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

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.

Последний общий предок всех живых организмов на Земле был, вероятно, куда проще E. coli. Сегодня каждый биологический вид на планете несет в себе некоторое количество уникальных генов, но существуют и гены, которые можно обнаружить у всех без исключения современных видов. Вероятно, эти универсальные гены — наследие последнего общего предка. Простой поиск универсальных генов дает короткий список, где их содержится всего лишь около двухсот. Вероятно, геном общего предка был длиннее, ведь в процессе эволюции много генов было утрачено. По оценке Христоса Узуниса и его коллег из Европейского института биоинформатики в Кембридже, полный геном общего предка содержал от 1000 до 1500 генов. Но даже если Узунис прав, у последнего общего предка всех живых существ было втрое или вчетверо меньше генов, чем имеет сегодня типичный штамм E. coli.

Последний общий предок не был единственным властелином древней Земли. Он делил планету с бессчетным количеством других микроорганизмов. Со временем, однако, все прочие ветви древа жизни высохли, и уцелела только одна — наша. Мир, где жили эти древние микроорганизмы, принципиально отличался от современного нам мира. Четыре миллиарда лет назад Землю то и дело сотрясали космические катастрофы — результаты ее столкновений с гигантскими астероидами и небольшими планетами. Во время некоторых из этих столкновений, возможно, на Земле выкипали даже океаны. Затем вода медленно возвращалась на поверхность планеты и вновь собиралась в моря; пока это происходило, жизнь пряталась в трещинах на океанском дне. Возможно, тот факт, что часть древнейших веточек на эволюционном дереве принадлежит теплолюбивым видам, обитающим в подводных гидротермальных источниках, — не просто совпадение.

Как только Земля стала более пригодной для жизни, потомки общего предка не замедлили по ней расселиться. Они распространились по морскому дну, образовали рифы и бактериальные маты[22]. Над морской гладью поднялись материки, и древние существа двинулись на сушу, формируя налеты и корки на камнях. Одновременно они брали на вооружение новые способы питания и роста. Некоторые бактерии и археи поглощали двуокись углерода и использовали в качестве источника энергии железо или другие химические вещества из глубоководных термальных источников. Именно они создали запас органического углерода, которым начали питаться другие микроорганизмы.

Не исключено, что от этих древних нахлебников и произошла E. coli. Ясно, что 3 млрд лет назад ее предки никак не могли жить внутри организма человека, да и никакого другого животного тоже. Данные о некоторых ближайших современных родичах E. coli (группа, известная под названием гамма — протеобактерии) позволяют сделать некоторые предположения о том, чем могли заниматься предки E. coli 3 млрд лет назад. Одни из них питаются нефтью, которая просачивается сквозь океанское дно. Другие живут на склонах подводных вулканов и приклеиваются к проплывающим мимо кусочкам белка, которые потом расщепляют. Возможно, E. coli получила свой обмен веществ в наследство именно от таких иждивенцев — добытчиков углерода.

Сложную общественную жизнь — привычку к формированию биопленок, применение колицинов в качестве биологического оружия и тому подобное — E. coli, вполне возможно, тоже унаследовала от свободноживущих морских предков. По крайней мере современные водные бактерии ведут исключительно активную общественную жизнь и гораздо чаще обитают в биопленках, нежели свободно плавают сами по себе.

Около 2,5 млрд лет назад предки E. coli сильно пострадали от катастрофы планетарного масштаба: в атмосфере Земли начал накапливаться кислород. Для нас кислород — необходимое условие жизни, но на древней Земле это был настоящий яд. Первоначально атмосфера планеты представляла собой густой туман из смеси разных молекул, включая и такой парниковый газ, как метан; его вырабатывали бактерии и археи. Свободный кислород был редок — отчасти потому, что его молекулы очень быстро вступали в реакцию с железом и другими элементами и образовывали новые молекулы. Жизнь сумела изменить химию планеты, когда некоторые из бактерий развили способность поглощать и использовать солнечный свет. Кислород у них возникал как побочный продукт реакции, и спустя 200 млн лет он начал накапливаться в атмосфере. Но кислород может быть смертелен для живых существ, которые не умеют себя защитить. Его атомная структура такова, что кислород способен вырывать атомы из других молекул и вступать с ними в связь. Возникающие при этом кислородосодержащие соединения могут натворить в клетке немало дел: они разрушают ДНК и другие попавшиеся на пути молекулы.