Монстры в пробирке
Вызывает удивление два диаметрально противоположных процесса развития: у бактерий и фагов жизненное кредо сводится к следующему: «быть мелкими, многочисленными, быстрыми и простыми», а у млекопитающих и человека – «быть крупными, немногочисленными, медленными и сложными». Почему возникли такие различия – некоторые организмы остаются маленькими, а другие становятся крупными? Достигли ли микроорганизмы, фаги, вирусы и бактерии оптимального уровня развития и оказались ли настолько успешными, что усложнения их структуры не произошло? Как и почему появились мы, люди, столь сложноорганизованные существа? Почему мы не остались такими же мелкими, как бактерии и фаги? По этому поводу могу высказать одну гипотезу. В процессе эволюции действует две силы: с одной стороны, налицо тенденция к усложнению, а с другой – к упрощению. Какие факторы определяют превалирование той или иной тенденции? Я занималась изучением этого вопроса и пришла к заключению, что определяющим фактором является окружающая среда.
В поддержку этого утверждения даже проводились эксперименты: если дать возможность РНК и реплицирующимся ферментам фага размножаться в пробирке, то последующие события зависят от условий роста. При самых благоприятных условиях фаги станут меньше, избавятся от некоторого числа генов и будут все быстрее и быстрее реплицироваться. Каким образом? Они бессистемно объединяют неправильные нуклеотиды, извлекая их из довольно большого пула, и аккумулируют ошибки. Некоторые гены погибают из-за частоты и количества ошибок. Манфред Эйген назвал это «катастрофа ошибок». «минимизируется». Число генов, безусловно, не редуцируется до нуля, но сводится к минимуму, самому незначительному необходимому для репликации числу. То, что растет все быстрее и быстрее, становясь при этом все меньше и меньше, – так называемый «монстр Шпигельмана». Через несколько сот циклов репликации размер генома «монстра» сократился приблизительно с 4500 нуклеотидов приблизительно до 200. «Монстр» превратился в карлика! Самое же невероятное заключается в том, что в ходе этого процесса РНК превратилась в некодирующую РНК. У нее нет рибосом для считывания кода, в силу чего триплеты утратили способность к кодированию. Буквально через несколько дней процесс приобрел обратную направленность – к началу. При наличии некодирующей РНК процесс начался сначала. Это удивительно. Репликацию и эволюцию фага впервые осуществил 50 лет назад Сол Шпигельман в Нью-Йорке. Манфред Эйген из Гёттингена продолжил этот эксперимент и упростил его, убрав РНК и репликазу – фермент, вызывающий репликацию, и добавив в пробирку лишь нуклеотиды. Спустя некоторое время РНК, сформировавшиеся сами собой, реплицировались и эволюционировали, а нуклеотиды оказались сгруппированными и сформировали цепочку РНК. Из хаоса возникла первая РНК-молекула. «Монстр Шпигельмана» возник сам собой. Это два оригинальных и показательных эксперимента. Увеличение и уменьшение сложности.
В этих экспериментах условия среды играют решающую роль. Уменьшение числа генов возможно только при наличии райских условий для роста. По мере усиления роста число «выброшенных» генов увеличивается. «Маленький и быстрый». Если экстраполировать эту концепцию на другую крайность – «сложный и медленный», то можно прийти к заключению, что самая сложноорганизованная система – это человек, который и представляет другую крайность. Согласно Библии, «человек был изгнан из рая». Реакцией организма человека на сложные условия развития и среду обитания стало его усложнение. «Большой и медленный». Голод вынуждает отдельно взятую особь проявлять изобретательность, приобретать новые гены, специализироваться и обеспечивать выживание: «Необходимость – мать изобретательности». Известно, что археи характеризуются высокой выживаемостью и изобретательностью и хорошо приспосабливаются к новым условиям окружающей среды. И все же им приходится разрабатывать новые пути, на что нужно время. Поэтому они маленькие медленные!
А сейчас я возьму на себя смелость и расскажу забавную историю. Более 40 лет назад на конференции в Колд-Спринг-Харбор Шпигельман, который, к сожалению, умер довольно рано, проводил эффектные презентации. Шпигельмана представил его цюрихский друг и председатель заседания Чарльз Вайссман. Шпигельман и Вайссман – оба являлись специалистами по фагу . Вайссман начал представление с одной из своих знаменитых шуток: один варшавский раввин, представляя своего коллегу – раввина из города Лодзь, восхвалял его мудрость, образованность, щедрость, а гость, взяв его за рукав, прошептал на ухо: «Не забудьте сказать о скромности». Так Вайссман намекнул своему другу Шпигельману, что неплохо бы быть скромнее, а Шпигельман, будучи человеком находчивым, сразу же ответил: «И вы тоже». Целыми вечерами они соревновались в остроумии, а я наблюдала это, будучи молодой студенткой, и меня удивляло, что эти ученые соперничали друг с другом даже на встречах! Вайссман был уверен, что выиграет – так оно и вышло. Он не забыл этот случай, и по прошествии 50 лет вспомнил шутку с раввином в одном из своих электронных писем мне!
«Скромность» Шпигельмана проявилась в статье, опубликованной им в журнале где он попытался доказать, что ретровирусы способны быть переносчиками рака при грудном вскармливании; но он немного «схитрил», приведя графики с делениями «10 импульсов в минуту» вместо общепринятого обозначения «имп/мин» (один импульс в минуту) в надежде, что никто этого не заметит. Таким образом, результаты оказались в 10 раз больше, чем на самом деле. Так или иначе, полученные им результаты были недостоверными. И на этом я закончу рассказ об этих двух выдающихся и креативных ученых.
Сейчас, когда я пишу о снижении сложности систем в условиях изобилия, мне на ум приходят последние по времени данные о нашем кишечном микробиоме со схожими наблюдениями, полученными по ожирению. Богатый рацион приводит к развитию точно такого же явления – снижению сложности микроорганизмов и числа генов. И наоборот, недостаток пищи, ограничивающая диета обусловливает сложность микроорганизмов. В настоящее время такая сложность, а именно число генов, считается практически показателем здоровья микробиомов. У жителей изолированного африканского племени было отмечено неожиданно выраженное разнообразие микроорганизмов, и у них же наблюдалась нехватка пищи и необходимость в очень разнообразном питании. Каким образом? Потеря сложности регулируется вирусами! Это является следствием интеграции на фоне ожирения, когда происходит потеря репрессоров и лизис клеток. И что же, в океане корреляция плотности локальной популяции вирома с выраженным разнообразием, возможно, является следствием недостатка пищи?
Давайте вернемся к вопросу о скорости репликации: человеческая популяция, похоже, довольно успешно реплицируется, и по состоянию на 2016 г. нас уже было примерно 7,4 млрд. Однако это очень незначительная цифра по сравнению с астрономическим числом вирусов и бактерий. Микроорганизмы одержат победу в гонке за выживание, и, когда человечество исчезнет, они по-прежнему будут существовать. В биологическом мире нет организмов более эффективных, чем вирусы и бактерии, – это история успеха вирусов.
Снижение или увеличение числа генов часто достигается за счет симбиоза. Гигантские вирусы, выращиваемые в реакционных сосудах, демонстрируют удивительно быстрое снижение численности генов, и возможно, это интересная системная модель снижения количества генов в насыщенной питательной среде. Упрощение часто приводит к специализации и достижению максимальной эффективности. Понятный и показательный пример этого – наши митохондрии, которые специализируются на производстве энергии для клеток, являясь своего рода электростанцией, после того как делегируют 90% своих генов клеточным ядрам. Или стоит упомянуть гениальных людей, которые чрезвычайно ярко заявляют о себе в той или иной сфере деятельности, но при этом совершенно не приспособлены к обычной жизни.
До какого размера мы можем дорасти? Что является противоположной крайностью для самой мелкой живой клетки? Самая крупная клетка или организм? Что касается факторов, ограничивающих размер организмов, на этот счет высказываются только предположения. Амебы являются одними из крупнейших клеток. Выделяются следующие ограничивающие факторы: расстояние, которое необходимо преодолеть сигнал-трансдуцирующим молекулам, стабильность костей и их поддерживающие свойства, строение, геометрия, форма против функции и естественные враги. Галилео Галилей в своей знаменитой книге «Диалоги», написанной в 1638 г. под домашним арестом, размышляет о том, что ограничивает форму и размер организмов, и приходит к выводу – «сила тяжести». Более крупным животным нужно иметь сравнительно более толстые кости. Если бы сила тяжести была меньше, деревья были бы гораздо выше. Были бы на Марсе, где сила тяжести в три раза меньше, чем на Земле, деревья выше, а животные крупнее? Увеличение массы регулируется законом куба, а высота – законом квадрата. Поэтому под действием силы тяжести у более крупных животных неизбежно подломились бы ноги, и они не смогли бы передвигаться. Делались ли такие расчеты для массы тела человека? Почему в процессе эволюции не сформировались более прочные кости? Были ли кости динозавров более прочными? Это серьезный вопрос, но лишь один из немногих.
Формирование полостей и отделов организма – важный элемент роста, который может помочь преодолеть некоторые из вышеупомянутых ограничений. В процессе эволюции на смену размеру пришло многоклеточное строение. В моем новом большом чемодане много разных отделов и кармашков; кроме того, я использую сумки для организованного хранения вещей. Являются ли амебы самыми крупными сформированными клетками? Похоже, да, но в то же время, насколько нам известно, они – носители самых больших вирусов. Очевидно ли это? И эти гигантские вирусы в свою очередь являются хозяевами для более мелких вирусов. Что собой представляют самые мелкие и самые крупные живые существа – бактерии, нанопланктон и динозавры? Когда на Сицилии вследствие повышения уровня Средиземного моря сократились пищевые ресурсы, слоны стали мельче. Возможен ли обратный процесс? Если пищи больше, животные становятся крупнее, о чем свидетельствуют останки самого крупного из когда-либо обнаруженных динозавров. Он выставлен в Берлине и по размеру равен 14 крупным слонам! Теоретически динозавры могли стать столь крупными по причине потребления большого объема пищи. Кроме того, возможно, их размер определялся генетическими факторами. У них была не очень тяжелая голова, что позволяло им достигать большого роста. Это не только мое предположение, это подтверждается серьезной теорией. Разве это так? Жирафы ведь тоже высокие!
Могут ли размеры оказаться неограниченными при наличии достаточного количества пищи? За последние несколько десятилетий рост человека увеличился на 10 см. Что определяет размеры человека? Полученные в Цюрихском университете данные позволяют предположить, что наш рост в высоту замедлился и началось формирование избыточного веса – именно об этом свидетельствуют результаты исследований с участием добровольцев. Согласно одной из теорий, отсутствие «прыгающих» генов ограничивает рост. А это означает отсутствие инноваций и медленную адаптацию к условиям окружающей среды. В целях оптимизации происходит противодействие двух сил: слишком большая точность не создает условия для инноваций, вместе с тем «небрежность» или слишком много ошибок приводят к нарушению функций. Существует две крайности, а между ними «золотая середина»: слишком много ошибок делают репродукцию очень неточной и имеют фатальные последствия, а избыточная точность приводит к слишком выраженному отсутствию гибкости, что не создает условий для инноваций и приводит к гибели организма в силу его неспособности к адаптации. Активность транспозонов с «прыгающими» генами определяется эпигенетическими и средовыми факторами и даже питанием. В таких ограничивающих условиях мы можем активировать транспозоны и разработать стратегию выживания. Это благоприятный и многообещающий прогноз, который должен избавить людей от опасений за будущее. Другие факторы, ограничивающие рост популяции, гораздо более предсказуемы: максимально возможный возраст человека – 120 лет, а максимальная численность человечества – 12 млрд человек. Откуда это известно?
Эра динозавров закончилась после падения Юкатанского метеорита, это еще один тип катастрофы. Выжили только мелкие животные. Ага, значит, быть крупным рискованно. А мы крупные живые существа!
