От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни - Сергей Ястребов

Это высказывание Тейяра прекрасно описывает начавшуюся в Новое время революцию в понимании природы — революцию, которую часто называют переходом “от существующего к возникающему” или “от бытия к становлению”. Нам сейчас трудно вообразить Вселенную, которая существует 6000 лет и оканчивается сферой неподвижных звезд за орбитой Сатурна. А ведь на протяжении тысячелетий подобное представление о мире было нормой, пусть и находились великие умы, его оспаривавшие.

Многочисленные открытия, сделанные на протяжении трех веков (с XVIII по XX), открыли перед людьми совершенно новую космологическую перспективу. Научная картина мира перестала быть стационарной. Кант и Лаплас предложили первую физическую модель образования Солнечной системы. Геология Геттона и Лайеля продемонстрировала бездонную (как тогда казалось) глубину истории нашей планеты, а начавшая развиваться после выхода знаменитой книги Дарвина эволюционная биология доказала, что не менее сложная история была и у живой природы. Благодаря теории относительности Эйнштейна возникла модель расширяющейся Вселенной — сначала чисто математическая, но быстро получившая астрономические подтверждения. После этого Жорж Леметр и Георгий Гамов сформулировали теорию расширения Вселенной “от первоначального атома”, которую еще при их жизни назвали теорией Большого взрыва. Радиоизотопный метод позволил определить возраст Солнечной системы (4,6 миллиарда лет), а расчеты на основе теории Большого взрыва — возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет). Теория тектоники плит в основных чертах объяснила, как и почему на Земле менялось расположение континентов. Инфляционная теория дополнила классическую космологию, установив, что видимая Вселенная — это не просто не вся Вселенная, а ее ничтожно малая часть (из-за стремительного расширения в самом начале). Неравновесная термодинамика начала исследовать физические принципы, делающие возможной самоорганизацию материи — упорядоченное изменение от простого к сложному. Одним словом, Вселенная обрела историю. На месте статичного аристотелевско-птолемеевского космоса возникла картина грандиозного потока, несущего в себе все вещи и устремленного из бурного прошлого в неведомое будущее.

Вот частью этого потока и является древо жизни — иначе говоря, эволюционное древо. Надо сказать, что сейчас мы знаем довольно много даже о его глубоких “корнях”: загадка происхождения жизни, рассуждения о которой еще недавно воспринимались как бездоказательные, в наше время обернулась рядовой научной проблемой, вполне поддающейся решению экспериментальными методами. Однако тема этой книги — не столько “корни” древа жизни, сколько его “ствол” и главные ветви. Автор должен признаться, что на протяжении всей работы он считал смысловым центром книги третью часть, так и озаглавленную — “Древо жизни”, — и именно ее писал с особым удовольствием. То, что эта часть не стала заодно и самой большой, объясняется — увы — чрезмерным объемом первых двух частей, которые задумывались как вводные (например, глава о биоэнергетике разрослась в процессе написания до совершенно непредвиденного размера, а сокращать было жалко: тема-то интересная). Впрочем, нет худа без добра: широкий охват материала позволяет нам увидеть, что субъектами эволюции в том или ином смысле могут быть структуры всех уровней — от атомов и молекул до планеты Земля.

Открытие генетического кода подарило людям такие возможности для изучения биологической эволюции, которые до середины XX века было просто невозможно вообразить. Например, представим, что молекулярный филогенетик сравнивает несколько видов эукариот, у которых прочитаны аминокислотные последовательности 100 белков. Типичный размер эукариотного белка — 300 аминокислот. Получается, что сравнению подлежат 30 000 аминокислотных позиций. Если прочитаны еще и нуклеотидные последовательности генов, кодирующих эти белки, то — поскольку любая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами — сравнение охватит уже 90 000 позиций, на каждой из которых в принципе может стоять любой из четырех нуклеотидов (А, Т, Г или Ц). Таково количество признаков, с которыми работают систематики в молекулярную эру. Открытие методов работы с генетической информацией поистине стало “философским камнем” биологии, во всяком случае эволюционной. Отметим, что все приведенные числа не взяты с потолка — они заимствованы из реальных свежих научных работ, причем достаточно скромных по размаху: объем анализируемых данных запросто может быть и больше (например, во многих современных исследованиях сравниваются целые геномы, и тогда речь идет уже о миллионах нуклеотидов).

Любая группа живых организмов имеет общего предка, у которого был свой геном. От этого генома путем конвариантной редупликации, то есть копирования с сохранением изменений, произошли геномы всех современных представителей группы. Многообразные события, меняющие геномы в ходе эволюции, оставляют следы, которые наслаиваются друг на друга. Их можно найти и прочитать, примерно так же, как можно найти и прочитать следы правок в обычном тексте. Ведь геном — это тоже текст (хотя и не только текст, конечно). Геном любого организма заключает в себе целую летопись эволюционных изменений, многие из которых можно довольно точно распознать и датировать. Сплошь и рядом это относится даже к изменениям, которые произошли много сотен миллионов лет назад. Текст может сохранить все.

Любой геном — это в некотором смысле архив, документирующий события, происходившие на всем протяжении эволюционной линии от последнего общего предка всех живых организмов (или, во всяком случае, клеточных организмов, если мы говорим о них) до обладателя этого генома. Конечно, следы многих событий в конце концов стираются из генома начисто, и с этим ничего не поделаешь: “Полностью утраченная информация, не сохранившаяся ни в одном экземпляре, восстановлена быть не может”[541]. С другой стороны, бывают и такие эволюционные новшества, которые запечатлеваются в геноме очень четко — так, что “прочитать” их следы можно даже спустя миллиарды лет. “Впечатанные” в геном свидетельства в принципе могут воспроизводиться из поколения в поколение сколь угодно долго. Причем все они заключены внутри сложной упорядоченной структуры, дающей возможность их послойно датировать. Это означает, что наряду с палеонтологической летописью, которая интенсивно изучается с начала XIX века, в распоряжении биологов теперь есть еще одна настоящая летопись — генетическая. Как и палеонтологическая летопись, она неполна, но зато любой ее сохранившийся фрагмент несет огромное количество информации.

Установление родства между организмами — далеко не единственная, но, безусловно, очень важная задача эволюционной биологии. Сейчас эта задача частью уже решена, а частью активно решается. Неудивительно, что книги на эту тему быстро устаревают, и данная книга не составит исключения. Особенно это относится к главе 15, которая местами, вероятно, успеет устареть еще до выхода книги из печати. Избежать этого невозможно: скорость открытий в области мегасистематики сейчас такова, что любая сводка должна обновляться по меньшей мере раз в год, а иногда и быстрее. Например, супергруппа Excavata все более четко разбивается современными исследованиями на две самостоятельные супергруппы — Discoba и Metamonada, которые независимо отходят от “корня” общего древа эукариот[542]. Вместо супергруппы Opisthokonta на эволюционном древе эукариот все чаще появляется супергруппа Obazoa, включающая тех же опистоконтов плюс две небольшие группы примитивных жгутиконосцев[543]. Загадочную ветвь криптомонад в последнее время сближают с архепластидами, то есть с растениями — в противовес старой системе, причислявшей криптомонад к хромальвеолятам[544]. С другой стороны, на молекулярных деревьях, построенных с учетом новейших данных, регулярно возникает сестринская по отношению к ризариям ветвь, состоящая из страменопилов и альвеолят — а это означает, что систематики, возможно, поторопились с “закрытием” группы Chromalveolata: не достаточно ли было просто изменить ее состав, выкинув оттуда криптомонад и гаптофит? Наконец, в феврале 2018 года, когда эта книга уже версталась, вышла авторитетная и основанная на большом наборе новых данных работа, показывающая, что коллодиктион (многократно здесь упоминавшийся) вместе с двумя другими “микроцарствами” малоизвестных протистов образует целую супергруппу, сестринскую по отношению ко всем одножгутиковым (Unikonta = Amorphea)[545]. И конечно же, “продолжение следует”. Остается лишь посоветовать интересующимся этой темой следить за научными новостями, благо освещаются они сейчас неплохо, а тема — и впрямь интригующая.