Обнаружен самый сложный организм на Земле

Принято думать, что в целом земная жизнь эволюционирует от простого к сложному, и в этом мнении мало к чему можно придраться. Пару миллиардов лет назад вершиной пирамиды жизни были бактерии — крошечные мешочки с химическими веществами, не умеющие ничего, кроме как превращать эти вещества одно в другое, затрачивая или выделяя энергию. Сейчас здесь есть пальмы, ежи, киты и гусеницы непарного шелкопряда: интрига набирает силу.

Все эти сложности жизни, как принято выражаться у популяризаторов, «закодированы в геноме»: внутри у этих мешочков с реагентами, ежей и гусениц спрятаны молекулы ДНК, где длинными последовательностях «букв»-мономеров записано, какие именно химические реакции могут и будут происходить в этих мешочках и ежах. Уж конечно, у нас эти тексты гораздо длиннее, чем у бактерий, потому что наш жизненный репертуар шире и инструкций требуется больше. В типичной бактерии вся нужная ей информация записана пятью миллионами букв: это примерно размер Библии. В самых простых бактериях геномы еще в десять раз короче. А вот в генетическом мануале человека разумного букв уже три с небольшим миллиарда — это довольно объемистый книжный шкаф, и столько текста никто из писателей, кажется, пока не написал.

Лидеры сложности

Чем существо сложнее, тем длиннее его генетический текст, решили для себя биологи примерно в середине прошлого века. Но жизнь тут же показала им, насколько она сложна и нелогична. Почему в геноме серой жабы вдвое больше букв, чем у человека?! Ну ладно, мы мало знаем о сложностях жизни жаб (и, как нередко бывает, переоцениваем сложность собственной жизни). Но вот у мраморной двоякодышащей рыбы протоптеруса генетический текст еще почти в 20 раз длиннее, чем у жабы! Настолько сложную жизнь невозможно вообразить. Далее, австралийский папоротник — тоже вроде бы в 20 раз сложнее жабы, а вот зато бразильская генлисея в сто раз проще. Хотя это явная чепуха, потому что генлисея — хищное насекомоядное растение, и в ее жизни уж точно больше интриги, чем у скучного папоротника. А у непарного шелкопряда, кстати, геном вчетверо меньше моего: ну хоть здесь есть видимость справедливости.

В общем, в какой-то момент стало ясно, что хотя у сложных существ геномы обычно больше, чем у самых простых, прямой зависимости тут нет, и огромный геном — скорее курьез, чем закономерность. Тем не менее, обнаруживая на планете еще одно существо с огромным геномом, биологи каждый раз с удовлетворением отмечают новый рекорд. В очередной раз это произошло на прошлой неделе: появился новый чемпион.

Чемпионом стал очередной папоротник, причем доселе не слишком известный миру: растение со сложным названием Tmesipteris oblanceolata обитает главным образом в Новой Каледонии и ничем не примечательно на вид. Рекордсмена обнаружили ботаники из Испании, Великобритании и самой Новой Каледонии, и он немедленно занял свое место в Книге рекордов Гиннесса. В его геноме 160 миллиардов «букв» (правильнее говорить «пар оснований»), и это на 7% больше, чем у прошлого рекордсмена, растения японский вороний глаз. Если геном нашего папоротника вытянуть в струнку, он растянется почти на сто метров. Для сравнения: наш человеческий геном дотягивает только до двух метров.

Зачем?

Самое интересное в этой истории вот что: для чего смиренному папоротнику обременять себя таким огромным объемом генетической информации? Все развитие науки в ХХ веке приучило ученых к тому, что вопросы типа «зачем?» самые сложные в биологии, потому что природа никаких целей перед собой не ставит, а просто живет, пока ей живется. Мы, конечно, знаем, что ею руководит естественный отбор, и в этом смысле вопрос «зачем?» может означать «Какое преимущество получает организм от этой особенности и как это преимущество помогло ему победить другие организмы, у которых такой особенности нет?» Однако в ответ природа весьма часто начинает застенчиво ковырять пол носком обуви и мычать, подобно двоечнику, что-то вроде «Никакое», «Никак» и «Не знаю».

Ботаники, открывшие папоротник-рекордсмен, отмечают, что на самом деле дела у него идут не так уж хорошо. Растения-рекордсмены по размеру геномов чаще всего оказываются малочисленными эндемиками удаленных мест обитания. Они явно отстают от конкурентов в эффективности фотосинтеза и испытывают повышенную потребность в микроэлементах и питательных веществах. В частности, новый чемпион вообще лучше всего чувствует себя на стволах других растений, потому что добывать пропитание из почвы для него затруднительно. Это, впрочем, не помешало семейству этого папоротника просуществовать на земле минимум 350 миллионов лет: когда по планете ползал общий предок человека и пресловутой жабы, папоротник уже был тут.

Когда генетики начали разбираться в устройстве геномов так называемых «сложных существ», их поразило, насколько эти геномы нелепы, не экономны и не оптимальны. У бактерии все просто: гены уложены плотно один за другим, перед генами приделаны специальные выключатели-промоторы, безошибочно узнаваемые соответствующими белками, которые точно оркеструют все процессы внутри нашей незатейливой бактерии. А у нас, сложных, все по-другому: осмысленный генетический текст много раз прерывается какой-то чепухой, которую потом, перед выполнением генетической программы (то есть перед синтезом белка) приходится вырезать. Выключатели перед генами, конечно, тоже есть, но и они какие-то неуклюжие: нередко нужный белок гораздо охотнее находит не то место, для которого он предназначен, а совершенно другое, где он никому не нужен и ничего важного не делает. Огромная доля генома — вообще мусор и остатки каких-то приспособлений, которые, видимо, когда-то использовались, но потом про них все забыли и оставили разлагаться на видном месте. Все идет кое-как, ни шатко ни валко. Но, видимо, природа как-то приспособилась к этому разладу и беспорядку, так что смогла протянуть миллиарды лет (или 350 млн, как в случае нашего папоротника) и все же породить на планете что-то путное. 

Один из важнейших вопросов теоретической биологии прошлого, да и нынешнего столетия — как и почему такое могло произойти.

Мусор как ресурс

Если большой геном вместо пользы приносит только неудобства, почему естественный отбор с этим не разобрался? Возможно, эти неудобства просто не слишком велики. В какой-то момент генетики поняли, что эффективность отбора зависит от размера популяции. В бесконечно большой популяции отбор может убирать даже самые маловредные мутации, а вот если особей немного, в дело вступает случайность, и какая-то ненужная, а то и слегка вредная черта вполне может закрепиться, а потом от нее уже не избавишься. У бактерий популяции огромные — и вполне логично, что у них такие идеальные, экономичные геномы. А вот у нас, да и у наших предков, в жизни бывало всякое — в том числе то, что биологи называют «бутылочным горлышком», когда размер популяции сильно сокращается и на место отбора приходит слепой случай.

Но почему же эти случаи неизменно приводили именно к раздуванию генома от всякого мусора? Знаменитый американский биолог Стивен Джей Гулд предложил следующее метафорическое объяснение: представьте себе, говорил он, пьяницу, выходящего из бара и движущегося без осознанной цели путем случайных шатаний. Поскольку ему никуда в особенности не надо, через несколько часов вы можете его обнаружить спящим прямо у двери. Но есть вероятность, что он отойдет довольно далеко, и чем больше пройдет времени, тем дальше (в среднем) от дверей окажется этот бедолага. Возможно, именно так происходила эволюция сложности живой природы и, в частности, нарастание размеров генома у сложных организмов. Среди этих геномов есть довольно маленькие, но есть и огромные. Не результат ли это тех самых случайных пьяных блужданий, когда усложнения — бессмысленные и в целом неполезные — просто наваливаются одно поверх другого? А естественный отбор, вместо того чтобы предпринять генеральную уборку, заметает мусор под мебель, то есть добавляет еще какие-то сложности, позволяющие организму кое-как выжить под бременем тех сложностей, которые уже есть.

Согласно такому пессимистическому взгляду, сложные организмы на планете — просто гора необязательного мусора. Но это явное упрощение: все же мы летали в космос и, кстати, открыли этот самый естественный отбор. Так что остается только объяснить, почему бактерии — с их огромными популяциями и сильным, эффективным отбором — не смогли породить ничего настолько интересного, как даже непарный шелкопряд или новокаледонский папоротник, не говоря уж о человеке. И такое объяснение существует. 

Тут опять уместна метафора: если вы очень аккуратны и привыкли выбрасывать все ненужное, то, конечно, у вас будет большой порядок в хозяйстве. Но в один прекрасный день вам понадобится груз для засолки грибов, или центроискатель под шкант, или полная симфония Ветхого и Нового заветов на французском языке, а у вас этого точно нет, потому что раньше оно было не нужно, а все ненужное вы отнесли на помойку. Примерно это и случилось с бактериями, что объясняет их огромный локальный эволюционный успех — то есть колоссальную численность — и глобальное фиаско, то есть отсутствие цивилизации и полетов в космос. У нас же, с нашими кучами мусора, всегда было как минимум чем придавить соленые грузди в кадке. В конце концов, в нашем человеческом геноме среди ненужного мусора все же есть двадцать с лишним тысяч полезных генов, а у кишечной палочки всего пять тысяч, и остальные сделать не из чего.

Итак, чемпионы по размерам генома — не такие уж неудачники. Большинству из них, конечно, суждено существовать в своих кучах мусора, так и не породив ничего выдающегося. Судьба папоротника из Новой Каледонии, нового рекордсмена, скорее всего, именно такова. Но рекордсмены, судя по всему, были и среди наших предков (взять хоть тех же земноводных или двоякодышащих рыб), и именно из их хлама оказалось выстроено величественное здание человеческой генетики. Одно это требует смотреть на новокаледонский папоротник с уважением. Хотя попасть в Книгу рекордов Гиннесса тоже удается не каждому.