На этой неделе немецкие биологи под руководством Уильями Мартина из Университета Дюссельдорфа опубликовали новую реконструкцию генома LUCA. Статья очень понравилась СМИ, журналисты объявили о том, что вот, наконец-то мы узнали, как выглядел наш всеобщий предок и где он живет. Здесь мы попробовали максимально просто объяснить: что на самом деле нового в новой работе, кто такой LUCA, как биологи его ищут и действительно ли его удалось сейчас найти.
Что это за организм, «Лука», которого сейчас нашли биологи? Что за странное имя?
«Лука» это — последний общий предок всех ныне существующих живых организмов. Поскольку все мы, — включая грибы, бактерий и каких-нибудь экстремофилов из глубин океана — родственники, то, очевидно, у всех у нас есть общие предки. LUCA это не просто общий предок, а последний общий предок для всей ныне известной жизни.
Его действительно сейчас удалось найти ученым? И как он выглядит?
Нет, здесь проблема в словах «сейчас» и «найти». Во-первых, концепция единого последнего общего предка появилась далеко не «сейчас»: ее предлагал еще Дарвин, а с развитием геномики в последние два десятилетия появилось множество работ о конкретной молекулярной природе LUCA. Во-вторых, в живом виде LUCA нельзя «найти» — речь идет о реконструкции того, каким он должен был быть миллиарды лет назад. Делается это на основании исследования тех генов, которые объединяют всю ныне существующую жизнь. Конечно, некоторые ныне живущие бактерии могут в той или иной степени быть похожи на нашего общего древнего предка, но быть похожим на него и быть им самим — разные вещи.
А с чего вообще кто-то решил, что миллиарды лет назад существовал какой-то общий предок, от которого и окаменелостей-то не осталось?
Окаменелостей LUCA действительно не осталось (зато есть строматолиты), однако остались следы эволюции в генах ныне живущих клеток. И эти следы позволяют заглянуть в историю эволюции даже глубже, чем все нынешние или будущие окаменелости.
Главным аргументом в пользу существования LUCA является единство ключевых молекулярных систем в живых клетках. Например, бактерии, грибы, растения, люди и археи (безъядерные одноклеточные организмы, внешне похожие на бактерий, но на молекулярном уровне более близкие к животным и растениям) используют один и тот же генетический код. Генетический код определяет то, как последовательность ДНК или РНК превращается в последовательность аминокислот в белке. Никакой объективной (физической или химической) необходимости в том, чтобы, скажем, нуклеотиды «GCU» в РНК означали для белка именно аминокислоту «аланин», — нет. Тем не менее, такое соответствие соблюдается во всех без исключения клетках, а значит, оно было унаследовано от общего предка (следует уточнить, что вообще говоря небольшие модификации генетического кода все-таки встречаются. Однако в таких случаях сразу бросается в глаза, что речь идет о модификациях, — то есть изменениях исходного стандарта — а вовсе не о каких-то древних вариантах кода).
Помимо универсального генетического кода все ныне живущие клетки объединяет сотня-другая родственных генов. Особенно много таких универсальных генов в области синтеза белка: все мы используем очень похожие рибосомы (существует два главных варианта этих органелл, — архейный и бактериальный — но в глобальном смысле это почти одно и то же). Среди необходимых для работы рибосом вспомогательных белков тоже много универсально распространенных. Еще у всех живых клеток есть общие ферменты, которые активируют аминокислоту перед тем, как присоединить ее к растущему белку, и все мы для синтеза РНК пользуемся почти одинаковыми РНК-полимеразами.
Важно отметить, что возникновение такого сходства в результате чистой случайности или даже конвергенции совершенно невероятно. Конвергенция в эволюции — это когда в сходных условиях из разного материала появляются сходные признаки, пример: крылья птиц и летучих мышей. Почему такая возможность невероятна? Потому что структура универсальных генов зависит прежде всего от их истории, а не от их текущей функции. Например, можно внести в последовательности универсальных генов очень много искусственных изменений таким образом, что эти гены все равно продолжат работать. Это говорит о том, что жесткой функциональной необходимости в том, чтобы универсальные гены были именно такими, какими мы их наблюдаем сейчас, нет. Сходство между последовательностями генов разных организмов, которое мы видим — это результат общего происхождения, а не общей функции. Это результат существования общего предка.
NOAA