Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым
Каким же образом гены передаются от микроорганизма к микроорганизму?
Существуют три известных механизма, позволяющих генам передаваться по горизонтали, но как в точности они работают и является ли один из них более значительным, нежели другие два, остается неясным. Тот из механизмов, который проще всего описать, был открыт в начале 1940-х годов тремя американскими биохимиками и носит название трансформации. Он возмутительно прост: гены (или любая ДНК) попросту забираются организмом из окружающей среды. Немного времени – и новоприобретенные гены уже встроены в организм нового хозяина и передаются по наследству его потомкам. В то время как этот процесс работает в лаборатории (а эти эксперименты фактически подвели твердое основание для понимания того, что именно нуклеиновые кислоты, а не белки, содержат информацию о наследуемых признаках), остается неясным, откуда берется так много свободной ДНК в реальном мире. Ведь клетки не могут просто извергать из себя ДНК – для этого они должны погибнуть, и погибнуть таким образом, чтобы их ДНК перешла в окружающую среду неповрежденной. Что подводит нас к другому возможному механизму переноса генов по горизонтали.
Наиболее явными «торговыми агентами» чужеродных генов являются вирусы, которые могут быть самых различных форм и размеров. Многие из них выглядят как суперкрошечные шарики, созданные Бакминстером Фуллером, другие похожи на микроскопические лунные модули. Вне зависимости от их физической формы вирусы не являются живыми в традиционном смысле, то есть они не обмениваются с окружающей средой никакими газами, не имеют механизма для выработки собственной энергии и, самое главное, не могут самостоятельно воспроизводиться. У них нет ни АТФазы, ни рибосом, а следовательно, они не могут производить белки или что-либо другое без клетки-хозяина. Тем не менее вирусы переносят генетическую информацию в форме ДНК или иногда РНК, упакованной в белковую оболочку. На Земле существует невероятно огромное количество вирусов – в верхних слоях океана насчитывается несколько сотен миллионов вирусов на каждый миллилитр морской воды; это более чем в десять раз превышает количество всех бактерий и других микроорганизмов, вместе взятых.
Подавляющее большинство вирусов описаны не очень подробно, а в некоторых случаях, особенно для вирусов-переносчиков РНК, их генетическая информация меняется настолько быстро, что пытаться их описать для микробиолога – все равно что играть в «Прибей крота»: вирус, описанный вами на прошлой неделе, на этой зачастую оказывается уже совершенно другим вирусом. Если в прошлом году вам делали прививку от гриппа, скорее всего, это не означает, что сейчас вы защищены от болезни.
Рис. 25. Микрофотография морской вирусной частицы. Генетическая информация заключена в голове вируса, в то время как стебель используется для прикрепления к клетке-хозяину (например, бактерии). Вирус внедряет свой генетический материал в хозяина и с помощью его внутренних механизмов начинает воспроизводиться в больших количествах. Обратите внимание на то, что размер этой частицы приблизительно в десять раз меньше размера мельчайшей из цианобактерий (см. рис. 17, б). (Публикуется с разрешения Дженн Брам и Мэтью Салливана.)
Осуществляют ли вирусы перенос генов? В принципе, да, но большинство способны покрывать лишь короткие эволюционные расстояния. Вирусы прикрепляются к клеткам и внедряют в них свой генетический материал, но, как правило, их хозяева отбираются согласно довольно строгим требованиям. Вирусы распознают будущих хозяев по особым белкам на поверхности их клетки; найдя подходящего хозяина, они могут прикрепиться к нему и начать внедрять свою ДНК или РНК в его клетки. Став частью организма хозяина, этот генетический материал заимствует его наномеханизмы для производства белков и нуклеиновых кислот, чтобы создавать новые вирусы. В некоторых случаях вирус попросту продолжает вечно воспроизводиться в клетке хозяина – такой вирус становится частью генома этой клетки. Для людей вирусы такого типа могут означать полную катастрофу. Примерами таких нонлитических (поскольку они не вызывают лизиса, растворения клетки) вирусов могут служить ВИЧ и гепатит С. После поражения ими человека их уже почти невозможно удалить из генома.
В других случаях, однако, внедренная генетическая информация позволяет новым вирусам расти внутри клетки-хозяина до тех пор, пока они не достигнут определенного порога численности, после чего клетка-хозяин вскрывается, выпуская новые вирусы в окружающую среду. Такой сценарий «вторжения похитителей тел», довольно широко распространенный в микробиологическом мире, приводит к гибели многих микроорганизмов. Такие литические (поскольку приводят к лизису, растворению клетки) вирусы, как выясняется, также поражают людей – однако, как ни странно, они менее смертоносны для них, нежели вирусы, не убивающие клетки окончательно. Среди вирусов этого типа числятся возбудители обычной простуды. Лизис не ведет к непосредственной передаче генов новому хозяину, но позволяет клетке-хозяину выбрасывать свою генетическую информацию в окружающую среду, где она может быть подхвачена другими микроорганизмами, ищущими объедки в генетическом мусорном ведре.
Третий тип такого процесса называется конъюгацией – в этом случае микроорганизмы обмениваются ДНК путем прикрепления друг к другу и формирования моста между двумя клетками. Этот процесс происходит у микроорганизмов, тесно связанных друг с другом, но остается неясным, как и почему перенос генов может происходить также и у организмов, имеющих лишь отдаленную связь.
Вне зависимости от его механизма, горизонтальный перенос генов чрезвычайно затрудняет определение происхождения организмов в глубине времен, и, что даже еще важнее, из-за него концепция вида у микроорганизмов становится трудноопределимой, если не вообще несущественной.
Представьте себе, что вы хотите выяснить свою собственную родословную. Вы находите место рождения ваших родителей, затем отыскиваете их родителей и так далее. Однако вообразите, что тридцать или пятьдесят поколений назад гены, отвечающие за переработку углеводов, содержащихся в морских водорослях, были внедрены в микробиотическую среду в желудках ваших предков, поскольку им часто приходилось есть суши. Теперь вы лучше приспособлены к поглощению морских водорослей. Микроорганизмы в ваших внутренностях имеют новые гены, приобретенные от другого микроорганизма посредством горизонтального переноса генов. Такой с виду абсурдный сценарий порой действительно имеет место. Микроорганизмы в желудках японцев обладают генами, помогающими им переваривать морские водоросли; у микроорганизмов европейских желудков такие гены не обнаружены.
В океане существует множество вирусов, переносящих гены белка D1 в своем геноме, однако это не означает, что они эволюционируют до фотосинтезирующих организмов. Дело в том, что ген белка D1 содержит инструкции для быстрого воспроизведения. Вирусы пользуются этими инструкциями, чтобы с их помощью стремительно штамповать большое количество себе подобных в зараженной клетке хозяина. Однако время от времени копии гена D1 от одной цианобактерии находят у организма, лишь отдаленно с ней связанного. Скорее всего, они попали туда посредством вирусной инфекции.
На заре истории Земли, задолго до появления животных и растений, горизонтальный перенос генов среди микроорганизмов был основным механизмом, успешно переправлявшим гены через продолжительные отрезки геологического времени. Индивидуальные черты отдельных организмов не имеют значения, и путаница в генах для жизни на самом деле не так уж критична. До тех пор пока организмы переносят информацию, позволяющую энергии из внешнего мира преобразовываться в состояние, далекое от термодинамического равновесия, а клеткам размножаться, жизнь продолжается.
То, что ключевые гены оказались разбросаны как попало среди множества микроорганизмов, в других отношениях лишь отдаленно связанных между собой, позволило гарантировать, что заключенная в них информация сохранится хотя бы в одной клетке где-либо на пространстве Земли. Организмы недолговечны – можно сказать, несущественны, но про 1500 ключевых генов этого сказать нельзя. Эти вестники жизни передавались, словно эстафетная палочка; организмы проносили их через огромные пространства геологического времени и передавали новым организмам. Отдельные организмы могли перестать существовать, но до тех пор, пока они передавали свои ключевые гены каким-либо другим организмам, жизнь этих генов продолжалась.
