Археи против божественного творения

Исследование метаболизма у архебактерий показало роль случайности в эволюции

Как именно в ходе эволюции из случайного набора генов были отобраны комбинации, обеспечивающие наилучшее приспособление к меняющимся условиям среды, ученые выяснили в ходе исследования обмена веществ у галофильных архебактерий.

Метаболизм, или обмен веществ, — ключевой процесс, обеспечивающий существование любого организма, его питание, снабжение энергией. Пути метаболизма различаются у разных групп живых существ, обитающих на Земле. Растения, скажем, существуют за счет фотосинтеза, потребляя углекислый газ и воду и создавая из них необходимые органические вещества, прежде всего углеводы. Человек и другие животные не способны создавать органические вещества из неорганических и даже из простых органических веществ. Они получают энергию, расщепляя, например, глюкозу до активированной уксусной кислоты. Затем это соединение либо разлагается до углекислого газа и воды с выделением энергии, либо запасается в виде жиров, если потребности организма в энергии уже удовлетворены.

Совсем по-другому живут многие бактерии и похожие на них внешне археи, отличающиеся, однако, по химическому строению и генетическим механизмам. Многие из них способны синтезировать сложные биологические молекулы из самых простых органических соединений.

Международный коллектив ученых, среди которых есть и наши соотечественники, обнаружил новый, ранее неизвестный путь метаболизма углерода у архей Haloarcula morismortui, живущих в почти насыщенных растворах солей, например в Мертвом море.

Это открытие проливает свет на происхождение этой необычной группы организмов и еще раз подтверждает роль случайности в эволюции. Работу публикует журнал Science.

«Галоархеи, с которыми мы работаем, используют для питания различные органические соединения, например ацетаты. В ацетат-ионе всего два атома углерода, и микроорганизм должен уметь из этого простого соединения построить сложные биологические молекулы, содержащие десятки и сотни углеродных атомов: сахара, белки, нуклеиновые кислоты. Млекопитающие не сталкиваются с такими проблемами, потому что мы сразу потребляем в качестве пищи сложные молекулы. Поэтому и пути метаболизма различаются. До нашей работы были известны два пути роста органики на ацетатах. Мы доказали существование третьего (он называется метиласпартатным), более сложного, включающего в себя больше шагов, чем ранее изученные. Исследуемые нами организмы живут в очень агрессивных средах, и этот цикл позволяет им перерабатывать углерод в таких условиях. Более того, нам удалось показать, как этот необычный путь мог возникнуть в процессе эволюции.

Сегодня известно не так много примеров, когда возможно более-менее обоснованно проследить эволюцию какого-либо метаболического пути,

и наша работа – один из них», — рассказал «Газете.Ru» работающий на биологическом факультете Университета Фрайбурга выпускник МГУ им. М. В. Ломоносова Иван Берг, руководивший исследованиями.

Галоархеи или, как их иногда называют, галобактерии относятся к археям (архебактериям). Археи – очень древняя группа организмов. Сейчас они продолжают существовать в самых экстремальных для жизни условиях – в очень соленых озерах, в воде высокой температуры (рекорд – 122 градуса), в очень кислых средах. Однако даже в таких агрессивных средах на современной Земле есть органические вещества, иногда солнечный свет и кислород. А зародились археи в еще более суровой среде. Они возникли из первых живых организмов, которые, по всей видимости, жили на остывающей Земле при высокой температуре и в ядовитой для нас атмосфере. Кислород для них был бы ядом, а все вещества они создавали из солей сами (то есть были автотрофами) и на органическом сырье просто не смогли бы жить.

«Среда менялась, в ней появились простейшие органические вещества, а затем кислород. Однако, чтобы получить возможность питаться органикой и использовать кислород, этим организмам нужны были новые гены. Мы предполагаем, что такой генетический материал предки галоархей получили с помощью горизонтального переноса от других микроорганизмов, раньше приспособившихся к новым условиям, так как существующие гены изменять намного дольше и сложнее, процесс заимствования проще. Следует отметить, что этот процесс не был «сознательным» или направленным. Как и все эволюционное процессы, он был случайным.

Заимствованные гены подобны конструктору «Лего», из которого вы строите совершенно разные структуры, потом ломаете, снова строите – самолет из крепости, например.

Так и эти археи брали те гены, что были вокруг. Получались самые разные комбинации. Однако существа, обретшие способность использовать ацетат, которым богата их жизненная среда, получили преимущество — их число увеличилось, они закрепили свой новый путь развития.

Результат длительной эволюции выглядит совершенным и может натолкнуть на предположение о некоем разумном начале, направленном творении организма. Однако, когда мы изучаем процесс его возникновения, мы видим, что «творение» было совершенно хаотическим. Природа не инженер, а скорее бродячий ремесленник с ограниченным набором инструментов и запчастей (англ. – tinker). Если инженер планирует то, что он собирается создать, подбирает, ищет заранее нужные инструменты и материалы, то такой ремесленник решает проблему лишь теми средствами, которые есть под рукой. Если нет оптимального решения задачи, используют то, какое есть. Также и эволюция: то, что мы видим сейчас как идеально функционирующее, когда-то возникало из частей, которые друг другу мало подходили. Нам удалось показать такой путь эволюции на примере древних архей», — пояснил Берг.

Подобное исследование могло быть сделано и в России, однако реализация перспективной научной идеи в российских условиях осложнена материальными и организационными проблемами,

считает он. Биологические исследования часто требуют дорогостоящего оборудования, реактивов, технологий. Кроме того, необходимы налаженные связи между лабораториями для объединения усилий по работе над комплексными задачами, а также возможность оперативного получения информации.

«С идеями в России проблем нет, но любую идею нужно доказать, и с этим есть проблемы. Ряд групп (в частности, коллектив профессора Елизаветы Александровны Бонч-Осмоловской из Института микробиологии РАН, недавно, кстати, опубликовавших результаты своих последних исследований в авторитетнейшем научном журнале Nature) продолжают работать на очень высоком уровне. Однако чем больше финансов и кооперации требуется для работы, тем сложнее вести ее в России. Например, в моей кандидатской диссертации, которую я делал в Москве, мы проделали подобную работу, но лишь на доступном нам методическом уровне, который не позволил четко доказать или опровергнуть наши предположения. Ситуация для нас застопорилась. А в науке необходимо иметь четкое фактическое доказательство данных, чтобы не утонуть в спекуляциях.

В подобную «ловушку» попали авторы нашумевшей статьи о бактериях, якобы содержащих в ДНК мышьяк вместо фосфора.

Выделение нового организма, способного расти в среде, содержащей очень большие количества арсената, — факт сам по себе любопытный. Однако вывод о том, что арсенат может использоваться этими бактериями вместо фосфата, например для построения молекул ДНК, выглядит как минимум преждевременным. Авторы не предоставили прямых доказательств этого утверждения, и полученные ими результаты вполне могут быть объяснены способностью бактерий расти в присутствии следовых количеств фосфора.

Если все же их правота будет подтверждена в дальнейшем, это будет одно из крупнейших открытий последнего времени в данной области и откроет новые горизонты для работ в области биохимии, молекулярной биологии и экологии микроорганизмов. Однако здесь уместно вспомнить фразу Карла Сагана «Extraordinary claims require extraordinary evidence», поэтому это революционное предположение должно быть подкреплено очень четкими доказательствами», — подытожил Берг.

Работа имеет и перспективное прикладное значение.

Сегодняшняя наука способна создавать микроорганизмы с заданными полезными свойствами, например способными более качественно превращать биомассу в биологическое топливо, биоразрушаемые полимеры или медицинские препараты. Зная различные пути метаболизма, их достоинства и недостатки, можно затем избирательно их внедрять с помощью генов в бактерии, имеющие прикладное значение, для оптимизации процесса биологического синтеза целевых продуктов.