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

Данная технология позволяет переписать части генома буквально за одну ночь. А в истории эволюции такого типа изменения протекали за миллионы лет. Технология только начинает развиваться, и новости часто не подтверждаются, но совершенно очевидно, что теперь мы способны быстро и без больших финансовых затрат переписывать участки генома растений и животных. В нашей лаборатории этот подход используют для изучения рыб, совершая самую простую процедуру – удаление генов. В других лабораториях вырезают и перемещают целые участки генома и переносят гены и их переключатели между разными особями или между разными видами.

Открытие системы редактирования генома CRISPR-Cas вполне вписывается в историю эволюционных изобретений длительностью в четыре миллиарда лет. Прорыв, приведший к этой технологической революции, произошел не тогда, когда стало возможным редактировать геномы растений и животных, а в другое время – при анализе экосистем соляных болот. Далее потянулся петляющий путь открытий – с участием многих изобретателей, которые одновременно рождают одни и те же идеи, комбинируют технологии и дышат одним и тем же воздухом открытий. И точно так же, как в случае биологических изобретений, ключевым моментом стало переназначение изобретения, возникшего у одного вида (бактерии), для использования другим видом (человеком). Разработка системы CRISPR-Cas – результат одновременной работы сотен опытных и молодых исследователей. Каприз истории: множественность, а также многочисленные неожиданные связи с прошлым делают этот пример чрезвычайно притягательным для одного вида организмов – юристов. История CRISPR-Cas неотделима от истории патентных баталий.

Есть нечто грандиозное в том, что наш мозг смог достичь тех же результатов, которых клетки и геномы добивались на протяжении миллиардов лет. Технология, придуманная одним существом (бактерией), была перенята, модифицирована и применена для изменения других существ. Мозг, который присвоил и модифицировал эти биологические изобретения, сам отчасти состоит из вирусных белков с измененной функцией и подпитывается энергией с помощью бывших свободноживущих бактерий. Новые комбинации изменяют мир.

В рождественский день 2018 года я вынужден был почти все утро просидеть в палатке из-за летней пурги. Когда прояснилось, я направился в горы над лагерем, чтобы размять ноги. С каждым шагом все больше ощущая свободу, я наконец оказался у подножия горы Ритчи – одной из вершин Трансантарктического хребта. Меня окружало ледяное пространство шире всей континентальной части Соединенных Штатов. Наша команда занималась поиском окаменелостей в горах, возраст которых превышал возраст гор на Северном полюсе, где была найдена рыба с ногами Tiktaalik roseae. Здесь, на противоположном полюсе планеты, мы искали следы самых первых рыб с костным скелетом. Поиск камней правильного типа и возраста, в которых могли бы обнаружиться такие окаменелости, привел нас в горы в этой части Антарктики.

Вершины гор выступают из-под ледников, как цветной слоеный пирог, создавая живой контраст с окружающим белоснежным морем. Слои красных, коричневых и зеленых камней хранят в себе следы 400 миллионов лет истории жизни и самой планеты. Содержащиеся в камнях структуры доказывают, что этот полярный регион когда-то был гигантской тропической дельтой размером с дельту Амазонки, а позднее – центром высокой вулканической активности. И жизнь здесь тоже менялась. Самым нижним камням около 400 миллионов лет, и в них главным образом содержатся останки рыб, тогда как возраст вершин составляет 200 миллионов лет, и в них остались следы экосистем с разнообразными пресмыкающимися.

С такого расстояния возникает искушение видеть в этих слоистых камнях отражение упорядоченной череды эволюционных изменений. Если говорить в общем, слои с первыми микроорганизмами должны залегать ниже слоев с первыми животными, слои с первыми рыбами – ниже слоев с земноводными, а слои с первыми земноводными – ниже слоев с пресмыкающимися и т. д.

Мы привыкли заполнять бреши в знаниях, исходя из собственных привычек, обычно сформированных под влиянием наших надежд, ожиданий и опасений. Наш разум стремится связывать точки в прошлом в общее повествование, в котором каждое изменение приводит к следующему линейным образом. Все видели схему эволюции человека, демонстрирующую процессию от обезьян до человекообразных обезьян и человека, сначала сгорбленных и на четырех ногах, а потом поднявшихся на две ноги. Часто эту картинку используют в ироническом плане, заканчивая линию эволюции человеком, сидящем на диване за просмотром телесериала “Симпсоны” или приклеенным к мобильному телефону. Это глубоко укоренившееся видение истории. Сколько раз вы слышали термин “недостающее звено”, как будто существует какая-то великая цепь эволюционных событий, в которой одно звено обязательно ведет к следующему? И должно ли это недостающее звено непременно выглядеть как нечто среднее между предками и потомками?

Это правда, что в виде окаменелостей первая рыба появилась раньше первых наземных существ. Но, как мы видели, чем больше мы анализируем окаменелости, эмбрионы и ДНК организмов разных видов, тем чаще обнаруживаем, что многие изменения, позволившие животным жить на суше, возникли раньше, пока рыбы еще жили в воде. И каждое важное революционное изменение в истории жизни следовало тем же путем. Ничто не начинается в тот момент, когда вы думаете, что оно началось: были какие-то предшествовавшие события в прошлом, причем не там, где нам кажется. И Дарвин, отвечая Сент-Джорджу Джексону Майварту более 150 лет назад, понимал, что история жизни не могла пойти каким-то иным путем.

Дарвин не знал о ДНК, о функциях клеток или о генетических рецептах построения тел на этапе эмбрионального развития. ДНК, которая постоянно меняется и находится в состоянии войны с самой собой и с внешними захватчиками, служит основой для эволюционных изменений. Десять процентов нашего генома составляет бывшая ДНК вирусов, а еще примерно 60 % – повторяющиеся последовательности, возникшие в результате прыжков одичавших генов. Только 2 % ДНК приходится на наши собственные гены. Из-за слияния клеточного и генетического материала разных видов и постоянного удвоения и переназначения генов история жизни больше похожа на запутанное и петляющее русло реки, чем на прямой канал. Мать-Природу можно сравнить с ленивым пекарем, который производит невероятное количество изделий путем переназначения, копирования и модификации старых рецептов и разных ингредиентов. Именно благодаря множеству импровизаций, удвоений и слияний одноклеточные микроорганизмы эволюционировали таким образом, что их потомки процветают во всех уголках планеты и даже ходили по Луне.

Я постоянно возвращаюсь в памяти к той схеме, которая стала отправной точкой моей научной карьеры тридцать лет назад, – к рисунку рыбы и земноводного, соединенных стрелкой. Теперь он кажется странным, даже наивным. Он отражал состояние эволюционной биологии в ту эпоху, когда мы очень мало знали о геномах, вирусах-захватчиках или генах, которые создают тело. Ничего не было известно о рыбе с конечностями, которую мы с коллегами открыли в 2004 году, и об остальных недавно обнаруженных окаменелостях, рассказывающих о других важных событиях в истории жизни. Сегодня мы занимаемся такой наукой, о которой несколько десятилетий назад не могли даже мечтать. Как и история жизни, научный поиск полон неожиданных возвращений, поворотов, тупиков и возможностей, меняющих наши представления об окружающем мире. Даже идеи, с помощью которых мы анализируем разнообразие природы, тоже подверглись переназначению и модификации и отличаются от идей наших предшественников, живших десятилетия или столетия назад.