Эволюция эволюции: часть 2

С момента своего возникновения на Земле жизнь стремительно изменялась, приобретая все новые формы. При этом изменялись и способы ее изменения. В предыдущей части (https://xren.su/evolution-of-evolution-1/) мы рассмотрели самые ранние формы жизни и способы, которыми они добивались разнообразия: РНК, рекомбинация, ДНК, сообщества. Сегодня мы рассмотрим более позднюю историю эволюции.

Горизонтальный обмен генами

Следующую «эволюционную высоту» тоже покорили бактерии. Со временем они научились обмениваться друг с другом генным материалом и встраивать его в свою кольцевую хромосому.

Благодаря этому изобретению, бактерии научились мгновенно приобретать новые признаки и фактически превращаться в новые организмы. Причем эти метаморфозы могли быть не только локальными, но и приводить к полному изменению генома, а значит и вида.

Обмен генами бактерии выполняют тремя способами:

1. С помощью конъюгации. Бактерии соединяются специальными белковыми трубочками, и одна из них передает другой часть своего генома.

2. С помощью вирусов. Вирусы, переходя из одной клетки в другую, могут прихватить с собой кусочек наследственной информации и встроить ее в новую клетку.

3. И самый простой способ — проглотить фрагмент ДНК прямо из окружающей среды. Дешево и сердито.

Горизонтальный обмен позволил организмам обмениваться друг с другом удачными «открытиями». С помощью заимствованных генов бактерия может быстро научиться усваивать незнакомый субстрат или противостоять токсинам (и, увы, — антибиотикам).

Отныне бактерии могли приобретать полезные признаки без необходимости дожидаться подходящей мутации. Но даже если обмен не приносил им ничего нового, он все равно шел им на пользу. Дублированные гены просто становились стратегическим запасом на случай внезапных поломок в их геноме.

Горизонтальный обмен генами стал своеобразным прообразом полового размножения и до сих пор играет важную роль в жизни бактерий.

Ядро

Более полутора миллиардов лет бактерии-прокариоты были единственными хозяевами планеты. Что неудивительно: эти существа способны выживать в любых условиях и получать энергию из чего угодно (даже из окисления металлов).

Однако именно на бактериях эволюция серьезно застопорилась. Проблема заключалась в том, что гены у них свободно плавают (я бы даже сказал «валяются») в цитоплазме. А цитоплазма — это настоящий «ведьмин котел», в котором одновременно происходят десятки химических реакций. В таких условиях было просто невозможно создать нормальные механизмы для регуляции наследственной информации.

Вот тут-то эволюция и совершила неожиданный маневр: у одноклеточных организмов появилось ядро. Его оболочка позволяла надежно отгородить ДНК от беспокойной цитоплазмы.

По одной из версий, «изобретателями» ядра стали археи — одни из самых древних бактерий на Земле. Когда атмосфера планеты начала насыщаться кислородом, археи почувствовали угрозу: этот газ для них был ядовит. И тогда они стали массово заимствовать гены у других организмов (в случае опасности так поступают многие бактерии).

В результате на свет появилась гипертрофированная бактерия с сердцевиной из организма-архея, который и стал ядром новой клетки. Эту гипотезу подтверждает сходство белков у археев и клеточных ядер.

Ядро помогло сделать процесс передачи наследственной информации более гибким и пластичным. Носители ядра (эукариоты) получили следующие «бонусы»:

1. Системы генной регуляции. Клетка могла изменить свои свойства, не меняя весь геном, а лишь слегка подстраивая его под текущие нужды.

2. Разделение областей транскрипции и трансляции. Внутри ядра фрагменты кода спокойно очищались от лишней информации (интронов), и лишь после отправлялись в цитоплазму, где на их основе синтезировался белок.

3. Уход от кольцевой хромосомы. Вместо нее у эукариотов появилось несколько линейных хромосом. Клеткам стало проще перестраивать геном и добавлять в него новые фрагменты.

4. Возможность фагоцитоза. Эукариоты могли «безнаказанно» заглатывать других бактерий, не опасаясь воздействия чужих ДНК.

Кстати, скорее всего, именно фагоцитоз и помог эукариотам обзавестись органеллами. По одной из версий, проглоченная клеткой пурпурная бактерия однажды не переварилась, а превратилась в митохондрию. А заживо съеденные цианобактерии стали пластидами, которые отвечают за фотосинтез у растений.

Итак, благодаря клеточному ядру организмы перестали пассивно пользоваться своим геномом и начали в какой-то степени его регулировать. А если снова вспомнить нашу компьютерную аналогию, то его появление можно сравнить с установкой на компьютер несложной операционной системы.

Многоклеточность

Примерно 700-900 миллионов лет назад на Земле появились первые многоклеточные организмы. От обычных бактериальных колоний они отличались прежде всего тем, что их клетки были дифференцированы по роду деятельности. Например, первые многоклеточные растения, скорее всего, состояли из двух видов клеток: первые отвечали за крепление к грунту, а вторые — за интенсивной рост всей колонии.

Вольвокс в старых учебниках приводился в качестве примера простейшего многоклеточно организма. Сегодня его относят скорее к колониям одноклеточных.

Многоклеточность стала высшим уровнем развития кооперации и дала организмам множество преимуществ:

— Узкая специализация клеток повысила их эффективность (не мы первые до этого додумались).

— Появилась возможность быстро делать «апгрейды» организма за счет подключения или отключения отдельных модулей.

— Способность к неограниченному росту. Организмы в процессе эволюции могли запросто подключать к себе новые и новые модули, не меняя при этом все остальное.

— Взаимозаменяемость клеток. Клеток у организмов стало много и все они друг друга частично дублировали. А это значит, что любую из них в случае поломки можно было легко заменить прямо «на ходу».

Многоклеточность стала своеобразным выходом эволюции в «надсистему». Она позволяла организмам еще быстрее приспосабливаться к окружающей среде и максимально гибко реагировать на ее изменения.

Половой отбор

И вот мы подошли к одному из самых мощных изобретений эволюции — половому отбору. Да, кому-то на первый взгляд может показаться, что он является всего лишь вариантом горизонтального обмена генами. Но это не совсем так.

Разделение организмов на два пола решило одну серьезную проблему, с которой сталкивались все однополые существа. Дело в том, что вегетативное размножение или партеногенез не позволяют виду избавиться от вредных мутаций.

При однополом размножении естественный отбор может отбраковать только весь геном целиком, а не отдельные его гены. Это значит, что вредные мутации будут постепенно накапливаться в ДНК, что однажды может закончиться гибелью всего вида.

А при половом отборе гены постоянно «тасуются» между разными организмами. Они образуют общий генофонд популяции, из которого можно постепенно изъять все вредные мутации.

Но и это еще не все. Со временем у двуполых организмов появились еще два преимущества:

1. Отбор стал более эффективным. Чтобы передать свои гены дальше, организму уже недостаточно получить паспорт дожить до полового созревания. Теперь ему еще нужно доказать свою «генетическую состоятельность» в борьбе за внимание самки или самца.

И этот экзамен оказался даже более суровым, чем обычное «выжить любой ценой». Даже мельчайший дефект, который почти не мешает жить, в этом деле мог стать роковым. Привередливый половой отбор отсеивает «не очень вредные» мутации и закрепляет «не самые очевидные» преимущества.

2. Появился элемент искусственного отбора. Самки (ну, или самцы) могли сами решить, признаки какого партнера больше подойдут их детям. Конечно, тут многое зависит и от развития мозга, и от инстинктов, и даже от случайной прихоти. Однако именно такому выбору мы обязаны появлением птичьего пения и живописной окраски у бабочек. И да, в эволюции человека этот фактор наверняка сыграл не последнюю роль.

Заключение

Это далеко не все изобретения эволюции. Мы можем вспомнить и эпигенетическую наследственность, которая позволяет подстроиться под окружающую среду всего за одно поколение. Можем вспомнить и социально-культурную эволюцию, которая кардинально изменила жизнь человека, даже не прикасаясь к его геному. Однако эти темы уже немного выходят за рамки «обычной» теории эволюции.

Источники:

П. М. Бородин «Генетическая рекомбинация в свете эволюции»  

Н. Н. Иорданский «Эволюция жизни»  

С. В. Шестаков «Роль горизонтального переноса генов в эволюции» 

А. В. Марков «Рождение сложности»  

А. В. Марков «Половой отбор защищает от вымирания» 

А. В. Марков «Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная»  

Н. А. Колчанов, В. В. Суслов, В. К. Шумный «Молекулярная эволюция генетических систем»