12 сентября в конференц-зале с лекцией выступил доктор биологических наук, профессор института Сколково, руководитель лаборатории «Молекулярная, экологическая и прикладная микробиология» (СПбГПУ) Костантин Северинов.
Какая может быть причина похожести всех живых существ друг на друга? Мы договоримся, что существа похожи из-за общности происхождения, это одна из гипотез, необязательно верная.
Есть известное древо жизни (происхождения человека) викторианской эпохи, на нем наверху нарисован белый человек-мужчина. Это дерево было построено по морфологическому сравнению: брали существ, считали лапки, косточки. Конкретно это дерево показывает, что у эволюции была цель – белый мужчина, он находится на самом верху, а это какие-то древние и неправильные существа.
Как определить, когда возникали разные формы жизни? Нужно взглянуть на ископаемые. Геологические слои можно очень хорошо датировать, благодаря методам радиоактивного анализа. В различных слоях находятся определенные останки: рептилии находятся ниже, чем млекопитающие, а амфибии находятся еще ниже. С помощью такого рода подходов можно построить то самое дерево. Но никакой информации о беспозвоночных существах из геологической летописи не получить.
Вот другой способ смотреть на жизнь: рассматривать последовательность букв ДНК, участок генома человека или другого живого существа. Мы можем смотреть на жизнь, не опираясь на морфологические признаки, а опираясь на эти генетические тексты, тогда это будет чисто лингвистическое упражнение: просто начнем сравнивать тексты и посмотрим, что получится. Геном человека, который был определен лет 10 назад, это линейная последовательность из трех миллиардов букв. Но, в отличие от нашего языка, в котором 33 буквы, здесь только 4 буквы, но все равно текст очень длинный.
Как определить степень генетического родства двух организмов, двух людей? Если у нас есть возможность читать эти тексты, мы просто будем их сравнивать. Степень разницы любого из двух человек популяции – 0,1%, одна буква из тысячи. Это означает, что каждый из нас отличается от другого по трем миллионам букв или опечаток. От шимпанзе мы отличаемся на 1%, но тоже сильно похожи.
Мы можем теперь делать нечто под названием молекулярной филогении. Нуклеиновые кислоты из разных организмов имеют похожие последовательности, и, следовательно, подсчитывая количество разниц, мы можем строить деревья. Это дерево, в принципе, очень похоже на рассмотренное ранее дерево происхождения жизни, только в нем нет направленности, стремления к человеку. Растения, например, оказываются на этом же дереве, чуть дальше от нас, чем все остальные живые существа.
Пока ученые готовились прочесть геном человека длиной три миллиарда букв, они прочли еще несколько тысяч бактериальных геномов. У бактерии геном гораздо меньше, чем у нас. Учитывая бактерии, можно построить некоторое огромное, универсальное дерево жизни.
На нем есть группа эукариотов (организмов, клетки которых содержат ядро) и две группы клеток, которые не содержат ядра, бактерии и археи. Все разнообразие жизни, которое абсолютно чудовищно, сконцентрировано в бактериях или археях, в одноклеточных организмах, которые мы просто не видим. Все, что мы видим глазами, составляет лишь очень маленькую долю разнообразия существующих форм жизни.
На этом дереве нет вирусов, так как это дерево клеточной жизни. Вирус еще более разнообразный, чем жизнь. Для каждой формы жизни есть свои вирусы. Но их разнообразие не имеет прямого отношения к разнообразию вот этой клеточной жизни.
У этого общего дерева жизни есть корень, то, к чему можно прийти из любой существующей формы жизни с минимальным количеством изменений при анализе какого-то генетического текста. Это существо, которое вы сейчас не найдете, но оно было, его зовут библейским именем LUCA (last universal common ancestor - последний общий предок) - Люка. Когда это существо жило, оно было очень сложное. Это уже была готовая, в современном нашем понимании, клетка. Что было до него, мы просто не знаем.
Как понять, когда это существо Люка жило? Скорость развития жизни зашита в привязке к геологической летописи. Дальше мы делаем некоторую гипотезу, это гипотеза молекулярных часов, она говорит о том, что количество изменений в генетических последовательностях во времени более или менее постоянно. Сделав гипотезу, мы можем путем экстраполяции считать до корня. Оказывается, что это существо жило где-то порядка трех с половиной миллиардов лет назад.
Где жил Люка, какие были физико-химические условия его проживания? Если восстановить генетический текст, кодирующий определенный белок самого Люки, выясняется, что он лучше всего работает на 70-80 градусах, что, по-видимому, говорит о том, что организм, из которого этот белок редуцирован, тоже существовал на такой же температуре, что хорошо соотносится с тем фактом, что три с половиной миллиарда лет назад Земля была горячая.
Если мы делаем филогению по одному гену, по одному слову, мы придем в одну точку. Мы должны интерпретировать это как один организм, который по прямой линии является источником этого гена. Если мы построим такое же дерево для другого гена, у нас тоже возникнет общий предок, и он тоже может быть довольно древний. LUCA безусловно не был одинок.
То, что я вам сейчас рассказывал, имеет название вертикальная эволюция, в которой гены передаются потомству, при этом как-то изменяясь. Но бывают случаи горизонтального переноса. Всякий раз, когда происходит такого рода событие в биологии, вертикальная эволюция нарушается, потому что кто-то нарушает правила и горизонтально перепрыгивает в другое место, в другой организм. Для возникновения таких существ как мы, был важен перенос. Вирусы, по-видимому, являются агентами такого переноса. Это генетические векторы, которые просто перетаскивают один ген в другое место.
Вот имеющаяся на сегодняшний день схема возникновения жизни. Все было горячее, где-то был Люка, затем были наши клетки, археи, бактерии, но были замечательные переносы. В частности, то, что стало предком всех наших с вами клеток (клеток высших организмов), в какое-то время захватило древнюю бактерию, и бактерия стала митохондрией.
Генетическая информация передается потомству от одного поколения к другому. Есть процесс полового размножения, в результате которого мы все возникли. Он работает следующим образом. В нас, на самом деле, два набора генов по 1,5 миллиарда букв от папы и от мамы. Те хромосомы и гены, которые у нас есть в двойном наборе, разделяются и возникают одиночные наборы, которые, собственно, потом и передаются в виде половых клеток, соединяются заново и возникает организм с двойным набором.
В частности, у нас с вами есть 46 хромосом: 23 передал папа, а 23 мама. Мама - это существо, у которого есть 46 хромосом, 44 полезные, но две хромосомы, просто XX, а у папы XY. Когда папа и мама производят на свет потомство, комбинируются эти хромосомы, возникает или девочка, или мальчик с одинаковой частотой. Существенно, что Y-хромосомы передаются исключительно по отцовской линии.
Если проследить передачу Y-хромосомы через поколения предков, мы придем к одному мужчине, и этот мужчина, собственно говоря, и есть этот Y-хромосомный Адам, и он является прямым источником Y-хромосомы всех существующих мужчин. Мы более-менее можем оценить, с какой скоростью люди размножаются и эти математические модели говорят, что Y-хромосомный Адам существовал порядка 50 тысяч лет назад, совсем недавно. Он, по-видимому, был человеком.
С женщинами можно проделать то же самое. Яйцеклетка очень большая, в ней есть кроме собственных хромосом митохондрии, которые наследуются и мальчиками, и девочками только по материнской линии.
С митохондриальной ДНК можно проделать тот же самый фокус, что и с Y-хромосомой, и можно получить один источник, одну женщину, которая по материнской линии передала митохондрии всем живущим ныне мужчинам и женщинам. Можно оценить, что существовала митохондриальная Ева порядка 150 тысяч лет назад.
Фактически у каждого гена есть свой Адам и Ева (как и множественность Люки для разных генов). Ева - источник всех митохондрий по материнской линии, но она не была одинока, просто женщины из ее окружения не дали митохондриальные ДНК всем существующим ныне людям, но это не означает, что их не было. Для каждой группы последовательностей можно построить своих Ев и Адамов. Евы и Адамы имеют разную глубину. Во время эволюции передаются гены, их комбинация. Организмы, как таковые, оказываются не при чем. Организмы – это просто способ, с помощью которого гены передаются все дальше и дальше.
Мария Момзикова
