Таинственный геном человека

10. Преимущества совместной жизни

Исследования природы предоставили нам множество доказательств правоты Дарвина. Суша, воздух и вода полны примеров борьбы за выживание. Конкуренция за ресурсы, необходимость приобретения камуфляжа или защитной брони, увеличение размеров групп (например, огромные стада копытных, стаи рыб или птиц) — все это развившиеся с течением времени стратегии выживания в мире хищников. Эволюционный процесс проявляется на всех уровнях — от самых очевидных изменений до мельчайших мутаций на генном уровне. В 1976 году Ричард Докинз, в то время работавший в Оксфорде, резюмировал результаты двух десятилетий исследований в своей революционной книге «Эгоистичный ген», которую многие ученые посчитали идеальной современной адаптацией первоначальной дарвиновской теории. Однако, несмотря на то что явление конкуренции, которую и Дарвин и Докинз считали основной движущей силой эволюции, широко распространено в природе, это не единственный фактор борьбы за выживание.

В 1878 году, еще при жизни Дарвина, немецкий профессор Антон де Бари обратил внимание на то, что некоторые живые организмы приобретают преимущества за счет совместного существования. Подобный союз он назвал симбиозом. Разумеется, это наблюдение было далеко не новым. Геродот описывал ржанок, которые достают пиявок из пастей крокодилов, Аристотель рассказывал о схожих отношениях между двустворчатыми моллюсками и ракообразными, а Цицерона так поражало множество подобных примеров, что он делал вывод, будто люди узнали понятие дружбы из живой природы. Пчелы поддерживают тесные отношения с цветущими растениями: цветы снабжают их нектаром, а насекомые в свою очередь переносят пыльцу, обеспечивая растениям репродуктивный успех. Океанские хищники, например акулы и морские окуни, выстраиваются в очередь в подводных «очистительных станциях», где мелкие рыбки и креветки очищают их кожу от мусора и паразитов. За пределами таких «очистительных станций» хищники считают эту мелочь пищей.

В конце XIX века Антон де Бари и другой немецкий натуралист, Альберт Бернхард Франк создали более прочное научное основание для изучения симбиоза, дали определение самому понятию и стали первыми исследователями его биологических и эволюционных последствий. Люди часто думают о симбиозе как о взаимовыгодном сотрудничестве, но это распространенная ошибка. Давайте определимся с этим сразу. Симбиоз — это не ситуация, когда милый мальчик подходит к славной девочке, они берутся за руки, и у них все становится радужно. Для того чтобы союз между организмами считался симбиозом, выгоду от него должен получать хотя бы один из партнеров. На самом деле симбиоз часто начинается с паразитизма, который через какое-то время может превратиться во взаимовыгодное сотрудничество. Биологи, изучающие симбиоз, могут привести множество примеров, находящихся посередине между этими двумя крайними точками. Даже во взаимовыгодной форме симбиоз — это жесткое взаимное сдерживание, поиск компромиссов, от результатов которого зависит выживание и всего союза, и его участников.

Одним из первых примеров симбиоза, исследованных натуралистами, были лишайники, покрывающие камни и скалы. Ранее лишайники считались отдельной ветвью биологического дерева и разделялись на многочисленные роды и виды. Теперь же было доказано, что это вовсе не независимый вид живых существ, а тесный союз водорослей и грибов.

Франк выяснил нечто важное об объединении водорослей и грибов как таковом. Когда вы идете в хозяйственный магазин и покупаете растение, чтобы посадить его в горшок, вы наверняка не задумываетесь, что большую часть того, что вы считаете корнями, составляют грибы. Все сухопутные растения имеют партнеров — грибы, которые врастают в их корни в тесном симбиозе. Растение дает грибам энергию в форме углеводов, а грибы поставляют растению воду и минералы. Это соединение называется микориза, что буквально переводится как «грибокорень». В некоторых лесах под землей находится огромная масса грибов — гигантская живая система, которая питает весь лес.

Для начала давайте проясним несколько базовых понятий. Наука, изучающая симбиоз, называется симбиологией, а ученые, работающие в этой сфере, — симбиологами. Партнеры, вступающие в симбиотический союз, называются симбионтами, а само партнерство — голобионтом. Как мы уже знаем, симбиоз может иметь форму паразитизма, когда выгоду получает только один партнер, или же взаимовыгодного сотрудничества между двумя или более участниками. Сегодня мы знаем, что симбиозы встречаются в природе повсеместно — от коралловых рифов до прерий, от тропических лесов до арктических пустынь. С самого начала понятие симбиоза предполагало наличие в природе определенной эволюционной силы — симбиогенеза. Симбиотические союзы могут принимать разные формы в зависимости от того, каким ресурсом совместно пользуются их участники. Симбиоз между корнем растения и грибом предполагает обмен продуктами химической деятельности (метаболизма) его участников, поэтому его называют метаболическим симбиозом. Другими примерами метаболического симбиоза служат лишайники и кишечные бактерии, которые играют важную роль в питании и иммунологии человека. «Очистительные станции» в океане предполагают обмен определенными видами поведения, поэтому такие союзы называют бихевиоральным симбиозом.

Для формирования симбиоза требуется долгое время, поэтому такой союз не может не привести к возникновению генетических изменений у партнеров. Возьмем, к примеру, 319 видов колибри, часто встречающихся в теплых регионах обеих Америк. Эти птицы питаются почти исключительно цветочным нектаром. Специальные суставы в строении крыльев позволяют колибри махать ими с такой частотой, что они становятся практически невидимыми. Такая адаптация позволяет птицам с невероятной точностью останавливаться прямо перед нужным цветком. В рамках симбиоза растение колумнея изменило форму своих цветов, чтобы они соответствовали удлиненной и изогнутой форме клюва симбионта — пурпурного саблекрыла — это колибри, который его опыляет. В то же время и сами птицы изменили длину и форму своего клюва, чтобы он полностью совпадал с формой цветка. Если задуматься, получается, что птицы и растения влияют на эволюцию друг друга, заставляя подстраиваться под требования симбиоза. С точки зрения эволюции естественный отбор в данном случае в значительной степени работает на уровне голобионта, то есть союза между двумя организмами.

Преимущества от такого партнерства очевидны. Только клюв пурпурного саблекрыла может проникнуть в цветок колумнеи, зато только колумнею будет опылять пыльца, которую колибри переносит на своем клюве.

Однако наиболее важной эволюционной силой обладает третий вид симбиоза — генетический.

Самый распространенный элемент в атмосфере Земли — азот, который для участия во внутренних химических процессах живых организмов должен входить в состав более сложных химических соединений. Химическая фиксация атмосферного азота — важный шаг, который делает этот свободный элемент доступным для растений и животных. Тем не менее растения и животные не способны делать это самостоятельно. Такое под силу только бактериям. Бобовые, например горох, формируют симбиотические союзы с азотофиксирующими бактериями, в частности микоризами, которые живут в клубеньках их корней. Ризобия получает необходимую ей энергию из корней хозяина, а хозяин — азот в усваиваемой форме.

Но в этом цикле есть дополнительный элемент. Большинство видов клубеньковых бактерий, живущих в почве, не могут фиксировать азот. Они приобретают эту способность только после того, как в их геном передается «симбиотический островок» — набор из шести генов азотофиксирующего вида. Передача готовых генов от одного вида к другому представляет собой механизм наследования, существенно отличающийся от тех, что мы видели ранее. Именно этот процесс и называется генетическим симбиозом.

В отличие от случайных мутаций генетический симбиоз добавляет гены с уже готовым потенциалом к существующим эволюционным линиям. Некоторые биологи называют это явление горизонтальным переносом генов, но это скорее общий термин, а не точная научная концепция. Понятие генетического симбиоза объясняет, откуда берутся переносимые гены и как работает механизм переноса. Как и мутация, это генетическое изменение является наследуемым: потомки микоризы будут иметь такой же «симбиотический островок». Кроме того, как и мутации, генетический симбиоз имеет эволюционное значение только в том случае, если он включается в генетический фонд развивающегося вида путем естественного отбора. Генетический симбиоз, работающий в паре с естественным отбором, имеет большой потенциал для создания эволюционных изменений. На самом мощном уровне, включающем слияние целых готовых геномов, он позволяет создавать новые голобионтические геномы, соединяющие в себе генетический потенциал двух или более различных эволюционных линий.

Между тремя и двумя миллиардами лет назад Земля не была покрыта зелеными растениями, как сегодня. Ее населяли первые простейшие формы жизни — бактерии и схожие с ними археи. В те времена в атмосфере еще не было кислорода. Однако многие генетические и биохимические механизмы, распространенные сегодня в живой природе, развились именно на этой микробной стадии, поэтому нет ничего удивительного в том, что совершенно разные современные виды могут иметь сходные гены и биохимические пути. Затем, около двух миллиардов лет назад, живая природа пережила два существенных изменения, которые знаменитый эволюционный биолог Джон Мэйнард Смит называет крупными переходами. Обитающие в воде цианобактерии развили в себе умение получать энергию из солнечного света — сегодня мы называем этот процесс фотосинтезом. Через какое-то время эти цианобактерии и другие фотосинтезирующие микробы сыграли роль в эволюции царства растений, превратившись в хлоропласты — органеллы клеток листа. В качестве побочного продукта фотосинтеза бактерий начал образовываться газообразный кислород, которым насыщалась океанская вода, а значит, и атмосфера. Сегодня большая часть воздуха в атмосфере Земли попадает туда за счет фотосинтеза растений, водорослей и цианобактерий, которые все еще в огромных количествах встречаются на суше и в воде. Однако такое развитие событий обернулось катастрофой для обитавших у поверхности океанов серных бактерий и археев, для которых кислород оказался смертельным ядом. Сегодня их наследники вынуждены существовать в местах, недоступных для кислорода, таких как кишечники животных, глубокие слои грязи или слои породы глубоко под землей.

Возможно, два миллиарда лет назад еще один вид бактерий осуществил переход к кислородному дыханию. Произошел второй крупный генетический симбиоз, благодаря которому смогли развиться все современные формы жизни, потребляющие кислород, включая растения, животных, грибы и множество одноклеточных организмов.

Откуда нам известно об этих невероятных событиях из далекого прошлого? Мы можем узнать о них потому, что хлоропласты в зеленых частях растений все еще сохраняют свою первоначальную микробную структуру и геномы; митохондрии в цитоплазме клеток, составляющих ткани нашего организма, также сохраняют свою бактериальную форму, структуру и остатки оригинального бактериального генома. Мы также знаем, что эволюция хлоропластов происходила многократно и включала в себя различные фотосинтезирующие микробы, в то время как симбиотический союз, приведший к появлению митохондрий, был заключен лишь однажды. По крайней мере, это верно для митохондрий в клетках животных, растений, грибов и дышащих кислородом протистов, живущих в современном мире. Моя покойная подруга Линн Маргулис была одним из первооткрывателей симбиотического характера хлоропластов и митохондрий благодаря эндосимбиотической теории, или SET (serial endosymbiosis theory), которую она сформулировала в своей книге о происхождении ядросодержащих клеток.

Симбиотическое происхождение человеческих митохондрий важно для нашего понимания того, как два генома, митохондриальный и ядерный, до сих пор сосуществуют в голобионтическом союзе.

На момент образования первого симбиотического союза древние бактерии, вероятно, имели от 1500 до 2000 генов. Сегодня в результате естественного отбора, действующего на голобионтическом уровне, геном митохондрии сократился до 37 генов. На каком-то этапе в прошлом примерно 300 изначально бактериальных генов были перенесены в ядро, где многие из них продолжают играть роль генетической связи между ядром и митохондриями, необходимой для нормального функционирования клетки. В клетках человеческого организма митохондрии располагаются в цитоплазме — клеточной среде за пределами ядра. Они превратились в органеллы, похожие по форме на сосиски и выглядящие точь-в-точь как оригинальные бактерии. Митохондрии даже размножаются бактериальным способом — почкованием, не зависящим от деления ядра.

Все это влияет на наследование болезней, возникающих в результате мутаций, затрагивающих митохондриальные гены. В то время как ядерный геном наследуется от обоих родителей и подчиняется законам Менделя (включая паттерны наследования по доминантному и рецессивному признаку и наследование, сцепленное с полом, о которых мы говорили в предыдущих главах), митохондриальный геном ребенок получает исключительно от матери, и Менделевы законы на него не распространяются.

Митохондрии выполняют в клетке крайне важную функцию — они позволяют живым клеткам дышать. Поступление кислорода, в свою очередь, связывается с многочисленными клеточными функциями, включая выработку энергии, генерирование токсичных свободных радикалов и побочных продуктов дыхания, а также регулирование апоптоза, то есть смерти клеток как важного элемента цикла обновления клеток в тканях и органах. Митохондриальный геном куда меньше ядерного (всего 16 500 пар нуклеотидов по сравнению с 6,4 миллиарда), поэтому можно ожидать, что мутации в нем будут случаться реже, а значит, и частота генетически обусловленных заболеваний будет меньше. Однако в то время как большая часть нашего ядерного ДНК не кодирует функциональные протеины, мутации в кодировке которых могут вызывать заболевания, почти вся митохондриальная ДНК является кодирующей, а значит, и вероятность болезни в результате мутации возрастает. Более того, она состоит из бактериальных генов, в которых ошибки встречаются чаще, чем в генах позвоночных. Таким образом, получается, что мутации в митохондриальных генах возникают в 10–20 раз чаще, чем можно было бы ожидать. Ситуация еще больше усложняется тем, что митохондриальное заболевание может быть вызвано мутацией, воздействующей на любой из 300 генов, перенесенных в ядро. Все это означает, что мы особо уязвимы для митохондриальных мутаций, которые могут вызывать серьезные проблемы с питанием клеток кислородом.

Митохондриальные заболевания очень сложны и зачастую имеют специфические характеристики в каждом индивидуальном (или семейном) случае, а их последствия могут быть как мягкими, так и смертельными. Неудивительно, что из-за запутанной генетической ситуации в сочетании с многочисленными вариациями симптомов генетические причины таких заболеваний часто сложно отследить, а сами болезни — диагностировать. Примерно один из 7600 новорожденных страдает от генетических отклонений, влияющих на митохондрии и приводящих к врожденным нарушениям обмена веществ. Мутации, вызывающие серьезные заболевания, были обнаружены в более чем 30 из 37 митохондриальных генов и в более чем 30 связанных с ними генов ядра. Среди таких заболеваний, например, недостаточность комплекса I, которая отвечает примерно за треть всех «пороков дыхательной цепи». Эта болезнь часто проявляется уже при рождении или в раннем детстве. Больной страдает от прогрессирующего дегенеративного заболевания мозга и нервной системы, а также различных симптомов в органах и тканях, требующих высокого уровня энергии, например головном мозге, сердце, печени и мышцах опорно-двигательного аппарата. Еще одно митохондриальное заболевание, проявляющееся во взрослом возрасте, — наследственная оптическая нейропатия Лебера, одно из самых распространенных генетических заболеваний глаз. Большая часть случаев болезни Лебера вызывается мутациями в митохондриальных генах.

Сегодня появляется все больше и больше доказательств того, что митохондриальные повреждения могут играть существенную роль в гораздо более широком спектре заболеваний и, возможно, даже в процессе старения. Учитывая развитие генетики, мы, вероятно, сможем со временем разработать эффективные методы генной терапии для лечения некоторых из этих болезней, но должны будем учитывать симбиотическое эволюционное происхождение митохондрий и сложную генетическую и молекулярную динамику, возникающую в результате этого.

Существует и еще один микроб, который благодаря характеру своего жизненного цикла может вступать в голобионтические генетические союзы с геномами своих хозяев. Этот, на мой взгляд, странный и удивительный микроб называется ретровирусом.