Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Реконструкция древа жизни — того, на котором есть место и для E. coli, и для человека, и для всех остальных живых существ на Земле, — стала одной из величайших задач современной биологии. В 1837 г. Чарльз Дарвин нарисовал первую версию эволюционного древа. На страничке своей записной книжки он набросал несколько соединенных у основания ветвей и подписал у кончика каждой из них букву, обозначающую вид. А на самом верху странички написал: «Я думаю».

Тот факт, что разные виды происходят от одного общего предка, объясняет, почему они во многом так похожи друг на друга. Скажем, при всех огромных различиях между летучими мышами и человеком и мы, и они — теплокровные пятипалые млекопитающие. Сам Дарвин не пытался определить, в каких конкретно родственных отношениях состоят все ныне живущие виды, но через несколько лет после публикации «Происхождения видов» за это взялись другие натуралисты. Немецкий биолог Эрнст Геккель рисовал великолепные раскидистые деревья с изящными, одетыми в кору ветвями. Позже ученые обнаружили, что во многих отношениях эти изображения были точны. Но все дело портил колоссальный антропоцентризм Геккеля. Для него история жизни на Земле была в первую очередь историей нашего собственного вида. Его деревья чем‑то напоминали пластиковые новогодние елки: они представляли собой прямой вертикальный ствол, от которого во все стороны расходились ветки. Основание ствола Геккель подписал словом Moneran (им он обозначал бактерии и другие одноклеточные организмы). Выше по стволу располагались ветви, представляющие более близкие нам виды — губки, миноги, мыши. А на самой верхушке размещался, естественно, человек.

Отказаться от такого взгляда на жизнь было нелегко. Вероятно, именно ему мы обязаны решением разбить все живое на прокариоты и эукариоты, предположительно примитивные бактерии и развившиеся из них «продвинутые» виды, такие как Homo sapiens. Это глубоко неверная точка зрения. Эволюция жизни — не только движение от простого к сложному. E. coli, к примеру, — вид, замечательно приспособленный к жизни в организме теплокровных существ, которые появились на Земле на несколько миллиардов лет позже, чем возникла жизнь. Эти бактерии столь же современны, как и мы сами.

Потребовалось немало времени, чтобы в науке возобладал более точный образ эволюционного древа. Одним из серьезнейших препятствий было отсутствие информации о том, в каких именно родственных отношениях состоит E. coli с другими бактериями или другие бактерии с нами. Чтобы сравнить человека с летучей мышью, нам достаточно воспользоваться глазами и внимательно изучить с их помощью волосяной покров, пальцы и другие подробности нашей общей анатомии. Однако под микроскопом многие бактерии выглядят как неопределенного вида палочки или шарики. Иногда микробиологам приходилось классифицировать виды бактерий исключительно по тому, способны ли представители вида питаться определенными сахарами или какой цвет они приобретают при окрашивании фуксином. Только с зарождением молекулярной биологии ученые получили, наконец, инструменты, которые позволили им начать построение истинного древа жизни. Эксперименты на E. coli помогли понять, что все живые существа базируются на одном и том же генетическом коде и одинаково передают генетическую информацию своим потомкам. Эти общие черты унаследованы ими от общих предков.

В 1970–е гг. биолог из Университета Иллинойса в Урбана — Шампейн Карл Вёзе придумал, как можно использовать единство биохимических механизмов для построения древа жизни. Вёзе и его коллеги разобрали рибосому (фабрику по производству белка) на составные части и исследовали 16S рРНК (одну из основных молекул рибосомы). Происходило это задолго до того, как биологи научились легко читать последовательности нуклеотидов в РНК и ДНК. Вёзе с коллегами обошелся более простыми средствами: он разрезал 16S рРНК E. coli при помощи вирусного фермента. После этого он разрезал тот же участок рРНК у других микроорганизмов и проверил, насколько они похожи между собой. Выяснилось, что многие участки 16S рРНК у всех видов совершенно идентичны. Значит, эти участки молекулы не менялись миллиарды лет. Измененные же участки показывали, какие из видов связаны более близким родством, а какие — более далеким.

Полученные результаты были, конечно, довольно грубыми и предварительными; тем не менее их хватило, чтобы существовавший несколько десятков лет в микробиологии консенсус рассыпался в прах. Стандартная классификация многих групп бактерий оказалась ошибочной. Но самое поразительное заключалось в том, что, по данным Вёзе и его коллег, некоторые бактерии генетически стояли ближе к эукариотам, нежели к другим бактериям. Иными словами, они вовсе не были бактериями. Вёзе с коллегами объявили, что биологические виды делятся не на два основных надцарства (или домена — термин, введенный Вёзе), а на три; третий домен получил название Archaea, или археи.

«Мы впервые начинаем различать общую филогенетическую структуру живого мира», — объявили ученые.

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.