Адская стабильность. Что означает «отсутствие эволюции» у невероятного микроба-робинзона
В одной из самых модных дисциплин сегодняшней биологии — сравнительной геномике — случилась настоящая сенсация. Излагая ее, даже иные респектабельные ресурсы не удержались от заголовков типа «найдены бактерии, которые не эволюционируют».
Существа, остающиеся практически неизменными в течение десятков и даже сотен миллионов лет, например новозеландская гаттерия или рачок щитень, обитатель пересыхающих летних луж, были известны науке и раньше. Но в этих случаях речь шла лишь о неизменности морфологических признаков (поскольку других у окаменелостей нет). Между тем для гаттерий, например, показано, что все это время у них исправно накапливались нейтральные мутации.
Ситуация же с «неэволюционирующей» бактерией оказалась принципиально иной. Но прежде, чем рассказать об этом, нужно сказать несколько слов о самой бактерии.
Бактерия эта называется Desulforudis audaxviator. Видовой эпитет audaxviator, позаимствованный из романа Жюль Верна «Путешествие к центру Земли», отражает местообитание микроба: впервые его обнаружили в 2008 году в заброшенной шахте золотого рудника Мпоненг (ЮАР) на глубине около 3 км. Он населяет подземные воды — горячие (около 60 ºС), щелочные (рН 9,3) и радиоактивные, поскольку они омывают минералы, содержащие уран и другие радиоактивные элементы. Но в этих поистине адских условиях бактерия прекрасно себя чувствует, а радиацией в определенном смысле питается: излучение, разрушая молекулы воды, порождает свободный водород, которым бактерия восстанавливает сульфаты. Эта реакция — основа ее метаболизма, что и отражено в родовом названии Desulforudis. Впрочем, она способна также усваивать углерод из углекислого и угарного газов и муравьиной кислоты; связывать свободный азот, потреблять готовую органику и много еще что делать.
Но, пожалуй, самое необычное в D. audaxviator — то, что он является единственным жителем своей среды обитания. Все прочие живые существа на Земле способны жить только в многовидовых сообществах — экосистемах, где тела или продукты жизнедеятельности одних видов служат ресурсом для других. Но D. audaxviator самодостаточен и ни в ком не нуждается. Он сам себе экосистема.
Позже этот микроб-робинзон был найден еще в одном южноафриканском руднике, а также в калифорнийской Долине Смерти и совсем недавно (в 2019 году) — в недрах под поселком Белый Яр в Томской области. Во всех случаях бактерии были обнаружены в горячих радиоактивных подземных водах на глубинах 1,3–3,4 км. Естественно, вскоре родилась идея сравнить геномы клеток из столь удаленных друг от друга популяций. Что и сделали ныне 16 ученых из США, Литвы, России, Китая и Южной Африки.
И вот тут D. audaxviator преподнес очередной сюрприз. Попарное сравнение геномов африканских, калифорнийских и сибирских бактерий показало, что все они совпадают друг с другом на 99,5–99,9%. Абсолютно одинаковыми оказались даже области CRISPR — «вирусные библиотеки», хранящие фрагменты геномов тех вирусов-бактериофагов, с которыми сталкивалась данная клетка или ее прямые предки.
Между тем изучаемые популяции удалены друг от друга на 9–16 тысяч километров и разделены океанами. Могли ли микробы преодолеть это расстояние? Два года назад первооткрыватели российской популяции в своей статье писали, что D. audaxviator — не такой уж строгий анаэроб и в принципе может переноситься по воздуху. Однако имена двоих авторов той статьи значатся и в списке авторов нынешней, а в ней эта идея прямо отвергается: чего у чудо-микроба нет, так это каких-либо средств для использования свободного кислорода или защиты от него. Не выживает он и в морской воде. Наконец, загрязнение в ходе исследования тоже исключается: никакие бактерии физически с континента на континент не перемещались, и даже ученые, бравшие пробы в Белом Яре, не бывали ни в Калифорнии, ни в Южной Африке, и наоборот.
Остается предположить, что за время изолированного существования (американские микробы не могли контактировать с сибирскими не менее 55 млн лет, а африканские с теми и другими — не менее 165) популяции D. audaxviator практически не изменились. В них не накопились даже нейтральные, «невидимые» для естественного отбора мутации. С такой степенью эволюционной стабильности наука до сих пор не сталкивалась.
Понятно, что объяснить это просто отсутствием мутаций невозможно: мутации происходят у всех живых организмов, а у одноклеточных обитателей радиоактивных вод они должны происходить очень часто. Но у D. audaxviator нашлось как минимум семь независимых молекулярных систем репарации — исправления мутаций. Для бактерий это очень много. По мнению авторов исследования, такая эшелонированная защита — главное, что обеспечивает неизменность этой бактерии. Они допускают также, что некоторую роль играют и другие средства предотвращения мутаций — специальные защитные белки, связывающиеся с ДНК, особо точные ДНК-полимеразы и т. д.
А вот роль стабилизирующего (направленного на поддержание существующей нормы) отбора авторы сочли незначительной — и в этом пункте с ними можно поспорить. Дело в том, что эту роль они оценивали формально — по соотношению синонимичных (не приводящих к замене кодируемой аминокислоты) и несинонимичных мутаций. Но этот показатель отражает только наличие или отсутствие отбора в последнее время (обычно измеряемое десятками или сотнями поколений). Само же формирование необычайно надежной системы поддержания неизменности генома, скорее всего, стало результатом жесткого стабилизирующего отбора, который бактерии D. audaxviator прошли в далеком прошлом — вероятно, сразу после достижения способности жить в столь экстремальных условиях. Сейчас же его роль невелика просто потому, что ему нечего отсеивать.
Это, конечно, очередной повод задуматься о том, что в современной науке немыслимые прежде технические возможности странным образом уравновешиваются примитивизацией теоретического арсенала. Но обсуждаемая работа дает пищу и для более конструктивных размышлений. Например, о том, как в свете новых данных выглядят результаты лабораторных эволюционных экспериментов (например, в знаменитом эксперименте профессора Ричарда Ленски), где эволюция не останавливается никогда.
Вам может быть интересно:
- Команда Навального объявила дату проведения митинга в поддержку оппозиционера. Что об этом решении пишут в соцсетях
- Путин — музло. Как россияне сочиняют песни про президента
- В ссылку на море. Как политзаключенные в Российской империи отвечали за свои взгляды
Больше текстов о науке и обществе — в нашем телеграм-канале «Проект “Сноб” — Общество». Присоединяйтесь