Коллектив авторов - Эволюция. От Дарвина до современных теорий [litres]

Как правило, порядка 10 % генов бактериальных геномов получаются от других организмов. Однако это соотношение может варьировать. Таким образом, отдельно взятый микроб имеет доступ к генам, присутствующим во всей окружающей его популяции микробов (включая колонии других видов микробов).

Удивительно, но ГПГ часто встречается и в третьем основном домене – эукариотах. Начнем с общепринятого мнения о том, что эукариоты произошли в результате слияния двух прокариот: бактерии и архея. Эта часть древа образует форму кольца, а не ветви.

Точная картина ветвящегося дерева еще более размыта процессом под названием «эндосимбиоз». Считается, что в начале своей эволюции эукариоты поглотили двух свободноживущих прокариот. Один из них сформировал источник энергии (митохондрии), а другой стал предшественником хлоропластов, в которых происходит фотосинтез. Позже эти эндосимбионты перенесли крупные отрезки собственных геномов в геномы своих эукариотных хозяев, создав тем самым гибридные геномы.

Рис. 4.3. Первое схематическое представление эволюционного дерева жизни Дарвина.

Прочие случаи ГПГ в многоклеточных организмах происходят одно за другим (см. «Искажение генеалогического древа животных»). Геном человека также может содержать удивительное количество генов, полученных из других организмов. В исследовании человеческой ДНК, проведенном в 2015 году, было найдено целых 145 генов, которые, судя по всему, произошли от более простых организмов.

Искажение генеалогического древа животных

Существует множество примеров того, как животные приобретали гены «горизонтально» от бактерий, вирусов и даже других животных.

• Геном коровы содержит ДНК змеи, который, похоже, передался в геном горизонтально около 50 миллионов лет назад.

• Синцитин – жизненно важный человеческий ген для формирования плаценты, возник в вирусе.

• Крошечные восьминогие тихоходки, известные своими экстремальными навыками выживания, очистили до одной шестой своей ДНК (и многие из их защитных генов) от бактерий и других организмов.

• Был обнаружен целый геном бактерии Вульбахия (Wolbachia), внедренный в геном дрозофилы. Получается, что дрозофила – не что иное, как химерный организм мухи и бактерии.

Количество горизонтальных переносов генов у животных не так велико, как у микробов, но может иметь большую эволюционную значимость. Несмотря на это, никто не спорит (пока!) о том, что концепция генеалогического древа изжила свою практическую значимость у животных и растений. Вертикальный перенос перестал быть единственным вариантом, однако он так и остался лучшим способом объяснения связей между многоклеточными организмами. С этой точки зрения победило видение Дарвина: он ничего не знал о микроорганизмах, но смог построить свою теорию, основываясь на растениях и животных, которых видел вокруг.

Сейчас уже понятно, что древо Дарвина более не является полноценным объяснением механизмов работы эволюции. Какие-то эволюционные взаимоотношения подчиняются древообразной структуре, а какие-то – нет.

Рис. 4.4. Упрощенная версия дерева жизни, показывающая отношения между группами с секвенированными геномами. Построение дерева являлось одной из главных целей биологии. Однако в свете недавних исследований некоторые ученые стали сомневаться в правильности этой затеи.

Дерево? Куст? Почему это так важно?

Как так? – подумаете вы. Микробы могут обмениваться генами направо и налево, а также в центре. Какое это имеет значение? Конечно же, интересующие нас области (растения и животные) все еще можно представить в виде дерева, причем довольно точно. Так в чем же проблема?

Для начала биология – это наука о жизни, а первая жизнь была одноклеточной. Микробы живут на Земле свыше 3,8 миллиарда лет; тогда как многоклеточные организмы появились не ранее 900 миллионов лет назад. Даже сегодня бактерии, археи и одноклеточные эукариоты составляют, по меньшей мере, 90 % всех известных видов. И если судить по цифрам, то почти все живые существа на Земле являются микробами. Было бы странным заявлять, что эволюция жизни на Земле имеет форму дерева только потому, что именно так зародилась многоклеточная жизнь. «Если древо жизни существует, то это просто крошечная аномальная структура, растущая на паутине жизни», – говорит Джон Дюпре, философ биологии из Эксетерского университета в Великобритании.

К аким образом эволюция создает генетический код и основной генетический механизм, которым пользуются все организмы? Большинство биологов поддерживали Фрэнсиса Крика (сооснователя структуры ДНК) и считали, что все это – «историческая случайность». Однако прогрессивный микробиолог Карл Везе (ныне покойный) и физик Найджел Голденфельд внимательно изучили ранний этап жизни на Земле и пришли к поразительному выводу: дарвиновская эволюция не способна объяснить возникновение генетического кода. Однако это под силу горизонтальному переносу генов.

Генетический код открыли в 1960-х годах, но никто не смог объяснить, каким образом эволюция смогла так точно настроить его на «безошибочность». В процессе кодирования ДНК постоянно происходят мутации, которые тем не менее не затрагивают производимые белки.

В генетическом коде последовательностям из трех оснований (кодонов) соответствуют определенные аминокислоты. Белки состоят из цепочек аминокислот, поэтому при транскрипции гена в белок именно кодоны определяют, какую аминокислоту следует добавить в цепочку. Например, кодон ААУ соответствует аспарагину, а триплет УГУ кодирует цистеин. Всего существует 64 кодона и 20 аминокислот. Это указывает на некую избыточность кода, при которой несколько кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту.

Этот код является универсальным, общим для всех организмов, а биологи давно уже знают о его замечательных свойствах. Например, в начале 1960-х годов Везе сам заявил, что одной из причин резистентности кода к ошибкам является тот факт, что схожие кодоны выбирают либо одну общую, либо две разных аминокислоты со схожими химическими свойствами. Следовательно, мутация одного основания при изменении кодона слабо скажется на свойствах продуцируемого белка.

В 1991 году генетики Дэвид Хейг и Лоуренс Херст из Оксфордского университета пошли еще дальше, отметив действительно впечатляющий уровень резистентности кода к ошибкам. При изучении устойчивости к ошибкам огромного числа абстрактных генетических кодов было замечено, что все коды состояли из одинаковых пар оснований, но их кодоны хаотично связывались с аминокислотами. Ученые пришли к выводу, что фактический код был идеально хорош в своей безошибочности. И не лишним было бы найти эволюционное объяснение для этого. К сожалению, оно не найдено до сих пор. По словам Везе и Голденфельда, причина безуспешных поисков заключается в том, что все рассматривают ситуацию с точки зрения неправильной эволюции.