Иногда новые комбинации уже существующих вещей революционизируют жизнь.
Ключевые выводы
- На протяжении всей истории эволюции организмы «воровали» инновации других, а не создавали их с нуля.
- Например, крошечные «органы» внутри клеток когда-то были свободноживущими бактериями.
- Сегодня люди взяли CRISPR из бактерий и использовали его в качестве метода редактирования генов.
Колеса существуют на планете Земля уже более 6000 лет. Чемоданы существуют уже много столетий. Чемоданы на колесах были изобретены несколько десятилетий назад и изменили жизнь многих путешествующих. Каждый раз, когда я нахожусь в аэропорту, мои отдохнувшие мышцы спины - это своего рода праздник того, как изобретение может появиться из поиска новой комбинации. Взаимосвязь между инновациями и новыми комбинациями частей отнюдь не является чем-то необычным, но является такой же частью нашей четырехмиллиардной истории эволюции на Земле, как и наше будущее.
В одном из своих первых исследовательских проектов в 1960-х годах Линн Маргулис, в то время аспирант Калифорнийского университета в Беркли, изучила разнообразие клеток живых существ и предложила новую теорию того, как они возникли. Она написала его и получила отказ от, как она однажды описала, «примерно 15 журналов». Не испугавшись, она в конце концов нашла место для статьи в относительно малоизвестном журнале по теоретической биологии. Бесстрашная настойчивость Маргулис перед лицом хора негативных отзывов была захватывающей дух - это была молодая женщина-ученый в начале своей карьеры, противостоящая укоренившейся ортодоксальности.
Маргулис рассмотрел клетки, из которых состоят тела животных, растений и грибов. Эти клетки обладают сложностью, которой нет у бактерий. Клетки животных и растений содержат ядро, в котором находится геном. Ядро окружает ряд мелких органов, так называемых органелл, выполняющих различные функции. Наиболее заметными среди этих органелл являются те, которые питают клетку. У растений есть хлоропласты, содержащие хлорофилл, которые осуществляют фотосинтетические реакции, преобразующие солнечный свет в полезную энергию. Точно так же клетки животных имеют митохондрии, которые генерируют энергию из кислорода и сахаров.
Маргулис заметил, что эти органеллы выглядят как мини-клетки внутри клетки. Каждая из них окружена собственной мембраной, отделяющей ее от остальной клетки. Митохондрии и хлоропласты размножаются в клетке путем деления на две части, этот процесс называется бинарным делением. По мере деления органеллы удлиняются, сжимаются посередине и становятся похожими на гантели, а затем разделяются, образуя две новые особи. Эти органеллы даже имеют свой собственный геном, отличный от генома ядра. Однако геномы органелл сильно отличаются от геномов ядра. Нити ДНК в ядре линейные; в митохондриях и хлоропластах ДНК образует кольцевое кольцо.
Эндосимбиотическая теория
С их собственными мембранами, размножением путем бинарного деления и ДНК, организованной в виде кольца, структура этих органелл звенела для Маргулиса. Она уже видела эти особенности раньше - у бактерий. Бактерии размножаются бинарным делением, окружены похожей мембраной и имеют геном, очень похожий на хлоропласты и митохондрии. Органеллы, питающие клетки животных и растений, оказались более похожими на бактерии, чем на ядро клетки, в которой они обитают.
На основе этих наблюдений Маргулис предложил радикально новую теорию эволюционной истории. Первоначально хлоропласты были разновидностью свободноживущих цианобактерий (также известных как сине-зеленые водоросли), которые внедрялись в другую клетку и были задействованы в качестве метаболических рабочих, чтобы обеспечить энергию для этой новой клетки. Точно так же митохондрии также изначально были свободноживущими бактериями, которые сливались с другой клеткой и использовались для ее питания.
Идея Маргулиса была встречена либо всеобщим презрением, либо полным безразличием. К счастью для Маргулис и науки в целом, технология догнала ее идею. Благодаря методам секвенирования ДНК, разработанным в 1980-х годах, историю генов внутри органелл можно было сравнить с историей клеточного ядра. Возникшее генеалогическое древо было столь же прекрасным, сколь и удивительным. Ни митохондрии, ни хлоропласты не были генетически связаны с ДНК собственных ядер. Хлоропласты были более тесно связаны с различными видами цианобактерий, чем с чем-либо еще внутри растительной клетки. Точно так же митохондрии были потомками видов бактерий, потребляющих кислород, и не имели отношения к их ядру. Сегодня каждая животная или грибковая клетка имеет внутри себя два семейства живых организмов: одно ядро и другое, чьи предки когда-то были свободноживущими бактериями. Клетки растений имеют третье семейство, предками которых когда-то были свободноживущие цианобактерии.
Чем больше мы смотрим, тем больше обнаруживаем, что признаки могут появляться у одного вида только для того, чтобы быть заимствованными, украденными и модифицированными для нового использования другим. Таким образом, хозяева наследуют части готового изобретения, а не создают его самостоятельно. Эти комбинации частей и новые типы индивидуумов, которые могут возникнуть из них, могут открыть эволюционные возможности.
Миллиарды лет жизнь существовала в виде отдельных клеток, и изобретения заключались в том, как существа метаболизировали энергию и химические вещества вокруг себя. Жизнь была маленькой. С появлением все более сложных особей появились новые способы производства белков, передвижения и питания. Существа с телами - животные, растения и грибы - относительные новички на планете, и каждое из них состоит из клеток, полученных в результате слияния разных особей. Появление тел открыло новый путь эволюции для живых существ. Существа, состоящие из множества клеток, каждая из которых питается органеллами, могут вырасти и развить новые ткани и органы. Результатом является разнообразие тканей и органов, которые помогают животным летать на самые большие высоты, плавать на дне океана и изобретать спутники для исследования дальних уголков Солнечной системы.
Воровство, но в хорошем смысле
Комбинирование, заимствование и перепрофилирование технологий и изобретений других видов было частью нашего многомиллиардного прошлого. Это также и наше будущее. Нобелевская премия по химии в 2020 году была присуждена двум женщинам, которые помогли разработать CRISPR-Cas, новый метод редактирования генома. В природе CRISPR - это защитный механизм, который бактерии используют для отражения вторжений вирусов. Есть что-то прекрасное в представлении о том, что наш сознательный мозг совершил то, что клетки и геномы сделали за миллиарды лет. Процесс, изобретенный бактериями, был использован для изменения геномов других. В результате, как и то, что увидела Линн Маргулис, появилась адаптированная технология, которая, если ее доработать, может изменить эволюцию.
Нил Шубин - автор книг «Необходима сборка», «Ваша внутренняя рыба» и «Вселенная внутри». Он профессор биологии и анатомии организмов Роберта Р. Бенсли в Чикагском университете. Он был избран в Национальную академию наук в 2011 году. Живет в Чикаго.