеназа, о котором мы уже говорили выше. Как и фотосинтетический аппарат, нитрогеназа несколько напоминает машину Руби Голдберга; она состоит из двух крупных белков, совместно поставляющих электроны и затем протоны к газообразному азоту. В отсутствие кислорода нитрогеназа функционирует вполне неплохо, однако при наличии кислорода атомы железа начинают «ржаветь», механизм перестает работать и вся система нуждается в замене. Можно было бы подумать, что по прошествии пары миллиардов лет, то есть с тех пор, когда на Земле появился кислород, природа должна была найти какой-то эволюционный способ, чтобы позволить нитрогеназе функционировать в присутствии кислорода, или, возможно, должен был появиться механизм другого типа, выполняющий ту же функцию. Однако ничего подобного не произошло.

Рис. 23. Изображение гетероцисты. В некоторых образующих нити видах цианобактерий (см., например, рис. 17, а), когда клетки начинают восстанавливать (связывать) атмосферный газообразный азот (N2) до аммония (NH4), они образуют особую клетку – гетероцисту, в которой отсутствует реакционный центр, испускающий кислород (фотосистема II). Нитрогеназа – фермент, отвечающий за связывание азота, – обнаруживается исключительно в гетероцистах, где она защищена от повреждения кислородом. Это один из самых ранних примеров дифференциации клеток в биологии. (Публикуется с разрешения Арнольда Тэйтона и Джеймса Голдена.)

В случае с нитрогеназой решением было физически отделить механизм от кислорода. В некоторых случаях клетки, содержащие фермент, были ограничены анаэробной средой; в других случаях развились специализированные клетки, которые были несколько менее проницаемы для кислорода, чем для азота (а это очень непросто, поскольку физический размер молекул этих газов практически одинаков). Еще в каких-то случаях были добавлены специальные процессы, поглощавшие или физически удалявшие кислород из аппарата нитрогеназы. Ни в одном из этих случаев решение нельзя назвать совершенным. В современных океанах в каждый отдельно взятый момент времени из-за кислорода бездействует около 30 % всей нитрогеназы. Это означает постоянное пополнение свалки использованных деталей, которые в конечном счете должны быть возвращены в оборот для производства новых наномеханизмов.

Последний пример еще более ошеломляющ. Он относится к очень старому наномеханизму – рубиско (акроним, образованный из названия рибулозобифосфаткарбоксилаза/оксигеназа). Рубиско представляет собой белковый комплекс, отвечающий за связывание углекислого газа во всех производящих кислород фотосинтезирующих организмах, а также у ряда других микроорганизмов, включая многих хемоавтотрофов. Иногда говорят, и не без основания, что рубиско – самый распространенный белок на планете; тем не менее, хотя он и отвечает за образование большей части клеточного вещества на Земле, это довольно неэффективный фермент.

Рубиско не так уж сложен, однако представляет собой большой белковый комплекс: он подразделяется на две подсистемы, которые должны работать вместе. Когда фермент работает как надо, он забирает углекислый газ, растворенный в воде, и присоединяет его к пятиуглеродному сахару, имеющему две фосфатные «рукоятки» (рибулозобифосфат), образуя две идентичные трехуглеродные молекулы. Этот процесс считается, хотя и небесспорно, самой важной биохимической реакцией на Земле. Это первый шаг, ведущий к фотосинтетическому образованию приблизительно 99 % органических соединений, от которых зависит вся остальная жизнь. Само существование всех животных, включая нас с вами, полностью зависит от рубиско.

Как и D1 с нитрогеназой, рубиско возник задолго до того, как в атмосфере нашей планеты появился кислород, но, кроме того, это произошло в те времена, когда концентрация углекислого газа была во много раз выше, нежели сейчас. В тех условиях рубиско функционировал вполне неплохо. В присутствии кислорода, однако, фермент часто ошибочно принимает его за углекислый газ, хотя это и довольно сложно себе представить, поскольку у этих двух молекул совершенно различная структура. Тем не менее, если рубиско допускает эту ошибку, он включает в свой состав кислород, вырабатывая бесполезный продукт. Такое случается примерно в 30 % случаев у всех растений и представляет собой напрасную трату большого количества энергии.

Подливает масла в огонь еще и то, что этот связывающий углерод наномеханизм работает очень, очень медленно. Каждая молекула рубиско выдает продукт всего лишь около пяти раз за секунду – примерно в 100 раз медленнее, чем большинство других ферментов в типичной фотосинтезирующей клетке. Даже наиболее эффективные, последние из появившихся в процессе эволюции аппараты рубиско очень неторопливы по сравнению со многими другими наномеханизмами клеток.

Можно было бы подумать, что, имея настолько медленный, неэффективный механизм и несколько сотен миллионов лет на его преобразование при помощи мутаций и последующего отбора, природа должна была изобрести более совершенную систему. Примечательно, однако, что этого так и не произошло. Хотя некоторые незначительные усовершенствования и имели место, основное решение оставалось тем же: клетки продолжали вырабатывать этот фермент. Это крупное капиталовложение для фотосинтезирующего организма. Для выработки рубиско требуется много азота, которому могло бы найтись лучшее применение. Так, новые клетки можно было бы строить гораздо быстрее, если бы не несовершенства наномеханизма, отвечающего за связывание углерода.

Принимая во внимание несовершенства этого и многих других ключевых аппаратов клетки, можно задаться вопросом, почему эти механизмы не эволюционировали, чтобы стать более эффективными. Почему гены, кодирующие эти «застывшие метаболические случайности», неспособны выработать более работоспособный аппарат? Ответ, судя по всему, достаточно прост и прямолинеен. В большинстве случаев наномеханизмы состоят из нескольких компонентов, действующих как единое целое, – это в буквальном смысле механизмы, которые физически двигаются. Движение и ориентация всего этого комплекса зависят от его отдельных компонентов. И если незначительные изменения в одной из частей могут никак не влиять на способность всего наномеханизма к движению, то крупные изменения в одном компоненте без одновременных изменений в других могут привести к потере возможности функционировать. В конечном счете решение, найденное природой, было аналогично тому, которое приняла компания Microsoft. Когда в Microsoft была разработана операционная система для компьютеров, программное обеспечение вполне подходило для первых машин, однако, по мере того как машины становились все сложнее, Microsoft добавлял все новые и новые апдейты, модифицирующие старую операционную систему, вместо того чтобы заново разрабатывать ее с нуля. Так же и природа, вместо того чтобы заново строить с нуля клеточные механизмы, пускает в оборот старые, слегка их модифицируя или разрабатывая набор новых компонентов, помогающих им функционировать в изменяющейся среде. По сути, природа так же добавляет новые «апдейты» к уже имеющимся механизмам.

В то время как гены, отвечающие за ключевые наномеханизмы, чрезвычайно консервативны, многие из остальных 99,98 % имеющихся в живых организмах генов обладают высокой изменчивостью. Это означает, что ключевые механизмы обнаруживаются у очень широкого круга организмов, зачастую имеющих очень отдаленных друг от друга эволюционных предков. Например, у микроорганизмов нитрогеназа найдена у множества групп бактерий и нескольких групп архей (но ни в одной из известных групп эукариотов). Точно так же рубиско найден у многих организмов, имеющих очень мало общего. Одна форма рубиско, превалирующая у бактерий, также была найдена у динофлагеллятов, являющихся водорослями-эукариотами, но у других эукариотов ее нет. На самом деле закономерности распределения большинства ключевых наномеханизмов на генеалогическом древе жизни зачастую непредсказуемы.

Рис. 24. Распределение генов нитрогеназы на генеалогическом древе жизни. Отметим, что закономерности этого распределения не коррелируют с происхождением видов от общего предка; фактически эти закономерности не так легко предсказуемы. Эти гены (как и многие другие) были получены посредством горизонтального переноса генов внутри домена бактерий и между бактериями и археями. В геномах эукариотических клеток азотфиксирующие гены найдены не были. (Публикуется с разрешения Эрика Бойда.)

Построение генеалогий живых организмов относительно нитрогеназы, рубиско и многих других ключевых генов ясно показывает, что дарвиновская модель эволюции по происхождению с вариациями здесь неприменима. Может быть, предложенная Дарвином концепция эволюции вообще неверна?

В эпоху все более быстродействующих, дешевых и качественных компьютерных технологий и генного секвенирования были проанализированы целые геномы тысяч микроорганизмов. Исследование распределения генов в геноме ясно показало, что многие гены не были унаследованы вертикально, то есть не получены от предыдущих поколений. Такой способ наследования называется горизонтальным (или латеральным) переносом генов. Горизонтальный перенос генов не является биологическим курьезом; у микроорганизмов это основной способ эволюции. Говоря попросту, гены, предварительно адаптированные посредством отбора в одном организме, могут каким-то образом передаваться другому, никак с ним не связанному организму без половой рекомбинации. По существу, это в какой-то мере тоже эволюция – организм, не имевший способности связывать азот, может приобрести азотфиксирующие гены из своего окружения – и вот в следующий момент он уже может связывать азот!

Горизонтальный перенос генов едва ли можно назвать постепенным. Наборы генов могут передаваться в микроорганическом мире за несколько десятилетий. На самом деле, этот процесс пугающе стремителен. Один из самых первых примеров горизонтального переноса генов был обнаружен в Японии, когда было замечено, что патогенные бактерии приобретают сопротивляемость антибиотикам гораздо быстрее, чем можно объяснить с помощью классической модели вертикального наследования. Когда эпоха генного секвенирования вступила в свои права, очень быстро выяснилось, что гены, отвечающие за сопротивление многим распространенным антибиотикам, распространены во всем микробиологическом мире. Было замечено также, что множество других генов находятся не на своем месте внутри генома. Два микроорганизма, которые, если судить по последовательностям нуклеиновых кислот в рибосомах, должны быть абсолютно идентичны, почти наверняка будут иметь различное расположение генов. Можно даже подумать, будто многие гены вставляются в геном в случайном порядке. Часто бывает так, что один или несколько генов оказываются посередине набора других генов, не имея очевидной связи с теми генами, что находятся спереди или сзади от них. Такие присоединенные гены зачастую бывают приобретены у совершенно постороннего организма посредством горизонтального переноса генов.

Полученные таким образом гены прошли предварительный процесс эволюции в других организмах, после чего были перенесены, словно трансплантируемый орган, пересаженный ничего не подозревающему новому владельцу, который даже не знал, что у него не хватает какого-то органа. Такие гены функционируют; это проверено. Они функционировали в организме, от которого были получены, на протяжении сотен тысяч (если не миллионов, а в некоторых случаях и миллиардов) лет. С ними не нужно долго возиться, чтобы заставить их работать. Если организм, непреднамеренно их получивший, в них не нуждается, они отбрасываются. Если они увеличивают функциональные возможности организма, он их использует. Таким образом, для микроорганизмов окружающая среда оказывается чем-то наподобие глобального генетического супермаркета: прошедшие предварительную адаптацию наборы генов доступны для любого организма, который может себе позволить их приобрести. Каждый из организмов так или иначе получал гены посредством горизонтального переноса, включая и нас с вами.

Каким же образом гены передаются от микроорганизма к микроорганизму?

Существуют три известных механизма, позволяющих генам передаваться по горизонтали, но как в точности они работают и является ли один из них более значительным, нежели другие два, остается неясным. Тот из механизмов, который проще всего описать, был открыт в начале 1940-х годов тремя американскими биохимиками и носит название трансформации. Он возмутительно прост: гены (или любая ДНК) попросту забираются организмом из окружающей среды. Немного времени – и новоприобретенные гены уже встроены в организм нового хозяина и передаются по наследству его потомкам. В то время как этот процесс работает в лаборатории (а эти эксперименты фактически подвели твердое основание для понимания того, что именно нуклеиновые кислоты, а не белки, содержат информацию о наследуемых признаках), остается неясным, откуда берется так много свободной ДНК в реальном мире. Ведь клетки не могут просто извергать из себя ДНК – для этого они должны погибнуть, и погибнуть таким образом, чтобы их ДНК перешла в окружающую среду неповрежденной. Что подводит нас к другому возможному механизму переноса генов по горизонтали.

Наиболее явными «торговыми агентами» чужеродных генов являются вирусы, которые могут быть самых различных форм и размеров. Многие из них выглядят как суперкрошечные шарики, созданные Бакминстером Фуллером, другие похожи на микроскопические лунные модули. Вне зависимости от их физической формы вирусы не являются живыми в традиционном смысле, то есть они не обмениваются с окружающей средой никакими газами, не имеют механизма для выработки собственной энергии и, самое главное, не могут самостоятельно воспроизводиться. У них нет ни АТФазы, ни рибосом, а следовательно, они не могут производить белки или что-либо другое без клетки-хозяина. Тем не менее вирусы переносят генетическую информацию в форме ДНК или иногда РНК, упакованной в белковую оболочку. На Земле существует невероятно огромное количество вирусов – в верхних слоях океана насчитывается несколько сотен миллионов вирусов на каждый миллилитр морской воды; это более чем в десять раз превышает количество всех бактерий и других микроорганизмов, вместе взятых.

Подавляющее большинство вирусов описаны не очень подробно, а в некоторых случаях, особенно для вирусов-переносчиков РНК, их генетическая информация меняется настолько быстро, что пытаться их описать для микробиолога – все равно что играть в «Прибей крота»: вирус, описанный вами на прошлой неделе, на этой зачастую оказывается уже совершенно другим вирусом. Если в прошлом году вам делали прививку от гриппа, скорее всего, это не означает, что сейчас вы защищены от болезни.

Рис. 25. Микрофотография морской вирусной частицы. Генетическая информация заключена в голове вируса, в то время как стебель используется для прикрепления к клетке-хозяину (например, бактерии). Вирус внедряет свой генетический материал в хозяина и с помощью его внутренних механизмов начинает воспроизводиться в больших количествах. Обратите внимание на то, что размер этой частицы приблизительно в десять раз меньше размера мельчайшей из цианобактерий (см. рис. 17, б). (Публикуется с разрешения Дженн Брам и Мэтью Салливана.)

Осуществляют ли вирусы перенос генов? В принципе, да, но большинство способны покрывать лишь короткие эволюционные расстояния. Вирусы прикрепляются к клеткам и внедряют в них свой генетический материал, но, как правило, их хозяева отбираются согласно довольно строгим требованиям. Вирусы распознают будущих хозяев по особым белкам на поверхности их клетки; найдя подходящего хозяина, они могут прикрепиться к нему и начать внедрять свою ДНК или РНК в его клетки. Став частью организма хозяина, этот генетический материал заимствует его наномеханизмы для производства белков и нуклеиновых кислот, чтобы создавать новые вирусы. В некоторых случаях вирус попросту продолжает вечно воспроизводиться в клетке хозяина – такой вирус становится частью генома этой клетки. Для людей вирусы такого типа могут означать полную катастрофу. Примерами таких нонлитических (поскольку они не вызывают лизиса, растворения клетки) вирусов могут служить ВИЧ и гепатит С. После поражения ими человека их уже почти невозможно удалить из генома.

В других случаях, однако, внедренная генетическая информация позволяет новым вирусам расти внутри клетки-хозяина до тех пор, пока они не достигнут определенного порога численности, после чего клетка-хозяин вскрывается, выпуская новые вирусы в окружающую среду. Такой сценарий «вторжения похитителей тел», довольно широко распространенный в микробиологическом мире, приводит к гибели многих микроорганизмов. Такие литические (поскольку приводят к лизису, растворению клетки) вирусы, как выясняется, также поражают людей – однако, как ни странно, они менее смертоносны для них, нежели вирусы, не убивающие клетки окончательно. Среди вирусов этого типа числятся возбудители обычной простуды. Лизис не ведет к непосредственной передаче генов новому хозяину, но позволяет клетке-хозяину выбрасывать свою генетическую информацию в окружающую среду, где она может быть подхвачена другими микроорганизмами, ищущими объедки в генетическом мусорном ведре.

Третий тип такого процесса называется конъюгацией – в этом случае микроорганизмы обмениваются ДНК путем прикрепления друг к другу и формирования моста между двумя клетками. Этот процесс происходит у микроорганизмов, тесно связанных друг с другом, но остается неясным, как и почему перенос генов может происходить также и у организмов, имеющих лишь отдаленную связь.

Вне зависимости от его механизма, горизонтальный перенос генов чрезвычайно затрудняет определение происхождения организмов в глубине времен, и, что даже еще важнее, из-за него концепция вида у микроорганизмов становится трудноопределимой, если не вообще несущественной.

Представьте себе, что вы хотите выяснить свою собственную родословную. Вы находите место рождения ваших родителей, затем отыскиваете их родителей и так далее. Однако вообразите, что тридцать или пятьдесят поколений назад гены, отвечающие за переработку углеводов, содержащихся в морских водорослях, были внедрены в микробиотическую среду в желудках ваших предков, поскольку им часто приходилось есть суши. Теперь вы лучше приспособлены к поглощению морских водорослей. Микроорганизмы в ваших внутренностях имеют новые гены, приобретенные от другого микроорганизма посредством горизонтального переноса генов. Такой с виду абсурдный сценарий порой действительно имеет место. Микроорганизмы в желудках японцев обладают генами, помогающими им переваривать морские водоросли; у микроорганизмов европейских желудков такие гены не обнаружены.

В океане существует множество вирусов, переносящих гены белка D1 в своем геноме, однако это не означает, что они эволюционируют до фотосинтезирующих организмов. Дело в том, что ген белка D1 содержит инструкции для быстрого воспроизведения. Вирусы пользуются этими инструкциями, чтобы с их помощью стремительно штамповать большое количество себе подобных в зараженной клетке хозяина. Однако время от времени копии гена D1 от одной цианобактерии находят у организма, лишь отдаленно с ней связанного. Скорее всего, они попали туда посредством вирусной инфекции.

На заре истории Земли, задолго до появления животных и растений, горизонтальный перенос генов среди микроорганизмов был основным механизмом, успешно переправлявшим гены через продолжительные отрезки геологического времени. Индивидуальные черты отдельных организмов не имеют значения, и путаница в генах для жизни на самом деле не так уж критична. До тех пор пока организмы переносят информацию, позволяющую энергии из внешнего мира преобразовываться в состояние, далекое от термодинамического равновесия, а клеткам размножаться, жизнь продолжается.

То, что ключевые гены оказались разбросаны как попало среди множества микроорганизмов, в других отношениях лишь отдаленно связанных между собой, позволило гарантировать, что заключенная в них информация сохранится хотя бы в одной клетке где-либо на пространстве Земли. Организмы недолговечны – можно сказать, несущественны, но про 1500 ключевых генов этого сказать нельзя. Эти вестники жизни передавались, словно эстафетная палочка; организмы проносили их через огромные пространства геологического времени и передавали новым организмам. Отдельные организмы могли перестать существовать, но до тех пор, пока они передавали свои ключевые гены каким-либо другим организмам, жизнь этих генов продолжалась.

Горизонтальный перенос генов, вероятно, имел большое значение для начального этапа эволюции многоклеточных организмов, таких как растения и животные, однако сейчас он не является основным эволюционным режимом. Если какие-то из генов, помогающих при переваривании суши, были проглочены вашими пра-пра-пра-пра-пра-… – родителями, встроены в их гены и перенесены в их яйцеклетки или сперму, весьма возможно, что и вы будете иметь гены от микроорганизмов, развивших у себя ген для переваривания суши. Однако этот сценарий появляется теперь не так уж часто. Ему препятствует половое размножение.

Из-за полового размножения горизонтальный перенос генов стал существенно менее распространен. Гены, полученные от других организмов, как правило, не попадают в наши репродуктивные клетки. Половое размножение не давало горизонтально перенесенным генам попадать в зародышевые клетки – клетки, создающие новые организмы в результате половой рекомбинации. Для большинства микроорганизмов вариант половой рекомбинации чаще всего не рассматривается; как правило, они размножаются путем «простого» деления клетки, и каждая образовавшаяся дочерняя клетка почти всегда является точной копией материнской. Половое размножение изменило такое положение вещей. Половое размножение смешивает гены двух родительских линий. Каждая новая клетка имеет новую комбинацию генов. Однако хотя половое размножение и позволило большую генетическую вариативность и стало доминирующим процессом в эволюции животных и растений, этот процесс не взялся невесть откуда за один день. Сначала было другое, более массированное вторжение похитителей тел. Эволюция эукариотов – это история горизонтального переноса генов в невероятном масштабе – в прямом смысле нашествие одного организма на другой. Давайте посмотрим, как это произошло.