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: 326; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!