Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Бывает, что мир не готов принять новые изобретения или идеи. Леонардо да Винчи (1452-1519) в XVI веке придумывал летательные аппараты, в том числе планеры. Они не были построены, поскольку в то время не существовало ни материалов для их изготовления, ни соответствующей технологии. В истории жизни происходит то же самое. Рыбы с легкими и конечностями прекрасно чувствовали себя в древнем океане задолго до того, как смогли сделать первый вдох и первый шаг на твердой земле. На суше нельзя было выжить, поскольку не было достаточного количества растений или насекомых для поддержания существования крупных животных. Выбор времени – важнейший фактор для появления изобретений, будь то в области эволюции, человеческой технологии или даже в работе молодых ученых в 1960-х годах.

Линн Маргулис (1938-2011) изучала жизнь микробов в Университете Чикаго и в Беркли. В рамках одного из первых своих исследовательских проектов она анализировала разнообразие клеток живых существ и предложила новую теорию их возникновения. Она изложила свою идею в виде статьи и получила отрицательные отзывы, как она сама говорила, “примерно из пятнадцати журналов”. В конечном итоге неутомимая Маргулис пристроила статью в один малоизвестный журнал по теоретической биологии. Бесстрашная настойчивость Маргулис перед лицом критиков просто поразительна: молодая женщина, начинающий ученый, выступала против ортодоксальных представлений в оккупированной мужчинами сфере науки.

Линн Маргулис

Маргулис сосредоточилась на изучении клеток, составляющих тела животных, растений и грибов. Эти клетки отличаются от бактериальных более сложным строением. Каждая такая клетка имеет ядро с содержащимся в нем геномом. Ядро окружено небольшими органами, так называемыми органеллами, выполняющими различные функции. Наиболее заметны органеллы, которые снабжают клетку энергией. В клетках растений имеются хлоропласты, содержащие хлорофилл, который осуществляет реакции фотосинтеза, необходимые для превращения солнечного света в доступную для использования энергию. Аналогичным образом, в клетках животных имеются митохондрии, производящие энергию из кислорода и сахаров.

Маргулис заметила, что органеллы напоминают своеобразные миниклетки внутри клетки. У каждой есть собственная мембрана, отделяющая ее от остального содержимого клетки. Внутриклеточные органеллы воспроизводятся путем деления надвое, или почкования: сначала они удлиняются и пережимаются в центре, становясь похожими на гантели, а затем две стороны расходятся, превращаясь в независимые структуры. У органелл даже есть собственный геном, отдельный от генома клеточного ядра и совсем на него не похожий. Последовательность ДНК в ядре скручена, а в митохондриях и хлоропластах концы последовательности ДНК замыкаются друг на друга, образуя простое кольцо.

Структура, наличие мембраны, способ воспроизведения этих органелл и организация их ДНК напоминали Маргулис что-то знакомое. Она видела подобные структуры раньше, когда исследовала одноклеточные сине-зеленые водоросли и бактерии. Бактерии и сине-зеленые водоросли воспроизводятся почкованием, окружены аналогичной мембраной и имеют геном, который во многом похож на геном митохондрий и хлоропластов. Органеллы, снабжающие животных и растения энергией, гораздо больше напоминают бактерии и сине-зеленые водоросли, чем ядро тех клеток, в которых находятся.

На основании этих наблюдений Маргулис выдвинула радикально новую теорию эволюции жизни. Хлоропласты ранее были свободноживущими сине-зелеными водорослями, которые были поглощены другими клетками и стали подсобными рабочими метаболизма, обеспечивающими клетку энергией. Аналогичным образом, митохондрии когда-то были свободноживущими бактериями, которые слились с другими клетками и принуждены были снабжать их энергией. Радикальность идеи Маргулис заключалась в том, что в каждом из этих случаев разные существа объединились для создания нового, более сложного существа.

Как предсказывала судьба статьи, отвергнутой пятнадцать раз, идеи Маргулис были встречены с пренебрежением или полным безразличием. Маргулис не знала, но за шестьдесят лет до нее аналогичные идеи выдвигали один русский и один французский биолог, и тогда их работы тоже были осмеяны и остались похороненными в каких-то малоизвестных журналах[19]. Но бесстрашие Маргулис, ее уверенность и творческий подход поддерживали существование идеи на протяжении нескольких десятилетий, пока Маргулис собирала дополнительные доказательства и настойчиво убеждала публику. Долгое время ее усилия не приносили результата. Она оставалась с краю добропорядочного научного сообщества, поскольку подмеченные ею сходства никого не убедили.

К счастью для Маргулис и для науки в целом, развитие технологии помогло подтвердить ее идеи. В 1980-х годах были разработаны более быстрые методы секвенирования ДНК, и стало возможным сравнивать историю генов в органеллах с историей генов в ядре. Появилось семейное дерево – столь же прекрасное, сколь удивительное. ДНК митохондрий и хлоропластов не состояла в генетическом родстве с ДНК из ядер тех же клеток. Хлоропласты имеют гораздо более близкое родство с разными видами сине-зеленых водорослей, чем с какими-либо другими элементами растительных клеток. Митохондрии же являются потомками потребляющих кислород бактерий и не имеют родства с ядром клеток, в которых находятся. В каждой сложной клетке сливаются две линии жизни: одна отражает историю ее ядра, вторая – историю предков, бывших когда-то свободноживущими сине-зелеными водорослями или бактериями.

Эволюция за счет объединения: происхождение сложных клеток в результате поглощения двух типов микробов (стрелки), в одном случае давшего начало митохондриям (вверху), в другом – хлоропластам (внизу)

Недавние сравнительные исследования ДНК показывают, что слияния такого типа – нередкое явление в истории жизни. Таким способом возникли некоторые неродственные растениям и животным клетки с различными органеллами. Например, микробный возбудитель малярии Plasmodium falciparum имеет на одной стороне клетки странную органеллу, похожую на клоунский колпак. Она участвует в нескольких метаболических процессах. Секвенирование ее ДНК показывает, что когда-то это была свободноживущая водоросль. Эта органелла с собственной клеточной историей окружена мембранами с расположенными на ней специфическими молекулами. В медицине эти молекулы используются в хорошем деле: они служат мишенью для противомалярийных препаратов, призванных находить и разрушать малярийные клетки.