Наш последний общий предок
Казалось бы, достаточно найти те гены, которые являются общими для всех нынешних организмов, и это покажет нам, какими были гены «Луки». Увы, как чаще всего в науке, это далеко не так просто. Действительно, генетические исследования показывают, что все нынешние организмы имеют много общего. (Именно это позволяет построить вышеупомянутое «дерево жизни», но об этом - немного позже). Но слишком часто эта «общность» обманчива. Дело в том, что в живом мире (особенно в мире бактерий) существует особый способ изменения ДНК. Мы привыкли думать, что гены всегда передаются «сверху вниз», т.е. от родителей к потомкам. И если в ДНК половой клетки (яйцеклетки мамаши или сперматозоиде папаши) за время жизни родителей произошло какое-то изменение (мутация), то потомок получит от этого родителя слегка измененную ДНК. Но, например, бактерии (которые гораздо ближе к первым организмам, чем мы, млекопитающие) обладают способностью передавать свою ДНК не только своим потомкам, «вертикально», но также и друг другу, т.е. «горизонтально».
Правда, они передают таким манером лишь кусочки своих ДНК (т.н. плазмиды), которые содержат немногие гены, но такой горизонтальный перенос сильно осложняет выявление того, какие же гены у многих разных видов бактерий общие потому, что сохранились со времен общего предка, а какие общие лишь потому, что много позже получены от какой-то мутировавшей соседки. И вот тому красочный пример: у живущей в нашем организме бактерии E.coli, в просторечии - кишечной палочки, есть несколько родственных разновидностей, в частности К-12 (безвредная) и О157:Н7 (способная вызвать желудочно-кишечные расстройства). Казалось бы, поскольку это два варианта одного и того же вида бактерий, то и гены у них должны быть, хотя бы в основном, одинаковы. А вот результат геномного анализа: 1387 из 5416 генов O157:H7 (26%!) не обнаружены в K-12 и 528 из 4405 генов K-12 (12%) не представлены в геноме O157:H7.
Иными словами, существенную долю своих генов эти две разновидности получили откуда-то извне, уже после того, как они слегка разошлись друг от друга. А вот другое сравнение: генома кишечной палочки К-12 с геномом сальмонеллы - показало, что за те 100 млн лет, которые прошли со времени разделения общего предка этих бактерий на две разные видовые линии, К-2 успела собрать из разных источников 17% генов, которых нет у сальмонеллы.
Конечно, сравнивая таких «родственников», как человек и шимпанзе, ученые практически не видят подобных различий (горизонтальный перенос генов случается тем реже, чем сложнее организмы), но для того, чтобы запутать вопрос о генах «Луки», достаточно и бактерий с их массовым горизонтальным переносом – ведь именно они составляли все живое на протяжении 2-3 миллиардов лет эволюции, между «Лукой» и первыми многоклеточными организмами.
К счастью, такой горизонтальный перенос того или иного гена вряд ли способен затронуть всю популяцию. Иными словами, такие гены не являются подлинно «универсальными», присущими, скажем, всем современным бактериям вообще. Поэтому, имея достаточное число расшифрованных ДНК разных организмов и сравнивая их друг с другом, ученые могут, в конце концов обнаружить, что тот или иной ген на самом деле не универсален (поскольку наличествует не у всех организмов).
Но такое «опознание» затруднено другим обстоятельством, а именно – явлением утраты генов. Среди всякого рода мутаций бывают т.н. «делеции», т.е. утраты гена (они, как правило, вызываются ошибками в воспроизведении ДНК при делении наследственной, т.е. половой, клетки). Это очень важные мутации. Чаще всего они ведут к гибели или тяжелой дефектности организма, но бывают случаи, когда они безвредны или даже в чем-то благодетельны. Есть, например, данные, что делеция человеческого гена, отвечающего за белок вида CCR5-δ32, приводит к невосприимчивости обладателя этой делеции к ВИЧ, т.е. к вирусу СПИДа. Предполагается, что эта мутация возникла примерно две с половиной тысячи лет назад и со временем распространилась по всей Европе. В результате, сегодня к ВИЧ устойчиво в среднем 10% европейцев (среди финнов и русских целых 16 %, зато в Сардинии — всего 4%). А исследования американских ученых (McLean et al., Nature, March 2011) показали, что некоторые делеции (произошедшие именно в универсальных участках ДНК) привели к анатомическим и поведенческим различиям между близкородственными видами – например, людьми, шимпанзе и другими млекопитающими.
Другой близкий нам пример утраты генов – наши митохондрии. Так называются небольшие органеллы подозрительно бактериального вида внутри всех наших клеток (и клеток всех других организмов тоже, вплоть до водорослей и протистов). Они заведуют в клетках выработкой необходимой для жизни энергии, и потому их в каждой клетке очень много (у некоторых водорослей – сотни тысяч, у млекопитающих тысячи). Каждая из них содержит несколько десятков генов (одинаковых у всех митохондрий), и поэтому предполагается, что это потомки одной и той же бактерии, когда-то вошедшей во взаимовыгодный симбиоз с более сложной клеткой-эукариотой (т.е. имевшей ядро со своими ДНК). Поскольку это было на заре эволюции, исходная бактерия наверняка имела много древних генов, и то, что сейчас в митохондриях остались лишь десятки, говорит об утрате многих из них.
Понятно, что утрата генов, история которых восходит, быть может, к самому «Луке», может существенно повлиять на представления ученых о том, какие же гены в действительности были у «Луки». Но, к счастью, развитие методов сравнительной геномики достигло сегодня такого уровня, на котором уже можно в определенной мере восстановить истинную картину – какие гены «пропали по дороге», а какие по той же дороге приобретены (и выдают себя за «универсальные», т.е. идущие от самого «Луки»). Тем не менее, возможность ошибок все же существует, и это нужно иметь в виду, переходя к результатам группы профессора Мартина.
Если говорить коротко, то эта группа перебрала 6 миллионов (!) генов, найденных на нынешний день у самых разных организмов, и выделила из них 355, которые с большой вероятностью могли принадлежать «Луке». (Интересно, что группа Крэга Вентера создала недавно клетку с минимальным геномом, имеющим 473 гена, но при этом 145 оказались вроде бы «лишними» для жизни, так что подлинно минимальное число Вентера близко к тому, что нашла группа Мартина).
Результат Мартина, конечно, не доказывает, что у «Луки» не было других генов. Чем же тогда важна эта работа? – вправе спросить вы. Ответ прост: примерное знание генома «Луки» позволяет сказать, какие биохимические процессы в нем происходили (грубо говоря – что во что превращалось). А это, в свою очередь, позволяет судить, в какой среде он жил. А это, в свой черед, позволяет выдвигать более обоснованные догадки, в каких условиях могла зародиться земная жизнь, А это, наконец, заметно продвигает науку к ответу на вопрос, может ли существовать жизнь на других планетах.
Споры об этом идут уже давно и, как видите, весьма зависят от того, где зародилась земная жизнь. Дарвин, например, считал, что в «мелкой теплой луже», где есть тепло (для движения молекул), есть вода (в которой они могут двигаться и встречаться), и есть малый объем (что повышает вероятность их встречи и сцепления). Выдвигалась также гипотеза, что жизнь возникла в тонкой водной пленке на поверхности минералов, которые задавали молекулам пути сближения и удерживали получившиеся комплексы от распада. В последнее время появилась третья гипотеза, по которой жизнь зародилась вблизи глубоководных термических скважин на дне океана, где есть высокая температура, много химических веществ и прочих ингридиентов, необходимых для появления первых биологических молекул (будь то ДНК, РНК или белки), а на их основе – первых живых организмов, вплоть до «Луки».
В чью же сторону указали результаты группы Мартина?
Эти результаты показали, что среда, в которой жил «Лука», не содержала кислорода, а необходимую энергию он черпал, по всей видимости, из переработки водорода. Зато в этой среде было много углекислого газа и азота, которые поставляли «Луке» атомы для построения своих клеточных структур, и много железа, которое в отсутствие кислорода не окислялось, а оставалось свободным и входило с состав многих белков-ферментов, которые делали возможными биохимические процессы внутри «Луки». Некоторые гены «Луки», найденные группой Мартина, были предназначены, по мнению авторов, для выживания условиях повышенной температуры. (Кстати, ближе всего к этому «портрету» нашего общего предка являются сегодняшние бактерии типа Клостридий и археи типа Метаногенов).
В целом, как считает Мартин, среда, в которой жил «Лука», геохимически сходна более всего со средой вблизи современных глубоководных скважин или горячих источников. Но было бы преждевременно думать, что это окончательный вердикт науки. Выводы Мартина были тут же оспорены другими специалистами по «Луке», которые считают эти выводы неоднозначными и продолжают утверждать, что жизнь все-таки возникла на суше, потому что в толще воды все химические вещества находятся в состоянии большого разведения.
Еще больше критики вызвало другое утверждение Мартина – будто «Лука», каким он вырисовался из его исследований, был очень близок к началу жизни вообще. «У него было так мало генов. – заявляет Мартин, - что он был жив лишь наполовину - добрая половина его жизненных процессов происходила вне его клетки, т.е. в окружающей среде». Другие биологи считают, однако, что мартиновский «Лука» был уже весьма сложным организмом. Они указывают, что из данных самого Мартина следует, что «Лука» уже умел производить нужные ему белки. Как выразился один из критиков, «сказать, что он был «наполовину жив», потому что зависел от окружающей среды, все равно что сказать, будто мы наполовину живы, потому что зависим от наших супермаркетов». Так что в целом можно заключить, что результаты группы Мартина, несомненно продвинув представления науки о «Луке», лишь перевели на новый уровень прежние споры об этом нашем общем предке.
Рафаил Нудельман
"Окна", 24.11. 2016