Жгутик после дуврского процесса

 

По случайному, но очень приятному совпадению дуврский процесс, в результате которого жгутик E. coli оказался в центре внимания мировой общественности, проходил примерно в то же время, когда ученые начали постепенно разбираться в происхождении и эволюции этого самого жгутика. Они стали прослеживать историю развития генов, отвечающих за синтез жгутика, отыскивая родственные гены у E. coli и других бактерий. Их совокупная генеалогия начинает складываться в цельную и логичную историю возникновения жгутика — наглядную иллюстрацию того, как жизнь в процессе эволюции порождает сложные признаки.

Важнейший урок этих новых исследований состоит в том, что говорить о жгутике вообще, как будто существует лишь одна его разновидность, абсурдно. У разных видов микроорганизмов можно обнаружить огромное количество вариантов его конструкции. Даже в пределах одного вида разные популяции бактерий могут использовать различные типы жгутиков.

Жгутики различаются между собой на самых разных уровнях; различия между ними могут быть и едва заметными, и принципиальными. Возьмите, к примеру, флагеллин — белок, который использует E. coli для строительства нити жгутика. Ученые насчитали 40 разновидностей флагеллина у разных штаммов E. coli и рассчитывают найти еще больше при расширении круга исследований. У разных видов бактерий флагеллин отличается еще сильнее. В 2003 г. микробиологи и генетики провели траление Саргассова моря и исследовали гены найденных микроорганизмов. Было обнаружено 300 генов, отвечающих за производство различных сортов флагеллина.

В свете теории эволюции такие находки закономерны. Единственный флагеллин, который был у предков современных бактерий, через дупликацию генов и мутации вполне мог дать начало множеству новых разновидностей. По мере того как различные виды микроорганизмов адаптировались к разным условиям — от обитания внутри человеческого кишечника до плавания в Саргассовом море, — их флагеллины тоже эволюционировали. И после того как несколько десятков миллионов лет назад сформировался вид E. coli, его флагеллины продолжали эволюционировать. Изменения флагеллина, вероятно, стимулировались необходимостью избегать излишнего внимания иммунной системы хозяина. Дело в том, что иммунная система распознает чужаков по белкам их поверхностного слоя (а это, в частности, флагеллин). Если какая‑нибудь мутация сделает внешнюю поверхность флагеллина менее заметной для иммунной системы, то естественный отбор, возможно, подхватит такую мутацию. И, как и следовало ожидать, большая часть вариаций в структуре флагеллина E. coli сосредоточена в частях, обращенных наружу. Части, обращенные внутрь, — а они должны аккуратно стыковаться с другими молекулами флагеллина — похожи друг на друга гораздо больше. Естественный отбор не слишком хорошо относится к мутациям, нарушающим плотно подогнанные соединения.

Жгутики могут различаться и еще по нескольким параметрам. У E. coli моторы вращаются за счет движения протонов, но у некоторых других видов для этой цели используются ионы натрия. E. coli вращает свой жгутик в жидкости. Другие виды формируют жгутики для скольжения по различным поверхностям. Ученым известны виды бактерий, способные строить жгутики того или другого вида в зависимости от того, в какой среде и как им предстоит плавать.

В 2005 г. Марк Паллен с коллегами из Бирмингемского университета в Англии обнаружили комплект генов для строительства скользящего жгутика в совершенно неожиданном месте: в геноме E. coli. На самом деле E. coli не умеет синтезировать такие жгутики, потому что ген- включатель, который должен их активировать, выведен из строя мутацией. У некоторых штаммов ученые обнаружили все 44 гена, необходимые для строительства всех без исключения частей жгутика. У других штаммов некоторые гены успели полностью исчезнуть. Так, у К-12 от этого комплекта осталось всего два гена, причем эти гены так деградировали, что ученые не сразу разобрались в их происхождении и природе.

Открытие Паллена вполне закономерно, если жгутик — продукт эволюции, и не имеет никакого смысла, если он — результат разумного замысла. Сложная система развивается и передается от родителей потомству. В некоторых линиях она теряет функциональность и распадается. Дарвин в свое время описал немало рудиментарных органов — от прикрытых плотью глаз пещерных рыб до коротких страусиных крыльев. Дарвин утверждал, что, если естественный отбор по каким‑то причинам прекращает поддерживать функционирование тех или иных органов, это значит, что живые существа получили возможность выжить и без них. E. coli тоже несет в себе следы таких рудиментов — как обрывки древних текстов под свежими письменами палимпсеста.

E. coli несет в себе и свидетельства того, как первоначально сформировался ее жгутик. Как указал на дуврском судебном процессе Кеннет Миллер, «шприц», доставляющий флагеллин для формирования нити сквозь мембрану микроорганизма, полностью — до единого белка — соответствует секреторной системе III типа, при помощи которой микроорганизмы выводят наружу токсины и другие химические вещества. Это сходство говорит об общем предке. Секреторная система III типа — далеко не единственная структура, имеющая отношение к устройству жгутика. Белки его мотора, к примеру, родственны белкам других двигателей, при помощи которых E. coli и другие бактерии перекачивают различные молекулы изнутри наружу.

В настоящее время ученые, опираясь на эти сведения, разрабатывают гипотезы, объясняющие развитие жгутика. Одну гипотезу предложили в 2006 г. Паллен и Николас Матцке, выпускник Калифорнийского университета в Беркли. До появления жгутика, утверждают Паллен и Матцке, существовали более простые устройства, выполнявшие иные функции. При дупликации генов возникли дополнительные копии этих устройств, а мутации позволили им объединиться в единый развивающийся механизм — жгутик. Сегодня жгутик выполняет одну основную функцию: обеспечивает движение в жидкости. Но различные части этого механизма были предназначены совсем для другого.

Возможно, что «шприц» жгутика поначалу представлял собой просто пору, через которую молекулы химических веществ проникали сквозь внутреннюю мембрану. Затем к этому отверстию присоединился протонный мотор, при помощи которого наружу выталкивались даже крупные молекулы. Не исключено, что эта примитивная система позволяла древним бактериям обмениваться химическими сигналами и выпускать токсины. Из нее же со временем сформировались два различных вида структур: секреторная система III типа и «шприц», выталкивающий части будущего жгутика за пределы мембраны.

Следующий шаг к формированию жгутика, возможно, был сделан в тот момент, когда «шприц» начал выталкивать наружу специальные белки, обладающие способностью прикрепляться к мембранам. Вместо того чтобы уплывать прочь, молекулы этих белков скапливались вокруг поры. Бактерии могли, вероятно, использовать их так, как их используют и сегодня многие виды микроорганизмов, — для прикрепления к различным поверхностям. Более того, бактерии добавляли к этой структуре новые и новые молекулы белка так, что из них образовались нитевидные выросты — фимбрии, при помощи которых можно было прикрепиться к поверхности издалека.

На следующем этапе эти выросты начали двигаться. Появился второй тип мотора, способный заставить их дрожать. Теперь уже бактерия могла с их помощью перемещаться. Эта довольно‑таки грубая конструкция позволяла микроорганизмам двигаться случайным образом и рассеиваться в случае опасности или стресса. В дальнейшем такой протожгутик не раз претерпевал модернизацию и настройку. Дупликация генов позволила белкам, из которых строились выросты, взять на себя разные функции — из одних сформировался гибкий крюк у основания, из других — жесткие изогнутые волокна вдоль оси. В конце концов бактерии научились даже рулить. Одна из химически чувствительных систем, связанная теперь со жгутиком, позволяет им изменять направление движения.

Эта гипотеза не является неоспоримой и не раскрывает абсолютной истины. Абсолютная истина вообще не во власти ученых. Ученые могут лишь создавать гипотезы, которые согласуются со всеми предыдущими наблюдениями — в данном случае это различные варианты жгутика, отдельные его компоненты, выполняющие в бактериальной клетке другие роли, и тот факт, что эволюция часто сводит вместе любые подходящие гены для выполнения новых функций. Гипотеза Паллена и Матцке вполне может оказаться ошибочной, но единственный способ выяснить это — отыскать в геноме E. coli и других микроорганизмов дополнительные указания на то, как был сформирован жгутик, разобраться, как на самом деле работают промежуточные структуры, возможно, даже воспроизвести при помощи генной инженерии некоторые промежуточные этапы, исчезнувшие в ходе эволюции. Не исключено, что в ходе этих экспериментов появится новая гипотеза. Но в любом случае эта гипотеза намного лучше, чем та, что основывается лишь на внешнем виде и личной вере — точнее, неверии.

 

Как строятся сети

 

При сооружении жгутика E. coli не просто штампует все белки в произвольном порядке. Она управляет процессом синтеза и сборки при помощи целой сети генов, которые включаются только тогда, когда бактерия чувствует признаки опасности; при этом она старается избежать «ложных срабатываний», для чего использует противопомеховый фильтр. По ходу синтеза жгутика E. coli включает нужные гены в определенной последовательности, а затем снова выключает. И, подобно самому жгутику, эта управляющая сеть тоже имеет собственную длинную историю.

В 2006 г. биолог Мадан Бабу из Кембриджского университета с коллегами опубликовали серьезное исследование о происхождении управляющих схем E. coli. Ученые начали с поиска у бактерии генетических переключателей — белков, которые связываются с ДНК и занимаются тем, что включают и выключают гены или воздействуют на них иным образом. Они насчитали более 250 таких переключателей. Затем они изучили научную литературу и попытались разобраться, какие именно гены контролируются этими переключателями. В конце концов Бабу с коллегами составили схему плотной паутины из 755 генов и 1295 связей между ними.

Схема, составленная командой Бабу, очень напоминает схему структурной иерархии правительства или корпорации. На верхушке пирамиды находится несколько мощных генов, каждый из которых непосредственно контролирует несколько других генов. Эти гены среднего звена управления контролируют, в свою очередь, множество других генов и так далее. Такая организация позволяет E. coli справляться с изменениями окружающей среды при помощи очень быстрых и серьезных изменений собственной биологии. Схема Бабу позволила ему изучить управляющую сеть E. coli вплоть до мельчайших контуров.

Завершив построение управляющей схемы E. coli, Бабу получил возможность реконструировать и ее историю. Он сравнил схему E. coli со схемами 175 других видов микроорганизмов. Он обнаружил, что управляющая схема имеет своеобразное ядро, общее для всех этих видов. В нее входит 62 генетических переключателя, под управлением которых находится 376 генов; всего в этом ядре 492 связи. Бабу пришел к выводу, что оно имелось уже у общего предка всех живых организмов.

Ядро схемы позволяет сделать некоторые предположения о том, как выглядел наш общий предок. У него уже были сенсоры, позволявшие этому существу различать разные виды сахаров и следить за собственным энергетическим уровнем. Он мог регистрировать кислород, но не дышать им, поскольку в атмосфере кислорода почти не было; вероятно, кислородные сенсоры были нужны ему, чтобы защититься от собственных токсичных кислородосодержащих отходов. Этот микроорганизм уже использовал генетические переключатели; с их помощью он контролировал приток железа, а также создавал кирпичики для строительства белков и ДНК. Иными словами, это было достаточно гибкое и легко адаптирующееся существо.

От этого общего предка путем эволюции произошли все присутствующие сегодня на планете живые организмы. Естественно, их управляющие схемы тоже эволюционировали. Эволюционная ветвь, в конце которой находится E. coli, обзавелась в процессе развития дополнительными системами регуляции: к примеру, теми, что позволяют микроорганизму ощущать и расщеплять новые сахара. Эксперименты на живых E. coli помогли пролить свет на то, как мутации и естественный отбор когда‑то перестраивали управляющую схему бактерии. Один из самых распространенных типов мутаций — тот, при котором случайно дублируется тот или иной участок ДНК. В некоторых случаях E. coli может оказаться обладательницей двух переключателей, контролирующих один и тот же ген. Если ген, отвечающий за один из этих переключателей, мутирует, то переключатель может начать контролировать еще какой‑то ген. В других случаях дополнительные копии генов, получившиеся при дупликации, контролируются переключателем, который включает и первоначальный ген.

Предки E. coli перестраивали свои схемы по мере адаптации к новому образу жизни. Иногда самого крохотного изменения в схеме достаточно для получения нового важного приспособления; к примеру, таким изменением может стать добавление лишнего переключателя или удаление одного из имеющихся. Один из подобных слегка измененных контуров позволяет E. coli почувствовать падение уровня кислорода и вовремя перейти на древний бескислородный метаболизм. Этот контур почти полностью — с точностью до гена — идентичен контуру, отвечающему за чувствительность к кислороду у Haemophilus influenzae — вида бактерий, обитающих в крови. У Haemophilus один переключатель активирует два гена, которые затем активируют все остальные гены, необходимые бактерии для перехода на бескислородный обмен. Это быстрый механизм, вполне соответствующий потребностям Haemophilus influenzae, поскольку обитает эта бактерия в крови и всякий раз при переходе из артерий в вены сталкивается с резким падением уровня кислорода в окружающей среде.

С другой стороны, E. coli не спешит переключаться, ощутив лишь легкое падение уровня кислорода. Поскольку обитает она в относительно стабильной обстановке — в кишечнике, ей, в отличие от гемофилюса, редко приходится испытывать его внезапное и долгосрочное падение. Легкая флуктуация уровня кислорода может оказаться ложной тревогой, и мгновенная реакция легко могла бы заставить E. coli потратить кучу энергии на производство ферментов, которые потом не пригодятся. Это жизненное обстоятельство отразилось в кислородном контуре E. coli. Он во всем идентичен контуру Haemophilus influenzae, за исключением одного лишнего гена — narL.

 

У гемофилюса переключатель /л г сразу же включает гены frdB и frdC. Но у E. coli для их активации требуется также сигнал от narL. Чтобы fnr сумел поднять уровень белка NarL до величины, нужной для получения двумя генами обоих необходимых сигналов, требуется определенное время. При небольшом падении уровня кислорода этот процесс просто не успеет завершиться.

В ходе эволюции управляющая схема E. coli стала весьма и весьма устойчивой. Развитие искусственных, созданных человеком сетей помогает представить себе, как это происходило. Интернет, способный донести ваши электронные письма в любой уголок земного шара, появился не сразу в готовом виде. Он возник в 1969 г. как примитивная связь между компьютерами Калифорнийского университета в Лос — Анджелесе и Стэнфордского исследовательского института в Пало- Альто (штат Калифорния). Постепенно, с годами, к системе подключались новые организации, между ними возникали новые связи. Интернет стал устойчивым благодаря принципам своей архитектуры. Но ведь в 1969 г.никто не писал и не разрабатывал точных спецификаций на весь Интернет! Они появились сами по ходу развития. Компьютерщики, как правило, заботились в первую очередь о том, как работает каждый небольшой участок сети. Их беспокоила стоимость дальних соединений между серверами, поэтому они старались сделать все связи как можно более короткими.

Управляющая схема E. coli формировалась похожим образом. По мере того как происходила случайная дупликация генов, сеть усложнялась. Мутации соединяли заново некоторые новые гены, так чтобы они могли взаимодействовать с другими генами. Естественный отбор подхватывал благоприятные мутации и отвергал остальные. Создавая эффективные небольшие контуры, эволюция заодно формировала и устойчивую сеть.

На дуврском судебном процессе по поводу преподавания разумного замысла в школе креационисты с удовольствием сравнивали биологические системы с техническими устройствами. С их точки зрения, если что‑то в устройстве E. coli или другого организма напоминает машину, значит, это что‑то было сконструировано и создано неким разумом. И все же в конечном итоге все доказательства разумного замысла притянуты за уши. Тот факт, что E. coli и созданная человеком сеть в некоторых отношениях поразительно похожи, вовсе не означает, что микроорганизмы появились в результате разумного замысла. На самом деле факт сходства означает, что конструкторская мысль человека намного менее разумна, чем мы привыкли полагать. Наши лучшие изобретения возникают не в результате величественного полета к сияющим вершинам мысли, а в результате медленного близорукого перебора бесконечных вариантов.

 

Первые слова

 

Уберите из генома E. coli новые гены — выскочек, обеспечивающих сопротивляемость к пенициллину и другим лекарствам. Уберите более старые гены, которые E. coli приобрела в течение миллионов лет после отделения от других бактерий. Удалите более глубокие слои — те, что отвечают за строительство жгутиков, и те, которые к настоящему моменту настолько разрушены, что ни на что не годны. Удалите гены, отвечающие за муреиновый мешок, за сенсоры, регистрирующие появление пищи и опасности, за фильтры и усилители. Избавьтесь от генов, кодирующих белки, которые присутствовали еще у последнего общего предка всех живых организмов около 4 млрд лет назад.

Что же у вас останется? Не подумайте, что чистый лист. По — прежнему останется целый ряд отдельных загадочных кусочков ДНК. Это не совсем обычные гены. E. coli использует их для синтеза РНК, но никогда не использует эту РНК для производства белков. Эти гены — аналог первого, самого древнего текста на нашем палимпсесте. Ученые подозревают, что многие из них — следы древнейших организмов, существовавших на Земле до появления ДНК.

Сырье, которое использует жизнь, ничем не отличается от обычной безжизненной материи. Углерод, фосфор и другие элементы, входящие в состав нашего тела, возникли в глубинах звезд. Многие необходимые для жизни химические вещества могут быть созданы без ее участия. Полетав немного по Солнечной системе, можно было бы собрать на метеоритах и кометах немало аминокислот, формальдегида и других соединений, найденных в организме живых существ. Многие из этих веществ вошли в состав нашей планеты при ее формировании 4,5 млрд лет назад; позже их доставляли на Землю и постоянно падающая комическая пыль, и — время от времени — более крупные куски камня или льда. Сама планета работала как огромный химический реактор: калила, смешивала, фильтровала эти вещества, производя, вероятно, из них новые соединения, тоже необходимые для жизни; они присутствовали на Земле задолго до того, как появилась сама жизнь. Но есть великая тайна, которая из века в век привлекает к себе внимание ученых: как именно в этом реакторе появилась жизнь такая, какой мы ее знаем, — вместе с закодированной в двойной спирали ДНК информацией, РНК и белками.

В 1960–е гг. ученые, разобравшись более или менее с основами молекулярной биологии, пришли к единому мнению о том, что все три типа молекул не могли возникнуть на безжизненной Земле одновременно. Но какие появились первыми? Пусть ДНК — прекрасное хранилище информации, но без участия белков и РНК это всего лишь необычная нитевидная молекула. С другой стороны, белки выполняют невероятное количество функций, они способны захватывать проплывающие мимо атомы, штамповать новые молекулы или делить уже существующие молекулы на части. Но они не слишком подходят для хранения информации о строительстве белков и для передачи этой информации следующим поколениям.

В середине 1960–х гг. Фрэнсис Крик и его кембриджский коллега химик Лесли Оргел провели немало часов в размышлениях о происхождении жизни. Оба ученых пришли к одному и тому же принципиальному выводу — тому же самому, к какому самостоятельно пришел и Карл Вёзе. Может быть, ДНК и белки появились на Земле намного позже, чем жизнь? Возможно, до ДНК и белков существовала жизнь, основанная только на РНК?

В то время предположение ученых звучало довольно дико. Считалось, что основная роль РНК в клетке сводится к роли посыльного и заключается в доставке информации от генов к рибосомам, где собираются молекулы белков. Но Крик, Оргел и Вёзе обратили внимание на то, что в экспериментах на E. coli молекулы РНК выполняют и другие функции. Рибосома, к примеру, и сама состояла из нескольких десятков белков и нескольких молекул РНК. Еще одна разновидность РНК, именуемая транспортной, помогала присоединять очередную аминокислоту к концу растущей молекулы белка. Возможно, предположили ученые, РНК обладает скрытой способностью к той химической акробатике, к которой так хорошо приспособлены белки? Может быть, именно РНК первой из трех молекул возникла на безжизненной Земле, причем одни ее разновидности играли роль ДНК, а другие — белков? Может быть, ДНК и белки появились позже и оказались более приспособленными для хранения информации и организации химических реакций соответственно?

Много лет спустя Крик и Оргел признались, что после публикации в 1968 г. идея первичной РНК не получила никакого развития. Не было никаких серьезных доказательств того, что РНК обладает достаточной гибкостью и может, подобно белкам, служить катализатором химических процессов. Прошло 15 лет, прежде чем ученые начали всерьез размышлять над этой гипотезой. Через год после того, как Крик предложил свою гипотезу жизни, основанной на РНК, в Кембридж приехал молодой канадский биохимик по имени Сидней Олтмен; вместе с Криком он начал исследовать транспортную РНК. Олтмен обнаружил, что при синтезе транспортной РНК E. coli приходится отрезать от нее кусочек, чтобы молекула работала правильно. Олтмен назвал участвующий в этом процессе фермент рибонуклеазой Р (сокращенно РНКаза Р). В Кембридже, а затем и в Йельском университете Олтмен медленно и терпеливо препарировал рибонуклеазу Р, выясняя ее структуру. Он с удивлением узнал, что на самом деле это химера: наполовину белок, наполовину РНК. Исследователи выяснили, что ферментное лезвие, которое непосредственно перерезает молекулу транспортной РНК, представляет собой тоже РНК — РНК без всякой примеси. Олтмен обнаружил молекулу РНК, которая ведет себя как фермент, — нечто, о чем прежде никто и никогда не сообщал.

В 1989 г. Олтмен разделил Нобелевскую премию с биохимиком Томасом Чехом, работающим в настоящее время в Колорадском университете. Чех обнаружил аналогичную странную РНК у одноклеточного эукариота Tetrahymena thermophila, обитающего в прудах. В отличие от прокариот, эукариотам приходится вырезать большие куски РНК из разных участков молекулы, прежде чем ее можно будет использовать для синтеза белков. Как правило, куски эти вырезают белки, которые строятся с помощью матричной РНК. Но Чех обнаружил, что некоторые молекулы РНК у Tetrahymena способны разрезать себя сами, без какой бы то ни было помощи со стороны белков. Они просто складываются точно в нужном месте и отрезают сами от себя бесполезные части.

Открытия Чеха и Олтмена наглядно продемонстрировали, что РНК может быть гораздо более гибкой и многофункциональной, чем предполагалось ранее. Многие биологи вновь обратились к провидческим идеям Крика, Оргела и Вёзе. Возможно, РНК действительно могла когда‑то играть роли и генов, и ферментов? Может быть, еще до появления ДНК и белков на Земле существовало то, что Уолтер Гилберт из Гарварда назвал «миром РНК»?

Если когда‑то давным — давно живые существа на базе РНК бороздили земные океаны, то у них молекулы РНК должны были обладать намного большим числом функций, чем те, которые обнаружили Олтмен и Чех. Некоторые из них должны были исполнять функции генов — хранить информацию и передавать ее следующим поколениям. Другие — извлекать информацию из этих генов и использовать ее для строительства других молекул РНК, которые, в свою очередь, должны были исполнять функции ферментов. Эти рибозимы, как их назвали, должны были уметь поглощать энергию и питательные вещества, а также осуществлять репликацию генов.

Гипотеза о существовании мира, основанного на РНК, подтолкнула ученых к тщательному исследованию эволюционного потенциала этой загадочной молекулы. В 1990–е гг. биохимик Рональд Брейкер из Йельского университета предпринял попытку сконструировать основанные на РНК сенсоры. Он рассуждал так: эти сенсоры должны работать примерно как детекторы сигналов E. coli — уметь захватывать определенные молекулы или атомы, а затем изменять свою форму таким образом, чтобы вступать в реакции с другими молекулами бактериальной клетки.

Брейкеру не пришлось самому придумывать такие сенсоры — вместо этого он воспользовался творческой силой эволюции. Он поместил смесь различных молекул РНК в колбу и добавил туда химическое вещество, которое его сенсор, по задумке, должен был регистрировать. Несколько РНК — молекул неуклюже присоединились к молекулам вещества, остальные никак на него не отреагировали. Брейкер выловил эти несколько молекул и растиражировал их во множестве экземпляров. Копировал он намеренно небрежно, так что иногда последовательность нуклеотидов в молекулах слегка менялась. Иными словами, его РНК мутировала. Когда Брейкер подверг эти мутировавшие молекулы РНК действию все того же химического вещества, некоторые из них смогли более эффективно связываться с его молекулами. Брейкер многократно повторил цикл мутирования и отбора, и в конце эксперимента молекулы РНК у него связывались с молекулами заданного химического вещества в мгновение ока.

В ходе дальнейших экспериментов ученому удалось получить молекулы РНК, способные не только связываться с нужными молекулами, но и изменять при этом свою форму. Они оказались способны играть роль фермента и резать пополам другие молекулы РНК. По сути дела, Брейкер создал молекулу РНК, способную ощущать некие изменения в окружающей среде и на базе полученной информации совершать те или иные действия с молекулами РНК. Он назвал ее РНК — переключателем, или рибо- переключателем.

В последующие годы Брейкер, продолжая свои исследования, собрал большую библиотеку рибопереключателей. Одни из них реагируют конкретно на кобальт, другие — на антибиотики, третьи — на ультрафиолет. Способность эволюционировать и превращаться в рибопереключатели самого разного назначения может служить косвенным подтверждением теории о существовании «мира РНК». Затем у Брейкера появилась новая идея. Если теория «мира РНК» верна, то позже многие функции были переданы от молекул РНК белкам и молекулам ДНК. Но, может быть, РНК отказалась не от всех своих прежних обязанностей? Может быть, рибопереключатели уцелели кое — где у основанных на ДНК организмах? В самом деле, в некоторых случаях РНК — сенсоры могут оказаться лучше белковых. Рибопереключатели синтезировать проще, отмечал Брейкер, потому что клетке для этого достаточно просто считать ген и изготовить его РНК — копию.

Брейкер и его студенты начали планомерные поиски природных рибопереключателей. Через несколько месяцев им удалось обнаружить один из них у E. coli. С его помощью бактерия определяет количество витамина В12. Дело в том, что E. coli производит собственный В12, который необходим ей для жизни. Но сверх определенной концентрации этот витамин становится бесполезным. Брейкер обнаружил, что рибопереключатель E. coli связывается с витамином В12 и, когда это происходит, сворачивается таким образом, что может после этого заблокировать фермент, отвечающий за его производство. Более красивого рибопереключателя не придумал бы и сам Брейкер!

Позже Брейкер обнаружил немало других рибопереключателей в клетках E. coli, а затем и в клетках самых разных видов. Судя по всему, большинство из них поддерживают нужный уровень различных химических веществ, при необходимости мгновенно выключая гены. После того как Брейкер открыл рибопереключатели, другие ученые обнаружили, что молекулы РНК выполняют у E. coli и другие функции. Одни из них при необходимости блокируют определенные гены, другие, наоборот, включают. Некоторые не дают определенным молекулам РНК участвовать в процессе синтеза белков, в то время как другие поддерживают баланс железа. Ряд молекул РНК обеспечивают связь E. coli с другими микроорганизмами, помогают противостоять голоду. Молекулы РНК образуют скрытую управляющую сеть, контуры которой лишь теперь начинают проявляться. С обнаружением этой скрытой сети теория «мира РНК» стала казаться еще более убедительной.

И все же споры о том, как именно появилась на Земле жизнь, основанная на РНК, и каким образом из нее на следующем этапе развилась ДНК — жизнь, и не думают стихать. Некоторые ученые утверждают, что РНК могла появиться на Земле непосредственно из неживого. К примеру, ее рибозный «остов» в принципе мог сформироваться в пустынных озерах, где благодаря присутствию солей борной кислоты создаются условия, в которых неустойчивые молекулы рибозы способны сохранять стабильность десятилетиями. Другие исследователи склоняются к мысли, что еще до этого должны были возникнуть какие‑то другие реплицирующиеся вещества и что «мир РНК» был всего лишь одним из этапов развития.

РНК — жизнь, как и вообще любые живые организмы, должна была как‑то отграничивать себя от окружающего мира. Некоторые ученые считают, что РНК — организмы не формировали собственных мембран, а просто жили в крохотных порах океанских скал. По мере репликации молекул РНК их новые копии могли распространяться на соседние полости, все дальше и дальше. Другие ученые полагают, что РНК — жизнь существовала в более привычных для нас формах — в виде клеток. Они даже пытаются создать подобные организмы в пузырьках с искусственными фосфолипидными оболочками, способными захватывать молекулы РНК. Их стратегия — изобрести практический способ зарождения жизни, доказав тем самым его возможность.

Вероятно, искусственное создание форм жизни, в основе которой лежит РНК, если оно окажется возможным, не должно быть предметом опасений. Большинство специалистов полагает, что такая жизнь сможет существовать только в замкнутом пространстве лаборатории, поскольку жизнь, базирующаяся на ДНК, намного превосходит ее в эволюционном плане. Но это не означает, что формы жизни, основанные на ДНК, полностью отказались от наследия своих предков. Для некоторых задач РНК и сегодня подходит лучше прочих химических веществ; именно поэтому она до сих пор сохранила управление E. coli и другими видами. В каком‑то смысле можно сказать, что «мир РНК» никуда не исчез. Он и сегодня вокруг нас.

 

Оревуар, мой слон!

 

Произнося знаменитую фразу про E. coli и слона, Жак Моно во многих отношениях был гораздо ближе к истине, чем можно было предположить. У нас иу£. coli один и тот же базовый генетический код. Многие важнейшие белки, при помощи которых мы извлекаем энергию из пищи, у нас такие же, как и у этой бактерии. E. coli нередко сталкивается с теми же проблемами, что и наши собственные клетки. Необходимо заботиться о том, чтобы граница с внешним миром была нерушимой, но не совсем непроницаемой. ДНК E. coli всегда должна быть аккуратно сложена, но доступна для быстрого считывания. Необходимо поддерживать в порядке внутреннюю структуру. Необходимо объединить тысячи генов в единую сеть, способную согласованно реагировать на изменения внешней среды. Эта сеть должна всегда оставаться надежной и устойчивой, несмотря на внешние помехи. E. coli поддерживает связь с другими представителями вида — с одними сотрудничает, с другими воюет, иногда жертвует жизнью. Подобно нам, она стареет.

Некоторые черты сходства между нами — результат общего происхождения и наследие самых ранних стадий развития жизни на Земле. В других случаях сходство — результат конвергенции[25]разных эволюционных путей, которые привели нас к одному и тому же решению проблемы. Но случаи конвергенции лишь подтверждают слова Моно. Они свидетельствуют о том, что несмотря на 4 млрд лет независимого развития и человек, и E. coli сформированы одними и теми же мощными эволюционными силами.

Однако мне доводилось встречать ученых, которые выходят из себя всякий раз при упоминании замечания Моно. Ничего удивительного — ведь оно игнорирует самые фундаментальные различия между слоном и E. coli. Геном слона — а также человека, лишайника и всех прочих эукариот — намного больше генома E. coli. В геноме человека, к примеру, генов примерно впятеро больше. Кроме того, наш геном разбавлен большим количеством ДНК, в которой не закодированы никакие белки. Еще одно серьезное различие заключается в белках, при помощи которых происходит репликация ДНК. Судя по всему, они никак не связаны с белками, которые используют E. coli и другие бактерии. Эукариоты иногда обмениваются генами, но происходит это намного реже, чем у E. coli. Невозможно через рукопожатие получить от приятеля гены голубых глаз. Да и способы размножения у нас и у £ coli совершенно разные. Лишь крохотная доля клеток человеческого тела способна успешно передать гены следующему поколению, и геном человека несет в себе достаточно информации для величественного развития нового тела с триллионом клеток, двумя сотнями клеточных типов и десятками органов.

Различия между нами велики и бесспорны, но ученые на удивление слабо представляют себе, как они могли возникнуть. Вопрос о том, почему мы в некоторых отношениях так мало похожи на E. coli, остается открытым. Должно быть, ответ на него кроется где‑то в туманных глубинах прошлого, в тех временах, когда жизнь на Земле только начинала свое развитие. Ученые сходятся в том, что жизнь очень рано разделилась на три ветви, и различия между ними — особенно отделяющие эукариот от бактерий и архей — с самого начала были очень глубокими. Однако в данный момент среди специалистов распространено несколько принципиально разных теорий о том, как возникло такое деление. Одни утверждают, что эукариоты произошли от архей, заглотивших аэробные (кислорододышащие) бактерии. Другие считают, что раскол произошел намного раньше, еще до того, как жизнь пересекла границу, разделяющую «мир РНК» от «мира ДНК».

Лично мне особенно интересным представляется другое объяснение, выдвинутое Патриком Фортером, биологом — эволюционистом из парижского Института Пастера. Он полагает, что принципиальный раскол между нами и E. coli — результат работы вирусов.

Действие в сценарии Фортера начинается в «мире РНК» еще до разделения всего живого на три ветви. РНК- содержащие организмы беспорядочно обменивались генами. Через какое‑то время некоторые из этих генов «выбрали» для себя специализацию паразитов и начали развиваться в этом направлении. Они отказались от собственных устройств для репликации генов, но стали проникать в другие организмы и использовать их механизмы. Это были первые вирусы, и они до сих пор с нами; это РНК- содержащие вирусы, такие как вирусы гриппа и обычной простуды, а также ВИЧ.

Именно РНК — содержащие вирусы, утверждает Фортер, «изобрели» ДНК, ведь именно вирусы получили от нее немедленное и очень мощное преимущество. Вирус мог объединять комплементарные однонитевые молекулы РНК в двойные спирали, которые более защищены от атак ферментов хозя