Рассказ Taq

Рассказ Taq

Достигнув нашего самого древнего свидания, собрав в нашем странствии всю жизнь, которую знаем, мы имеем возможность рассмотреть ее разнообразие. На самом глубинном уровне разнообразие жизни является химическим. Профессии, которыми заняты наши компаньоны-путешественники, требуют набора навыков химического искусства. И, как мы видели, бактерии, включая археев, демонстрируют широкий диапазон химических навыков. Бактерии как группа являются главными химиками этой планеты. Даже химия наших собственных клеток в значительной степени заимствована у бактериальных гастербайтеров, и это составляет лишь частицу того, на что способны бактерии. Химически мы более похожи на некоторых бактерий, чем некоторые бактерии на других бактерий. По крайней мере, с точки зрения химика, если уничтожить всю жизнь, кроме бактерий, то все еще останется большая часть спектра жизни.

Особая бактерия Thermus aquaticus, о которой я хочу рассказать, известна молекулярным биологам как Taq. Различные бактерии кажутся нам чуждыми по различным индивидуальным причинам. Thermus aquaticus, как предполагает ее название, предпочитает находиться в горячей воде. В очень горячей воде. Как мы видели на Свидании 38, многие археи являются термофилами и гипертермофилами, но археи не имеют монополии на этот образ жизни. Термофилы и гипертермофилы – не таксономические категории, а нечто большее, как профессии или гильдии, как чосеровские Студент, Мельник и Врач. Они могут жить в местах, где никто иной не может: обжигающе горячих источниках Роторуа и Йеллоустонского парка или в жерлах вулканов серединно-океанических хребтов. Thermus – эубактериальный гипертермофил. Она может выжить с небольшими проблемами в почти кипящей воде, хотя предпочитает более приятные 70°C или около того. Она действительно удерживает мировой температурный рекорд: существуют глубоководные археи, которые процветают до 115°C, намного выше нормальной точки кипения воды (Снова же, если кажется удивительным, что вода может быть намного горячее своей нормальной точки кипения, вспомните, что вода кипит более горячей при высоком давлении.).

Thermits известна в кругу молекулярных биологов тем, что была источником фермента дуплицирования ДНК, известного как Taq полимераза. Конечно, все организмы имеют ферменты, чтобы дуплицировать ДНК, но Thermits должна была развить тот, который может противостоять температурам, близким к точке кипения. Он используется молекулярными биологами, потому что самый легкий способ дуплицировать имеющуюся ДНК состоит в том, чтобы кипятить ее, разделяя на две составляющих нити. Повторное кипячение и охлаждение раствора, содержащего ДНК и Taq полимеразу, дуплицирует – либо «амплифицирует» – даже очень ничтожное количество первоначальной ДНК. Метод называют «полимеразной цепной реакцией», или PCR, и это блестяще удачное название.

Известность Thermus как волшебницы биохимической лаборатории – достаточное оправдание, чтобы позволить ей рассказать этот рассказ. Но, между прочим, может быть другая причина, по которой Thermits, в частности, имеет все возможности, чтобы представить поучительно внеземную концепцию бактерий. Thermus принадлежит к маленькой группе бактерий, известных как галобактерии. В таксономической схеме, упомянутой в Свидании 39, Том Кавалир-Смит предполагает, что галабактерии, вместе с их кузенами зелеными несернистыми бактериями, могут быть самой ранней ответвляющейся группой бактерий. Если это так, то их группа – настолько отдаленные кузены остальной жизни, насколько это возможно.

Согласно этому представлению, Thermus и ее родственники находятся за пределами ветви. Все остальные бактерии разделяют друг с другом и с остальной жизнью общего предка, которого не разделяет Thermus. Если это подтвердится, это будет означать следующее. Как любая бактерия могла бы быть объединена с «остальной жизнью» в одну «младшую ветвь» жизни, так же Thermus в пределах бактерий может быть объединена с «остальными бактериями» в одну ветвь бактерий. Вместе с ее склонностью быть вареной, это было той причиной, по которой я выбрал Thermus для рассказа о разнообразии жизни. Но так как доказательства особого статуса Thermus не очень надежны, нет сомнений, что наибольшее разнообразие жизни на фундаментальном уровне химии является микробным, и подавляющее его большинство является бактериальным. Рассказ о разнообразии жизни, поскольку это – главным образом химическое разнообразие, по праву принадлежит бактерии, и равным образом это могла бы быть Taq.

Традиционно, и по понятным причинам, рассказ был рассказан с точки зрения больших животных – нас. Жизнь была разделена на царство животных и растений, и различие казалось довольно очевидным. Грибы считали растениями, потому что более известные из них укоренились на одном месте и не ходят, когда Вы пытаетесь их изучать. Мы даже не знали о бактериях до девятнадцатого века, и когда они были впервые обнаружены в сильный микроскоп, люди не знали, куда их поместить. Некоторые считали их миниатюрными растениями, другие миниатюрными животными. Еще другие поместили поглощающих свет бактерий к растениям (как «сине-зеленые водоросли»), а остальных к животным. Почти так же поступили с «протистами» – одноклеточными эукариотами, которые не являются бактериями и намного крупнее, чем бактерии. Зеленые протисты были названы протофитами, а остальные протозоа. Известным примером протозоа является амеба, и одно время считалось, что она близко связана с великим предком всей жизни – как мы были неправы, поскольку амеба едва отличима от человека, если смотреть на нее «глазами» бактерий.

Все это было во времена, когда живые организмы классифицировались согласно видимой анатомии, в которой бактерии намного менее разнообразны, чем животные или растения, и было простительно оценивать их как примитивных животных и растения. Совсем другое дело, когда мы начали классифицировать существ, используя намного более полную информацию, предоставленную их молекулами, и когда мы посмотрели на ряд химических «профессий», в которых микробы достигли совершенства. Вот, приблизительно, как выглядит положение сегодня.

Самое фундаментальное разделение жизни. Дерево жизни, показывающее разделение на три главных домена, основанное на недавнем молекулярном научном исследовании. Адаптированно от Gribaldo и Philippe [113].

Если животных и растения рассматривают как два царства, то, согласно тем же правилам, существует множество «царств» микробов, уникальность которых дает им право на такой же статус, как у животных и растений. Диаграмма показывает вершину айсберга. Мало того, что некоторые ветви, имеющие глубокие корни, были опущены, но и показаны только те, что живут в доступных местах и могут быть культивированы в лаборатории. Действительно, просто просматривая новые элементы ДНК и не потрудившись узнать, от каких организмов они происходят, можно обнаружить целые новые царства микробов (Всегда изобретательный Крейг Вентер (Craig Venter) и его команда утверждают, что нашли с помощью анализа ДНК технологией «дробовика», по крайней мере, 1 800 новых видов микробов, плавающих в Саргассовом море.). Животные, растения и грибы составляют только три маленьких ветви дерева жизни. Эти три хорошо известных царства отличает от других то, что организмы в них большие, построенные из множества клеток. Другие царства – почти полностью микробные. Почему мы не объединяем их в одно микробное царство, наравне с тремя большими многоклеточными царствами? Одна причина, и веская причина, в том, что на биохимическом уровне многие из микробных царств столь же отличаются друг от друга и от большой тройки, как и три хорошо знакомых царства друг от друга.

Бесполезно детально обсуждать, существует ли « в действительности», скажем, 20 царств в этом масштабе различий, или 25, или 100. Из диаграммы ясно, что это множество распадается на три основных сверхцарства – «домена» в терминологии Карла Вёзе, уже упомянутого как создателя этого нового взгляда на жизнь. Этими тремя доменами являются, во-первых, наш собственный, эукариоты, в чьей компании мы путешествовали в большей части нашей поездки. Во-вторых, археи – микробы, встреченные нами на Свидании 38 – которые, согласно старому представлению о жизни, были смешаны с третьим доменом, истинными (или эу-) бактериями. Члены этого третьего, эубактериального домена, присоединились к нам на последнем этапе нашего странствия. Это большая честь, сделать эти заключительные шаги совместно с самыми вездесущими и эффективными распространителями ДНК, которые когда-либо существовали.

Сама эта звездчатая диаграмма, конечно, основана не на тех признаках, которые мы можем видеть и осязать. Если Вы хотите сравнить организмы, Вы должны выбрать признаки, которые все они ориентировочно разделяют. Вы не можете сравнивать ноги, если у большинства видов их нет. Ноги, головы, листья, ключицы, корни, сердца, митохондрии – каждый признак ограничивает подмножество существ. Но ДНК универсальна, и есть небольшое количество особых генов, которые все живые существа разделяют друг с другом, лишь с незначительными, перечислимыми различиями. Мы должны использовать их для крупномасштабного сравнения. Возможно, лучшим примером являются коды, которые входят в состав рибосом.

Рибосомы – клеточные механизмы, которые читают сообщения РНК (непосредственно транскрибированные с генов ДНК) и производят белки в большом количестве. Рибосомы жизненно важны для всех клеток и повсеместно в них присутствуют. Сами они в значительной степени созданы из РНК – названной рРНК и полностью изолированной от «записанной» информации РНК, которую рибосомы считывают и переводят в белок. Сама рРНК первоначально определяется генами ДНК. Последовательность рРНК может быть прочитана либо непосредственно, либо как гены ДНК, которые ее кодируют: рДНК. Так или иначе, я буду называть ее рДНК. рДНК особенно полезна для прямого сравнения между любыми двумя существами, потому что есть у их всех.

рДНК используется не только из-за своей вездесущности. Что не менее важно, она показывает точное количество генетических изменений – достаточно подобная среди всех живых видов, чтобы было что сравнивать, однако не столь крайне подобна, чтобы не оставить различий для подсчета. Применяя методы «Рассказа Гиббона», мы можем использовать рДНК, чтобы соединить все дерево жизни и вычислить значительные эволюционные расстояния в пределах главных доменов и даже между ними. Мы должны быть осторожными. рДНК вполне уязвима для «притяжения длинных ветвей» и других подобных опасностей. Но с помощью других генов и используя редкие геномные изменения – вставки и делеции больших фрагментов ДНК – можно изобразить предполагаемое дерево. Именно его мы имеем на рисунке. Конечно, некоторые ветви в этом предполагаемом дереве сомнительны, особенно среди эубактерий, и это может отражать их склонность обмениваться между собой ДНК – проблему, которую мы не встречали ни у одной из эукариот. Однако исследователи обнаружили основную группу бактериальных генов, которые обмениваются редко, таким образом, возможно, что мы сможем однажды согласовать достоверный порядок ветвления в дереве жизни. Я с нетерпением этого жду.

Таксономическое расстояние, измеренное с помощью сравнения геномов, является одним из подходов к рассмотрению разнообразия. Другой подход предполагает рассмотрение диапазона образов жизни, диапазона «профессий», которыми занимаются наши странники. На первый взгляд, различные бактерии могли бы казаться более схожими в этом отношении чем, скажем, лев с буйволом или крот с коалой. Для крупных животным, как мы, подземное рытье червей кажется образом жизни, совсем несхожим с жеванием листьев эвкалипта. Но с химической точки зрения нашего бактериального рассказчика, все кроты, коалы, львы и буйволы делают почти одно и то же. Все они получают энергию, расщепляя сложные молекулы, в конечном счете, синтезированные энергией солнца, захваченной растениями. Коалы и буйволы едят сами растения. Львы и кроты получают свою солнечную энергию следующим шагом, при поедании других животных, которые (в конечном счете) едят растения.

Первичный источник внешней энергии – солнце. Солнце, при участии симбиотических зеленых бактерий в клетках растений, является единственным производителем энергии для всей жизни, которую мы можем видеть невооруженным глазом. Его энергия улавливается зелеными солнечными батареями (листьями) и используется, чтобы стимулировать синтез органических соединений, таких как сахар и крахмал в растениях. При этом остальная жизнь в серии энергосопряженных химических реакций питается энергией солнца, первоначально поглощенной растениями. Энергия течет сквозь структуру жизни, от солнца к растениям, к травоядным животным, к хищникам и падальщикам. В любой момент, не только между существами, но и внутри них, каждая энергетическая операция расточительна. Неизбежно часть энергии рассеивается в виде тепла и никогда не восстанавливается. Без ее массового притока от солнца, как обычно говорится в учебниках, жизнь прекратится.

Это обычно верно. Но эти учебники не принимали в расчет бактерий и археев. Если Вы – достаточно изобретательный химик, есть возможность выдумать альтернативные схемы потоков энергии на этой планете, которые не начинаются от солнца. И если подходящий химический пример может быть выдуман, возможно, что бактерия стала здесь первой: может быть даже раньше, чем они открыли для себя уловку с солнечной энергией, и это было больше чем 3 миллиарда лет назад. Должен быть некоторый внешний источник энергии, но это не должно быть солнце. Есть химическая энергия, запертая во многих веществах, энергия, которая может быть выпущена с помощью нужных химических реакций. Источники, имеющие экономическое значение, разрабатываемые живыми существами, включают водород, сероводород и некоторые соединения железа. Мы вернемся к образу жизни, эксплуатирующему эти источники, в Кентербери.

Хотя наши рассказы в основном ведутся не от первого лица, позвольте нам сделать исключение для последних слов всех наших рассказов, и пускай их скажет Thermits aquaticus:

Посмотрите на жизнь с нашего ракурса, и вы, эукариоты, скоро прекратите так важничать. Вы, прямоходящие обезьяны, вы, древесные землеройки с обрубленным хвостом, вы, высохшие лопастеперые, вы, позвоночные черви, вы, развитые Hox-генами губки, вы, новички в нашем доме, вы эукариоты, вы, едва различимое объединение однообразной узкой общины, вы – немного больше, чем причудливая пена на поверхности бактериальной жизни. Да ведь те клетки, из которых вы построены, сами являются колониями бактерий, повторяющих те же самые старые приемы, которые мы, бактерии, обнаружили миллиард лет назад. Мы были здесь прежде, чем вы появились, и мы будем здесь после того, как вы исчезнете.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.