Volume1

18 Часть 1. Введение в мир клетки

Места обитания живых существ не ограничены привычным для нас ареалами

сумеренными температурами земли, воды и солнечного света, населенными растениями и травоядными животными. Их можно встретить в самых темных глубинах океана, в горячей вулканической лаве, в водоемах под замерзшей поверхностью Антарктики и в недрах земной коры на глубине нескольких километров. Существа, которые живут в таких экстремальных средах обитания, малоизвестны не только потому, что они недоступны, но также и потому, что большей частью микроскопически малы. Большинство организмов, из живущих в домашней и окружающих человеческое жилище средах обитания, также слишком малы, чтобы их увидеть без специального оборудования: они, как правило, остаются незамеченными, если не вызывают у нас болезни или гниения деревянных конструкций наших домов. Так что микроорганизмы составляют львиную долю общей массы живой материи на нашей планете. Лишь недавно, благодаря новым методам молекулярного анализа, а в особенности посредством анализа последовательностей ДНК, начали мы восстанавливать картину жизни на Земле, которая, в отличие от всех предыдущих, не искажена нашей несовершенной перспективой: созерцанием мира с позиции крупных животных, живущих на суше.

Вэтом параграфе мы рассматриваем разнообразие организмов и эволюционные отношения между ними. Поскольку генетическая информация для каждого организма написана на универсальном языке последовательностей ДНК и теперь последовательность ДНК любого отдельно взятого организма может быть получена стандартными биохимическими методами, у нас появилась возможность характеризовать, систематизировать и сравнивать любые живые организмы на основании этих последовательностей. По результатам таких сравнений мы можем оценить место каждого организма в генеалогическом древе живых видов — так называемом «древе жизни». Но прежде чем описывать новые возможности этого подхода, нам следует рассмотреть способы, которыми клетки в различных средах обитания получают материю и энергию, необходимые для продолжения своего существования и размножения, а также варианты зависимости организмов одних классов от других

сточки зрения удовлетворения их основных химических потребностей.

1.2.1.  Клетки способны черпать свободную энергию из множества различных источников

Живые организмы получают необходимую им свободную энергию различными способами. Одни — например, животные, грибы и бактерии, которые живут в кишечнике человека, — получают ее, питаясь другими живыми существами или же органическими химическими веществами, которые последние производят; такие организмы называют органотрофными (от греческого слова trophe, означающего «пища»). Другие извлекают требуемую энергию непосредственно из неживого мира. Их подразделяют на два класса: поглощающие энергию солнечного света и вбирающие энергию из богатых ею систем неорганических веществ, находящихся в окружающей среде (химические системы, которые далеки от химического равновесия). Организмы первого класса называют фототрофными (питающимися солнечным светом); принадлежащих ко второму называют литотрофными (питающимися горной породой). Органотрофные организмы не могут существовать без первичных преобразователей энергии, которые составляют бóльшую часть массы живой материи на Земле.

Глава 1. Клетки и геномы 19

К фототрофным организмам относятся бактерии многих типов, а также морские водоросли и растения, от которых мы — и, в сущности, все живые существа, которых мы обычно видим вокруг себя, — зависим. Фототрофные организмы изменили всю химию окружающей нас среды: кислород в атмосфере Земли — побочный продукт их биосинтетической деятельности.

Литотрофные организмы — не столь заметная составляющая нашего мира, потому что они микроскопически малы и большей частью живут в средах обитания, крайне редко посещаемых людьми: в океанических глубинах, в недрах земной коры или в других негостеприимных местах окружающей среды. Но они представляют бóльшую часть живого мира и особенно важны при рассмотрении истории жизни на Земле.

Некоторые литотрофы получают энергию из аэробных реакций, в ходе которых используется молекулярный кислород окружающей среды; поскольку атмосферный O2 есть, несомненно, результат деятельности живых организмов, такие аэробные литотрофы в некотором смысле питаются продуктами прошлой жизни. Однако существуют и другие литотрофы, которые живут анаэробно, в местах с малым содержанием или даже полным отсутствием молекулярного кислорода — в условиях, подобных тем, которые, должно быть, существовали в ранние дни жизни на Земле, прежде чем в атмосфере накопилось известное количество кислорода.

Наиболее суровые из таких мест — горячие гидротермальные источники, находящиеся глубоко внизу на ложе Tихого и Атлантического океанов, в областях, где океаническое ложе раздвигается под напором новых расширяющихся участков земной коры, образуемых при постепенном подъеме пород из недр

нашей планеты (рис. 1.15). Нисходящая фильтрующаяся морская вода нагревается и выбрасывается обратно наверх в виде подводного гейзера, неся с собой поток хими-

ческих веществ, вымытых из нижележащих горячих пород. Обычно в этот «коктейль» входят H2S, H2,

Рис.1.15.Геологиягорячегогидротермальногоисточникавокеаническомложе.Вода фильтруется, просачиваясь вниз к горячей расплавленной горной породе, поднимающейсяизнедрЗемли,нагреваетсяивыталкивается обратно вверх, неся в себе минералы, выщелоченные из горячей породы. При этом устанавливается температурный градиент—отболеечем350°Cвблизиядра источникадо2–3°Cвокружающемокеане. По мере охлаждения воды из нее осаждаются минералы и образуют кратер. Организмы различных классов, процветающие приразличныхтемпературах,живутвболее илименееудаленныхокрестностяхкратера. Типичный кратер может иметь высоту не- сколькометровискоростьпотока1–2м/с.

20 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис.1.16.Живыеорганизмывокрестностигорячего гидротермальногоисточника.Поблизостиотисточ-

ника,притемпературахприблизительнодо150°C, живут литотрофные бактерии и археи (архебактерии)различныхвидов,непосредственнопоглощающие геохимическую энергию. Немного подальше, при более низких температурах, живут различные беспозвоночныеживотные,которыепитаютсяэтими микроорганизмами. Наиболее поразительные изних—гигантские(2-метровые)трубчатыечерви, которые,вместотогочтобыпитатьсялитотрофными клетками, живут с ними в симбиозе: специализированные органы червей предоставляют кров несметнымчисламсимбиотическихокисляющихсеру бактерий.Этибактериииспользуютгеохимическую энергию и поставляют пищу своим хозяевам, которые не имеют ни рта, ни кишечника, ни заднего прохода.Зависимостьтрубчатыхчервейотбактерий в использовании геотермической энергии походит на зависимость растений от хлоропластов в плане использованиясолнечнойэнергии,каковуюмыобсудимчутьпозжевэтойглаве.Трубчатыечерви,однако,какдумают,эволюционировалиизобыкновенныхипрошливторичнуюадаптациюкжизнивблизи гидротермальныхисточников.(ЛюбезностьDudley Foster,WoodsHoleOceanographicInstitution.)

CO, Mn2+, Fe2+, Ni2+, CH4, NH4+ и фосфорсодержащие соединения. В окрестности такого источника живет плотная популяция бактерий, разрастаясь на этой «строгой диете» и извлекая свободную энергию из реакций, происходящих между «имеющимися в распоряжении» химическими веществами. Другие организмы: моллюски, мидии и гигантские морские черви, в свою очередь, живут за счет обитающих в гейзере бактерий, формируя целостную экосистему, аналогичную системе растений и животных, к которой принадлежим мы с вами, но только снабжаемую геохимической энергией вместо световой (рис. 1.16).

1.2.2.  Некоторые клетки усваивают азот и двуокись углерода для питания других клеток

Для того чтобы поддерживать свое существование, клетке нужна материя и свободная энергия. ДНК, РНК и белок состоят всего из шести химических элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Все они наполняют неживую окружающую среду: земные породы, воду и атмосферу, но находятся

втаких химических формах, которые не позволяют клетке легко включить их

вбиологические молекулы. В частности, атмосферные N2 и CO2 являются крайне инертными химическими соединениями, и поэтому для протекания реакций, в ходе которых из этих неорганических молекул синтезируются органические соединения, необходимые для дальнейшего биосинтеза, то есть для усвоения азота и углекислого газа в такой форме, в которой N и C становятся доступным сырьем для живых организмов, требуется большое количество свободной энергии. В живых клетках

Глава 1. Клетки и геномы 23

Рис.1.20.ЛитотрофнаябактерияBeggiatoa.Этабактерия живетвсеросодержащихсредах,получаетсвоюэнергию

впроцессеокисленияH2Sиможетусваиватьуглероддаже

втемноте.Обратитевниманиенажелтыескоплениясеры внутриклеток.(ЛюбезностьRalphW. Wolfe.)

ностей полагаются или на H2S (рис. 1.20), или на H2, Fe2+, элементарную серу, или на любое другое химическое вещество из имеющихся в окружающей среде.

Многие уголки этого мира микроскопических организмов фактически не изведаны. Традиционные методы бактериологии дали нам четкое представление о тех видах, которые могут быть выделены и культивируемы в лаборатории. Но анализ последовательностей ДНК популяций бактерий в свежих пробах, взятых из естествен-

ных сред обитания, — таких как почва, или океаническая вода, или даже рот человека, — открыл нам глаза на тот факт, что микроорганизмы большинства видов не могут быть

культивируемы стандартными лабораторными методами. Согласно одной оценке, нам еще предстоит охарактеризовать по меньшей мере 99 % видов прокариот.

1.2.4.  Три основные ветви древа жизни: бактерии, археи и эукариоты

Традиционно классификация живых существ основана на сравнении их внешних особенностей. Так, мы видим, что рыба имеет глаза, челюсти, хребет, мозг и так далее — так же, собственно, как и мы с вами, а червь всего этого не имеет; розовый куст, скажем, может приходиться двоюродным братом яблоне, но кажется нам менее похожим на траву. Мы можем с легкостью интерпретировать такие близкие семейные сходства в плане эволюции от общих предков и можем найти останки многих из этих предков, сохранившиеся в летописи окаменелостей. Таким образом, появилась возможность начать прорисовку генеалогического древа живых организмов, по которому можно проследить как различные линии наследования, так и точки «исторических» ответвлений, когда предки одной группы видов стали отличаться от таковых другой.

Однако, как только различия между организмами становятся очень большими, эти методы перестают работать. К примеру, исходя из чего мы можем решить, является ли гриб более близким родственником растению или животному? Когда дело доходит до прокариот, задача становится еще более трудной: одна микроскопическая палочка или шарик очень похожа на другую. Поэтому микробиологи стремились проводить классификацию прокариот, основываясь на присущих им биохимических процессах и пищевых требованиях. Но этот подход также таит в себе подводные камни. Среди ошеломляющего разнообразия вариантов биохимического поведения трудно распознать, какие отличия действительно отражают различия в эволюционной истории.

Анализ геномов преобразил эту задачу, дав нам более простой, более прямой и более действенный способ определения эволюционных отношений. Полная последо-

24 Часть 1. Введение в мир клетки

вательность ДНК организма определяет его биологический вид с почти совершенной точностью и в исчерпывающих подробностях. Кроме того, эта «спецификация», как только мы ее определили, находится в цифровой форме — строки букв, — которую можно непосредственно внести в компьютер и сравнивать с соответствующей информацией о любом другом живом существе. Поскольку ДНК подвержена случайным изменениям, которые накапливаются за длительные периоды времени (как мы вскоре увидим), число различий между последовательностями ДНК двух организмов может быть использовано в качестве прямого, объективного и количественного показателя эволюционного расстояния между ними.

Этот подход показал, что некоторые организмы, которые традиционно классифицировали как «бактерии», настолько же далеко отошли от них по эволюционному происхождению, как любой прокариот от любого эукариота. Теперь ясно, что к прокариотам относятся две различные группы, которые разошлись в ранней истории жизни на Земле: или до того, как предки эукариот ответвились в отдельную группу, или приблизительно в то же самое время. Две группы прокариот называют соответственно бактериями (или эубактериями) и археями (или архебактериями). Поэтому живой мир имеет три главных подразделения, или надцарства: бактерии, археи и эукариоты (рис. 1.21).

Археи были первоначально открыты как обитатели сред, которых мы, люди, избегаем, — например болот, отстойников сточных вод, океанических глубин, рассолов и горячих кислотных источников, — хотя теперь известно, что они широко распространены также и в менее экстремальных и более уютных местах окружающей среды: от почв и озер до желудков крупного рогатого скота. По внешнему виду их

Рис.1.21.Триглавныхподразделения(надцарства)живогомира.Следуетиметьввиду,чтотрадици-

онно слово бактерии использовали по отношению ко всем прокариотам, но позже это понятие было пересмотрено итеперь относится конкретно к эубактериям. В тех случаях, когда может возникнутьнеясность, лучше употреблять термин эубактерии, если подразумевается узкое значение. Древо жизни основано на сравнении нуклеотидных последовательностей рибосомной РНК (рРНК) организмов различныхвидов.Длинылинийпредставляютчислаэволюционныхизменений,которыепроизошливэтой молекулевкаждойгенеалогическойветви(см.рис.1.22).Теобластидрева,чтосокрытыотнасплотной завесой серой мглы, таят в себе неясности касательно точной схемы расхождения видов на их общем эволюционном пути: сравнения между последовательностями (нуклеотидными и аминокислотными) прочих молекул, а не рРНК, равно как и некоторые доводы иного рода, свидетельствуют в пользу других, несколько отличающихся схем. Однако ученым все же удалось прийти к соглашению, что первое

инаиболее основополагающее расхождение — это разветление на три надцарства: бактерии, археи

иэукариоты.

Глава 1. Клетки и геномы 25

нелегко отличить от более знакомых нам эубактерий. На молекулярном уровне археи, как оказалось, в большей степени напоминают эукариот в отношении механизмов обработки генетической информации (репликации, транскрипции и трансляции), но, судя по аппарату метаболизма и преобразования энергии, стоят ближе к эубактериям. В дальнейшем мы обсудим, чем можно объяснить этот занимательный факт.

1.2.5.  Одни гены эволюционируют быстро, другие весьма консервативны

Как в процессе хранения, так и при копировании генетической информации происходят случайные повреждения и ошибки, приводящие к изменению последовательности нуклеотидов, то есть к появлению мутаций. Поэтому образовавшиеся в результате деления две дочерние клетки часто оказываются не совсем идентичными одна другой или материнской клетке. Лишь в редких случаях ошибка может представлять изменение к лучшему; более вероятно, что она не вызовет никакой существенной перемены в дальнейшей судьбе клетки; а во многих случаях ошибка причинит серьезное повреждение, например, нарушит последовательность, кодирующую жизненно важный белок. Изменения, произошедшие в результате ошибок первого типа, как правило, сохраняются навсегда, потому что уровень воспроизводства таким образом измененной клетки повышен. Изменения, обусловленные ошибками второго типа — селективно нейтральные изменения, — могут либо увековечиться либо нет — в соревновании за ограниченные ресурсы лишь случаю дано решать, кто преуспеет: измененная клетка или ее сородичи. Но изменения, которые вызывают серьезные повреждения, переходят в небытие: клетка, которая их претерпевает, умирает, не оставляя потомства. Путем бесконечного повторения такого цикла, начинающегося с появления ошибки и заканчивающегося результатами испытания — мутации и естественного отбора, — организмы эволюционируют: их генетические инструкции редактируются, предоставляя им способы более эффективного использования окружающей среды, выживания в условиях конкуренции с другими организмами и, наконец, успешного воспроизводства.

Ясно, что в ходе эволюции одни части генома изменяются легче других. Сегмент ДНК, который не кодирует белок и не играет существенной регуляторной роли, может свободно изменяться с частотой, ограниченной лишь частотой появления случайных ошибок. Напротив, ген, который кодирует высоко оптимизированный важнейший белок или молекулу РНК, не может изменяться столь же легко: при возникновении таких ошибок дефектные клетки почти всегда устраняются. Поэтому такие гены высококонсервативны. За время эволюционной истории, насчитывающей 3,5 миллиарда лет, а возможно, даже больше, многие черты генома изменились до полной неузнаваемости; но наиболее высококонсервативные гены остались вполне распознаваемыми у всех живущих видов.

Именно эти гены и нужно исследовать, если мы желаем выяснить родственные отношения между наиболее отдаленно связанными организмами древа жизни. Исследования, которые привели к классификации живого мира на три подразделения (бактерии, археи и эукариоты), базировались в основном на анализе одной из субъединиц рибосомной РНК — так называемой 16S РНК, в состав которой входит приблизительно 1 500 нуклеотидов. Поскольку трансляция — процесс принципиально важный для всех клеток, этот компонент рибосомы надежно сохранялся на всем протяжении истории жизни на Земле (рис. 1.22).

Глава 1. Клетки и геномы 27

Примечание: размер генома и число генов отличается у разных штаммов (популяций) одного и того же вида, в особенности у бактерий и архей. В данной таблице приведены данные по секвенированию определенных штаммов. Что касается эукариот, то многие гены могут производить различные варианты белков, так что общее число белков, закодированных в геноме, намного превышает число имеющихся в нем генов.