Гнездящиеся в нас вирусы и бактерии могут кардинальным образом ускорять эволюционные процессы, быстро перемещая фрагменты ДНК между различными разновидностями живых организмов. Столь смелый вывод был сделан американскими специалистами из частного Университета Райса (Rice University, г. Хьюстон, штат Техас, основан в 1891 году на средства филантропа Уильяма Райса).
Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters 29 января.
В принципе, многочисленные проекты последнего десятилетия, посвященные картированию генома, уже показали, что генная информация может передаваться таким необычным образом — то есть «переезжая» верхом на вирусах, однако теперь биологи в своих построениях пошли еще дальше — они утверждают, что именно заражение микрофлорой и дает толчок к быстрому развитию организмов, приобретению ими принципиально новых функций и признаков.
«Переезды» фрагментов ДНК получили в специальной литературе название горизонтального переноса генов (horizontal gene transfer — HGT). Сама мысль о возможности такого переноса (между отдельно существующими организмами, а не от родителей к потомству) появилась еще полстолетия назад, первоначально она подвергалась резкой критике, и лишь появление бактерий, резистентных к испытанным лекарственным средствам, и некоторые последующие открытия (вроде выявления комплексов белков, используемых микроорганизмами для обмена генетической информацией) привели к широкому признанию этой концепции. Ну а уже искусственный «горизонтальный перенос», собственно, и лежит в основе многих методов генной инженерии. По сравнению с более привычной идеей полового отбора и случайными последовательностями мутаций у HGT есть неоспоримое преимущество: каждый такой перенос сопоставим с целой серией обычных генетических мутаций, протекающих при этом еще и в чрезвычайно сжатые сроки, таким образом они позволяют объяснить «противоестественное» ускорение эволюционных процессов в самых «проблемных» направлениях.
Нынешний вид хромосом, отвечающих за передачу наследственной информации, во многом определяется «замусориванием» ее остатками встроившихся в геном эукариот вирусов и, возможно, подхваченных ими по дороге от одного хозяина к другому участков ДНК других видов — это касается и человека, и животных, и растений. Майкл Дим из Университета Райса поясняет, что подобные признаки позволяют микробиологам отследить этапы развития адаптивной иммунной системы у людей и некоторых других позвоночных за последние 400 миллионов лет. «В какой-то момент вирусы и бактерии могут случайно прихватить полезный белок или ген, и после этого он может быть передан более сложным разновидностям. Я думаю, что эти процессы могут считаться основным механизмом, за счет которого происходит приобретение принципиально новых функций», — говорит Майкл Дим.
Как известно, взгляды на эволюционное развитие (в основе которого лежит теория Дарвина) в науке тоже «эволюционируют», приобретают определенную глубину, обрастают деталями, изложение конкретных аспектов теории становится все более и более запутанным для людей непосвященных. На настоящий момент собрано множество удивительных фактов. Так, например, анализ ископаемых останков показывает, что одноклеточные организмы появились на Земле приблизительно 3,5 миллиарда лет назад (едва ли не на заре существования Солнечной системы, которой не более 5 миллиардов лет). Однако потребовалось долгих 2,5 миллиарда лет на то, чтобы на нашей планете развились первые многоклеточные организмы. Наконец, еще за миллиард лет эти первые многоклеточные организмы, проэволюционировав, породили все то многообразие форм растений и животных, которое мы наблюдаем сейчас. За счет чего же темпы эволюции могли увеличиться столь кардинальным образом?
По мнению группы профессора Дима (которая занята сейчас внедрением инструментария, применяемого в статистической физике, в молекулярную биологию — отсюда, видимо, и публикации в «непрофильных» физических журналах), именно случаи горизонтальных переносов отдельных генов и небольших генных блоков в геномы эволюционно далеких организмов могли сыграть определяющую роль в эволюционном скачке, позволившем ранним многоклеточным организмам стремительно усложниться и достичь нынешних высот развития. «Простые организмы мы можем сравнить с отдельными элементарными кубиками игры «Лего», — объясняет Дим. — Если вы получите в свое распоряжение достаточное количество разнообразных элементов этого конструктора, то сможете собрать разные интересные структуры. Около трех миллиардов лет потребовалось только на то, чтобы получить первые элементы, но как только они были получены, работа сразу закипела: одни и те же элементы могли сопрягаться самыми различными способами». Модульная структура генов сделала их идеальным объектом для «конструирования» посредством горизонтальных переносов, что позволяло заимствовать благоприобретенные черты, переставлять их между различными разновидностями.
Все эти рассуждения заставляют вспомнить учение древнегреческого (сицилийского) философа, пророка и чудотворца V в. до н. э. Эмпедокла из Акраганта, которое он изложил в поэмах «О природе» и «О жизни». По Эмпедоклу, все живые существа (не только животные, но и люди) возникли из соединяющихся в Эпоху Любви независимо возникших отдельных частей тел — рук, ног, глаз, голов и т.д. В ряде случаев члены соединялись как попало (и чем вам ни конструктор «Лего»?!), так что образовывались, например, «быкородные человеколицые», но со временем выжили лишь те создания, у которых соединение членов было правильно и сообразно...
Нужно заметить, что хотя наличие аналогов всех этих надорганизменных процессов теперь уже не отрицается, все-таки однозначной оценки роли горизонтальных обменов генетической информацией в эволюции крупных животных и растений в научном сообществе нет. Многие ученые склонны соглашаться лишь с тем, что процессы горизонтальных переносов существенны исключительно для микроорганизмов. Да и в оригинальных работах, написанных Димом и его коллегами, их статистический анализ (заставляющий отбросить или принять ту или иную эволюционную модель) ведется на примере простейших организмов... Новизна же данных работ состоит в том, что в новые модели удалось встроить те факторы, что прежде в аналогичных случаях просто не принимались во внимание...
Специалист по молекулярной эволюции профессор Отто Берг (Otto Berg) из шведского Университета города Упсала, который не принимал непосредственного участия в вышеописанных исследованиях, уверен в том, что заключение о возможности рекомбинаций генов (переобъединения изначальных генетических последовательностей) и горизонтального генного транспорта на современном этапе теперь уже не может оспариваться, и вообще для микроорганизмов все это весьма существенно. Горизонтальные переносы генов становятся особенно действенными тогда, когда тот или иной вид или популяция испытывает мощное давление окружающей среды — находится на грани вымирания. Например, если бактерии подвергаются воздействию антибиотиков, то должен либо появиться новый особо устойчивый штамм (речь о так называемой антибиотикорезистентности, либо они все должны вымереть — третьего не дано. Поэтому абсолютно любые благоприобретенные признаки (имеются в виду как случайные мутации, так и гены, перенесенные вирусом), которые даруют им устойчивость к препаратам, могут получить в колонии самое широкое распространение — закрепляться среди всех выживших ее обитателей. «Когда популяция сталкивается с проблемой выживания или необходимостью завоевания новой экологической ниши, наследование новых признаков может быть особенно прочным, и горизонтальные переносы тогда действительно способны играть главенствующую роль», — говорит Берг.
В принципе, многочисленные проекты последнего десятилетия, посвященные картированию генома, уже показали, что генная информация может передаваться таким необычным образом — то есть «переезжая» верхом на вирусах, однако теперь биологи в своих построениях пошли еще дальше — они утверждают, что именно заражение микрофлорой и дает толчок к быстрому развитию организмов, приобретению ими принципиально новых функций и признаков.
«Переезды» фрагментов ДНК получили в специальной литературе название горизонтального переноса генов (horizontal gene transfer — HGT). Сама мысль о возможности такого переноса (между отдельно существующими организмами, а не от родителей к потомству) появилась еще полстолетия назад, первоначально она подвергалась резкой критике, и лишь появление бактерий, резистентных к испытанным лекарственным средствам, и некоторые последующие открытия (вроде выявления комплексов белков, используемых микроорганизмами для обмена генетической информацией) привели к широкому признанию этой концепции. Ну а уже искусственный «горизонтальный перенос», собственно, и лежит в основе многих методов генной инженерии. По сравнению с более привычной идеей полового отбора и случайными последовательностями мутаций у HGT есть неоспоримое преимущество: каждый такой перенос сопоставим с целой серией обычных генетических мутаций, протекающих при этом еще и в чрезвычайно сжатые сроки, таким образом они позволяют объяснить «противоестественное» ускорение эволюционных процессов в самых «проблемных» направлениях.
Нынешний вид хромосом, отвечающих за передачу наследственной информации, во многом определяется «замусориванием» ее остатками встроившихся в геном эукариот вирусов и, возможно, подхваченных ими по дороге от одного хозяина к другому участков ДНК других видов — это касается и человека, и животных, и растений. Майкл Дим из Университета Райса поясняет, что подобные признаки позволяют микробиологам отследить этапы развития адаптивной иммунной системы у людей и некоторых других позвоночных за последние 400 миллионов лет. «В какой-то момент вирусы и бактерии могут случайно прихватить полезный белок или ген, и после этого он может быть передан более сложным разновидностям. Я думаю, что эти процессы могут считаться основным механизмом, за счет которого происходит приобретение принципиально новых функций», — говорит Майкл Дим.
Как известно, взгляды на эволюционное развитие (в основе которого лежит теория Дарвина) в науке тоже «эволюционируют», приобретают определенную глубину, обрастают деталями, изложение конкретных аспектов теории становится все более и более запутанным для людей непосвященных. На настоящий момент собрано множество удивительных фактов. Так, например, анализ ископаемых останков показывает, что одноклеточные организмы появились на Земле приблизительно 3,5 миллиарда лет назад (едва ли не на заре существования Солнечной системы, которой не более 5 миллиардов лет). Однако потребовалось долгих 2,5 миллиарда лет на то, чтобы на нашей планете развились первые многоклеточные организмы. Наконец, еще за миллиард лет эти первые многоклеточные организмы, проэволюционировав, породили все то многообразие форм растений и животных, которое мы наблюдаем сейчас. За счет чего же темпы эволюции могли увеличиться столь кардинальным образом?
По мнению группы профессора Дима (которая занята сейчас внедрением инструментария, применяемого в статистической физике, в молекулярную биологию — отсюда, видимо, и публикации в «непрофильных» физических журналах), именно случаи горизонтальных переносов отдельных генов и небольших генных блоков в геномы эволюционно далеких организмов могли сыграть определяющую роль в эволюционном скачке, позволившем ранним многоклеточным организмам стремительно усложниться и достичь нынешних высот развития. «Простые организмы мы можем сравнить с отдельными элементарными кубиками игры «Лего», — объясняет Дим. — Если вы получите в свое распоряжение достаточное количество разнообразных элементов этого конструктора, то сможете собрать разные интересные структуры. Около трех миллиардов лет потребовалось только на то, чтобы получить первые элементы, но как только они были получены, работа сразу закипела: одни и те же элементы могли сопрягаться самыми различными способами». Модульная структура генов сделала их идеальным объектом для «конструирования» посредством горизонтальных переносов, что позволяло заимствовать благоприобретенные черты, переставлять их между различными разновидностями.
Все эти рассуждения заставляют вспомнить учение древнегреческого (сицилийского) философа, пророка и чудотворца V в. до н. э. Эмпедокла из Акраганта, которое он изложил в поэмах «О природе» и «О жизни». По Эмпедоклу, все живые существа (не только животные, но и люди) возникли из соединяющихся в Эпоху Любви независимо возникших отдельных частей тел — рук, ног, глаз, голов и т.д. В ряде случаев члены соединялись как попало (и чем вам ни конструктор «Лего»?!), так что образовывались, например, «быкородные человеколицые», но со временем выжили лишь те создания, у которых соединение членов было правильно и сообразно...
Нужно заметить, что хотя наличие аналогов всех этих надорганизменных процессов теперь уже не отрицается, все-таки однозначной оценки роли горизонтальных обменов генетической информацией в эволюции крупных животных и растений в научном сообществе нет. Многие ученые склонны соглашаться лишь с тем, что процессы горизонтальных переносов существенны исключительно для микроорганизмов. Да и в оригинальных работах, написанных Димом и его коллегами, их статистический анализ (заставляющий отбросить или принять ту или иную эволюционную модель) ведется на примере простейших организмов... Новизна же данных работ состоит в том, что в новые модели удалось встроить те факторы, что прежде в аналогичных случаях просто не принимались во внимание...
Специалист по молекулярной эволюции профессор Отто Берг (Otto Berg) из шведского Университета города Упсала, который не принимал непосредственного участия в вышеописанных исследованиях, уверен в том, что заключение о возможности рекомбинаций генов (переобъединения изначальных генетических последовательностей) и горизонтального генного транспорта на современном этапе теперь уже не может оспариваться, и вообще для микроорганизмов все это весьма существенно. Горизонтальные переносы генов становятся особенно действенными тогда, когда тот или иной вид или популяция испытывает мощное давление окружающей среды — находится на грани вымирания. Например, если бактерии подвергаются воздействию антибиотиков, то должен либо появиться новый особо устойчивый штамм (речь о так называемой антибиотикорезистентности, либо они все должны вымереть — третьего не дано. Поэтому абсолютно любые благоприобретенные признаки (имеются в виду как случайные мутации, так и гены, перенесенные вирусом), которые даруют им устойчивость к препаратам, могут получить в колонии самое широкое распространение — закрепляться среди всех выживших ее обитателей. «Когда популяция сталкивается с проблемой выживания или необходимостью завоевания новой экологической ниши, наследование новых признаков может быть особенно прочным, и горизонтальные переносы тогда действительно способны играть главенствующую роль», — говорит Берг.
Обсуждения Болезная эволюция