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.