Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Выше я описал комплекс необычных процессов, открытых в середине 90-х годов. Тогда они привели ученых в глубокое недоумение. Совокупность этих процессов представляет собой сигнал, запускающий процесс программируемой клеточной смерти (апоптоза). Апоптоз – не беспорядочный распад клетки, а тщательно спланированное самоубийство, танец смерти, балет “Умирающий лебедь” на внутриклеточном уровне. Когда клетка вступает в апоптоз, внутри нее высвобождается целая армия белковых палачей – каспаз, ферментов, которые разносят на куски ее ДНК, РНК и белки. Фрагменты клеточного содержимого упаковываются в маленькие мембранные пузырьки – блебы, которые пожираются окружающими клетками. За пару часов клетка исчезает без следа, как иногда случалось с людьми в Советском Союзе.

В многоклеточных организмах апоптоз играет очень важную роль. Он необходим в эмбриональном развитии для придания тканям необходимой формы, а также для уничтожения поврежденных клеток. Но то, что центральную роль в этом процессе играют митохондрии (а именно – один из белков дыхательной цепи – цитохром c), оказалось неожиданностью. Как так вышло, что потеря цитохрома c стала служить сигналом, запускающим клеточную смерть? С момента открытия этого механизма загадок стало только больше. Оказалось, один и тот же набор признаков (падение уровня АТФ, накопление свободных радикалов, высвобождение цитохрома c и исчезновение мембранного потенциала) служит сигналом для апоптоза у всех эукариот, даже у таких дальних родственников, как растения и дрожжи. Этого не ожидал никто. Но тем не менее возникновение апоптоза – неизбежное следствие естественного отбора, который действует на два генома. А это уже закономерное свойство, универсальное для сложной жизни.

Вернемся к электронам, которые движутся по нарушенной дыхательной цепи. Если работа митохондриальных и ядерных генов плохо согласована, это приведет к апоптозу. Вот великолепный пример того, как процесс естественного отбора, однажды начавшись, не может остановиться: тенденция, однажды поддержанная отбором, в конечном счете превращается в изощренный генетический механизм, в основе которого, однако, сохраняется его источник. Большой, сложной клетке в любом случае необходимы для жизни два генома. Работа геномов должна быть согласована, иначе невозможны дыхательные процессы. В случае несогласованной работы геномов клетка вступает в апоптоз и погибает. В настоящее время апоптоз можно рассматривать как форму естественного отбора против клеток, у которых рассогласованы геномы митохондрий и ядра. Ведь, как говорил генетик Феодосий Добржанский, ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции.

Так появился механизм, уничтожающий клетки с рассогласованными геномами. Выживают клетки, геномы которых работают слаженно. В ходе эволюции это привело к тому, что мы наблюдаем сейчас: к коадаптации митохондриальных и ядерных геномов, когда изменения в одном геноме компенсируются изменениями в другом. Как я упоминал, наличие двух полов увеличивает разнообразие женских гамет: большинство яйцеклеткок содержит клональные популяции митохондрий разного происхождения. Некоторые из этих митохондрий в присутствии генома оплодотворенной яйцеклетки будут работать лучше, другие – хуже. Те, что будут работать плохо, запустят апоптоз и погибнут вместе с клеткой. Хорошо функционирующие митохондрии, напротив, выживут.

У многоклеточных организмов выживание во многом определяется развитием. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота) в ходе многих клеточных делений превращается в новую особь. Этот процесс требует очень точного контроля. Если в результате апоптоза какие-нибудь клетки непредвиденно гибнут, это может нарушить всю программу развития и привести к выкидышу, к остановке эмбрионального развития. Это не обязательно плохо. С точки зрения естественного отбора, лучше прервать развитие на ранней стадии и не тратить ресурсы, чем позволить плохо приспособленному организму развиться до конца. Ведь в последнем случае ядерные и митохондриальные гены будут плохо совместимы друг с другом, что может вызывать митохондриальные заболевания, нарушения жизнедеятельности и раннюю смерть. С другой стороны, раннее прекращение развития в том случае, если у эмбриона обнаруживаются рассогласования в работе митохондриального и ядерного геномов, закономерно приводит к снижению рождаемости. Если преобладающая часть эмбрионов оказывается не способна развиться до взрослого состояния, это может привести к бесплодию. На одной чаше весов оказывается приспособленность потомства, на второй – плодовитость. Эти затраты и прибыли определяют ход естественного отбора. Ясно, что нужен точный механизм, определяющий, какие рассогласования геномов должны запускать апоптоз, а с какими вполне можно жить.

Действительно ли это реализуется в природе? Да – известно несколько случаев. Впрочем, это может оказаться лишь вершиной айсберга. Пожалуй, самый показательный пример обнаружил Рон Бертон. Он дольше десяти лет исследовал митохондриально-ядерные несовместимости у морских веслоногих рачков Tigriopus californicus. Это животные длиной 1–2 мм, обитающие почти во всех влажных местах, в частности, на литорали острова Санта-Крус у побережья Калифорнии. Бертон скрещивал рачков из двух популяций, которые несколько тысячелетий были репродуктивно изолированы друг от друга, хотя их разделяет лишь несколько километров. Бертон и его коллеги отметили случаи так называемого гибридного разрушения, которое проявляется при скрещивании особей из разных популяций. Это очень любопытное явление. Гибриды первого поколения, то есть результат первого скрещивания между двумя популяциями, вполне жизнеспособны. Но если взять полученных гибридных самок и попытаться скрестить их с самцами исходной отцовской популяции, их потомки окажутся сильно ослаблены, в “плачевном” состоянии, по выражению Бертона. У потомков этого скрещивания наблюдался целый спектр изменений, и их средняя приспособленность была значительно ниже. Уровень синтеза АТФ у них сократился примерно на 40 %, и это привело к снижению выживаемости, плодовитости и сроков развития (в данном случае речь идет о сроках метаморфоза, которые зависят от размеров тела, а те, в свою очередь, от скорости роста).

Эта проблема объясняется несовместимостью митохондриальных и ядерных генов, что можно подтвердить, взяв полученных в эксперименте ослабленных самцов и скрестив их с самками из исходной материнской популяции. Потомки такого скрещивания обретают нормальную приспособленность. Но если поставить обратный эксперимент – скрестить ослабленных самок с самцами из исходной отцовской популяции, – потомство так и останется ослабленным, точнее, окажется еще слабее. Результаты этих экспериментов довольно легко понять. Митохондрии всегда наследуются от матери, и для их нормального функционирования необходимо, чтобы гены в ядре также были похожи на материнские. При скрещивании с самцами из генетически удаленной популяции материнские митохондрии начинают работать с ядерными генами, которые плохо с ними сочетаются. У гибридов первого поколения эта проблема не стоит столь остро, поскольку 50 % генов их ядра унаследованы от матери и нормально функционируют с материнскими митохондриями. У потомков от скрещивания гибридов первого поколения с самцами из исходной отцовской популяции, таким образом, 75 % ядерных генов оказывается несовместимыми с генами митохондрий, что проявляется в сильном снижении приспособленности. Скрещивание ослабленных самцов с самками из исходной материнской популяции дает потомков, у которых 62,5 % ядерных генов происходит из материнской популяции и совместимо с митохондриальными. Приспособленность потомков, таким образом, восстанавливается. Но обратное скрещивание дает противоположный эффект: 87,5 % ядерных генов у потомков оказываются неприспособленными к согласованной работе с митохондриями. Неудивительно, что такие особи на ладан дышат.