Быстрая и медленная эволюция, перестройки тела питонов и эгоистичная ДНК инфузорий

Еволюція в дії, або На чужий каравай пасть не розвивай
Те, що еволюцію не можна побачити власними очима, засмучувало багато поколінь біологів. Наприклад, коли армія Наполеона привезла до Парижа стародавні єгипетські мумії котів і крокодилів, Французька академія наук створила спеціальну комісію, яка мала визначити, чи йде еволюція чи ні. З урахуванням того, що вік Землі тоді оцінювався в шість з хвостиком тисяч років, відносний вік мумій здавався дуже солідним. На жаль, жодних принципових особливостей у стародавніх тварин знайти не вдалося. Це лише з нашої точки зору стародавні єгипетські коти належали до особливої породи, французів же цікавила їхня загальна будова. Однак один із членів комісії — Жан-Батист Ламарк — зафіксував у звіті особливу думку, що саму можливість еволюції ці результати не спростовують. Він був правий.
З часів Ламарка накопичено чимало свідчень еволюції, хоча їх все одно менше, ніж хотілося б, — надзвичайно складно вивчати це явище. Один із найнаглядніших прикладів — зміна двостулкових молюсків у Аральському морі внаслідок його обсихання і забруднення. Порушення умов розвитку личинок молюсків викликало вибух їхньої змінливості. Деякі з нових форм пристосувалися до непривичної для них манери життя. У різних частинах колишнього моря молюски Cerastoderma перейшли від життя в товщі донних осадків до існування на поверхні дна. Результатом стало зміна раковини, яка вивела її за межі норми, характерної для роду і навіть родини.
Нещодавно опубліковані результати ще одного дослідження, задокументувавшого хід еволюції. Воно пов’язане з наслідками згадуваного в минулому номері «КТ» розселення жаби аґі по Австралії.
У тих регіонах, які окупувала аґа, вона виявляється потужним фактором відбору для хижаків, що гинуть від отруєння її отрутою. Австралійські вчені дослідили музейні колекції змій, зібрані до появи аґі, і порівняли їх із сучасними екземплярами. Вивчено чотири види змій; у двох з них (рівно тих, які можуть харчуватися аґами і страждають від їх отрути) зафіксовано зменшення голови. Чим більша голова змії, тим більшу за розміром аґу вона може з’їсти і тим сильніше буде страждати від отруєння жаб’їною отрутою. За цих умов малоголові змії мають перевагу, і їхня частка в популяції зростає.
Звичайно, зафіксоване явище — приклад лише короткострокового пристосування. Рано чи пізно збережені види змій мали або навчитися уникати жаб, або нейтралізувати їхні токсини. Наприклад, середньоазіатська кобра — це хижак, що живиться в основному зеленими жабами. І чим більша з’їдена жаба, тим приємніше кобрі.

Повільне безсмертя
На виході зими Кардіффський університет (Велика Британія) став джерелом одразу двох наукових сенсацій. Координовані з Кардіффа астрофізики виявили цілу галактику темної матерії (см. «КТ» #581), а професор університету палеобіолог Джон Паркес (John Parkes) повідомив про відкриття майже безсмертних організмів у донних відкладеннях океану.
Як відомо, значна частина продуктів вивітрювання гірських порід разом із залишками організмів переміщується по поверхні Землі, доки не потрапить на дно водойм. За людськими уявленнями осадові породи утворюються нескінченно повільно; проте за масштабами планети це досить інтенсивний процес. З часом породи з донних відкладень знову з’являються на поверхні (іноді у метаморфічному вигляді), руйнуються силами вивітрювання, а містяться в них елементи знову залучаються до біологічного кругообігу. А чи може життя використовувати речовини, що містяться в осадових породах, до їх підйому на поверхню і руйнування? Ще нещодавно вважалося, що практично ні. Живі системи вимагають, щоб через них протікав потік речовин і енергії (до цих двох «стовпів» можна додати і третій — інформацію). А всі процеси в осадках відбуваються надзвичайно повільно: час у них ніби консервується. До сьогодні вчені вважали, що нижня межа поширення життя знаходиться в декількох метрах під поверхнею дна.
Група Паркеса встановила, що речовини, що знаходяться в осадках, переробляються бактеріями, захованими разом із середовищем їхнього існування. Швидкість їхнього метаболізму надзвичайно низька, а біомаса, навпаки, велика. За оцінками Паркеса, у донних відкладеннях живе більша частина (60–70%) бактерій, що населяють нашу планету! Життєздатні мікроорганізми виявлені на глибині понад вісімсот метрів під поверхнею дна. Які б повільні не були хімічні процеси там, вони можуть забезпечувати енергію для окисно-відновних реакцій і, отже, для життя. Важливим джерелом енергії для «глибинних бактерій» є водень, що виділяється з руйнуючоїся органіки.
Але найфантастичніше — не це. Осадки, що знаходяться на значній глибині, відкладалися дуже давно. Бактерії, замуровані в них, мають той самий вік, що й їхнє середовище. Вік шарів, про які йдеться, вимірюється мільйонами років! Про виявлення клітин у таких осадках оголошено вже чотири роки тому, але до сьогодні не вдавалось представити переконливі дані, що ці бактерії живі. Сьогодні Паркес повідомляє, що бактеріальні клітини, вилучені з глибини понад чотирьохсот метрів під поверхнею дна, живі‑хоньки. Їх вік — 16 млн років.
Ці клітини (не клітинні популяції, а саме клітини) жили вже в міоцені, у епоху становлення наших спільних з гомінідами предків. Проте існування вмурованих в осадки безсмертних бактерій навряд чи приносить їм багато радості: швидкість їхніх життєвих процесів знижена до межі.
А чи можливо безсмертя взагалі, хоч і при дуже низьких темпах обміну речовин? При будь‑якій температурі, відмінній від абсолютного нуля, іонізуюче випромінювання і тепловий рух призводять до змін життєво важливих для клітини макромолекул. Коли клітина перебуває в активному стані, вона безперервно виправляє ці пошкодження. Прийнято вважати, що протягом мільйонів років зберегти важливу інформацію може лише відбір — збереження у поколіннях або відбраковка носіїв її різних версій.
У випадку «донної» життя активність виправлення поломок не може бути високою, і відбір практично неможливий. Навіть відбір на закріплення корисних змін (які дозволяють бактеріям виживати в донних захованнях) має бути ускладнений. У мікроорганізму, що прожив мільйони років, майже немає шансів залишити нащадків: для цього товща осадків має бути зруйнована, а бактерії — випущені з ув’язнення.
Англійські первооткривачі нового світу стверджують, що життя на Землі мало виникнути саме в таких умовах, у товщі осадків. Перші відомі нам організми, що населяли товщу води, мають вік 3,8 млрд років¹. У них знайдено сліди клітин — вуглецеві комочки зі зміненим співвідношенням ізотопів ¹²C і ¹³C, характерним для фотосинтезуючих організмів. У осадках фотосинтез був би неможливий — отже, організми існували в товщі води². Отже, в осадках життя з’явилося ще раніше? Але як воно могло еволюціонувати в умовах ускладненого розмноження?
Знахідки Паркеса надто неймовірні, щоб у них одразу повірити. Здоровий скептицизм ніколи не зайве при розгляді сенсацій. Водночас не хочеться наполягати, що такого не може бути, бо не може бути ніколи. Не віриться, але дочекаємося нових даних…

Навіщо тобі така велика печінка?
Дивлячись на будь‑який організм, ми схильні сприймати його форму як щось незмінне. Не так просто навчитися сприймати структуру як процес. Нагадаємо, наприклад, про ефект, названий на честь польського зоолога А. Деніеля. Об’єм черепа і розмір мозку у землеробок зазнає сезонних змін: взимку черепна коробка стає нижчою, а влітку — знову змінює пропорції, підвищуючись. Відповідно змінюється і мозок, то зменшуючись і сплющуючись, то збільшуючись у об’ємі. Наведений приклад характерний для тварин з рекордно високим обміном речовин, а зафіксований екологами Університету Каліфорнії (Лонг‑Біч) феномен, навпаки, притаманний найекономнішим — тигровим пітонам.
Не поспішайте вибирати підходяще місце для засади. Терпляче чекайте підходящого моменту. Зібравши всі сили, забезпечити вибуховий викид енергії і обездвижити жертву, яка може бути рівною за масою нападнику. Використовуючи дивовижну пластичність тіла, проковтнути здобич (точніше, «надіти» себе на неї), витративши на вирішення цього завдання чимало сил і часу. Нарешті, перетравити проковтнуту їжу і максимально повністю використати міститься в ній енергію. Ось така стратегія живлення великих змій, зокрема пітонів.
Під час короткого періоду боротьби зі здобиччю пітон використовує свою білу, призначену для роботи в режимі недостатнього забезпечення киснем, мускулатуру. Такі м’язи сильніші, ніж червоні, що потребують інтенсивного кровопостачання, але набагато швидше втомлюються. Проковтування здобичі — процес довгий, під час якого можна відпочити і подихати через трахео‑повітряний канал, розташований у кутку рота. Значно складніше — перетравлення великої здобичі. Якщо пітон не встигне перетравити її до того, як вона зіпсується всередині його тіла, він мусить позбутися залишків їжі (інакше ризикує отруїтись).
Протягом двох днів після проковтування великої тварини пітон збільшує розмір свого серця на 40 %. Усе його тіло підпорядковане вирішенню найскладнішого завдання: печінка збільшується втричі, кишечник — удвічі, інтенсивність роботи травних залоз зростає в багато разів. Жодна інша тварина не може так повністю використовувати енергію, що міститься в їжі. Перетравивши 10 кг м’яса, собака набирає близько півкілограма ваги, а пітон (перетравивши навіть кістки здобичі) — понад чотири.
Після завершення перетравлення збільшені органи стають для змії зайвими, і вони зменшуються до звичайного стану — з урахуванням збільшеного розміру всієї особини.
Як би допомогло ноу‑хау тигрових пітонів хворим‑серцевикам, що відновлюються після інфаркту! Було б непогано, щоб структура нашого тіла перестраивалася не за рахунок хірургічного втручання, а завдяки власним регуляторним сигналам. Які б фантастичні це звучало, пітони показують, що це, хоч і складне, але не безнадійне завдання.

Підножка для егоїстичної ДНК
Ніщо так не змушує людину помилитися, як самовпевненість. Можливо, теорія егоїстичної ДНК, що походить від одного з батьків‑засновників молекулярної біології Френсіса Крика³, є наслідком ейфорії від перших успіхів цієї науки?..
А все почалося з того, що генетики вважали гени первинною причиною організмів. Організми — лише недосконалі втілення генетичної інформації, які служать для розмноження своїх господарів — генів. А коли дізналися, що переважаюча частина ДНК не входить до складу генів і не кодує жодних білків, її назвали «егоїстичною». Отже, кілька відсотків ДНК працює, визначаючи властивості організму, а решта ДНК ні за що не відповідає. Вона існує сама по собі. Навіщо виконувати якісь функції, якщо організм і так передасть нащадкам усі отримані генетичні послідовності?
Вивчення «егоїстичної» ДНК показало її надзвичайну складність і різноманітність. Для деяких типів послідовностей знайдено більш‑менш важливі функції. Накопичувалися косвені дані, що свідчать про певне значення всього об’єму генетичної інформації організму. Так, видові відмінності несподівано виявилися пов’язаними не стільки з генами, скільки з геном «сміттям». Однак відкриття призначення деяких типів «егоїстичної» ДНК не доводило, що й інші її типи теж зайняті чимось корисним. Тим не менш віра в «егоїстичну» ДНК (що жертвує «інтереси» організму задля можливості власного розмноження) почала змінюватися на уявлення про «сміттєву» ДНК (не «егоїстичну», а просто беззмістовну).
Для біологів з класичним мисленням такий підхід неприйнятний. На їхню думку, успадкуваність — не причина організмів, а виникаюче в процесі еволюції засіб, який дозволяє зберігати відібрані середовищем адаптивні якості успішних особин. Будь‑яка частина організму, включно з будь‑якою частиною геному, розглядається як результат відбору, що підвищує шанси на виживання і розмноження самого організму. Звісно, випадковості і поломки створюють марні фрагменти геному, які з часом відбираються. Багаторазові і регулярно зустрічаються послідовності, з цієї точки зору, мають виконувати певні функції, що пояснюють їхнє існування.
І ось тепер неочікуваний аргумент у цій дискусії дав вивчення геному інфузорії тетрагімени (Tetrahymena thermophil), результати якого опублікував американо‑канадський колектив з півстотні вчених.
Можливо, клітини інфузорій найскладніші у світі живих. Деякі з них величезні, адже навіть інфузорію‑туфельку можна побачити неозброєним оком (на контрастному фоні з хорошим підсвічуванням). У багатоклітинних різні функції виконуються різними органами. Клітина інфузорії тягне все це сама, і ще й пристосовується до нелегкого життя дуже маленької істоти. Керувати такою складною клітиною при звичайній організації ядра важко або взагалі неможливо. Ймовірно, тому інфузорії мають два ядра. Маленьке ядро (мікронуклеус) відповідає за зберігання успадкованої інформації і її передачу наступним поколінням, а велике (макронуклеус) керує самою клітиною. У макронуклеусі кожна хромосома може копіюватися кілька сотень разів, причому з кожної такої копії доступне зчитування необхідної інформації. При статевому розмноженні макронуклеус (робоче ядро) руйнується, а у нащадків знову формується з матеріалу, що зберігається в мікронуклеусі (архіві).

Наукові коментатори звертають увагу на те, що, за отриманими даними, число генів інфузорії (понад 27 тисяч) відповідає такому у людини. Але найдивовижніше не це. Дослідники тетрагімени зробили висновок, що при утворенні макронуклеуса з нього викидається переважаюча частина некодуючих білкових послідовностей. Отже, клітина цілком може «вимити сміття»! Якщо в мікронуклеусі нічого подібного не відбувається, на це мають бути свої причини. Збереження некодуючої ДНК у ядрі, що забезпечує спадковість поколінь, — свідчення її еволюційного значення. А якщо для щоденної роботи клітини така ДНК не потрібна, вона очищується з робочого геному.
Це не всі новини, пов’язані з вивченням тетрагімени. Вона використовує іншу версію генетичного коду, ніж інші відомі організми. «Сенс» деяких кодонів залежить від контексту, у якому вони знаходяться (один і той самий кодон може означати і кінець білкової ланцюга, і незвичну амінокислоту, що не входить у стандартні двадцять). Інакше кажучи, тетрагімена діє не як раб своєї генетичної інформації, а як її господиня.
Ймовірно, уявлення про гени як про первинну причину організмів має відправитися на смітник. Пам’ятаєте платонічну аналогію світу і печери? В’язні розглядають тіні на стіні (предмети, організми тощо) і приймають їх за реальність, тоді як це лише недосконалі образи первинних причин (платонічних ідей, генів…). Такі погляди — лише гра інтелекту. Наше життя пов’язане з предметною, а не ідеальною реальністю. Наш успіх і невдачі визначає та екологічна середа, у якій живуть організми. Шукайте відповіді на питання саме в ній.

1 Найдавніші відомі нам осадові породи (з формації Ісуа в Гренландії) мають вік 3,8 млрд років (за радіохронологічним датуванням). 
2 Сама Земля, за оцінками, близько 4,5 млрд років.
3 Насправді, у молекулярної біології була ще й мати — Розалінда Френклен. Шеф Розалінди, Вілкінс, без її дозволу передав зроблені нею рентгенограми структури ДНК Ватсону та Крику. Вони швидко опублікували результат, до якого неминуче дійшов би і самa Френклен. Нобелівську премію винахідливі чоловіки поділили між трьома.
Д. Шабанов. Еволюція в дії, або На чужий каравай пасть не розвивай // Комп’ютерра, М., 2004.–№ 47 (571).–С. 17–18
Д. Шабанов. Повільне безсмертя // Комп’ютерра, М., 2005. – № 10 (582)
Д. Шабанов. Навіщо тобі така велика печінка? // Комп’ютерра, М., 2005. – № 12 (584)
Д. Шабанов. Підножка для егоїстичної ДНК // Комп’ютерра, М., 2006. – № 35 (655)