Как устроено древо жизни

 (0)

Джон Арчибальд рассказывает об увлекательной книге, посвящённой трём миллиардам лет истории жизни и молекулярным методам её изучения. В книге «Запутанное древо» известный научный журналист Дэвид Куаммен рассказывает, пожалуй, самую масштабную историю в биологии: о том, как учёные научились определять эволюционные родственные связи между живыми организмами с помощью секвенирования генов. Чарльз Дарвин называл эту концепцию «великим древом жизни». Однако, как показывает Куаммен, на молекулярном уровне историю жизни точнее представлять не в виде дерева, а в виде сети — запутанной паутины, в которой организмы обмениваются генами уже более трёх миллиардов лет. Такой взгляд на эволюцию действительно радикален, и автор с терпением, откровенностью и блеском рассказывает как о самой науке, так и об учёных, стоявших у истоков этих открытий.

Карл Вёзе открыл третий домен жизни — архей.

Центральное место в повествовании Куаммена занимает Карл Вёзе (1928–2012) — американский микробиолог, наиболее известный тем, что открыл архей (архебактерий), представителей третьего домена жизни. Вдохновлённый смелыми идеями Фрэнсиса Крика, Лайнуса Полинга и Эмиля Цукеркандля, Вёзе посвятил себя молекулярной филогенетике в то время, когда этот мощный метод изучения эволюции только зарождался.

Книга The Tangled Tree: A Radical New History of Life. («Запутанное древо: радикально новый взгляд на историю жизни»). Дэвид Куаммен. Simon & Schuster, 2018.

В 1960–1970-х годах лаборатория Вёзе в Университете Иллинойса в Урбане — Шампейне разрабатывала и совершенствовала методы определения последовательностей молекул рибосомной РНК. Эти молекулы — важнейшие компоненты рибосом, клеточных структур, которые обеспечивают синтез белков. Учёные кропотливо получали последовательности рибосомной РНК у самых разных микроорганизмов и использовали их в качестве молекулярных ориентиров, позволяющих установить родственные связи между организмами, а также выяснить, как они связаны с животными и растениями.

В последующие два десятилетия секвенирование молекул становилось всё проще и дешевле. Построенное Вёзе древо трёх доменов жизни — архей, бактерий и эукариот, клетки которых содержат ядро, — превратилось в основную карту для исследователей, занимавшихся сравнительной геномикой. Во многом оно остаётся такой картой и сегодня.

Но жизнь сложна, как и учёные, которые её изучают. В своём лёгком, непринуждённом стиле Куаммен проводит читателя по обширной временной шкале истории жизни, знакомя с открытиями, сделанными за более чем 150 лет, — захватывающими, а порой и вызывавшими ожесточённые споры. Сложные научные вопросы он объясняет с юмором и ясностью (и действительно, некоторые рибосомы напоминают резиновых уточек).

Мы узнаём, как в биологии зарождалось представление о жизни как о древе родственных связей — до и после выхода в 1859 году книги Дарвина «Происхождение видов». Автор рассказывает о временах, когда считалось, что создать естественную классификацию микроорганизмов невозможно: их строение казалось слишком простым, а физиологические свойства — слишком изменчивыми.

Мы также узнаём, как молекулярное секвенирование помогло проверить и в конечном счёте подтвердить гипотезу эндосимбиоза, объясняющую происхождение митохондрий и хлоропластов. Сегодня известно, что эти органеллы эукариотических клеток произошли от бактерий, которые когда-то жили самостоятельно.

И наконец, выясняется любопытный парадокс: молекулярная филогенетика позволила учёным построить универсальное древо жизни, включающее микроорганизмы, но именно полученные с её помощью данные заставили усомниться в том, насколько точно дерево отражает эволюционную историю. Начиная с конца 1990-х годов, когда биологи располагали уже десятками, а затем и тысячами полных последовательностей геномов, они стали понимать, что горизонтальный перенос генов между далёкими родственными группами организмов играет важную роль в эволюции.

Куаммен напоминает, что свидетельства такого переноса появились гораздо раньше. Ещё в 1963 году медицинский микробиолог Цутому Ватанабэ и его коллеги представили данные, указывавшие на то, что горизонтальный перенос генов способствует распространению устойчивости бактерий к антибиотикам.

Поскольку гены перемещались не только от предков к потомкам, но и между организмами, не все гены одного и того же генома имеют общую эволюционную историю. Имеющиеся данные позволяют предположить, что это справедливо и по меньшей мере для некоторых крупных многоклеточных организмов, например растений. Древо жизни запутано, а некоторые его ветви переплелись настолько сильно, что распутать их, возможно, уже не удастся.

Порой книга этого замечательного рассказчика напоминает путевой дневник. Она наполнена открытиями, которыми поделились десятки участников научных событий во время интервью в привычной для них среде. Среди героев — покойная Линн Маргулис, американская исследовательница, активно отстаивавшая теорию эндосимбиоза; бывшие сотрудники лаборатории Вёзе Джордж Фокс, Митчелл Согин и Линда Бонен; а также Норман Пейс — легендарный исследователь, прославившийся применением секвенирования ДНК из окружающей среды и защитой концепции трёх доменов жизни.

Здесь же появляются и «четыре всадника» апокалипсиса переноса генов: Уильям Мартин, Джеффри Лоуренс, Питер Гогартен и Форд Дулиттл.

Некоторые истории настолько забавны, что невозможно удержаться от смеха. В одной из них соавтор Вёзе Чарльз Воссбринк — «открытый и добродушный мужчина, похожий на медведя», — подхватил подвыпившего Вёзе, разглагольствовавшего на вечеринке с барбекю, и швырнул его в кусты. Их дружба выдержала это испытание.

Другие эпизоды поражают своей откровенностью. О последних месяцах и неделях жизни Вёзе, умиравшего от рака поджелудочной железы, рассказывают люди, которые знали его ближе всех. Читать об этом больно, хотя эти воспоминания помогают лучше понять учёного. Например, меня удивило, что Вёзе верил в существование божества.

«Запутанное древо» прослеживает весь жизненный и профессиональный путь Вёзе. Перед нами молодой учёный, одержимый своей работой и упорно собирающий данные, значение которых он предчувствовал задолго до того, как их важность стала очевидной окружающим. Затем мы видим угрюмого и склонного к конфликтам профессора в середине карьеры, который борется за признание архей и своей концепции трёх доменов жизни научным сообществом.

Наконец, перед нами предстаёт уставшая от борьбы, ворчливая научная легенда, измученная тем, что можно назвать комплексом Дарвина. Казалось, никакие почести не могли удовлетворить Вёзе. Он и многие другие учёные были убеждены, что он заслужил Нобелевскую премию, но так её и не получил.

Около 2010 года Вёзе начал работать над книгой вместе с канадским историком науки Яном Саппом. Предполагаемое название проекта — «За пределами Бога и Дарвина». Однако работа так и не продвинулась дальше чернового введения, написанного Саппом. На полях Вёзе оставил комментарий: «Ян, ты придаёшь Дарвину гораздо большее значение, чем этот ублюдок заслуживает».

Но главное, о чём напоминает Куаммен, заключается в том, что наука — несовершенная и в высшей степени социальная деятельность. Она происходит не только в лабораториях, но и в коридорах, аэропортах, за чашкой кофе или пиццей. И, как в любом другом человеческом деле, здесь огромную роль играют самолюбие и репутация.

Дружба между учёными завязывается, рушится и восстанавливается из-за реальных или мнимых обид, нанесённых публикациями или высказанных на конференциях. А реальные данные порой значат меньше, чем нам хотелось бы признавать.

Насколько полезна сегодня метафора древа жизни? На этот непростой вопрос Куаммен отвечает вполне определённо: среди практикующих учёных нет единого мнения. Горизонтальный перенос генов стал неотъемлемой частью современной биологии. Теперь вопрос заключается в другом: как именно он происходит, насколько широко распространён, какое значение имеет и между какими организмами осуществляется.

Именно здесь наука XXI века вновь соприкасается с многовековыми попытками человечества классифицировать окружающий мир и понять его устройство. В своей основе наука и философия переплетены гораздо теснее, чем многие из нас привыкли думать, — и Куаммен прекрасно это понимает.

Источник: Джон Арчибальд, журнал Nature, № 7716, 2018 год.

Предыдущая статья:
Замёрзший беличий помёт раскрывает тайны ледникового периода.