Хитрости природы: как кражи и инновации двигали эволюцию

Колеса существуют на планете Земля уже более 6000 лет. Чемоданы — несколько веков. Чемоданы на колесиках были изобретены несколько десятилетий назад и изменили жизнь многих путешественников. Каждый раз, когда я приезжаю в аэропорт, мои мышцы спины празднуют это чудесное изобретение, появившиеся в результате поиска новой комбинации. Взаимосвязь между инновациями и новыми комбинациями не что-то из ряда вон выходящее, это часть как четырехмиллиардной истории эволюции на Земле, так и нашего будущего.

В одном из своих первых исследовательских проектов в 1960-х годах Линн Маргулис, тогда аспирантка Университета Калифорнии-Беркли, изучала разнообразие клеток живых существ и предложила новую теорию их возникновения. Она написала статью, и около 15 журналов ей отказали. Не успокоившись, она в конце концов нашла место для статьи в малоизвестном журнале по теоретической биологии. От бесстрашного упорства Маргулис перед лицом целого хора негативных отзывов захватывает дух — молодая женщина-ученый в начале своей карьеры сумела противостоять укоренившимся ортодоксальным взглядам.

Маргулис изучала клетки, из которых состоят тела животных, растений и грибов. Эти клетки сложнее, чем бактерии. Клетки животных и растений содержат ядро, в котором находится геном. Вокруг ядра расположено множество маленьких органов, так называемых органелл, которые выполняют различные функции. Наиболее значимы среди этих органелл те, что питают клетку. У растений есть хлоропласты, содержащие хлорофилл, который осуществляет фотосинтетические реакции, преобразующие солнечный свет в полезную энергию. Аналогично, в клетках животных есть митохондрии, которые вырабатывают энергию из кислорода и сахаров.

Маргулис заметила, что эти органеллы похожи на мини-клетки внутри клетки. Каждая из них имеет свою собственную мембрану, отделяющую ее от остальной части клетки. Митохондрии и хлоропласты размножаются в клетке путем деления на две части, этот процесс называется бинарным делением. При делении органеллы удлиняются, сжимаются посередине и становятся похожими на гантелю, а затем разделяются, образуя две новые особи. У этих органелл даже есть собственный геном, отдельный от генома ядра и отличающийся от него. Нити ДНК в ядре линейны, а в митохондриях и хлоропластах ДНК образует круговое кольцо.

Эндосимбиотическая теория

Структура этих органелл с собственными мембранами, размножением путем бинарного деления и ДНК, организованной в виде круга, стала для Маргулис звоночком. Она уже видела эти особенности раньше — у бактерий. Бактерии размножаются путем бинарного деления, окружены похожей мембраной и имеют геном, очень похожий на геном хлоропластов и митохондрий. Органеллы, питающие клетки животных и растений, оказались более похожими на бактерии, чем на ядро клетки, в которой они находятся.

На основе этих наблюдений Маргулис предложила радикально новую теорию эволюционной истории. Хлоропласты изначально были разновидностью свободно живущих цианобактерий (также известных как сине-зеленые водоросли), которые попали в другую клетку и были использованы в качестве метаболических рабочих для обеспечения энергией этой новой клетки. Аналогично, митохондрии также изначально были свободно живущими бактериями, которые соединились с другой клеткой и были использованы для ее питания.

Идея Маргулис была встречена либо всеобщим презрением, либо полным безразличием. Но, к счастью для нее и науки в целом, эту мысль подхватила технология. С помощью методов секвенирования ДНК, разработанных в 1980-х годах, историю генов, находящихся в органеллах, стало возможно сравнить с историей генов клеточного ядра. Получившееся родословное древо было столь же прекрасным, сколь и удивительным. Ни митохондрии, ни хлоропласты не были генетически связаны с ДНК их собственных ядер. Хлоропласты оказались более тесно связаны с различными видами цианобактерий, чем что-либо другое внутри растительной клетки. Аналогично, митохондрии — это потомки одного из видов бактерий, потребляющих кислород, которые не связаны с ядром клетки. Сегодня каждая клетка животного или грибов имеет внутри себя два семейства жизни: одно — это их ядро, а другое — то, чьи предки были свободно живущими бактериями. В клетках растений есть еще и третье семейство, предками которого когда-то были свободно живущие цианобактерии.

Чем больше мы изучаем, тем больше обнаруживаем, что некие черты могут появляться у одного вида только для того, чтобы быть заимствованными, украденными и измененными для нового использования другим видом. Таким образом, хозяева наследуют части готового изобретения, а не создают его самостоятельно. Эти комбинации частей и новые виды особей, которые появляются в результате их использования, открывают эволюционные возможности.

Миллиарды лет жизнь существовала в виде одноклеточных, и изобретения были связаны с тем, как существа метаболизировали энергию и химические вещества вокруг себя. Жизнь была крошечной. С зарождением все более сложных организмов появились новые способы производства белков, передвижения и питания. Существа с телами — животные, растения и грибы — относительные новички на планете, и каждое из них состоит из клеток, полученных в результате слияния разных особей. Появление тел открыло для живых существ новый путь эволюции. Существа, состоящие из множества клеток, каждая из которых снабжена органеллами, могли увеличиваться в размерах и развивать новые ткани и органы. В результате появилось разнообразие тканей и органов, которые помогают животным высоко летать, плавать на дне океана и создавать спутники для исследования дальних уголков Солнечной системы.

Кража, но в хорошем смысле

Комбинирование, заимствование и переработка технологий и изобретений других видов были частью нашего многомиллиардного прошлого. Это также и наше будущее. Нобелевская премия по химии в 2020 году была присуждена двум женщинам, которые помогли разработать новую технику редактирования генома — CRISPR-Cas. В природе CRISPR — это защитный механизм, который бактерии используют для отражения вторжения вирусов. Есть что-то невероятное в том, что мы сознательно создали то, что клетки и геномы делали миллиарды лет. Процесс, изобретенный бактериями, был использован для изменения геномов других существ. В результате, как и думала Линн Маргулис, получилась присвоенная технология, которая, если с ней поэкспериментировать, может изменить эволюцию.

Источник