Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Последний общий предок всех живых организмов на Земле был, вероятно, куда проще E. coli. Сегодня каждый биологический вид на планете несет в себе некоторое количество уникальных генов, но существуют и гены, которые можно обнаружить у всех без исключения современных видов. Вероятно, эти универсальные гены — наследие последнего общего предка. Простой поиск универсальных генов дает короткий список, где их содержится всего лишь около двухсот. Вероятно, геном общего предка был длиннее, ведь в процессе эволюции много генов было утрачено. По оценке Христоса Узуниса и его коллег из Европейского института биоинформатики в Кембридже, полный геном общего предка содержал от 1000 до 1500 генов. Но даже если Узунис прав, у последнего общего предка всех живых существ было втрое или вчетверо меньше генов, чем имеет сегодня типичный штамм E. coli.

Последний общий предок не был единственным властелином древней Земли. Он делил планету с бессчетным количеством других микроорганизмов. Со временем, однако, все прочие ветви древа жизни высохли, и уцелела только одна — наша. Мир, где жили эти древние микроорганизмы, принципиально отличался от современного нам мира. Четыре миллиарда лет назад Землю то и дело сотрясали космические катастрофы — результаты ее столкновений с гигантскими астероидами и небольшими планетами. Во время некоторых из этих столкновений, возможно, на Земле выкипали даже океаны. Затем вода медленно возвращалась на поверхность планеты и вновь собиралась в моря; пока это происходило, жизнь пряталась в трещинах на океанском дне. Возможно, тот факт, что часть древнейших веточек на эволюционном дереве принадлежит теплолюбивым видам, обитающим в подводных гидротермальных источниках, — не просто совпадение.

Как только Земля стала более пригодной для жизни, потомки общего предка не замедлили по ней расселиться. Они распространились по морскому дну, образовали рифы и бактериальные маты[22]. Над морской гладью поднялись материки, и древние существа двинулись на сушу, формируя налеты и корки на камнях. Одновременно они брали на вооружение новые способы питания и роста. Некоторые бактерии и археи поглощали двуокись углерода и использовали в качестве источника энергии железо или другие химические вещества из глубоководных термальных источников. Именно они создали запас органического углерода, которым начали питаться другие микроорганизмы.

Не исключено, что от этих древних нахлебников и произошла E. coli. Ясно, что 3 млрд лет назад ее предки никак не могли жить внутри организма человека, да и никакого другого животного тоже. Данные о некоторых ближайших современных родичах E. coli (группа, известная под названием гамма — протеобактерии) позволяют сделать некоторые предположения о том, чем могли заниматься предки E. coli 3 млрд лет назад. Одни из них питаются нефтью, которая просачивается сквозь океанское дно. Другие живут на склонах подводных вулканов и приклеиваются к проплывающим мимо кусочкам белка, которые потом расщепляют. Возможно, E. coli получила свой обмен веществ в наследство именно от таких иждивенцев — добытчиков углерода.

Сложную общественную жизнь — привычку к формированию биопленок, применение колицинов в качестве биологического оружия и тому подобное — E. coli, вполне возможно, тоже унаследовала от свободноживущих морских предков. По крайней мере современные водные бактерии ведут исключительно активную общественную жизнь и гораздо чаще обитают в биопленках, нежели свободно плавают сами по себе.

Около 2,5 млрд лет назад предки E. coli сильно пострадали от катастрофы планетарного масштаба: в атмосфере Земли начал накапливаться кислород. Для нас кислород — необходимое условие жизни, но на древней Земле это был настоящий яд. Первоначально атмосфера планеты представляла собой густой туман из смеси разных молекул, включая и такой парниковый газ, как метан; его вырабатывали бактерии и археи. Свободный кислород был редок — отчасти потому, что его молекулы очень быстро вступали в реакцию с железом и другими элементами и образовывали новые молекулы. Жизнь сумела изменить химию планеты, когда некоторые из бактерий развили способность поглощать и использовать солнечный свет. Кислород у них возникал как побочный продукт реакции, и спустя 200 млн лет он начал накапливаться в атмосфере. Но кислород может быть смертелен для живых существ, которые не умеют себя защитить. Его атомная структура такова, что кислород способен вырывать атомы из других молекул и вступать с ними в связь. Возникающие при этом кислородосодержащие соединения могут натворить в клетке немало дел: они разрушают ДНК и другие попавшиеся на пути молекулы.

Первые 1,5 млрд лет существования жизни планета, к счастью, была свободна от этой напасти. Но 2,5 млрд лет назад уровень содержания кислорода в воздухе вырос десятикратно. За это время многие виды, вероятно, вымерли, а другие укрылись в таких местах, где содержание кислорода по — прежнему оставалось низким, — в толще ила, к примеру, или на океанском дне. Но некоторые виды — включая и предков E. coli — приспособились. Они обзавелись генами, способными защитить их от токсичного действия кислорода, а защитившись, изменили свой метаболизм так, чтобы получать от кислорода пользу; при помощи кислорода они научились значительно более эффективно, чем прежде, извлекать энергию из пищи. Однако и до сего дня E. coli сохраняет способность пользоваться как древним бескислородным метаболизмом, так и более новой кислородной версией, а также переключаться между ними в зависимости от того, сколько кислорода микроорганизм обнаруживает в окружающей среде.

Еще одна серьезнейшая революция, которую пережили предки E. coli, была результатом деятельности наших собственных предков. Биологи считают, что в древности примитивные эукариоты были главными хищниками на Земле. Эти существа очень напоминали сегодняшних амеб и так же рыскали в толще земли и воды в поисках добычи, которую они в состоянии поглотить. Естественный отбор благоприятствовал тем бактериям, которые способны были защитить себя от этих хищников. Надо сказать, что сегодня бактерии располагают внушительным арсеналом средств защиты от амеб и других хищников — эукариот. Они умеют производить токсины и вводить их внутрь амебы при помощи микроскопического «шприца». Хищникам не так‑то легко проникнуть в созданные ими биопленки. Даже будучи съеденными, бактерии продолжают бороться и всячески пытаются избежать гибели.

В некоторых случаях бактериям, возможно, удалось поменяться с хищником местами. Сегодня амеба может заболеть от бактериальной инфекции, вызванной теми видами, которые научились проникать в клетки хищников — простейших и прекрасно там себя чувствуют. Другие бактерии выказывают больше благодарности и в обмен на жилище обеспечивают одноклеточных простейших необходимыми для жизни химическими веществами. Когда‑то эукариоты таким образом обзавелись бактериями, дышащими кислородом[23], и эти бактерии с тех пор стали частью наших с вами клеток. В свою очередь, предки водорослей обзавелись фотосинтезирующими бактериями, и среди их потомков — все растения, которые делают нашу Землю такой зеленой. Благодаря партнерам — бактериям на материках получили возможность развиваться крупные экосистемы с лесами, степями и болотами, ставшие домом для животных всех сортов — от насекомых до млекопитающих.