Страница 11 из 134
Колония еще не организм, потому что естественный отбор продолжает действовать на уровне отдельных бактерий. Но эксперименты можно и продолжить. Сначала надо понять, что должно произойти, чтобы решить проблему обманщиков. И так далее, по пути хотя бы к подобию настоящего многоклеточного организма.
А взять всем известный пример эволюции микробов — появление устойчивости к антибиотикам. Прослежено, каким образом она вырабатывается и передается. У микробов, как и в целом в природе, есть приспособления для ускоренной передачи полезных признаков. Представление, что все мутации случайны, что вся эволюция основана только на случайных мутациях, — сильно устарело.
Мутанты и симбионты
Как оптимизируются мутации?
— Хорошо изученный пример — изменение генома в иммунной системе. Это сочетание целенаправленного и случайного поиска. Если в организм проник незнакомый микроб, клетка иммунной системы "не знает", какой нуклеотид нужно заменить в своей ДНК, чтобы убивать именно этот микроб. Но клетка умеет целенаправленно редактировать свой геном. Популяция антител формируется в организме в два этапа. Сначала, в ходе эмбрионального и постэмбрионального развития, определенным образом варьируются определенные участки определенных генов клеток иммунной системы. Из полученного множества лимфоцитов выбраковываются те, которые производят аутоиммунные тела (нападающие на сам организм). Остальные размножаются, и в итоге организм получает набор лимфоцитов, которые атакуют практически любые молекулы, кроме тех, что есть в организме. На этом этапе набор заготовок комбинируется в нескольких миллионах вариантов, и из них в каждом лимфоците собирается один ген антитела. А вот когда в организм попадает инфекция, начинается второй этап, точная подгонка антител. Лимфоциты, которые лучше всего атакуют нового возбудителя, начинают вносить случайные, точечные мутации в гены своих антител. Механизм этого процесса расшифрован. После мутаций проверяется, что получилось. Если не удалось убить нового возбудителя, мутирование продолжается, и так до тех пор, пока не будет нащупан эффективный вариант антитела. Тогда соответствующий лимфоцит начинает бурно размножаться. В итоге мы получаем приобретенный иммунитет. Мутации случайны, но конечный результат закономерен и предсказуем. Мы знаем, что дней через пять после прививки, допустим, оспы нужные антитела появятся.
Но как возникли эти механизмы? Как определились места, где допускаются мутации? Как возник сам генетический код? Такие вопросы можно продолжать бесконечно.
— Да, и я отвечу только на первый из них: точно известно, откуда в иммунной системе взялись белки, отвечающие за вырезание и комбинирование кусочков генома. Они были получены извне. Существуют похожие на вирусы мобильные генетические элементы — транспозоны. Они не так легко, как вирусы, передаются "по горизонтали", но иногда это случается. Главная же особенность транспозонов в том, что они очень хорошо умеют вырезать куски генома и переставлять их с места на место. Они этим живут испокон веков. Вот они-то и принесли эти механизмы в организм позвоночных.
Простейший такой элемент имеет только один ген — ген фермента транспозазы. Этот фермент находит в чужом геноме нужное место и встраивает туда свой мобильный элемент. Когда-то в ходе эволюции произошло важнейшее событие — позвоночные животные вступили в симбиоз с этими элементами, и функция, которая эволюционно возникла для размножения транспозонов, пригодилась для создания приобретенного иммунитета.
Это очень важный принцип эволюции — а может быть, и самый главный. Без симбиоза темпы эволюции были бы в миллионы раз меньше.
Сама эукариотическая (имеющая ядро) клетка возникла в результате серии последовательных симбиозов безъядерных прокариотических клеток — они превратились в митохондрии и другие органеллы. Если бы этого не произошло, на Земле до сих пор жили бы только бактерии — ведь в природе так и не появились многоклеточные прокариотические организмы. Они не раз вплотную подходили к многоклеточности — но не могли преодолеть некий предел сложности организации.
Симбионты и биосфера
Как работает симбиоз в эволюции на более крупных масштабах?
— Иногда он работает в масштабах всей биосферы. Современную биосферу во многом создали растительноядные животные: насекомые, грызуны, жвачные. Они перерабатывают биомассу растений, поддерживают соотношение лесов, степей, болот. Есть теория (которую я разделяю), что нынешняя тундра, тайга и болота в Америке и Евразии сформировались на месте высокопродуктивных мамонтовых степей, после того как исчезли крупные травоядные, опора степной экосистемы. Сейчас в Африке, в парке Серенгети, можно видеть гигантские стада антилоп, стада слонов, носорогов — такая же картина была в Евразии и Северной Америке 10–12 тысяч лет назад. Роль травоядных животных в биосфере огромна — но парадокс в том, что они практически не умеют переваривать растительную пищу. У них так и не выработались нужные ферменты. Тем не менее, свое главное дело они все же делают — за счет симбиоза. У всех травоядных в пищеварительном тракте есть симбионты, которые и переваривают растительную пищу: бактерии, инфузории, жгутиконосцы. В некотором смысле корова служит просто термостатом для развития инфузорий, да еще и обеспечивает их пищей!
То есть корова — устройство, которое создала инфузория для повышения своей приспособленности?
— Здесь была совместная эволюция — если уж прибегать к метафорам, то корова и инфузория совместно создавали друг друга. Причем заметьте, что инфузория тоже ведь не может переварить целлюлозу! Это делают бактерии, живущие в симбиозе с инфузорией. Она глотает кусочки целлюлозы и отдает их своим бактериям — а потом питается той органикой, что производят бактерии. А корова питается тем, что производит инфузория. Если бы не симбиоз, животный мир как таковой не получил бы столь мощного развития. Он был бы вообще не нужен биосфере.
Посмотрим и на растительный мир — сейчас доминируют высшие сосудистые наземные растения. Им всем нужен азот в доступной форме — нитраты или аммоний. Но они не имеют молекулярных механизмов, чтобы эти вещества производить. Перевести азот из атмосферы в усваиваемую растениями форму умеют лишь некоторые бактерии. Без симбиоза с азотофиксирующими бактериями не было бы современного растительного мира. И растительный, и животный мир основаны на глобальных симбиозах.
В эволюции участвуют симбиозы как единое целое, поэтому каждому виду не нужно создавать свои приспособления заново, с нуля. Существует обмен новшествами в пределах биосферы в широчайшем спектре: от горизонтального переноса генов до взаимодействия и кооперации в сообществах.
Что такое "я"?
Есть ли прогнозы о дальнейшей эволюции человека?
— Прогнозы тут ненадежны, факторов слишком много, и мы заведомо знаем далеко не все. Но кое-что сказать можно. Например, эволюционная судьба вида сильно зависит от его численности. Если численность высока, а изолированных популяций практически не осталось, эволюция резко замедляется. Новая мутация не может быстро распространиться на все материки, на миллиарды живущих ныне людей. Даже если она дает какие-то серьезные преимущества, для этого понадобится очень много времени. Быстрые эволюционные изменения происходят в маленькой изолированной популяции. Посадите группу людей на необитаемый остров и не трогайте их в течение миллиона лет. Когда вы придете посмотреть, что получилось, — скорее всего вас встретит новый вид.
Долгожданный новый человек!
— Вот именно. В реальности же за последние 20–30 тысяч лет строение организма, строение мозга не меняется. Разве что одни генетические варианты становятся более распространенными, нежели другие (на языке генетики — меняются частоты аллелей). Например, лактаза, фермент, который расщепляет молочный сахар, образуется только у младенцев. Поэтому практически все взрослые когда-то не могли пить молоко. Но вот появилось животноводство, и в тех районах, где оно было особенно развито (в Северной Европе, например), мутанты, у которых этот фермент продолжал работать во взрослом возрасте, получали преимущество — они лучше питались, быстрее росли, производили больше детей. Сегодня в Китае, других странах Азии, где нет традиционной культуры молочного животноводства, 70–80 % взрослых людей не могут пить цельное молоко. А в Швеции — наоборот, почти все могут.