Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter
В качестве примера Раш и Халперн привели фотосинтезирующий вид бактерий Prochlorococcus marinus. "У нас его было очень много, и в каждом конкретном ведре было почти бесконечное разнообразие микроорганизмов", - говорит Халперн. "Мы смогли показать, что это справедливо для каждого гена в геноме Prochlorococcus. До этого были намеки на такое микроразнообразие, но я думаю, что мы действительно установили его". Раш сравнил различные виды Prochlorococcus с различиями между разными приматами - апельсинами, шимпанзе, людьми - за исключением того, что вы должны представить себе приматов с почти бесконечным разнообразием мелких различий между подвидами. "Мы практически никогда не встречали одно и то же дважды, - говорит Раш.
"Для нас это вызвало вопросы: почему так много различий?" - вспоминает Халперн. "Потому ли, что у каждого из них есть свой момент под солнцем? Их маленькая эволюционная ниша, которая защищает их от других? Или это просто большой суп, в котором так много отдельных бактерий любого вида или подтипа, с кажущимся бесконечным разнообразием, которые могут эволюционировать и сосуществовать?"
Эволюционная теория предполагает, что все особи в популяции, принадлежащие к одному "виду", могут быть отнесены к общему предку", - говорит он, - "и независимо от того, обусловлено ли это выживанием. В результате того, что генетический дрейф называется генетическим дрейфом, любое генетическое разнообразие в популяции должно было возникнуть после общего предка. Чем больше популяция, тем дольше жил самый последний общий предок, и тем больше генетического разнообразия можно ожидать". Другими словами, за более длительный период времени возникает больше мутаций.
Учитывая эту классическую теорию, - продолжает Халперн, - один из способов объяснить наши наблюдения - сказать, что размеры популяций многочисленных морских микробов настолько велики, что их общий предок жил очень давно. Однако есть и другие возможности. Одна из них - географическая изоляция: если вид разделен между двумя физически изолированными друг от друга местами, то отдельные популяции могут сохраняться как генетически различные линии, что приводит к более высокому разнообразию между популяциями, чем если бы популяции были полностью смешанными". В этот момент Крейг добавил: "Это то, что описал Дарвин с уникальными видами, которые он нашел на Галапагосах". Но, подчеркнул он, "есть и другая возможность - что на самом деле существовало несколько "общих предков", имевших уникальное происхождение".
"Примечательно, что мы наблюдали высокую степень разнообразия в пределах одной и той же выборки, - говорит Халперн, - что указывает на то, что это разнообразие не может быть обусловлено исключительно географическим разделением". Другая возможность заключается в том, что то, что выглядит как одна популяция, на самом деле представляет собой две или более популяций схожих, но функционально различных особей. Поскольку они функционально различны, они не конкурируют друг с другом, по крайней мере напрямую, и могут сосуществовать, что позволяет возникнуть большему количеству генетических различий, чем можно было бы ожидать в одной гомогенной популяции. Например, две бактерии могут отличаться по температуре, при которой они растут оптимально, из-за небольших различий в их белках".
Как и ожидалось, самое поразительное разнообразие было продемонстрировано находками в экстремальных условиях, например в гиперсоленом водоеме на острове Флореана на Галапагосах. Это был образец 33, взятый в начале февраля 2004 года в жаркий день, когда Хоффман и его команда перетащили оборудование вглубь острова к этому небольшому водоему, расположенному в вулканическом кратере. Раш отметил, что между образцом, взятым на Флореане, и образцом, взятым, скажем, в пресноводном озере Гатун в Панаме, существует глубокая разница в солености, поддерживающая совершенно разные наборы видов с различными "волосками" на хохолкоподобных профилях подтипов.
Другой экстремальный образец, 32, был взят в прибрежной манной роще 11 февраля 2004 года на Галапагосах, когда Крейг выпрыгнул из "Зодиака" и погрузился в грязь по колено. "Толстый слой органических отложений на глубине менее метра - вот вероятная причина того, что найденные нами гены и организмы не похожи ни на один другой образец, который мы изучали", - говорит Раш, - "разнообразие практически зашкаливает".
Для следующей статьи в PLoS Biology Крейг хотел выйти за рамки ДНК и изучить белки в первых сорока одном образце. В результате появилась статья "Глобальная экспедиция по отбору проб океана Sorcerer II: Expanding the Universe of Protein Families" ("Расширяя вселенную семейств белков").4 Вычислительный биолог Шибу Йоосеф был первым автором, а Крейг - старшим. Среди соавторов были Раш и Халперн, а также Шеннон Уильямсон, Джонатан Айзен, Карла Хайдельберг и другие. В то время, да и сейчас, это было новаторское исследование с точки зрения объема белков, обнаруженных в океане, и географической широты выборки, охватившей полмира.
"Даг Раш возглавил работу по изучению выборки с точки зрения генетики, начиная с Северной Атлантики и заканчивая Гала-Пагосами", - говорит Йоозеф. "Мы использовали тот же набор данных в нашем исследовании, чтобы взглянуть на вещи с точки зрения белков" - белки представляют собой молекулы, которые создаются в соответствии с инструкциями генов и выполняют важнейшие функции в организме. "У нас были все эти данные о последовательностях, что позволило нам определить гены, кодирующие белки, а затем задать несколько фундаментальных вопросов о том, сколько семейств белков существует и какие новые семейства появляются".
"Мы обнаружили порядка двадцати пяти сотен новых белковых семейств", - говорит Йоозеф, - семейств, которые демонстрируют значительные различия в разных местах в зависимости от местоположения, солености и так далее. Исследователи также обнаружили 3 995 кластеров белков, которые могли бы быть семействами, из которых 1 700 не имели обнаруживаемой гомологии, связывающей их с семействами в существующих базах данных. Это опровергло мнение многих ученых о том, что все белковые семейства уже открыты.
Когда Йозеф и его команда столкнулись с миллионами неизвестных белков, одной из главных задач было попытаться определить, как они вписываются в то, что было известно и не известно ранее об океанических белках и их действиях. Им удалось идентифицировать лишь около 25 процентов всех белковых последовательностей, с которыми они работали, а остальные так и остались загадками. "Что, я думаю, довольно неплохо, - сказал он, - учитывая все то, чего мы не знали, когда начинали".
Любопытно, что бактерии на поверхности океана, как правило, имеют меньшие геномы, чем те, что живут глубже в море. "Эти ребята на поверхности были действительно успешно приспосабливаются к условиям открытого океана", - говорит Йоозеф. "Они просто занимаются своими делами. У них нет с собой большого багажа".
