Как выглядел общий предок всех живых существ

Английские ученые-биоинформатики установили возраст Последнего Универсального Общего Предка (LUCA) и даже пофантазировали о том, на что он мог быть похож.

Сама концепция «общих предков» будит воображение. Представьте себе, что в компании вас познакомили с неким персонажем — не высоким и не низким, не лысым и не волосатым, в общем, увидел и забыл, — с которым у вас есть общий предок. Что это значит? Видимо, у этого предка (последнего в череде ваших общих прародителей) было как минимум двое детей. От одного из детей произошли вы, со всей сверкающей сложностью вашей личности и судьбы. А от другого — вот этот, как там его зовут. А ведь были братьями, и вот одному такое счастье, а другому облом.

Парадокс еще нагляднее, если вместо этого малозапоминающегося персонажа взять шимпанзе: с ним у вас тоже наверняка есть последний общий предок, у которого было двое детей, у потомков которых все сложилось совсем по-разному.

С тех пор как Дарвин недвусмысленно сформулировал идеи, о которых и так все догадывались, концепция общих предков заняла важное место в биологии. Мой общий предок с жабой жил больше 300 млн лет назад (и у него тоже было минимум двое детей и т. п.) и был куда больше похож на жабу, чем на меня. Мой общий предок с птицей жил чуть позже, но тоже парадоксальным образом скорее уж напоминал жабу, чем меня или птицу. Мой общий предок с мухомором жил совсем уж давно и никого не напоминал, потому что был одноклеточным жгутиковым, а микроскоп еще не изобрели. Так, по шатким ступенькам, мы доберемся до персонажа, который был общим предком вообще всего живого на свете.

О том, каким он был, можно догадаться по общим чертам его потомков. Все мы кодируем свои белки с помощью ДНК и пользуемся одинаковым генетическим кодом — наверняка и общий предок так делал. Все мы используем АТФ для энергетических расчетов, строим белки из одинаковых аминокислот, ну и так далее. Увы, более детальная информация — а также хоть какое-то представление о том, когда и где этот предок жил, — требует чуть более глубокой научной базы. Недавняя статья команды генетиков из Университета Бристоля, вдохновляемой профессором Филипом Донохью, как раз на такой базе и основана. Выводы: общий предок земной жизни жил очень давно (4,2 млрд лет назад), был похож на бактерию, добывал себе пропитание, восстанавливая углекислый газ водородом, а вокруг него на древней бескислородной планете жили другие бактерии и вирусы.

Теперь по порядку, начиная с теоретической базы.

Как измерять время с помощью молекул?

Все началось в 1962 году, когда в лаборатории великого Лайнуса Полинга Эмиль Цукеркандль сравнивал белки-гемоглобины разных животных. Расшифровывать гены тогда еще не умели, и, чтобы сравнить белки, Цукеркандль резал их на маленькие пептиды и разгонял то, что получится, в двумерные картинки. Из этих картинок следовало, что чем дальше (в эволюционном смысле) отстоят друг от друга животные, тем больше различий в белках. Когда сравнили последовательности аминокислот, вывод подтвердился: такое впечатление, что чем больше времени прошло от современного животного до его давнего предка, а от этого предка — до другого современного потомка, тем больше различий накопилось в цепочках аминокислот. О том, сколько времени назад жили разные предки, палеонтологи знают из ископаемой летописи, так что накопление аминокислотных замен в белках можно откалибровать в реальном времени. А потом запустить процесс в другую сторону: сравнив белки родственных организмов, сделать вывод о том, насколько давно разошлись их ветки на эволюционном древе.

Получаются «молекулярные часы», как назвал Цукеркандль свое изобретение. Статья об этих часах появилась в юбилейном сборнике, избежав таким образом процесса официального рецензирования. Иначе мы бы вряд ли ее увидели: уже больше полувека концепция «молекулярных часов» невыразимо бесит биологов самых разных направлений. Накопилось множество частных примеров, призванных не оставить от этих часов ни одной пружинки-шестеренки. И все-таки они работают. 

Почему меняются белки?

Белки меняются оттого, что в генах, которые их кодируют, случаются мутации. Если у какого-нибудь зайки случится мутация в гене того же гемоглобина, получится зайка с мутантным гемоглобином. Один среди обычных заек. Но он может принести потомство, если эта мутация окажется не вредной и не полезной, а, как выражаются генетики, «нейтральной». Будут ли эти маленькие зайки с их измененным гемоглобином успешны в жизни, не сожрет ли их волк — вопрос случая. Но вполне возможно, что через много-много лет карты лягут так, что у всех заек на свете окажется та самая мутация в гемоглобине. Гипотеза Полинга и Цукеркандля состояла в том, что такие события происходят в истории видов более или менее равномерно.

Тут в нашей истории появляются популяционные генетики и удивляют всех изящной формулой. Допустим, что у одного зайки вероятность мутации гена гемоглобина равна m. А всего заек, например, N. Значит, в каждом поколении у всех заек возникает m x N мутаций. Поскольку мутация, как мы договорились, не вредная и не полезная, то у того варианта, который теперь отличает ген гемоглобина нашего зайки, точно такая же вероятность со временем распространиться среди всех заек, как и у любого из других (традиционных) вариантов, то есть 1/N. Какова вероятность, что эта мутация распространится на всех заек, то есть зафиксируется в популяции? Перемножаем, и из формулы ловко сокращается N. Получается то, что некоторые считают самым изящным результатом популяционной генетики: частота фиксации нейтральных мутаций в популяции в точности равна частоте их возникновений у одной особи, при условии, что популяция свободно скрещивается. Если у каждого русского человека за поколение возникает около 70 новых мутаций, то у свободно скрещивающегося русского народа за поколение фиксируются те же 70 новых мутаций (а альтернативные варианты исчезают). Именно с такой скоростью меняется наш, с позволения сказать, бесценный генофонд. И если скорость мутирования у одного организма более или менее постоянна во времени, то постоянной будет и скорость изменения разных белков у видов в целом, вот вам и цукеркандлевские часы.

Собственно, на этом незыблемом теоретическом фундаменте строится вся технология молекулярного датирования последних общих предков разных существ, а также попытки реконструкции белков, которыми эти вымершие предки когда-то могли похвастаться.

Хитрый фокус

Все живое на свете делится на две главные ветви — бактерии и археи. Из симбиоза древней археи и столь же древней бактерии произошли мы с вами, но на древе жизни это скорее милый курьез, и общую картину он не портит. Поэтому у самого всеобщего предка, как и разных предков, которых мы вспоминали в начале рассказа, тоже было минимум двое выживших (и давших обильное потомство) детишек: от одного произошли все бактерии (включая наши с вами митохондрии), а от другого все археи (включая нас с вами). 

Казалось бы, дальше логика очевидная: бери пары схожих белков от бактерий и архей, смотри, насколько они со временем стали непохожи, и вычисляй время, необходимое для накопления этих различий. Увы, все не так просто, когда речь о столь долгих эволюционных историях. Большинство белков за миллиард лет изменятся много раз в каждой точке, в которой вообще возможны нейтральные замены. А ископаемой летописи, чтобы независимо датировать общих предков и их белки, хватает самое большое на полмиллиарда лет вглубь истории. Поэтому, когда речь идет о самом всеобщем предке LUCA, генетикам приходится прибегать к особым хитростям, которых в статье английских исследователей довольно много. Упомяну лишь об одной, потому что авторы научно-популярных заметок, ознаменовавших публикацию результатов исследования, об этом как-то не особенно вспоминали.

Всеобщий предок — это то, что биологи называют «корнем» родословного дерева, а все методы восстановления белков и их датировки накапливают больше всего ошибок именно вблизи корня. Генетики из Бристоля схитрили: отнесли корень своего дерева подальше в прошлое. А именно: они выбрали для сравнения не отдельные белки, а их пары. Такие пары образовались когда-то очень давно в результате удвоения предковых генов. Однако представители этих пар есть и у бактерий, и у архей (ну и у нас с вами), а это значит, что уже у общего предка был не один, а целых два белка, накопивших к тому времени сколько-то различий. Чтобы понять разницу, лучше посмотреть на картинку:

Таких пар существует не так уж много, но они есть. Например, у фермента АТФазы всех живых существ есть две субъединицы, но они сестры, просто предковый единый белок существовал еще до того, как последний общий предок всего живого появился на свет. Другой пример — элементы механизма синтеза белка, например, те, что привязывают валин к своей тРНК, а лейцин — к своей, или различают триптофан и тирозин. Наверное, для наших очень-очень древних предков не было разницы, вставлять ли в белок валин или лейцин, триптофан или тирозин, но уже для последнего нашего общего предка такая неразборчивость осталась в  далеком прошлом. Именно такие белки и использовали генетики из Бристоля для датировки общего предка. 

Остается рассказать, что у них получилось.

Самый всеобщий прародитель

Наверное, главная сенсация — это сама дата жизни предка. Он жил от 4,18 до 4,33 миллиардов  лет назад! А примерно 4,5 миллиардов лет назад, говорят, в нашу планету врезалась другая, и из обломков образовались Земля (в современном смысле слова) и Луна. Итого у жизни было всего 300 млн лет, чтобы возникнуть из неживой материи, хорошенько простерилизованной в космической катастрофе, и породить общего предка нынешней биосферы. Это не мало: как было сказано выше, примерно столько времени прошло со времен существования общего предка меня, жабы и птицы. Однако и не слишком много. Причем за это время произошло множество событий, включая возникновение и дупликации тех предковых генов, на анализе которых строится это исследование. Если это не будит чье-то воображение, то я уж и не знаю, как его разбудить — похоже, надо констатировать смерть.

Но это далеко не все. Зная, как примерно выглядели гены и белки общего предка, каков был их, так сказать, биохимический репертуар, можно сделать вывод о том, как он жил-поживал. Напомним, что никакого кислорода в те поры на планете не было и быть не могло. И верно: у предка не было важнейших ферментов, обеспечивающих благоденствие современной жизни в кислородной атмосфере. Зато у него было другое: аппаратура, позволяющая использовать водород (в изобилии поставляемый вулканической активностью) и перевешивать с него электроны на молекулы углекислого газа. Углекислый газ, напичканный лишними электронами, прямо-таки сам собой превращается в органику. Ее-то наш общий предок и ел. 

Мы писали об этом 8 лет назад, с тех пор ученые уже привыкли к мысли, что последний общий предок всего живого питался углекислым газом и водородом. Но в этой последней работе идея была детализирована. К примеру, при питании наш прародитель обильно выделял ацетат, то есть уксус. Лично я считаю, что уксус — самая благородная из гастрономических приправ, и кто этого не понимает (как, например, некоторые технологи «Вкусвилла»), не должны появляться на кухне. Теперь мое убеждение получает строгое научное обоснование. Но выделять много уксуса неудобно, потому что очень быстро вы утонете в собственном уксусе. А раз так, этот уксус, то есть ацетат,  должен кто-то есть. И вот вторая сенсационная идея: последний общий предок был вовсе не одинок на пустынной земле, он был частью древней биосферы, и его окружали существа, умевшие, в частности, питаться уксусом и при этом не оставившие никаких потомков. Если подумать, это очевидно — никто всерьез не считает, что когда-то на планете жил лишь один тип живых организмов. Может, никто так и не считает, но воображение здесь опять-таки вздрагивает от неожиданности: а ведь и правда!

Такая биосфера должна была в качестве финального продукта своей жизнедеятельности выделять метан. Метан поступал в атмосферу, где его разбивали солнечные фотоны, а в итоге выделялся водород — тот самый, от которого зависело благосостояние общего предка. Значит, биосфера была сбалансированной. Расчеты показывают, что в результате этого процесса водорода выделялось куда больше, чем от вулканической активности. Это слегка расширяет возможности общего предка LUCA: он мог, конечно, жить глубоко в океане, где водород сочится из геотермальных трещин, но мог обитать и в поверхностных слоях.

Дальше — больше. У общего предка, как выясняется, была система противовирусного иммунитета, то есть она тоже возникла раньше него. Стало быть, на планете уже были вирусы. Строго говоря, последний всеобщий предок был не таким уж и всеобщим: нынешние вирусы явно произошли не от него, а от тех древнейших вирусов. 

Итак, британские генетики узнали довольно много о житье-бытье последнего всеобщего предка. На этом они не остановились, а заставили компьютер проанализировать геномы современных бактерий и архей, научиться на этих данных уму-разуму и приложить сформированную картину к гипотетическому геному предка. Большой ли он был, много ли белков кодировал? Оказалось, довольно большой — больше 2,5 млн пар оснований. Это менее чем вдвое меньше, чем у нашей знаменитой современницы — кишечной палочки, зато вчетверо больше, чем рекордно малый из современных геномов. Он кодировал около двух с половиной тысяч разных белков. Вывод: последний общий предок бактерий и архей был, по существу, типичной бактерией (или, если угодно, археей). Этот вывод ученых вызывает лично у меня дилетантский скепсис: если вы тренировали алгоритмы на современных микробах, ничего удивительного, что в итоге они и реконструировали вам современного микроба. Впрочем, ученым виднее.

Бристольские генетики в своей статье навалили столько интересных гипотез, что ученому сообществу многие месяцы, если не годы, будет что критиковать, опровергать и едко высмеивать. Для массового потребителя научных знаний самое важное здесь, наверное, то, как мало времени понадобилось планете, чтобы породить не просто жизнь, а жизнь в том виде, какой просуществовал практически до наших дней (если верен вывод, что LUCA по своей генетике и физиологии был похож на нынешних микробов). Если так, шансы найти внеземную жизнь резко увеличиваются: планеты, должно быть, порождают живую материю практически с полпинка. Или нет, если в расчетах Филипа Донохью и его коллег все же найдется ошибка. Дело науки — разбираться в подобных нюансах. Наше дело, как сказано выше, будить воображение. Если оно проснулось, остается пристроить его к какому-нибудь вполне современному полезному делу. Ну а нет так нет.