Революция Карла Вёзе

Эта картина демонстрирует весьма непривычные связи. Животные оказываются близкими родственниками грибов – обе группы принадлежат к суперсемейству Опистоконтов. Вредитель картофеля Фитофтора – вовсе не грибок, как раньше считалось, а родственник гигантской водоросли-ламинарии из суперсемейства Археопластидов. И так далее. А если вы хотите узнать, где находимся мы, люди, то приглядитесь еще раз внимательно к картинке – наше место помечено на ней маленькой красной стрелочкой внизу слева. Мы - Билатерия, группа, зажатая между Пориферой (губками) и Стеноферойа (амебами), в том же суперсемействе Опистоконтов.

Мы не привыкли к таким картинкам. Нам трудно вообще назвать этот бублик «деревом», тем более, «Деревом жизни». «Дерево жизни», каким нам его рисовали в школе, было похоже на настоящие деревья: у него был ствол, который, начиная с какой-то высоты (с какого-то момента эволюции) разветвлялся на несколько толстых ветвей, те затем ветвились все дальше и дальше, и где-то на самом верху находились мы, их величество Гомо сапиенс, самое сложное живое существо на Земле, вершина эволюции. Вся эта картина подъема и ветвления жизни основывалась на степени «сложности» организмов, определяемой путем сравнения их анатомии, устройства нервной системы и некоторых других признаков. Так это повелось со времен Дарвина.

Вообще-то деревья жизни рисовали и до Дарвина, потому что попытками биологической таксономии (т.е. группировки и классификации родственных живых организмов) первым занялся - еще в 1735 году - шведский ботаник Карл Линней. Этот Карл, недолго думая, разделил всю природу на три «царства»: камни, растения и животные. Последующие классификаторы отставили «камни» в сторонку и занялись чисто живой природой. Первое нечто, похожее на дерево, точнее – на два дерева: для животных и растений, - нарисовал Ламарк; эти стволы у него поднимались от червей и водорослей до нынешних животных и растений, но поднимались не в силу происхождения одного от другого, а только по степени сложности, какой ее представляли себе тогда биологи. За Ламарком последовали все более и более сложные «деревья жизни» - Хичкока (1840), Чамберса (1844) и Бонна (1858), - на которых уже появились веточки, представлявшие происхождение одних видов из других. Но только Дарвин в своей книге «Происхождение видов» (1859) впервые дал, наконец, всем этим картинкам толкование как «Дерева Эволюции»:

«Сродство всех организмов одного класса, - писал он в 4-й главе своей книги, - иногда представляют в виде большого дерева. Я думаю, что это отражает истину. Зеленые пробивающиеся отростки представляют собой существующие виды, а те веточки, что рождались во все предшествующие годы, соответствуют длинной цепи вымерших видов».

С тех пор прошло свыше 150-ти лет, и на помощь сравнительной анатомии пришла могучая наука сравнительная геномика. Это она позволила нарисовать тот бублик, который мы выше назвали «современным деревом жизни». Теперь виды сравниваются по генам, а возраст генов определяется по числу видов, их имеющих (чем больше видов имеют данный ген, тем, значит, раньше он возник), а также по числу мутаций в них. Впрочем, на самом деле это не так просто, как я сказал, потому что гены иногда возникают, иногда «сплавляются» воедино из разных других, а кроме того зачастую объединяются в родственные группы и порой превращаются в т.н. «псевдогены». Но ученые уже научились разгадывать эти хитрости природы. Главная трудность при построении современного дерева жизни оказалась в другом. Вот как ее охарактеризовал один из крупнейших в мире специалистов по сравнительной геномике американский ученый Евгений Кунин:

«[Сегодня] приверженность эволюционной биологии дереву жизни как единому, окончательному представлению об истории форм жизни на Земле уступает место плюралистической картине, в которой разнообразные сетевые процессы дополняют древовидные процессы генной эволюции. <...> В первом приближении можно сказать, что в наших представлениях об истории жизни “дерево жизни” уступило место “паутине жизни”».

Этому поистине революционному переходу от одной картины эволюции к другой современная биология обязана одному человеку - американскому биологу Карлу Вёзе. Некоторые называют его «биологическим Эйнштейном». Интересно, однако, что начинал он не с биологии – университет Вёзе окончил по физическому отделению. Лишь несколько позже, уже в аспирантуре, он специализировался по биофизике. Свою диссертацию он защитил в 1953 году, а начал работать как микробиолог в Иллинойском университете в 1960-е годы, вскоре после того, как Уотсон и Крик получили Нобелевскую премию за открытие двуспиральной структуры молекулы ДНК. Познакомившись с этими работами, Вёзе пришел к выводу, что именно анализ генов этой ДНК сможет объяснить скрытые родственные связи между организмами разных видов. Он писал Крику: «Это может быть сделано путем поиска исходных структур для генов множества различных организмов. Выявление той структуры, которую имели гены древнейшего предка этих организмов, позволит затем выявить ход их эволюции».

Вёзе рассуждал так: если все организмы произошли от какого-то общего предка, то у всех у них должен сохраниться какой-то ген (или несколько генов), которые были присущи этому их общему предку. Конечно, за прошедшее время структура этого гена не раз менялась за счет мутаций, причем у разных организмов по-разному, и потому сегодня этот ген у разных видов будет слегка различным, но если найти ген, который меняется (мутирует) достаточно медленно, то даже за миллиарды лет таких различий успеет накопиться не так уж много, чтобы мы не смогли угадать общее за индивидуальными видовыми оттенками.

Трудность состояла в нахождении такого гена, и Вёзе ее блестяще преодолел. Он решил изучать ген, который производит одну из составных частей т.н. рибосомы. Многочисленные клеточные рибосомы – это тот конвейер, на котором клетки производят нужные им белки, и поскольку белки нужны всем организмам, рибосомы есть у всех, вплоть до мельчайших (кроме вирусов, которые сами белки не строят). Каждая рибосома содержит несколько видов молекул РНК разной длины. Самая короткая – 5S рРНК - имеет всего 120 звеньев, поэтому ее могли радикально изменить даже те немногие мутации, которые произошли в ней за время эволюции земной жизни. Самая длинная - 23S рРНК содержит 2300 звеньев, поэтому изучать ее состав в клетках разных организмов теми методами, которые существовали в 1960-70-е гг., было затруднительно.

Поэтому Вёзе остановился на молекуле 16S рРНК для клеток –эукариот и аналогичной ей 18S рРНК – для клеток-прокариот. Оказалось, что этот выбор был весьма удачен еще и потому, что молекула 16S имеет две части – очень-очень медленно меняющуюся (так медленно, что у современных людей она все еще наполовину идентична той, что у бактерий), и меняющуюся много быстрее (что позволяло более подробно проследить расхождение видов в последние миллионы лет).

Каждую такую 16S, полученную из клеток того или иного организма, нужно было секвенировать (т.н. найти последовательность ее звеньев), и это был тяжелейший труд; достаточно сказать, что полная расшифровка одной такой молекулы занимала месяцы. Я не буду вдаваться в технические детали и перейду к главному. Главное произошло в 1976 году, когда Вёзе и его помощник Фокс перешли к изучению рРНК у особой формы прокариотов – т.н. метаногенов. Эти одноклеточные анаэробны, кислород для них токсичен и поэтому при разложении пищи они пользуются метаном. Если учесть, что кислород появился на Земле много позже метана, то можно заключить, что нынешние метаногены – потомки очень-очень древних организмов. Изучая мутаногены, Вёзе и Фокс обнаружили, что их рРНК резко отлична от рРНК всех бактерий, зато загадочно близка к рРНК у эукариотов. Эти анаэробы к тому же не имели в клеточной оболочке некого белка, которые имеют все бактерии. Двигаясь дальше, Вёзе и Фокс впервые в науке обнаружили и другие прокариоты с такими же особенностями: галофилы, живущие в солёных средах, термоплазмы, предпочитающие высокую температуру, и сульфолобусы, которым по душе повышенное содержание серы.

Все эти виды объединяла не только одинаковая структура гена 18S рРНК, но и одинаковый способ переработки пищи и одинаковый белково-жировой состав клеточной мембраны (отличный от бактериального, но близкий к эукариотному), а также, как видим, способность жить в экстремальных физико-химических условиях.

Дальнейший анализ привел Вёзе к выводу, что эти прокариоты-археи (как он их назвал) представляют собой ранее неизвестную форму жизни, характерную, судя по экстремальным условиям их жизни, для древнейших этапов эволюции. Это означало, что последний общий предок нынешних организмов дал начало не бактериям и простейшим эукариотам, как ранее считалось, а двум ветвям прокариотов – бактериям и археям. Лишь много позже одна из комбинаций каких-то двух архей или какой-то археи с какой-то бактерией стала первой эукариотой, которая дала начало т.н. протистам, этим простейшим эукариотным видам.

Таким образом, «дерево жизни», по Вёзе, обрело иной вид, чем у Дарвина и его продолжателей. Теперь оно выглядело, грубо говоря, так

Размышления над особенностями этого «странного нового мира» архей и бактерий привели Вёзе к еще более революционной идее. Он выдвинул предположение, что эволюция геномов, которая у животных и растений происходит с помощью полового размножения, на ранних этапах, у бактерий и архей (а, может быть, и еще до них), происходила, в основном, путем простой передачи генов от любого прокариота к любому другому. Это принципиально меняет всю метафору «дерева жизни». Действительно, при половом размножении каждый новый вид происходит как бы «из предыдущего», является продолжением некой «веточки» (вспомним слова Дарвина). Но когда организмы могут просто обмениваться генами, их родственные связи образуют густую сетку горизонтальных линий («паутина» Кунина), в которой нельзя сказать, кто был раньше, а кто позже. Если горизонтальный перенос генов является доминирующим способом эволюции на ее первом этапе, то никакого «дерева» построить нельзя. Зато это дает организмам неизмеримо большее генетическое разнообразие, и поэтому, заключил Вёзе, прокариотов должно быть неизмеримо больше, чем эукариотов (особенно многоклеточных эукариотов, размножающихся только половым путем). Как сказал по этому поводу один из биологов, «благодаря Вёзе, мы теперь понимаем, что не многоклеточные, а микробы составляют основное население дерева жизни, а все растения и животные –всего лишь одна боковая веточка этого дерева».

Революционные взгляды Вёзе встретили яростное сопротивление многих биологов. И все-таки они восторжествовали, поскольку были подтверждены результатами последующих исследований архей и бактерий. Их подтвердили также многократные экспедиции, в ходе которых в глубинах океанов были найдены обломки ДНК тысяч ранее неизвестных науке прокариотов. И, наконец, они были блестяще подтверждены новейшими генетическими исследованиями, завершившимися «эпохальной», по мнению многих специалистов, работой группы Бэнфилд, с которой мы начали этот рассказ, и которая наглядно показала то, о чем говорил Вёзе: родственность архей и эукариотов и огромное преобладание архей и бактерий над многоклеточными эукариотами.

Рафаил Нудельман
"Окна", 8.12.2016