Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Дуврский процесс стал катастрофой для креационистов. Члены школьного совета, поддержавшие введение «О пандах и людях» в школьную программу, еще до конца процесса потерпели поражение от противников такой политики. Члены советов по образованию Канзаса и Огайо, поддерживавшие преподавание разумного замысла, тоже потеряли свои места. Решение судьи Джонса было весьма тщательно проработано, и теперь оно, вероятно, станет прецедентом для всех будущих судебных дел о преподавании креационизма, под какой бы маской он ни прятался.

Примечательно, что креационисты несмотря ни на что по — прежнему обожают E. coli. Доступная научно- исследовательская сеть (Access Research Network) — еще одна организация, занятая пропагандой разумного замысла, — разместила изображение ее жгутика на футболках, фартуках, пивных и кофейных кружках, бейсбольной форме, календарях, открытках, пакетах и декоративных подушках. Все эти вещи с креационистской символикой можно приобрести в Интернете. На сайте сказано: «Этот механизм обеспечивает работу нескольких роторных реверсивных двигателей с постоянным крутящим моментом на протонной тяге; двигатели передают свою энергию через микроскопический редуктор, вращая спиралевидный жгутик со скоростью от 30000 до 100000 оборотов в минуту. Эта сложная система позволяет бактерии перемещаться со скоростью около десяти собственных длин в секунду. Не могли бы вы выяснить, кому принадлежит патент на эту штуку?»

На фартуке с рисунком жгутика вы увидите гораздо более короткое и простое послание. Над картинкой написано «Теория разумного замысла», а внизу — «Если что-то выглядит специально сконструированным, может быть, так оно и есть?».

Жгутик после дуврского процесса

По случайному, но очень приятному совпадению дуврский процесс, в результате которого жгутик E. coli оказался в центре внимания мировой общественности, проходил примерно в то же время, когда ученые начали постепенно разбираться в происхождении и эволюции этого самого жгутика. Они стали прослеживать историю развития генов, отвечающих за синтез жгутика, отыскивая родственные гены у E. coli и других бактерий. Их совокупная генеалогия начинает складываться в цельную и логичную историю возникновения жгутика — наглядную иллюстрацию того, как жизнь в процессе эволюции порождает сложные признаки.

Важнейший урок этих новых исследований состоит в том, что говорить о жгутике вообще, как будто существует лишь одна его разновидность, абсурдно. У разных видов микроорганизмов можно обнаружить огромное количество вариантов его конструкции. Даже в пределах одного вида разные популяции бактерий могут использовать различные типы жгутиков.

Жгутики различаются между собой на самых разных уровнях; различия между ними могут быть и едва заметными, и принципиальными. Возьмите, к примеру, флагеллин — белок, который использует E. coli для строительства нити жгутика. Ученые насчитали 40 разновидностей флагеллина у разных штаммов E. coli и рассчитывают найти еще больше при расширении круга исследований. У разных видов бактерий флагеллин отличается еще сильнее. В 2003 г. микробиологи и генетики провели траление Саргассова моря и исследовали гены найденных микроорганизмов. Было обнаружено 300 генов, отвечающих за производство различных сортов флагеллина.

В свете теории эволюции такие находки закономерны. Единственный флагеллин, который был у предков современных бактерий, через дупликацию генов и мутации вполне мог дать начало множеству новых разновидностей. По мере того как различные виды микроорганизмов адаптировались к разным условиям — от обитания внутри человеческого кишечника до плавания в Саргассовом море, — их флагеллины тоже эволюционировали. И после того как несколько десятков миллионов лет назад сформировался вид E. coli, его флагеллины продолжали эволюционировать. Изменения флагеллина, вероятно, стимулировались необходимостью избегать излишнего внимания иммунной системы хозяина. Дело в том, что иммунная система распознает чужаков по белкам их поверхностного слоя (а это, в частности, флагеллин). Если какая-нибудь мутация сделает внешнюю поверхность флагеллина менее заметной для иммунной системы, то естественный отбор, возможно, подхватит такую мутацию. И, как и следовало ожидать, большая часть вариаций в структуре флагеллина E. coli сосредоточена в частях, обращенных наружу. Части, обращенные внутрь, — а они должны аккуратно стыковаться с другими молекулами флагеллина — похожи друг на друга гораздо больше. Естественный отбор не слишком хорошо относится к мутациям, нарушающим плотно подогнанные соединения.

Жгутики могут различаться и еще по нескольким параметрам. У E. coli моторы вращаются за счет движения протонов, но у некоторых других видов для этой цели используются ионы натрия. E. coli вращает свой жгутик в жидкости. Другие виды формируют жгутики для скольжения по различным поверхностям. Ученым известны виды бактерий, способные строить жгутики того или другого вида в зависимости от того, в какой среде и как им предстоит плавать.

В 2005 г. Марк Паллен с коллегами из Бирмингемского университета в Англии обнаружили комплект генов для строительства скользящего жгутика в совершенно неожиданном месте: в геноме E. coli. На самом деле E. coli не умеет синтезировать такие жгутики, потому что ген- включатель, который должен их активировать, выведен из строя мутацией. У некоторых штаммов ученые обнаружили все 44 гена, необходимые для строительства всех без исключения частей жгутика. У других штаммов некоторые гены успели полностью исчезнуть. Так, у К-12 от этого комплекта осталось всего два гена, причем эти гены так деградировали, что ученые не сразу разобрались в их происхождении и природе.

Открытие Паллена вполне закономерно, если жгутик — продукт эволюции, и не имеет никакого смысла, если он — результат разумного замысла. Сложная система развивается и передается от родителей потомству. В некоторых линиях она теряет функциональность и распадается. Дарвин в свое время описал немало рудиментарных органов — от прикрытых плотью глаз пещерных рыб до коротких страусиных крыльев. Дарвин утверждал, что, если естественный отбор по каким-то причинам прекращает поддерживать функционирование тех или иных органов, это значит, что живые существа получили возможность выжить и без них. E. coli тоже несет в себе следы таких рудиментов — как обрывки древних текстов под свежими письменами палимпсеста.

E. coli несет в себе и свидетельства того, как первоначально сформировался ее жгутик. Как указал на дуврском судебном процессе Кеннет Миллер, «шприц», доставляющий флагеллин для формирования нити сквозь мембрану микроорганизма, полностью — до единого белка — соответствует секреторной системе III типа, при помощи которой микроорганизмы выводят наружу токсины и другие химические вещества. Это сходство говорит об общем предке. Секреторная система III типа — далеко не единственная структура, имеющая отношение к устройству жгутика. Белки его мотора, к примеру, родственны белкам других двигателей, при помощи которых E. coli и другие бактерии перекачивают различные молекулы изнутри наружу.

В настоящее время ученые, опираясь на эти сведения, разрабатывают гипотезы, объясняющие развитие жгутика. Одну гипотезу предложили в 2006 г. Паллен и Николас Матцке, выпускник Калифорнийского университета в Беркли. До появления жгутика, утверждают Паллен и Матцке, существовали более простые устройства, выполнявшие иные функции. При дупликации генов возникли дополнительные копии этих устройств, а мутации позволили им объединиться в единый развивающийся механизм — жгутик. Сегодня жгутик выполняет одну основную функцию: обеспечивает движение в жидкости. Но различные части этого механизма были предназначены совсем для другого.

Возможно, что «шприц» жгутика поначалу представлял собой просто пору, через которую молекулы химических веществ проникали сквозь внутреннюю мембрану. Затем к этому отверстию присоединился протонный мотор, при помощи которого наружу выталкивались даже крупные молекулы. Не исключено, что эта примитивная система позволяла древним бактериям обмениваться химическими сигналами и выпускать токсины. Из нее же со временем сформировались два различных вида структур: секреторная система III типа и «шприц», выталкивающий части будущего жгутика за пределы мембраны.

Следующий шаг к формированию жгутика, возможно, был сделан в тот момент, когда «шприц» начал выталкивать наружу специальные белки, обладающие способностью прикрепляться к мембранам. Вместо того чтобы уплывать прочь, молекулы этих белков скапливались вокруг поры. Бактерии могли, вероятно, использовать их так, как их используют и сегодня многие виды микроорганизмов, — для прикрепления к различным поверхностям. Более того, бактерии добавляли к этой структуре новые и новые молекулы белка так, что из них образовались нитевидные выросты — фимбрии, при помощи которых можно было прикрепиться к поверхности издалека.