Ник Лэйн - Энергия, секс, самоубийство

• Название: Энергия, секс, самоубийство
• Автор: Ник Лэйн
• Издательство: Питер
• Жанр: Биология
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-01540-0

Испокон веков люди обращали взоры к звездам и размышляли, почему мы здесь и одни ли мы во Вселенной. Нам свойственно задумываться о том, почему существуют растения и животные, откуда мы пришли, кто были наши предки и что ждет нас впереди. Пусть ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и вообще всего не 42, как утверждал когда-то Дуглас Адамс, но он не менее краток и загадочен — митохондрии.

Они показывают нам, как возникла жизнь на нашей планете. Они объясняют, почему бактерии так долго царили на ней и почему эволюция, скорее всего, не поднялась выше уровня бактериальной слизи нигде во Вселенной. Они позволяют понять, как возникли первые сложные клетки и как земная жизнь взошла по лестнице восходящей сложности к вершинам славы. Они показывают нам, почему возникли теплокровные существа, стряхнувшие оковы окружающей среды; почему существуют мужчины и женщины, почему мы влюбляемся и заводим детей. Они говорят нам, почему наши дни в этом мире сочтены, почему мы стареем и умираем. Они могут подсказать нам лучший способ провести закатные годы жизни, избежав старости как обузы и проклятия. Может быть, митохондрии и не объясняют смысл жизни, но, по крайней мере, показывают, что она собой представляет. А разве можно понять смысл жизни, не зная, как она устроена?

16+

---

Мутации необязательно меняют фенотип (внешний вид или функцию организма), но они по определению меняют сам ген, и даже могут до неузнаваемости исказить его последовательность, хотя для этого должны пройти эпохи. Мутации накапливаются потому, что многие из них не влияют или почти не влияют на функции, и поэтому естественный отбор «не замечает» их (нейтральные мутации). Большинство генетических различий между людьми, в среднем одно различие на каждые 1000 «букв» ДНК (всего — миллионы букв), скорее всего, являются результатом нейтральных мутаций. Когда мы рассматриваем очень разные виды, две последовательности могут различаться настолько, что практически невозможно усмотреть в них какое-либо родство, если не принять во внимание весь спектр промежуточных форм (более близкородственных видов). Тогда можно увидеть, что якобы неродственные гены на самом деле находятся в состоянии родства. Физическое строение и функции белков, кодируемых абсолютно непохожими генами, часто удивительно хорошо сохраняется в процессе эволюции, несмотря на существенные изменения аминокислотных компонентов. Очевидно, строение и функции белка подвергаются действию отбора, в то время как нуклеотидная последовательность гена может быть относительно пластичной. Представьте, что вы вернулись в компанию, где работали прежде: никто из ваших бывших коллег там уже не работает, но организационно-правовая форма, административные структуры и общий дух остались точно такими, какими вы их помните.

Поскольку гены могут меняться, а клетка и ее составные части, по сути, не меняются, бактериальную клетку можно считать более устойчивой эволюционной единицей, чем ее гены. Например, цианобактерии («изобретатели» фотосинтеза), несомненно, модифицировали свои генетические последовательности с течением эволюции, но, как говорят ископаемые свидетельства, за миллиарды лет почти не изменились внешне. Если, как утверждал Докинз, худший враг эгоистичного гена — эта конкурирующая (полиформная, или измененная) форма того же гена, то нейтральные мутации, искажая гены, путают им все карты. По мере накопления нейтральных мутаций генетические последовательности расходятся. Один и тот же ген может иметь миллионы разных форм (у разных видов), и все эти формы в той или иной степени искажены. Этот факт лежит в основе любых построений, основанных на расхождении генов. Итак, эволюция противопоставляет случайную силу мутаций, которые все время искажают генетические последовательности, превращая эгоистичный ген в его злейшего врага и эгоистичные интересы генов, которые «хотят» точно копировать самих себя.

О том, что ген не является «единицей отбора» у бактерий, свидетельствует еще целый ряд фактов. Говорят, что при клональном размножении все гены передаются «скопом», так что их судьба является общей с судьбой клетки. Это не совсем так. Во-первых, бактерии меняются генами, а во-вторых, они часто оказываются жертвой вирусов-бактериофагов, которые «заряжают» их эгоистичной ДНК. Тем не менее, в то время как эукариоты напичканы «паразитической» ДНК («эгоистичными» последовательностями, бесполезными для организма в целом), бактерии имеют маленькие геномы и почти лишены «паразитической» ДНК. Как мы видели в части 3, бактерии теряют лишнюю ДНК, включая функциональные гены, потому что это ускоряет их размножение. «Эгоистичных» генов то и дело наказывают изгнанием в недружественную окружающую среду. Возможно, горизонтальный перенос генов у бактерий стоит считать диверсией со стороны эгоистичных генов, но, в общем, он продолжается только до тех пор, пока клетке нужны дополнительные гены, а потом они снова теряются наряду с любыми другими ненужными генами. Не сомневаюсь, что при желании все это можно истолковать с точки зрения теории эгоистичного гена, но, по-моему, такое поведение гораздо проще объяснить с точки зрения издержек и выгод самих клеток.

Есть еще один аспект, в котором именно клетку, по крайней мере клетку бактерий, логичнее рассматривать в качестве эгоистичной единицы. Дело в том, что гены кодируют не клетки, а аппарат, который их создает. Они кодируют белки и РНК, а они потом строят все остальное. Это не мелочная придирка, а существенная разница. Все клетки, даже бактериальные, имеют сложнейшую структуру, и чем больше мы их изучаем, тем лучше понимаем, что от нее зависит функционирование клетки. Мы уже убедились в части 2, что клетки — это не мешки с ферментами. Как ни странно, в генах, по-видимому, нет ничего, что кодировало бы структуру клетки. Например, мембранные белки направляются в конкретные мембраны за счет хорошо известных кодирующих последовательностей, но никакие последовательности не указывают, как создать такую мембрану с нуля, и не определяют, где ее нужно создать: липиды и белки добавляются к уже существующим мембранам. Сходным образом новые митохондрии всегда образуются путем деления старых; их нельзя создать на ровном месте. То же самое относится, например, к центриолям — тельцам, принимающим участие в формировании микротрубочек цитоскелета при делении клетки.

Это значит, что на фундаментальном клеточном уровне природа определяет воспитание, а воспитание — природу. Иными словами, гены целиком и полностью завязаны на существование клетки, а она может быть создана только за счет действия генов. Соответственно, гены всегда передаются в клетке, например в яйцеклетке или в бактерии, и никогда не передаются «отдельным пакетом». Вирусы, а они-то как раз и представляют собой «отдельный пакет», «оживают», только получив доступ к механизму существующей клетки. Вот как это сформулировал примерно двадцать лет назад выдающийся микробиолог Фрэнклин Харольд (мы с ним уже встречались в части 2 книги), и с тех пор почти ничего не изменилось:

«Геном — единственное вместилище наследственной информации, и именно он определяет форму, а окружающая среда лишь вносит мелкие корректировки. Но в попытках разобраться, как именно геном это делает, мы открываем одну китайскую коробочку за другой, а последняя коробочка в наборе оказывается пустой. Продукты генов поступают в уже имеющийся организованный матрикс, который состоит из образовавшихся раньше продуктов генов, а функциональная экспрессия генов зависит от места, где они оказываются, и от сигналов, которые они получают. Форма не прописана однозначно ни в одном из сигналов, но подразумевается сочетанием сигналов с определенным структурным контекстом. В конечном счете, только клетки делают другие клетки».

Подведем итог: есть много причин считать эгоистичной единицей эволюции бактериальную клетку, а не ее гены. Может быть, как говорил Докинз, с появлением пола у эукариот все изменилось, но если мы хотим понять глубинную подоплеку эволюции, мы должны присмотреться к бактериям, два миллиарда лет царившим на Земле.

Эти различия в подходах проясняют, почему самыми выдающимися критиками теории эгоистичного гена были микробиологи, например Линн Маргулис. На самом деле, Маргулис откровенно критиковала математический неодарвинизм в целом. Она даже сравнивала его с френологией — викторианской зацикленностью на связи между формой черепа и преступными наклонностями — и утверждала, что неодарвинизм придет к столь же бесславному концу.

Чувствуется, что концепция эгоистичного гена вызывает у Маргулис отвращение, но дело не только в этом. Бактерии действительно ведут себя более прилично: они не поедают друг друга, а образуют гармоничные сообщества. Укоренившееся представление о бактериях как злобных патогенах ложно. Маргулис считала, что эволюция, в общем, бактериальное дело, и ее можно объяснить сквозь призму взаимного сотрудничества бактериальных консорций, в том числе эндосимбиозов, включая тот, что дал начало эукариотической клетке. Эти консорции хорошо подходят бактериям, потому что хищническое поведение у них не окупается. Как мы видели в части 3, процесс дыхания через клеточную мембрану не дает появиться крупным бактериям, способным физически захватывать другие клетки. Для бактерий существенно, кто быстрее растет, а не у кого больше пасть. Учитывая, что в бактериальных экосистемах пищи всегда мало, бактериям выгоднее питаться экскрементами других бактерий, а не драться с ними за ресурсы. Если одна бактерия живет за счет сбраживания глюкозы с образованием молочной кислоты, другая может окислять молочную кислоту до углекислого газа, третья — превращать углекислый газ в метан, четвертая — окислять метан и т. д. Жизнь бактерий — постоянная переработка отходов производства, а это проще всего делать, объединившись.

Стоит припомнить, что даже кооперативные партнерства имеют шанс на долгосрочное существование только в том случае, если они более выгодны партнерам, чем независимая деятельность. Что бы мы ни имели в виду, говоря об успехе — выживание клеток или выживание генов, — виден лишь результат, то есть клетки или гены, которые оказались успешнее других. Клетки, альтруизм которых простирается настолько далеко, что они умирают ради других, исчезают без следа. Так многие юные герои, защищавшие свою страну и павшие в бою, были оплаканы родными, но сами не оставили потомства. Я имею в виду, что сотрудничество не всегда альтруистично. И все же взаимоотношения бактерий далеки от традиционного представления о животных нравах, которое выразил Теннисон в строке об окровавленных клыках и когтях природы. Может быть, среди бактерий и нет взаимопомощи, но нет и агрессии; по крайней мере, их нравы не наводят на мысль об окровавленном оскале.