Хромосома 11 Индивидуальность 3 страница



Имя нашего общего предка — Лука (Luca — Last Universal Common Ancestor, последний вселенский общий предок). Как он выглядел и где жил? Предположительно, он выгля­дел как бактерия и жил в теплых лужах, возможно, в горя­чих источниках или морских заливах. В последнее время Луке стали отводить более мрачное место жительства, ког­да стало известно, что глубинные подземные и подводные камни обсеменены миллиардами литотрофных (живущих за счет преобразования химических соединений) бакте­рий. Тогда Луку поселили глубоко под землей, поближе к вулканической лаве, где его пищей были сера, железо, водород и углерод. Даже сейчас то, что мы понимаем под биосферой, — лишь вершина айсберга. По расчетам ученых девять десятых всего органического углерода сосредоточе­но глубоко под землей в виде термофильных бактерий, от­ветственных за образование природного газа (Gold Т. 1992. The deep, hot biosphere.Proceedings of the National Academy of Science of the USA 89: 6045-6049; Gold T. 1997. An unexplored habitat for life in the universe?American Scientist 85: 408-411).

Впрочем, сейчас довольно сложно представить, как выгля­дели первые формы жизни на Земле. У большинства совре­менных организмов гены передаются только от родителей к детям, но так было не всегда. Например, бактерии могут пе­редавать генетический материал друг другу от клетки к клет­ке. Вполне возможно, что ранее горизонтальный перенос генов был еще более распространенным явлением, вклю­чая целенаправленный поиск и захват нужных генов орга­низмами. В клетках древних организмов должно было быть много маленьких хромосом, по нескольку генов в каждой, которые легко можно было потерять или передать. Исходя из этой гипотезы, Карл Везе (Carl Woese) предложил рас­сматривать виды организмов как временные сообщества генов, нестабильные во времени. Гены, которые нашли свое прибежище в геноме человека, могли прийти к нам от разных видов. В таком случае бессмысленно искать един­ственного общего предка в далеком прошлом. Возможно, был не один Лука, а целое сообщество генетически разно­родных организмов, свободно обменивавшихся друг с дру­гом генами. Согласно Везе, жизнь уходит к своим истокам многочисленными корнями, а не одним генеалогическим стволом (Woese С. 1998. The universal ancestor. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 95: 6854-6859).

Тот древний мир можно представить как коммуну, в ко­торой гены принадлежали всему сообществу организмов. Но, скорее, реальному положению вещей соответствует теория эгоистичных генов, согласно которой гены нахо­дились в состоянии жесткой конкуренции по отношению друг к другу и в организмах образовывали лишь временные союзы. С течением времени наиболее удачные сочетания генов закреплялись, и индивидуальный эгоизм генов за­менялся коллективным трудом. Впрочем, пока это только гипотезы.

Но даже если предков было много, мы можем продол­жить наши размышления о том, где они жили и как выгля­дели. Были ли они похожи на современные термофильные бактерии? Благодаря ряду работ трех исследователей из Новой Зеландии, опубликованных в 1998 году, становится понятным то, что наши представления о примитивности бактерий не совсем верны. Бактерии, с их простым строе­нием клетки без ядра и с одной циркулярной хромосомой, скорее всего, не лежат в основе генеалогического дерева жизни. Традиционно древо жизни связывают с термофиль­ными бактериями, которые и сейчас встречаются в тер­мальных источниках.

По-видимому, автор имеет в виду архебактерии — живые ископаемые, населяющие горячие источники и другие экс­тремальные места обитания, непригодные для иных форм жизни.

Возникновение многоклеточных организмов связывают с объединением древних бактерий в сложные ассоциации. Но были ли наши предки такими же экстремалами, тяготев­шими к извергающимся вулканам и горячим источникам? Давайте представим обратный ход эволюции. Первые ор­ганизмы не были похожи на бактерии и не жили в горя­чих источниках и глубоководных вулканических кратерах. Вероятно, они больше напоминали современных прото- зоа — простейших одноклеточных животных вроде амебы, с геномом, фрагментированным в маленькие линейные по­липлоидные (несколько одинаковых копий) хромосомы. Полиплоидия была важна для первых организмов, посколь­ку их системы репликации были несовершенны и допуска­ли ошибки при копировании ДНК. Именно из-за несовер­шенства и неустойчивости биохимических систем эти ор­ганизмы, скорее всего, предпочитали холодный климат, а не горячие источники. Многие ученые, как, например, Патрик Фортерр (Patrick Forterre), полагают, что бактерии появились на Земле намного позже и принципиально отли­чаются от тех первых организмов, которые изобрели фор­му жизни, основанную на взаимодействии белков и ДНК. Действительно, если первоисточником жизни была РНК, то в организмах бактерий разнообразие молекул РНК све­дено к минимуму, особенно у микроорганизмов, живущих в горячих источниках. Но зато именно в нашем организме можно найти многочисленные реликтовые формы РНК, унаследованные нами от Луки. Бактерии в этом плане го­раздо более «продвинуты».

Реликтовые РНК, эти молекулярные ископаемые, широ­ко представлены у многоклеточных организмов. Многие из них являются мельчайшими молекулами, появляющи­мися в результате сплайсинга информационных РНК или существующими сами по себе, без определенных функций. Выделено много классов этих молекул: направляющие РНК, сброшенные РНК, короткие РНК ядра, короткие ядрышковые РНК и самовырезающиеся интроны. У бакте­рий ничего подобного нет. Гораздо проще предположить, что эти элементы были утрачены бактериями, чем то, что они были приобретены в ходе эволюции высшими организ­мами. (В биологии принято отдавать предпочтение более простым гипотезам, если нет явных свидетельств в пользу более сложной гипотезы. Этот подход называется принци­пом бритвы Оккама (Occam's razor).)

Принцип назван так по имени философа XIV века Уильяма

Оккама (William Occam, 1285-1349), впервые сформулировавшего его.

Бактерии избавились от многочисленных РНК, посколь­ку они крайне нестабильны и склонны к мутациям, особен­но в экстремальных условиях с высокими температурами и низкими значениями кислотности. Дальнейшая эволюция бактерий шла в направлении упрощения организма, спо­собствовавшего ускорению процессов репликации и раз­множения, что чрезвычайно важно для успешной конкурен­ции в эконишах их обитания. Но в клетках нашего организ­ма реликтовые РНК (остатки уже давно не используемых механизмов, замененных более совершенными) все еще сохранились как напоминание о прежних формах жизни. В отличие от бактерий в эволюции многоклеточных орга­низмов — грибов, растений и животных — тенденция к упро­щению никогда не была доминирующей. Напротив, преиму­щество получали более сложные формы, обеспечивающие физико-химическую стабильность (гомеостаз) клеток, что и дало возможность сохраниться реликтовым молекулам РНК (Poole А. М., Jeffares D. С., Penny D. 1998. The path from the RNA world.Journal ofMolecular Evolution 46: 1-17; Jeffares D. C., Poole A M., Penny D. 1998. Relics from the RNA world .Journal of Molecular Evolution 46: 18-36).

3a последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении роли коротких молекул РНК, не кодирующих белки. Оказалось, что они играют чрезвычайно важную роль в регуляции биохимических процессов и экспрессии (считывания) генов. Поэтому их нельзя считать реликтами. Также оказалось неправдой то, что таких молекул РНК нет у бактерий. Их просто никто не искал, а когда стали искать, только в кишечной палочке нашли несколько сотен корот­ких регуляторных РНК (Hershberg R., Altuvia S., Margalit H. 2003. A survey of small RNA-encoding genes inEscherichia coli. Nucleic Acids Research 31:1813-1820).

Трехбуквенные слова генетического кода совершенно одинаковы у всех организмов. Так, CGA означает аргинин, a GCG — аланин у всех организмов: летучих мышей, жуков, водорослей и бактерий. Такой же код используется бакте­риями, ошибочно названными архебактериями, которые живут при температуре кипения воды в сернокислых вулка­нических источниках на дне Атлантического океана. Этот же код используют вирусы— мельчайшие бесклеточные живые организмы. Куда бы мы ни пошли в этом мире, ка­ких бы ни взяли животных или растения, жука или одно­клеточную амебу, все живое на планете использует один и тот же генетический код. Жизнь едина и говорит на одном языке. (Все же существует некоторое незначительное ва­рьирование кода — диалекты, присущие бактериям, много­клеточным и митохондриям.)

Теория о том, что архебактерии лежат в основе генеалоги­ческого дерева как современных эубактерий, так и много­клеточных, по-прежнему рассматривается как основная. Хотя, безусловно, это были не те архебактерии, которые сейчас живут в вулканических гейзерах. Обособленное положение архебактерий по отношению к другим орга­низмам также не вызывает сомнений.

2 Геном. Автобиография вида в 23 гл.

Все это означает, что появление жизни на Земле про­изошло лишь однажды, что может быть использовано ве­рующими как хороший аргумент в пользу божественного происхождения мира. Конечно, можно предположить, что жизнь зародилась не на Земле, а была занесена из космоса на инопланетном космическом корабле. Возможно также, что жизнь зарождалась многократно и было много альтер­нативных форм жизни, но в конкурентной борьбе выжили лишь Лука и его потомки. Но до раскрытия в 1960 году ге­нетического кода не было никаких прямых доказательств того, что мы и морская водоросль — родственники, у кото­рых был общий предок. Единство жизни на нашей плане­те — это теперь экспериментально доказанный факт. Эразм Дарвин был прав, когда говорил, что «одна и только одна из нитей жизни была первоисточником всех остальных форм живых организмов на Земле».

Обобщим то, что мы узнали о геноме из этой главы: -ф жизнь едина и произошла от общего предка; -Ф первые формы жизни были основаны на РНК; -ф и бактерии, и животные являются потомками древней формы жизни, которая существенно отличалась как от нас с вами, так и от современных бактерий. Скорее всего, это были крупные одноклеточные полиплоид­ные организмы с множеством линейных хромосом. Не найдено никаких окаменелостей первых форм жизни на Земле, существовавших 4 млрд лет тому назад. Сохранилась только огромная книга живой природы — ге­ном. Гены в каждой мельчайшей клетке вашего тела — это прямые потомки первых репликационных систем доисто­рических организмов, дошедшие до наших дней после бо­лее чем 10 млрд копирований и сохранившие в себе цифро­вые сообщения о первых днях жизни. Если в нашем геноме мы можем найти ответ на вопрос о том, как зарождалась жизнь, то как много нам может поведать геном о не столь отдаленных событиях нашей истории в последние сотни миллионов лет. В наших руках история человечества, запи­санная в цифровом формате и удобная для чтения с помо­щью компьютера.

В последние годы появились новые подтверждения того, что в основе первых форм жизни лежала РНК. Недавно была опубликована гипотеза, согласно которой первыми организмами с ДНК были вирусы, и именно в результа­те заражения этими вирусами первых организмов совер­шенно независимо друг от друга возникли три ветви жиз­ни: бактерии, архебактерии и эукариоты (Forterre Р. 2006. Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: a hypothesis for the origin of cell­ular domain. ЯЛ/А5103: 3669-3674).

Хромосома 2 Душа

В истории науки случалось, что ошибочное положение на долгие годы становилось прописной истиной только по­тому, что никто не удосужился его проверить. До 1955 года все ученые были твердо убеждены в том, что геном челове­ка состоит из 24 пар хромосом. Ошибка произошла в 1921 году, когда техасец Теофилус Пейнтер (Theophilus Painter) сделал препаративные срезы семенников двух афроамери- канцев и одного белого, кастрированных по решению суда за «слабоумие и антиобщественное поведение», зафикси­ровал срезы в химических препаратах и микроскопировал. Пейнтер долго пытался подсчитать скучившиеся хромосо­мы в сперматоцитах несчастных мужчин и наконец решил, что их 24. «Я пришел к убеждению, что это число верно», — скажет он позже. Интересно, но другие ученые затем по­вторяли подсчеты, используя разные методы, и тоже схо­дились во мнении, что хромосом 24.

В течение 30 лет никто не осмелился опровергнуть этот «очевидный факт». Одна группа ученых прервала исследо­вание клеток печени человека, поскольку им удалось насчи­тать только 23 пары хромосом в клетках. Другой ученый разработал метод разделения хромосом, но не стал оспари­вать число 24. И только в 1955 году, когда индонезиец Джо- Хин Тьо (Joe-Hin Tjio) переехал из Испании в Швецию, в лабораторию Альберта Левана (Albert Levan), ошибка была обнаружена. Тьо и Леван, используя более современную технику, четко насчитали 23 пары хромосом. Не поверив самим себе, они взялись за фотографии, опубликованные в старых книгах по генетике человека, но и там насчита­ли только 23 пары. Воистину, нельзя найти более слепого человека, чем тот, который не хочет видеть! (Kottler М. J. 1974. From 48 to 46: cytological technique, preconception, and the counting of human chromosomes.Bulletin of the History of Medicine. 48: 465-502).

В самом деле, удивительно, что у человека не 24 пары хро­мосом. У шимпанзе 24 хромосомы, столько же у гориллы и орангутанга. Среди человекообразных обезьян мы — исклю­чение. Наиболее неожиданное и очевидное отличие чело­века от человекообразных обезьян, которое можно увидеть под микроскопом, состоит в том, что у нас на одну хромосо­му меньше. Причина, и это сразу же было установлено, не в том, что одна из хромосом затерялась, а в том, что две обе­зьяньи хромосомы в человеческой клетке слились в одну. Хромосома 2, вторая по размеру в геноме человека, появи­лась в результате слияния двух средних хромосом обезьян. Это стало очевидным, когда сравнили чередование темных полосок на хромосоме 2 и на хромосомах обезьян.

В своем пос лании в Академию наук Ватикана 22 октября 1996 года Папа Иоанн Павел II (John-Paul II) писал, что между предковыми формами обезьян и современным че­ловеком лежит «онтологический разрыв» — момент, когда Бог вселил душу в животного предка. Таким образом, ка­толическая церковь нашла способ примириться с теорией эволюции. Вполне вероятно, что онтологический разрыв с животным миром произошел именно тогда, когда слились воедино две хромосомы обезьяны. Значит, гены души долж­ны лежать где-то посредине хромосомы 2.

Тем не менее наш вид нельзя считать вершиной эво­люции. У эволюции вообще нет вершин, и нет такого по­нятия, как эволюционный прогресс. Естественный отбор представляет собой беспрерывный процесс изменения форм живых организмов для достижения оптимального соответствия с текущими физическими и биологическими условиями среды обитания. Бактерии, населяющие горло­вины черных курильщиков — подводных кратеров, извер­гающих едкие газы на дне Атлантического океана, прошли такой же путь эволюции от нашего общего предка Луки, как и банковский клерк, а возможно, и более длинный путь, учитывая несоизмеримо большую скорость размножения.

То, что данная книга посвящена геному человека, не означает, что это самый лучший геном. Хотя, безусловно, человек уникален в этом мире, поскольку у него в голове на­ходится самый сложный компьютер на планете. Но слож­ность сама по себе не является целью эволюции. Все другие виды также уникальны. Тем не менее в этой главе я постара­юсь объяснить, что является отличительной особенностью нашего вида от всех других. Хотя в истории эволюции жиз­ни на Земле главе о возникновении безволосых обезьян в африканской саванне следовало бы отвести всего несколь­ко строк, для нашего вида это событие имело чрезвычайно важное значение. Что же стало отправной точкой, откуда пошло развитие человека?

С точки зрения эволюции человек, безусловно, стал удачным решением. До этого не было ни одного крупного животного, столь плотно населившего Землю. Нас больше 6 млрд, что в сумме дает около 300 млн тонн живого веса. Конкурировать с нами по численности могут только одо­машненные животные — коровы, куры и овцы, а также комменсалы: воробьи и крысы. Как с этим контрастирует число горных горилл, которых осталось не больше тысячи! Даже в те времена, когда человеческая цивилизация не раз­рушала среду их обитания, горных горилл было едва ли в десять раз больше.

Более того, наш вид проявил удивительные способно­сти к заселению самых различных мест обитания. В усло­виях холода и жары, сухости и влажности, высокогорья и низин, вблизи моря и в глубине пустыни — всюду человек находил способ выжить. Из животных, расселившихся по всем континентам, кроме Антарктиды, можно назвать только скопу (Pandion haliaetus), сипуху (Ту to alba) и розовую крачку (Sterna dougallii), да и то эти птицы привязаны лишь к строго определенным местам обитания. Конечно, такой ошеломительный успех таит в себе опасность экологиче­ской катастрофы, которая может произойти довольно ско­ро. Согласитесь, для самого успешного вида мы довольно пессимистичны.

Следует заметить, что нашему успеху предшествовала череда неудач и поражений. Большинство человекообраз­ных обезьян исчезли с лица Земли 15 млн лет тому назад, уступив место другим, более приспособленным обезьянам. Еще до этого, 45 млн лет назад, наш отряд приматов поч­ти полностью был вытеснен со всех мест обитания более успешными грызунами. Предки всех млекопитающих, пер­вые синапсидные тетраподы, 200 млн лет назад проиграли в состязании с динозаврами. 360 млн лет назад кистеперые рыбы проиграли в сражении с лучистыми рыбами, а еще раньше, 500 млн лет назад, в кембрийский период, первые хордовые не выдержали конкуренции с членистоногими, сохранив лишь тупиковую ветвь иглокожих. Мы добились успеха не по воле судьбы, а вопреки ей.

Спустя 4 млрд лет после возникновения Луки появи­лась новая форма жизни, которую Ричард Докинз (Richard Dawkins) назвал машиной выживания, — крупные организ­мы, наделенные телами, состоящими из большого числа клеток. Они намного успешнее справлялись с разворотом физико-химических процессов в сторону меньшей энтро­пии и с репликацией собственных генов. Возникновению этих существ предшествовал длительный период проб и ошибок, процесс, называемый естественным отбором. Триллионы новых тел были построены, опробованы и допущены к продолжению потомства, если они соответ­ствовали все ужесточающимся критериям выживания. На первых этапах конкуренты старались выработать наиболее эффективные биохимические пути метаболизма: лучшим организмом был тот, который наиболее быстро и с наи­меньшими затратами энергии преобразовывал химические соединения окружающей среды в ДНК и белки. Эта фаза продолжалась примерно 3 млрд лет, в течение которых жизнь на Земле представляла собой бесконечную борьбу за выживание между разнообразными амебоподобными суще­ствами. Три миллиарда лет одноклеточные существа жили, рождаясь и умирая день за днем. Казалось бы, достаточно, чтобы реализовать все варианты развития.

Но эволюция на этом не завершилась. Примерно милли­ард лет назад довольно неожиданно возник мир принципи­ально новых многоклеточных организмов. По меркам гео­логических эпох этот всплеск разнообразия, называемый кембрийским взрывом, произошел стремительно, в тече­ние всего 10-20 млн лет. Возникло огромное количество организмов разных форм и размеров: снующие трилобиты длиной до полуметра, слизкие черви еще большей длины, огромные фестончатые водоросли. Одноклеточные орга­низмы все еще преобладали, но крупные и бесконечно раз­нообразные многоклеточные «машины выживания» осваи­вали все новые и новые ниши. В эволюции многоклеточных наметилась стабильная тенденция к усложнению. Хотя в истории Земли было много примеров регресса, в частности, связанного с бомбардированием планеты крупными метео­ритами, искореняющими на какое-то время наиболее разви­тые организмы, в целом животный мир более поздних эпох отличался тем, что предковые формы имели более сложное строение тела. Особенно явно тенденция к усложнению просматривается в эволюции мозга. Мозг становился слож­нее и больше на протяжении всех геологических эпох. У жи­вотных кайнозоя, с наименьшим мозгом, показатели все же превосходили рекордные показатели мезозоя, но средний размер мозга в мезозое был значительно больше, чем у палео­зойских образцов. Эгоистичные гены для удовлетворения своих амбиций нашли способ построения такого тела, кото­рое не только могло выдерживать неблагоприятное воздей­ствие окружающей среды, но и целесообразно действовать. Теперь если над генами нависнет угроза замерзания в зим­нюю пургу, они смогут рассчитывать на то, что созданное ими тело совершит какой-то разумный поступок, например мигрирует на юг или построит укрытие.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 177;