Гнездящиеся в нас вирусы и бактерии могут кардинальным образом ускорять эволюционные процессы, быстро перемещая фрагменты ДНК между различными разновидностями живых организмов. Столь смелый вывод был сделан американскими генетиками из частного Университета Райса (Rice University, г. Хьюстон, штат Техас, основан в 1891 году на средства филантропа Уильяма Райса). Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters (PRL) 29 января.
В принципе, многочисленные проекты последнего десятилетия, посвященные картированию генома, уже показали, что генная информация может передаваться таким необычным образом - то есть "переезжая" верхом на крошечных живых носителях, однако теперь биологи в своих построениях пошли еще дальше - они утверждают, что именно заражение микрофлорой и дает толчок к быстрому развитию организмов, приобретению ими принципиально новых функций и признаков.
"Переезды" фрагментов ДНК получили в специальной литературе название горизонтального генного транспорта (horizontal gene transfer - HGT). Сама мысль о возможности такого переноса (между отдельно существующими организмами, а не от родителей к потомству) появилась еще полстолетия назад, но тогда она решительно высмеивалась, и лишь появление бактерий, резистентных к испытанным лекарственным средствам, и последующие открытия (вроде идентификации специализированного белка, используемого микроорганизмами для обмена генетической информацией) уже в наше время привели к широкому признанию этой концепции. А уже искусственный "горизонтальный перенос", собственно, и лежит в основе многих методов генной инженерии. По сравнению с более привычной идеей полового отбора и случайными последовательностями "точечных" мутаций (point mutations) у всех таких трансферов есть неоспоримое преимущество: изменения в геноме, вызываемые перемещениями болезнетворных (патогенных) микроорганизмов (а также нейтральных и симбионтов), могут быть не только весьма действенными, но и определенным образом обусловленными, следовательно, они позволяют объяснить "противоестественное" ускорение эволюционных процессов в самых "проблемных" направлениях. Кроме того, каждый такой перенос сопоставим с целой серией обычных генетических мутаций, протекающих при этом еще и в чрезвычайно сжатые сроки.
Нынешний вид молекулярных цепочек, отвечающих за передачу наследственной информации, во многом определяется именно "мусорной" деятельностью микроорганизмов - это касается и человека, и животных, например, мышей, и даже пшеницы: везде присутствуют эти самые HGT-вставки. Майкл Дим (Michael Deem), специалист по генной инженерии из Университета Райса, поясняет, что подобные сигнатуры позволяют микробиологам отследить этапы развития адаптивной иммунной системы у людей и некоторых других позвоночных за последние 400 миллионов лет. "В какой-то момент вирусы и бактерии находят полезный белок или ген, и после этого он может быть передан более сложным разновидностям. Я думаю, что эти процессы могут считаться основным механизмом, за счет которого происходит приобретение [живыми организмами] принципиально новых функций", - говорит Майкл Дим.
Как известно, взгляды на эволюционное развитие (в основе которого лежит теория Дарвина) в науке тоже "эволюционируют", приобретают определенную глубину, обрастают деталями, изложение конкретных аспектов теории становится все более и более запутанным для людей непосвященных. На настоящий момент собрано множество удивительных фактов. Так, например, анализ ископаемых останков показывает, что одноклеточные организмы появились на Земле приблизительно 3,5 миллиарда лет назад (едва ли не на заре существования Солнечной системы, которой не более 5 миллиардов лет). Однако потребовалось долгих 2,5 миллиарда лет на то, чтобы на нашей планете развились первые многоклеточные организмы. Наконец, еще за миллиард лет эти первые многоклеточные организмы, проэволюционировав, породили все то многообразие форм растений и животных, которое мы наблюдаем сейчас. За счет чего же темпы эволюционных процессов могли увеличиваться столь кардинальным образом?
По мнению группы профессора Дима (которая занята сейчас внедрением статистических методов, применяемых в физике, в молекулярную биологию - отсюда, видимо, и публикации в "непрофильном" физическом журнале), именно случаи горизонтальных переносов отдельных генов и небольших генных блоков в геномы эволюционно далеких организмов могли сыграть определяющую роль в эволюционном скачке, позволившем ранним многоклеточным организмам стремительно усложниться и достичь нынешних высот развития. "Простые организмы мы можем сравнить с отдельными элементарными кубиками игры "Лего", - объясняет Дим. - Если вы получите в свое распоряжение достаточное количество разнообразных элементов этого конструктора, то сможете собрать разные интересные структуры. Около трех миллиардов лет потребовалось только на то, чтобы получить первые элементы, но как только они были получены, работа сразу закипела: одни и те же элементы могли сопрягаться самыми различными способами". Модульная структура генов сделала их идеальным объектом для "конструирования" посредством HGT, что позволяло заимствовать благоприобретенные черты, переставлять их между различными разновидностями.
Все эти рассуждения заставляют вспомнить учение древнегреческого (сицилийского) философа, пророка и чудотворца V в. до н. э. Эмпедокла из Акраганта, которое он изложил в поэмах "О природе" и "О жизни". По Эмпедоклу, все живые существа (не только животные, но и люди) возникли из соединяющихся в Эпоху Любви независимо возникших отдельных частей тел - рук, ног, глаз, голов и т.д. В ряде случаев члены соединялись как попало (и чем вам ни конструктор "Лего"?!), так что образовывались, например, "быкородные человеколицые", но со временем выжили лишь те создания, у которых соединение членов было правильно и сообразно...
Нужно заметить, что хотя наличие аналогов всех этих надорганизменных процессов теперь уже не отрицается, все-таки однозначной оценки роли горизонтальных обменов генетической информацией в эволюции крупных животных и растений в научном сообществе нет. Некоторые ученые склонны согласиться лишь с тем, что процессы HGT существенны только для мельчайших организмов.
Так, специалист по молекулярной эволюции профессор Отто Берг (Otto Berg) из шведского Университета города Упсала (Uppsala universitet), который не принимал непосредственного участия в вышеописанных исследованиях, считает, что заключение о возможности рекомбинаций генов (переобъединения родительских генетических последовательностей) и горизонтального генного транспорта на современном этапе уже не может оспариваться, и вообще это все весьма и весьма существенно для микроорганизмов. Горизонтальные генные переносы становятся особенно действенными тогда, когда та или иная разновидность испытывает мощное давление окружающей среды - находится на грани вымирания. Например, если бактерии испытывают воздействие антибиотиков, то они должны либо выработать к ним иммунитет (так называемая антибиотикорезистентность), либо умереть - третьего не дано. Поэтому абсолютно любые благоприобретаемые черты, которые даруют им устойчивость к препаратам, могут получить в колонии самое широкое распространение - закрепляться среди всех выживших ее обитателей. "Когда популяция сталкивается с проблемой выживания или необходимостью завоевания новой экологической ниши, то генетический выбор новых функций может быть особенно прочным, и HGT тогда действительно способно играть главенствующую роль", - говорит Берг.
Источники:
Does evolution select for faster evolvers? Study: Horizontal gene transfer adds to complexity, speed of evolution - Rice University - News & Media
Evolution Getting Faster Thanks to Germs, Viruses, Study Says - National Geographic News
Study: Genetic info swapped between different species - CNET