Фрэнк Райан - Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

• Название: Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза
• Автор: Фрэнк Райан
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Биология
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-91678-143-4

Основная идея этой книги шокирует. Все живое на планете, в том числе люди, живут в симбиозе с вирусами, эволюционируют вместе с ними и благодаря им… выживают. Первая реакция читателя: этого не может быть! Но, оказывается, может… Вирусы, их производные и тесно связанные с ними структуры составляют как минимум сорок три процента человеческого генома, что заставляет сделать вывод: естественный отбор у человека и его предков происходил в партнерстве с сотнями вирусов. Но как вирусы встроились в человеческий геном? Как естественный отбор работает на уровне вирус-носитель? Как взаимодействуют движущие силы эволюции — мутации, симбиогенез, гибридизация и эпигенетика? Об этом — логичный, обоснованный научно и подкрепленный экспериментальными данными рассказ Фрэнка Райана.

Книга изготовлена в соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2010 г. № 436-ФЗ, ст. 1, п. 2, пп. 3. Возрастных ограничений нет

---

Поразмыслив, я пришел к мысли применить идеи Луиса Вильярреала к случаю с коалами. Прямо сейчас ретровирус коалы истребляет членов популяции, не могущих сосуществовать с ним. Репродуктивная стратегия этого вируса подразумевает вторжение в геном половых клеток коалы, причем осуществляемое разнообразными способами. Результатом этого становится эволюционная гибкость, недостижимая в случае раздельного развития и вируса, и носителя. Более того, эволюция симбиотического союза может быть подстегнута большой скоростью эволюционных изменений, присущей вирусам. В геноме нет антител, нет иммунной системы, нет препятствий для репликации вируса, хотя есть внутренние генетические и эпигенетические механизмы, способные, в принципе, препятствовать вирусному вторжению и репликации вируса. Сложное и агрессивное симбиотическое взаимодействие вируса с носителем происходит у сумчатых прямо сейчас и сопровождается жесткой селекцией, выбраковкой неспособных ужиться с вирусом. И кажется мне, результат здесь очевиден: за исключением изолированных популяций останутся лишь способные ужиться с вирусом, явится новое голобионтическое партнерство коалы и вируса.

Выходит, мы наблюдаем рождение нового вида не посредством линейного вертикального ветвления, как полагает неодарвинизм, а через соединение раздельных геномов, участвующих в симбиогенезе. По сути, возможность именно такого горизонтального видообразования долгое время исследовалась многими исследователями — например, Линн Маргулис, изучавшей симбиоз с бактериями-носителями. Трудно вообразить более жесткий и эффективный отбор, чем выбраковка посредством активного симбиотического вируса, передающегося через самый процесс размножения носителя?

В то время, когда состоялся наш первый разговор с Вильярреалом, мы оба были заняты написанием книг по материалам наших исследований. В том же году была опубликована моя книга «Слепое пятно Дарвина»[35]. В ней я сравнивал симбиотическую эволюцию с воззрениями современного дарвинизма, основанного на синтезе эволюционных идей тридцатых годов. В книгу я включил и две главы о вирусах. В одной я рассуждал о симбиозе «с точки зрения вирусов» и строго определил такой симбиоз, а в другой описал известные на то время примеры симбиоза с вирусами. Вильярреал же свою книгу «Вирусы и эволюция жизни» опубликовал несколькими годами позже. В ней он описал роль вирусов в эволюции живого от самого начала жизни до нынешнего ее разнообразия[36].

Вильярреал признался мне: у него есть трудности с формулировкой понятия симбиоза, когда речь заходит о вирусах. Я не слишком удивился. Моя предыдущая книга «Вирус X» заинтересовала некоторых вирусологов, но не убедила их в симбиотической природе вирусов. Среди же симбиологов книга вовсе не вызвала интереса. Так что, в сущности, трудности Вильярреала был следствием известного скептицизма, присущего и вирусологам, и симбиологам. Никто ранее не брался за разработку достаточно строгого и формального определения симбиоза с вирусами одновременно с симбиологической и вирусологической точек зрения, причем такого определения, чтобы оно было понятно и приемлемо для ученых из обеих этих областей. Тогда я объяснил Вильярреалу, что работаю над такой формулировкой, в частности, стараюсь определить вирусный симбиогенез с точки зрения генетики. Когда «Слепое пятно Дарвина» было опубликовано, я послал экземпляр Вильярреалу. Объяснение симбиоза с точки зрения вирусологии показалось ему полезным для исследователей, в особенности концепция «агрессивного симбиоза». Еще большее удовольствие доставило мне его приглашение провести серию семинаров на эту тему в его институте. Это было первым формальным признанием концепции вирусов как симбионтов в сообществе вирусологов.

С моей стороны я всецело приветствовал возможности, открывшиеся для меня вследствие редкого в научном мире плодотворного сотрудничества, основанного на взаимной симпатии, энтузиазме и бескорыстном интересе. Кроме того, мне многому можно было научиться у старшего — и выдающегося — коллеги.

Вильярреал обладает поразительно обширными и подробными знаниями о взаимодействии вирусов с их носителями. Одним из предметов его исследований были ретровирусы. Он предположил, что ретровирусы описали очень длинную эволюционную траекторию: от вирусов, селившихся в морских беспозвоночных, до вирусов морских предков позвоночных и, в конце концов, нынешнего человека. Исследования привели его к замечательному и многое объясняющему открытию: при каждом крупном эволюционном изменении — при возникновении хордовых, затем млекопитающих и приматов — возникало и множество новых видов ретровирусов. Это важная подсказка для задачи объяснения парадоксальной структуры человеческого генома. Вильярреал получил и еще один важный и позволяющий многое понять результат. Прежнее поколение генетиков-эволюционистов изучало странные элементы генома, известные как LINE и SINE, согласно принципам современного дарвинизма рассматривая их как отдельные, наличествующие у многих форм жизни сущности, произошедшие из генома и затем развивавшиеся в геноме. Но Вильярреал сопоставил и сравнил эти развивающиеся сущности с параллельной эволюцией ретровирусов, заразивших этих же носителей, и обнаружил значительную общность между тем и другим. Его данные и сделанные на их основе выводы позволили существенно углубить понимание того, как естественный отбор действует на ретровирусы в симбиозе с геномом, и понимание эволюционных истоков элементов LINE и SINE.

Линн Маргулис назвала внезапные и кардинальные изменения, происходящие вследствие симбиотического объединения геномов вируса и носителя, «эволюционным эквивалентом удара молнии». Но чтобы понять, каков будет эффект этого «удара молнии» в долгосрочной перспективе, и в особенности чтобы понять, каким образом это сыграло ключевую роль в формировании человеческого генома, нам следует изучить подробнее работу естественного отбора для ряда голобионтических партнерств вируса и носителя.

Можно узнать многое о механике подобного генетического союза на примере важнейшего симбиотического партнерства, способствовавшего созданию человеческого генома, — древнего эволюционного переворота, давшего нашим клеткам митохондрии, а нам — возможность дышать кислородом.

Цитируя Льюиса Томаса: «Нас сдают внаем, нас разделили и заняли. Внутри наших клеток живут, даруя энергию, позволяющую нам радоваться солнечному дню и стремиться к совершенству, сотни и тысячи созданий, в строгом смысле нам не принадлежащих, обитающих в цитоплазме — части клетки, лежащей между ядром и оболочкой»[37]. Большинство биологов принимают эволюционное объяснение их существования, впервые выдвинутое Маргулис в конце шестидесятых годов двадцатого века: более миллиарда лет назад дышащие кислородом бактерии вступили в голобионтическое партнерство с одноклеточным протистом (раньше их называли «протозоа»), который и стал предком всех животных, растений, грибов и дышащих кислородом протистов, населяющих сегодня Землю. Снова цитируя Томаса: «Они настолько же симбионты, насколько и ризобиальные бактерии, живущие в корневой системе бобовых и позволяющие накапливать азот. Без митохондрий мы бы не могли двинуть ни единым мускулом, не могли бы согнуть палец и думать не могли бы».

Чем же можно доказать подобное утверждение?

Доказательств известно несколько. Геном митохондрий составлен из типичных бактериальных генов, и они, в отличие от наших ядерных генов, соединены в кольцо, что характерно для бактерий. Размножаются митохондрии независимо от ядра, типичным для бактерий процессом почкования. Геномы митохондрий всех современных имеющих митохондрии форм жизни настолько генетически схожи, что они, несомненно, произошли от общего предка. Как ни удивительно, генетический анализ показывает: ближайший из современных родственников предка всех митохондрий — это бактерия Rickettsia prowazeki, возбудитель печально известного заболевания — разносимого вшами эпидемического тифа. Теперь нам известно: этот возбудитель тифа не может существовать самостоятельно, он чрезвычайно интенсивно (и зачастую агрессивно) взаимодействует с клетками носителя, геном его естественным отбором редуцирован и рудиментарен и не позволяет бактерии жить вне клеток-носителей.

Если изучить, как естественный отбор влиял на геном наших митохондрий в течение длящегося миллиард лет голобионтического симбиоза с ядерными клетками, обнаружится, что геном предка митохондрий претерпел радикальные изменения — был разрушен, упрощен. Большое число изначально присутствовавших генов исчезло, было выброшено за ненадобностью, а около трехсот генов переместились от митохондрии в ядро, где, в подобии уже обсуждавшегося здесь сожительства Elysia chlorotica с чужими хлоропластами, эти перенесенные гены продолжают работать согласованно с остатком генов митохондрии. Но не может не удивлять то, что за миллиард лет симбиоза геном митохондрии сохранил отчетливо бактериальный характер. Как мы увидим далее, понимание симбиотического происхождения человеческих митохондрий важно для изучения заболеваний, обусловленных нарушениями митохондриального генома.