Биологи из Массачусетского технологического института обнаружили, что обитающие в океане микробы активно обмениваются генами, позволяющими превращать солнечную энергию в химическую. Благодаря такому «коммунальному генетическому хозяйству» любое полезное изобретение одного из микробов может быстро стать общим достоянием.
Живое электричество
Современные ученые подразделяют весь живой мир планеты на три царства: археи - это безъядерные организмы с простой клеточной стенкой, бактерии – безъядерные организмы со сложной клеточной стенкой, и эукариоты - организмы с клеточным ядром и тонкой клеточной оболочкой. Когда ученые исследуют самые древние этапы эволюции жизни на Земле, то берутся за архей – самых примитивных представителей живого.
На этот раз исследователей интересовали светочувствительные белки архей, на которых были основаны древнейшие фотореакции. Примитивные светочувствительные белки – так называемые протеородопсины - располагаются на клеточной оболочке (мембране), энергия света переводит их в возбужденное состояние, за счет этой энергии молекула протеородопсина выталкивает положительно заряженный ион водорода из клетки наружу, создавая на мембране разность потенциалов. Эту бесплатную энергию клетка может использовать как угодно, например, в сериях энергозатратных биохимических реакций, или сохранять эту энергию в специальных энергоемких молекулах, или же с помощью добавочной энергии из клетки выбрасывается лишняя соль, что весьма актуально для тех, кто обитает в пересоленных водоемах. Помимо этого расположенные на мембране светочувствительные белки могут работать в качестве примитивных сенсоров. Все это, конечно, далеко от тех фотосинтетических реакций, в ходе которых из углекислого газа синтезируются углеводы, служащие питательной основой всего биохимического круговорота Земли, но тоже неплохо. На ранних этапах этот дополнительный источник энергии был серьезным подспорьем в конкурентной борьбе микроорганизмов.
Генетический конструктор
До сих пор считалось, что протеородопсины (в отличие от других светочувствительных белков) есть только у бактерий. Однако в последнем номере Nature сообщается об открытии протеородопсинов у множества разнообразных архей – обитателей верхних слоев морской воды. Для этого специалисты из Массачусетского технологического института взяли пробы океанической воды с разных глубин, в лаборатории выделили фрагменты характерных для архей ДНК, увеличили обилие гена протеородопсина с помощью Полимеразных Цепных Реакций, определили последовательности нуклеотидов и, наконец, на компьютере провели анализ этих последовательностей. Таким образом, была проведена многоступенчатая и высокотехнологичная работа, которая дала исключительно важные результаты.
Были установлены три важных факта. Во-первых, у бактерий и архей протеородопсины близки по составу. Во-вторых, аминокислотный состав этих фотопротеинов немного различается у разных групп архей, но эти отличия никак не увязываются с родственными отношениями между этими группами. Если бы гены протеродопсинов передавались только по наследству, отличия между ними были бы меньше у близких родственников, чем у неродственных микробов, а как раз это и не наблюдается. В-третьих, гены, кодирующие фотопротеины, найдены только у организмов, живущих там, куда проникает солнечный свет, то есть на глубине не более 200 метров. Эти гены не найдены у близких, но глубоководных родственников счастливых обладателей протеородопсинов.
Все это означает, что передача генов протеродопсинов происходила не путем наследования, а путем горизонтального переноса. Эволюция генов светочувствительных белков началась в те времена, когда целостность организмов была весьма условной, биологическая неприкосновенность не ценилась столь высоко, как ныне. Это приводило к тому, что однажды появившись полезные для жизни белки и соответственно их гены становились общественным достоянием. Кому они были нужны, тот легко мог их адаптировать в свой организм. По мнению авторов публикации, распространение первых светочувствительных белков, очень простых в изготовлении (требуется всего один ген) и использовании (нужен еще один ген), но очень полезных для жизни сдерживалось только соображениями пользы в конкретных условиях среды. Позаимствовать у товарища эти два инструмента гораздо проще, чем, к примеру, целый чемодан необходимых приспособлений для настоящего фотосинтеза. Микробные геномы и по сей день сохраняют некоторое сходство с «конструктором», в котором многие детальки не связаны с остальными в неразрывную систему и могут быть легко заменены другими.
Эволюция простейших организмов похожа на развитие человечества
Эта работа заставляет ученых задуматься, что же все-таки представляла собой эволюция на ранних этапах земной жизни, и перекликается с серией статей нашего сайта, посвященной общим законам развития биосферы и человечества (Эволюция подчиняется математическим закономерностям; Человечество подошло к пределу своего роста; Стабилизация роста населения и новый тип общества). Как говорилось в этих статьях, сходство макродинамики человечества и эволюции биосферы объясняется в первую очередь тем, что в обеих системах от «достижений» отдельных компонентов выигрывают также и все остальные. Межвидовой обмен генами – один из важных способов такой «взаимопомощи» в живой природе.