Эволюционный держите шаг, или Чем занимались биологи-эволюционисты в 2012 году

Современное учение об эволюции представляет собой сложнейший сплав самых разных биологических дисциплин, от старых и уважаемых систематик животных и растений до новейшей молекулярной биологии. Что бы ни появлялось нового в смысле концепций, теорий и методов, эволюционное учение попробует это применить к своему предмету. Предмет же эволюционного учения сложен чрезвычайно, ведь теория эволюции изучает саму жизнь в её самых универсальных проявлениях, в развитии и взаимоотношениях с неживой природой. (Хотя мы допускаем, что с научной точки зрения такое определение предмета теории эволюции будет не вполне строгим.) В этом смысле можно сказать, используя уже весьма подзатёртое сравнение, что теория эволюции — это царица биологии.

И, разумеется, не проходит и года, чтобы биологи-эволюционисты не придумали, не подправили, не опровергли какую-нибудь из эволюционно-экологических закономерностей. 2012-й не стал исключением, и тут, пожалуй, следует начать с концепций и гипотез, касающихся происхождения жизни — вечной темы, что волнует умы не только учёных мужей, но и весьма далёких от науки представителей рода человеческого. (Опять-таки в скобках заметим, что вопросы происхождения жизни, возможно, в теорию эволюции не входят, но мы их сюда на свой страх и риск включили, исходя из, может быть, весьма наивного соображения: ведь должна же эволюция жизни с чего-то начинаться!) Любая гипотеза о происхождении жизни должна объяснять несколько важных моментов: во-первых, живой организм должен копировать и передавать наследственную информацию; во-вторых, он должен быть отделён от окружающей среды мембраной или чем-то подобным; в-третьих, ему необходимо иметь какой-никакой метаболизм, чтобы строить биомолекулы и самого себя из этих биомолекул.

Схема молекулы рибозима. С похожих молекул могла начаться жизнь на Земле. (Рисунок Laguna Design.)

Как известно, одной из самых популярных гипотез, объясняющих появление механизма сохранения и передачи информации в живых системах, стала гипотеза мира РНК. Наследственной информацией у нас заправляют нуклеиновые кислоты — но только с помощью белков. Однако после открытия рибозимов стало понятно, что иногда нуклеиновые кислоты могут обходиться и без таковой помощи. Это и подтолкнуло создание гипотезы мира РНК. Согласно ей, первыми молекулами на Земле были РНК: они сами себя копировали, а уже потом к ним присоединились ДНК и белки, информация о которых уже могла записываться на нуклеиновых носителях. И в этом году группе исследователей из нескольких научных центров в США удалось поставить любопытный эксперимент, который показал, как в таком РНК-супе могла начаться эволюция. Оказалось, что в смеси рибозимов преимущество получают те молекулы, которые копируют других, а не себя. То есть запуск эволюции, процесс передачи информации вовсе не обязательно должен начинаться с самокопирования (этого, кстати, с рибозимами никому не удавалось достичь). Важно, чтобы молекулы-прародители могли работать не только со своей последовательностью, но и с чужой. Здесь, конечно, можно сказать о молекулярной взаимопомощи, но это уже будет чистой воды антропоморфизм.

Хорошо, пусть у нас существуют молекулы РНК, которые могут хранить и копировать информацию. Вопрос: как они встречаются в бескрайнем первичном океане? Если предположить, что они плавали в мембранных пузырьках, то получается, что, кроме одних сложных биомолекул, РНК, на заре жизни существовали и другие, которые организовывали мембраны (например, те же липиды). Однако, как показали эксперименты учёных из Пенсильванского университета (США), молекулы РНК могли группироваться и без участия сложносочинённых мембран. Оказалось, РНК любят концентрироваться в смеси довольно простых веществ, декстрана и полиэтиленгликоля: их появление в водном растворе собирает РНК в ограниченной зоне. Существование на заре времён таких простых веществ, как декстран и полиэтиленгликоль, вполне вероятно. И с их помощью мир РНК мог обходиться без мембран.

Однако далеко не все согласны отдавать лавры основателей жизни одним лишь РНК. Учёные из Иллинойсского университета (США) полагают, что белки и РНК возникли и какое-то время существовали бок о бок, и лишь спустя какое-то время РНК позвали полипептидные цепи на помощь. Исследователи попробовали восстановить генеалогию и возраст разных фрагментов рибосомы — сложной нуклеопротеидной машины, которая и переводит язык нуклеиновых оснований в аминокислотную последовательность. Оказалось, что белки, образующие рибосому, ничуть не моложе соответствующих фрагментов РНК. Более того, важнейший реакционный центр рибосомы оказался моложе других её частей. Но даже если белки существовали до того, как объединились с РНК, остаётся вопрос: как они поддерживали свою структуру? Как они хранили информацию о самих себе?

Молекулярная модель большой частицы рибосомы дрожжей; разным цветом выделены разные белки. (Рисунок Laguna Design.)

Что же до происхождения метаболизма, то специалистам из Института Санта-Фе (США) удалось вроде бы вполне убедительно показать, что химические реакции, с помощью которых живые организмы манипулируют углеродом, существовали в древнейшей геохимии, хотя и были довольно неэффективными. То есть живые организмы подобрали из неживой природы что-то неочевидное и плохо работающее и за миллионы лет эволюции сделали из этого вполне действенный метаболический аппарат. Другой вопрос, где живые организмы этим занимались. Общепринятому мнению «Жизнь возникла в океане» в уходящем году предъявили контраргументы. Группа исследователей, среди которых есть и наши соотечественники из МГУ, весьма небезосновательно предположила, что первые организмы не смогли бы выжить в тех солевых пропорциях, которые существовали в доисторическом океане. А потому первые эволюционные шаги жизнь должна была делать не в океанских глубинах и просторах, а на суше, в грязевых лужах, состав которых был более щадящ к первым живым существам.

Следующее эволюционное событие, которое в уходящем году пользовалось особым вниманием исследователей, — это появление многоклеточных организмов. Эпизод этот относится, если можно так сказать, к проблемам повышенной фундаментальности, а чем фундаментальнее проблема, тем труднее найти для неё непротиворечивую теорию. Многоклеточность имеет очевидные плюсы, но что заставило древних одноклеточных перейти к такому состоянию? Тем более что в современном мире одноклеточные не такая уж забитая и угасающая группа: достаточно вспомнить бактерии и океанический одноклеточный планктон. Остроумное объяснение предложили исследователи из Калифорнийского университета в Беркли (США), работавшие с хоанофлагеллятами, которые, как считается, стоят на грани между одно- и многоклеточностью. По мнению учёных, предки многоклеточных объединились благодаря бактериям, а точнее, благодаря некоторым веществам, которые содержат бактерии. Одноклеточные питались бактериями, а то вещество, что в бактериях содержалось, склеивало многоклеточных вместе, в колонию. Не слишком аппетитная гипотеза, если вдуматься.

Ещё один удивительный результат получили учёные из Университета Миннесоты (США), у которых дрожжи превратились из одноклеточных в многоклеточные образования всего за… 60 дней. Движущей силой тут стала гравитация: чтобы быстрее осесть на дно, клетки дрожжей объединялись со своими родственниками, причём в получившихся кластерах разные клетки вели себя по-разному, то есть демонстрировали основные признаки зарождающегося многоклеточного «самосознания». Но самое удивительное тут, конечно же, сверхсжатые сроки, за которые это произошло. Ну и самая, пожалуй, удивительная гипотеза о происхождении многоклеточности вышла из-под пера Стюарта Ньюмана из Нью-Йоркского медицинского колледжа (США). Уважаемый профессор сравнил базовые структурные блоки, которые есть у самых разных животных, с вязкоупругими химическими субстанциями и пришёл к выводу, что первые многоклеточные сформировались под действием физико-химических сил, которые не влияют на одиночные клетки, но неизбежно вступают в свои права, если клеткам вздумается объединиться.

Вообще, эволюционное учение в последнее время стало необычайно широко пользоваться экспериментальными методами, хотя, казалось бы, с эволюцией ассоциируются миллионы и миллионы лет, о каких экспериментах тут может идти речь? Тем не менее исследователи вдруг поняли, кто им поможет поверить экспериментом тайны эволюции. Помощниками оказались бактерии и дрожжи: благодаря высочайшей скорости размножения они могут проявить эволюционные закономерности за вполне разумное время, нужно лишь правильно спланировать эксперимент. И с помощью этих микроскопических помощников в прошлом году удалось проверить ряд важнейших эволюционных концепций, которые до сих пор существовали только в виде умозрительных рассуждений. Так, исследователи из Мичиганского университета (США) сумели сопоставить генетическое понятие мутации и фенотипическое понятие признака. У вируса новый признак формировался за четыре мутации, бактериям для этого требовалось больше полусотни. В данном случае важна не столько абсолютная цифра (понятно, что для разных организмов и для разных признаков она не будет совпадать), сколько сам способ, позволяющий оценить взаимодействие генов при формировании признака и число мутаций, которые должны в них попасть. И опять же с помощью бактерий удалось увидеть целый эволюционный цикл: 56 тысяч поколений бактерий и 20 лет эксперимента позволили учёным наблюдать три стадии формирования признака и сопоставить их с фенотипическими изменениями.

В свою очередь, дрожжи помогли исследователям из Оклендского университета (Новая Зеландия) подтвердить экспериментально одну из главных концепций в биологии: половое размножение с эволюционной точки зрения лучше, чем бесполое. Однако можно возразить, что все эти эксперименты ставятся на довольно специфических объектах, бактериях и одноклеточных грибах, а у них эволюция может идти иными путями. Но, как оказалось, по крайней мере у бактерий новые виды образуются так же, как у животных, — за счёт генетического разнообразия внутри популяции, которое проявляется при смене экологических условий. То есть нет необходимости придумывать для бактерий какую-то свою, отдельную эволюцию.

Безусловно, нельзя не упомянуть эксперимент исследователей из Университета Род-Айленда (США), которые сумели увидеть эволюцию не в пробирке, не у бактерий, а среди ящериц. Учёные задумали проверить, существует ли на самом деле эволюционно-генетический эффект, называемый эффектом основателя, когда расселяющиеся маленькие популяции оказываются между молотом и наковальней — естественным отбором и собственным небогатым (из-за расселения) генофондом. Так вот, в течение нескольких лет исследователи воочию наблюдали борьбу между двумя эволюционным факторами, которые раньше существовали только в теории. Правда, нельзя не признать, что с условиями эксперимента зоологам повезло: в их распоряжении оказались острова, очищенные от большей части фауны сильнейшим ураганом.

Из других новостей на тему общеэволюционных законов следует отметить два сообщения о молекулярных механизмах эволюции. В Стэнфорде (США) на примере колюшки была подтверждена известная гипотеза о том, что бόльшая часть эволюционных изменений заключается в перетасовке уже имеющихся генов, а не в создании новых. То есть у вида создаётся несколько генетических сценариев для жизни, из которых один работает, а другие спят. Если же возникает надобность, происходит переключение между этими генетическими наборами — благодаря мутациям в нескольких управляющих последовательностях ДНК. Именно так, по словам учёных, колюшкам удалось быстро перейти из морей в солёные водоёмы. И именно так, кстати говоря, мог возникнуть человек: по мнению некоторых исследователей, мы отличаемся от обезьян в первую очередь способом управления генами.

В другой работе, опубликованной учёными из Массачусетского технологического института (США), говорится о том, что главным молекулярным инструментом эволюции, основным молекулярным механизмом, обеспечивающим приспособление вида к среде, может быть альтернативный сплайсинг РНК. Во всяком случае, согласно результатам этой научной группы, разные виды отличаются друг от друга не столько активностью генов, сколько способами альтернативного сплайсинга.

Из более частных эволюционных исследований, которые касаются развития отдельных групп животных, можно вспомнить работу исследователей из Смитсоновского института изучения тропиков (США) и Вагенингенского университета (Нидерланды), которые пришли к выводу, что мелкие грызуны благодаря своим воровским повадкам спасли доисторические леса от вымирания. А исследователи из Университета Монаша в Австралии попробовали посчитать, сколько времени требуется эволюции, чтобы превратить мышь в слона и обратно, — и тут эволюция поразила своей медлительностью. И, конечно, отдельная тема — это происхождение и эволюция самого человека. Про переход от обезьян к человеку и его эволюционно-генетические причины можно узнать в соседнем материале. Здесь же стоит упомянуть об экспериментах исследователей из Тринити-Колледжа (Ирландия), которые с помощью симулятора эволюции показали, что сложная общественная жизнь идёт рука об руку с развитием больших нейронных систем. То есть, грубо говоря, развитие мозга лучше происходит в обществе.

Однако, отделившись от обезьян и сформировав первые цивилизации, человек отнюдь не вышел из-под власти эволюции и естественного отбора. Так, учёные из Шеффилдского университета (Великобритания) показали влияние естественного отбора на человека на примере популяционной динамики в нескольких финских деревнях. Оказалось, что даже в моногамном обществе есть эволюционные изменения признаков, которые можно наблюдать на протяжении нескольких сотен лет. Можно предположить, что в современном мире, с развитием медицины, средств контрацепции, и т. д. и т. п., не найдётся места не только для старых, традиционных сообществ, но и для эволюции. Однако исследователи из Гронингенского университета (Нидерланды) утверждают, что естественный отбор по сей день действует даже на такой важный с точки зрения эстетики и моды параметр, как рост: хотя современные мужчины и женщины предпочитают высоких партнёров, эволюция благоприятствует высокорослым мужчинам, но низкорослым женщинам.

Долгое время феномен менопаузы не мог найти объяснения у учёных. Человек — одно из редчайших исключений среди животных, наши особи женского пола с некоего возраста теряют способность давать потомство. Эта странная и эволюционно нерациональная стратегия, кажется, нашла своё объяснение в теории: менопауза нужна, чтобы бабушки смогли заботиться о потомстве своих детей, тем самым повышая его выживаемость. Именно благодаря менопаузе, по мнению исследователей из Туркуского университета (Финляндия), пожилая женщина может отдать своё время и силы ребёнку своей дочери или невестки, не отвлекаясь на собственных малышей. Эта гипотеза и раньше существовала, но на этот раз её проверили на человеческой популяции. Забота бабушек принесла свои плоды — антропологи из Университета штата Юта и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (оба — США) подтвердили, что благодаря бабушкам человек стал жить дольше.

Выше мы назвали эволюционное учение царицей биологии. Злые языки могли бы сказать, что это в полном смысле царица: пользуясь результатами и методами других областей, она ничего не даёт взамен в смысле практической пользы: таковой от неё как от козла молока (эволюционно совершенно не представимая вещь, хотя и возможная с точки зрения генной инженерии). Это не совсем так: выводы, сделанные в рамках эволюционного учения, могут пригодиться другим, более практическим областям. Вот примечательный пример: учёные из Онкоцентра имени Х. Ли Моффита (США) опубликовали работу, в которой именно с помощью эволюционной теории объясняют удивительную способность раковых клеток противостоять химиотерапии. Собственно говоря, исследователи рассматривают опухоль как популяцию, которая подчиняется соответствующим эволюционно-экологическим законам. Если гипотеза верна, то онкологам, чтобы справиться с раком, нужно в корне пересмотреть подходы к лечению. И возможно, что именно благодаря эволюционной теории мы когда-нибудь победим рак. (Заметим, что уподобление рака популяции ещё не столь радикальный шаг — по сравнению с прошлогодней работой, в которой рак уподоблялся единому организму и предлагался едва ли не на роль нашего предка.)

Из иных результатов эволюционных изысканий, которые могут пригодиться с практической точки зрения, можно упомянуть о том, как климатические изменения играют на руку паразитам, а также о генеалогии зловещих лихорадок Эбола и Ласса, которые оказались гораздо старше, чем о них думали. И то и другое пригодилось бы для эпидемиологов и вообще врачей, которые много бы дали за то, чтобы знать, чего можно ждать от инфекции в будущем.

В действительности, как легко заметить, современная теория эволюции больше всего напоминает некий призрак, неуловимую сущность, которая возникает на стыке самых разных дисциплин, от психологии до иммунологии. Так что имеет смысл говорить не столько об отдельной дисциплине, сколько об эволюционном подходе, который может стать мощным оружием в познании живого мира — всё равно, идёт ли речь об отвлечённо-высокой загадке происхождения жизни или о «низменных», повседневно-медицинских иммунологических вопросах.

Однако, несмотря на всё величие и мощь эволюционного подхода, срабатывает он не всегда. И уходящий год дал нам два любопытных примера, когда биологам-эволюционистам оставалось только развести руками. Первый — бактерии из пещеры Лечугия, что в американском штате Нью-Мексико. Местные микробы сумели приобрести устойчивость к большинству современных антибиотиков, хотя были изолированы от окружающей среды в течение последних тысячелетий, — феномен, который нельзя объяснить с эволюционно-генетической точки зрения. Вторым номером идёт златокрот: появление у этого удивительного животного переливающегося золотистого меха невозможно объяснить никакой эволюционной потребностью, и учёным приходится говорить, что в данном случае мы имеем дело с «побочным и бесполезным продуктом каких-то других эволюционных превращений».