Читать интересную книгу Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции - Ник Лейн

Среди бактерий наблюдается глубокий раскол. Об огромном значении этого раскола для нашей собственной эволюции мы поговорим в главе 4, а пока ограничимся выводами, которые он позволяет сделать о возникновении ДНК и которые тоже достаточно глубоки. Речь идет о разделении бактерий на эубактерий (греческая приставка эу- означает “настоящий”) и еще одну группу, на первый взгляд мало чем отличающуюся от первой. Эту вторую группу называют архебактериями, или просто археями. Своим названием они обязаны идее, что это наиболее архаичная, то есть древняя группа, хотя сегодня мало кто думает, что они сколько-нибудь древнее настоящих бактерий.

Более того, вполне возможно, что по прихоти судьбы и бактерии, и археи возникли в одной и той же “трубе” гидротермального источника. Мало чем еще можно объяснить тот факт, что у них полностью совпадает генетический код, как и многие другие особенности синтеза белков. При этом воспроизводить свою ДНК они, похоже, научились лишь впоследствии, совершенно независимо друг от друга. Хотя сама ДНК и генетический код, несомненно, возникли лишь однажды, репликация ДНК (механизм, обеспечивающий передачу наследственной информации у всех органических клеток), судя по всему, выработалась в ходе эволюции дважды.

Если бы автором этой идеи был не столь большой ученый, как Евгений (Юджин) Кунин, дотошный и проницательный специалист российского происхождения, занимающийся вычислительной геномикой в Национальных институтах здравоохранения США, она вызывала бы у меня серьезные сомнения. Но Кунин и его коллеги не ставили перед собой задачу найти подтверждение некоей смелой концепции. Они пришли к этому выводу в ходе методичного исследования репликации ДНК у бактерий и архей. Подробно сравнивая последовательности множества генов, они установили, что механизмы синтеза белка у бактерий и архей во многом совпадают. Это относится, например, к принципиальному механизму транскрипции последовательности с ДНК на РНК, а затем ее трансляции с РНК на белок. У бактерий и архей в этих процессах участвуют ферменты, которые (судя по последовательностям кодирующих их генов) явно были унаследованы от общего предка. Но это отнюдь не относится к ферментам, необходимым для репликации ДНК. Между большинством их у бактерий и архей нет ровным счетом ничего общего. Это странное положение дел можно было бы объяснять очень сильным эволюционным расхождением, но тогда возникает вопрос, почему такое расхождение не привело к столь же радикальному несходству механизмов транскрипции и трансляции? Простейшим объяснением наблюдаемой ситуации и будет смелое предположение, выдвинутое Куниным: репликация ДНК возникла в ходе эволюции дважды: один раз у архей и один раз у бактерий8.

Подобное утверждение многим могло бы показаться возмутительным, но для блистательного и въедливого техасца, работающего в Германии, это было именно то, что доктор прописал.

Биохимик Билл Мартин, с которым мы познакомились в главе 1, уже объединял усилия с Майком Расселом для изучения возможности зарождения биохимии в гидротермальных источниках. Бросая вызов общепризнанным истинам, в 2003 году они выдвинули собственное предположение: что общий предок бактерий и архей вообще не был свободноживущим организмом, а был особого рода репликатором, заключенным в пористом минерале, еще не вырвавшимся из плена неорганических клеток, пронизывающих трубы гидротермальных источников. В подтверждение своей версии Мартин и Рассел составили список других глубочайших различий бактерий и архей. В частности, у них совершенно разные клеточные мембраны и стенки, что заставляет предположить независимый выход этих двух групп на свободу из одних и тех же минеральных клеток. Многие сочли эту идею слишком смелой, но Кунин считает, что она прекрасно согласуется с его наблюдениями.

Вскоре Мартин и Кунин вместе занялись проблемой происхождения генов и геномов в гидротермальных источниках и в 2005 году опубликовали интереснейшую работу, в которой изложили свои мысли об этом предмете. Они предположили, что “жизненный цикл” минеральных клеток мог напоминать цикл современных ретровирусов, таких как ВИЧ. У ретровирусов крошечный геном, который записан не в ДНК, а в РНК. Проникнув в клетку, ретровирус копирует свою РНК на ДНК с помощью фермента, который называют обратной транскриптазой. Вначале эта новая ДНК встраивается в геном зараженной клетки, а затем считывается оттуда наряду с собственными генами хозяина. В итоге, когда вирус образует многочисленные копии самого себя, он работает с ДНК, но передавая наследственную информацию следующему поколению, он снова записывает ее на РНК. Примечательно, что такие вирусы не умеют реплицировать ДНК. Процедура ее репликации в целом довольно сложна и требует участия целого ряда разных ферментов.

Такой жизненный цикл имеет и свои достоинства, и свои недостатки. Главное его достоинство - скорость. Используя в своих целях имеющийся в клетке аппарат транскрипции с ДНК на РНК и трансляции с РНК на белки, ретровирусы обходятся без большого числа генов и тем самым экономят немало времени и ресурсов. Главный же недостаток состоит в том, что существование таких вирусов целиком и полностью зависит от “соответствующих” клеток. Другой, не столь очевидный недостаток заключается в том, что РНК как хранилище информации сильно уступает ДНК. Молекулам РНК свойственна меньшая химическая стойкость, то есть более высокая химическая активность, чем молекулам ДНК. Именно за счет этого РНК катализирует биохимические реакции. Но высокая химическая активность означает, что большие РНК-геномы нестойки и легко разваливаются. Из-за этого их максимально возможный размер намного меньше, чем требуется для независимого существования. Ретровирусы уже близки по сложности к уровню, предельному для жизненных форм с РНК-геномом.

Но только не для минеральных клеток. У минеральных клеток есть два преимущества, позволяющие этой жизненной форме достигать в ходе эволюции и более высоких уровней сложности. Первое состоит в том, что в щелочных гидротермальных источниках многие вещи, необходимые для независимого существования, имеются в свободном доступе. Это очень упрощало жизнь обитателям таких источников: у постоянно нарастающих минеральных клеток уже были и оболочки, и источник энергии, и многое другое. Поэтому в некотором смысле самореплицирующиеся РНК, колонизовавшие такие клетки, уже были вирусными. Второе преимущество состоит в том, что молекулы РНК в этих “стаях” могли постоянно перемешиваться в связанных между собой клетках, и отбор мог поддерживать те их группы, у которых лучше получалось “сотрудничать”, если они могли вместе распространяться, колонизуя новообразованные клетки.

Поэтому Мартин и Кунин предположили, что в минеральных клетках могли возникнуть целые популяции сотрудничающих друг с другом молекул РНК, каждая из которых кодировала небольшое число близких генов. Разумеется, у такой системы есть и существенный недостаток: популяции РНК легко смешивались бы друг с другом, образуя новые, часто неудачные комбинации. Минеральная клетка, которой удалось бы сплотить свой “геном”, синтезировав на основе группы сотрудничающих молекул РНК одну молекулу ДНК, тем самым сохранила бы все накопленные преимущества. Механизм ее самовоспроизводства напоминал бы механизм воспроизводства ретровирусов: с ее ДНК транскрибировалась бы стайка РНК, которые заражали бы соседние клетки, передавая им ту же способность хранить информацию в надежном ДНК-банке. Каждая новая волна РНК выдавалась бы уже этим банком, а значит, была бы лучше защищена от возможных ошибок.

Насколько сложно было бы минеральным клеткам “изобрести” ДНК в таких условиях? Возможно, не так уж сложно, во всяком случае гораздо проще, чем изобрести целую систему для репликации ДНК (а не РНК). Между РНК и ДНК есть лишь два крошечных химических различия, но вместе они составляют огромную структурную разницу - разницу между свернутыми каталитическими молекулами РНК и классической двойной спиралью ДНК (что, кстати, предположили еще Уотсон и Крик в своей первой публикации 1953 года)9. Мало что могло помешать соответствующим крошечным изменениям происходить в гидротермальных источниках почти самопроизвольно. Первое из них - это удаление из РНК (рибонуклеиновой кислоты) единственного атома кислорода, в результате чего получается дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Механизм, с помощью которого эта реакция осуществляется сегодня, по-прежнему включает химически активные посредники (свободные радикалы) того же рода, что встречаются в щелочных источниках.

Второе изменение - это добавление метальной группы атомов (СН3) к входящему в состав РНК азотистому основанию урацилу, из которого при этом получается входящий в состав ДНК тимин. Метильные группы в виде свободных радикалов образуются, в свою очередь, из осколков молекул метана, в изобилии имеющихся в щелочных источниках.