Билл Меслер – Краткая история сотворения мира. Великие ученые в поисках источника жизни на Земле (страница 49)

Дарвин одним из первых попытался построить филогенетическое дерево – семейное дерево живых организмов, восходящее к самым истокам жизни. Он включил простой вариант такого дерева в книгу «О происхождении видов». Это было разветвленное дерево, на котором живущие ныне виды соответствовали окончаниям ветвей. В соответствии со схемой Дарвина возврат от окончаний ветвей к стволу представлял собой путешествие в прошлое, а точки слияния двух линий соответствовали общему предку данных видов. Так, люди и шимпанзе произошли от общего предка, а если двигаться по этой ветви дальше назад, можно достичь следующего слияния, например с ветвью обезьян Нового Света. По дереву можно было перемещаться и дальше назад, прослеживая ответвления линий млекопитающих, позвоночных, животных. Дерево постепенно сужалось и наконец сводилось к одному организму, являвшемуся корнем всей существующей жизни. Дарвин сделал логичное заключение, что все живые существа должны происходить от одного общего предка, которого он назвал «одной первичной формой».

Представление об универсальном общем предке стало главной догмой современной теории эволюции, подтвержденное множеством наблюдений, в частности хиральностью молекул (впервые открытой Пастером в кристаллах), сходством клеточных структур, а также общностью генетического кода у всех живых организмов – от микробов до человека. В наши дни немногие ученые осмеливаются подвергать сомнению идею об универсальном общем предке.

Созданное Дарвином дерево жизни постепенно дополнялось и совершенствовалось благодаря новым данным палеонтологии и возможностям радиоизотопного анализа. Новые методы позволяют измерить возраст костей и, следовательно, более точно определить родственные отношения между видами. По мере развития микробиологических методов анализа организмы стали разделять на одноклеточные и многоклеточные, а позднее на две большие категории: организмы с клеточным ядром стали называть эукариотами, а организмы без ядра – прокариотами. В конечном итоге все живые существа разделили на пять царств: животные, растения, грибы, одноклеточные эукариоты и прокариоты. Однако данных относительно двух последних царств было недостаточно. Палеонтологические летописи о самых многочисленных, простых и, по-видимому, самых древних видах были невероятно скудными, и положение микробов на дереве жизни оставалось неоднозначным.

Карл Вёзе решил прояснить ситуацию. В 1969 г. он написал Френсису Крику удивительное письмо – своего рода план того, что Вёзе собирался сделать в последующие 20 лет и что он надеялся получить (и в конечном итоге получил). Вёзе писал Крику, что планировал использовать ДНК для выявления, как он выразился, «внутренних палеонтологических летописей», указывающих на истинные родственные связи между организмами. «Выявляя предковые последовательности генов, можно надеяться увидеть следы эволюции клеток». Он осознал возможность использовать генетический код для заполнения пробелов в наших знаниях о ранних этапах эволюции, которые не удается заполнить с помощью палеонтологических данных. Он планировал секвенировать ген (то есть определить его полную нуклеотидную последовательность), являющийся общим практически для всех живых существ, а затем на основании его вариаций воссоздать историю эволюции.

К началу 1960-х гг. процесс секвенирования белков (определения последовательности аминокислот в молекуле белка) превратился в рутинный анализ. Эмиль Цукеркандль и Лайнус Полинг выделяли белки из современных организмов, которые можно было разместить на филогенетическом дереве. Они показали, что степень различия белковых последовательностей зависела от того, насколько давно разошлись соответствующие виды организмов в соответствии с палеонтологическими данными. Измеряя различия между белковыми последовательностями из разных источников, можно рассчитать, как давно организмы разошлись от общего предка (ученые называют это принципом «молекулярных часов»).

Однако не все белки встречаются во всех организмах. Вёзе нужно было найти что-то, что содержалось в клетках всех известных организмов, копировалось с высокой точностью и подвергалось мутациям достаточно редко, чтобы можно было проследить за изменениями за несколько миллиардов лет. Он выбрал гены рибосомной 16S РНК (сокращенно 16S рРНК), названной так в соответствии со скоростью ее осаждения при центрифугировании. Гены 16S рРНК достаточно длинные, так что с их помощью можно получить подробную информацию, но не слишком длинные, и поэтому их не очень сложно секвенировать.

К моменту начала работы по секвенированию Вёзе ушел из лаборатории General Electric и оказался в Иллинойском университете в Урбана-Шампейне по приглашению молекулярного биолога Сола Шпигельмана, который когда-то присутствовал на лекции Вёзе в Институте Пастера в Париже. В Иллинойсе Вёзе руководил небольшой группой исследователей, самым талантливым из которых был Джордж Фокс, принимавший активное участие во всех самых важных открытиях научной группы. Вместе они начали сложный процесс секвенирования генов 16S рРНК.

Все анализы приходилось делать вручную – автоматические секвенаторы появились лишь спустя несколько десятилетий. Вёзе с сотрудниками выбрали метод, предложенный в 1965 г. британским биохимиком Фредериком Сенгером – одним из немногих ученых, дважды удостоенных Нобелевской премии. Процедура предполагала ферментативное разделение генов РНК на небольшие фрагменты, с которыми проще было работать. Потом фрагменты подвергали секвенированию, а затем восстанавливали всю молекулу и определяли полную нуклеотидную последовательность. Процедура была дорогой, и Вёзе обратился за финансовой поддержкой в программу НАСА по астробиологии. Работа была чрезвычайно медленной и кропотливой. Поначалу на секвенирование одного гена 16S рРНК уходили месяцы. Большинству ученых такая работа показалась бы невероятно занудной, но Вёзе она нравилась – это было похоже на сборку гигантского пазла.

К весне 1976 г. группа Вёзе определила полные нуклеотидные последовательности 16S рРНК широкого круга бактерий. Далее ученые переключили внимание на одну особую группу микробов, называемых метаногенами. Эта очень необычная группа микроорганизмов получила название в связи со способностью производить метан в качестве побочного продукта при переработке углекислого газа и молекулярного водорода, из которых эти микробы получают энергию. На основании внешних признаков ученые считали метаногенов особой группой бактерий, однако произведенный Вёзе генетический анализ показал, что это вовсе не бактерии. Вёзе понял, что его исследования полностью перевернули основы биологической таксономии. Выяснилось, что самых древних ветвей на дереве жизни было не две (эукариоты и прокариоты), а три и все они отделились от корня на самых первых этапах развития жизни.

Вёзе назвал новую группу организмов архебактериями, но позднее их стали называть просто археями, что означает «древнейшие». Далее он начал перестраивать дерево жизни. На рисунке Вёзе все, что составляло дерево Дарвина, оказалось лишь одной ветвью нового дерева. В завершенном виде дерево было больше похоже на сложную несимметричную снежинку с тремя ветвями, отходившими от общего ствола в разных направлениях. Вёзе назвал эти три основных направления доменами. В кругах микробиологов это открытие назвали «революцией Вёзе».

В 1977 г. Вёзе, Фокс и НАСА объявили в прессе об открытии домена архей; по времени объявление совпало с публикацией соответствующей статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Новость была воспринята с недоверием и даже гневом. Усугубляло ситуацию еще и то, что Вёзе обладал репутацией чудаковатого затворника, занимающегося непонятными вещами. Некоторые считали, что его данные слишком фрагментарны для построения филогенетического дерева, а кто-то даже полагал, что Вёзе слегка тронулся умом. Один из самых влиятельных эволюционных биологов XX в. Эрнст Майр, ставший самым яростным критиком Вёзе, сообщил корреспонденту газеты New York Times, что работа Вёзе – полная бессмыслица. Вёзе обычно защищался от критики тем, что писал письма редакторам, но это слабо помогало. Его даже не пригласили на первую серьезную научную конференцию, посвященную обсуждению его теории. Впрочем, возможно, даже получив приглашение, он не приехал бы.

Однако к середине 1980-х гг. идеи Вёзе стали приобретать популярность. В 1992 г. он даже получил самую престижную в микробиологии награду – медаль Левенгука, вручаемую Королевской академией наук и искусств Нидерландов всего раз в десять лет. В 1996 г. группа Вёзе и группа его коллеги профессора Гари Олсена из Иллинойского университета опубликовали полную структуру генома археи Methanococcus jannaschii. В статье, вышедшей в журнале Science, они утверждали, что археи являются более близкими родственниками человека (эукариота), чем бактерий. В интервью, которое Вёзе дал вскоре после публикации статьи, он сказал следующее: «Археи – родственники нам, эукариотам. Они являются потомками микроорганизмов, которые миллиарды лет назад дали начало эукариотической клетке».

Анализ генома Methanococcus jannaschii способствовал признанию идей Вёзе в научном мире. В новую таксономию поверили многие ученые. Комментируя драматические перипетии научной карьеры Вёзе, журнал Science назвал его «покрытым шрамами революционером микробиологии» – это прозвище закрепилось за Вёзе на всю жизнь.