Мой дядя – банан. Тайны эволюции, раскрытые генами

Илья Удалов

Мой дядя – банан. Тайны эволюции, раскрытые генами

Научные рецензенты

Н. И. Абрамсон, кандидат биологических наук

(Зоологический институт РАН)

А. И. Гранович, доктор биологических наук

(Санкт-Петербургский государственный университет)

А. Н. Островский, доктор биологических наук

(Санкт-Петербургский государственный университет)

П. П. Скучас, доктор биологических наук

(Санкт-Петербургский государственный университет)

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

Издательство не несет ответственности за доступность материалов, ссылки на которые вы можете найти в этой книге. На момент подготовки книги к изданию все ссылки на интернет-ресурсы были действующими.

© ООО Издательство «Питер», 2025

© Серия «New Science», 2025

© Илья Удалов, 2025

* * *

Предисловие

Приветствую тебя, дорогой читатель!

Если ты до сих пор считаешь, что живые организмы делятся на четыре царства: бактерии, растения, грибы и животные, что простейшие – это «одноклеточные животные», бегемоты – близкие родственники слонов, а многоножки – ближайшая родня насекомых, то эта книга для тебя!

Среди людей, далёких от биологии, нередко можно услышать, что все организмы давно уже «разложены по полочкам» выдающимися исследователями прошлого, а все виды давно описаны. «Неужели что-то ещё неизвестно об амёбах?» – спрашивали меня мои собеседники. И действительно, глядя на страницы школьного учебника, можно подумать, что амёба всего одна – обыкновенная амёба, она же амёба протей, и всё про неё уже давно известно. Вот ядро, вот ложноножки, вот пищеварительная, а вот сократительная вакуоль, разве нужно что-то ещё про неё изучать?

На самом деле не только школьные учебники отстали от современности. Кстати, система простейших, представленная в них, была предложена ещё в 1880–1882 годах выдающимся учёным Отто Бючли в его классической монографии [1][1]. И даже самые современные вузовские учебники по биологии содержат много устаревших сведений.

«Как же так?» – спросите вы. Дело в том, что в науке периодически происходят настоящие революции. Случаются они в те моменты, когда исследования выходят на иной уровень: появляются новые методы и данные, позволяющие взглянуть на проблему под совершенно другим углом.

Последнюю такую революцию я наблюдал практически в режиме реального времени. В 1990-е годы и далее исследователи активно секвенировали, то есть прочитывали, последовательности ДНК самых разных организмов. Затем они сравнивали их для того, чтобы приоткрыть завесу тайны: узнать больше об эволюции и родственных связях организмов. Ведь именно последовательности нуклеотидов – структурных единиц ДНК – лежат в основе всех процессов, протекающих в живых организмах, именно они определяют их строение. Буквально на моих глазах, казалось бы, сомнительные и маловероятные гипотезы обретали плоть и кровь и становились общепринятыми, а некоторые курьёзы получали новое и при этом логичное объяснение.

В своей книге я сосредоточился на двух ключевых вопросах:

• Кто к кому относится?

• Кто чей родственник?

Я постараюсь развеять привычную для многих картину мира, в которой, по причине инертности учебников и учебных программ, всё кажется уже открытым и систематизированным. Расскажу о том:

• кто первым отважился «разложить по полочкам» животных;

• в чём именно была заслуга знаменитого «князя ботаников» Карла Линнея;

• почему для построения системы организмов так важна личность Чарльза Дарвина;

• как молекулярные методы в буквальном смысле перевернули систему животного мира. Особенно досталось «простейшим животным» или, как принято их называть сейчас, протистам, которые, согласно современным взглядам, и не животные вовсе…

Здесь мне бы хотелось «подстелить соломку» на случай обнаружения ошибок в моей книге наиболее дотошными критиками. Особенно высока вероятность сделать такую ошибку, когда речь идёт об учёных далёкого прошлого. Читая об их научных достижениях, мы нередко видим не факты, а интерпретации. Причём зачастую последние становятся очень распространёнными, кочуя из учебника в учебник. Чтобы не попасть впросак, я старался по возможности изучать первоисточники, даже если они были написаны на латыни, немецком или французском языках. Именно для того, чтобы избежать досадных ошибок и не распространять давно укоренившиеся заблуждения, я обратился за помощью к научным рецензентам.

Однако, несмотря на это, избежать ошибок всё равно практически невозможно – можно лишь минимизировать их количество. Даже занимаясь очень узкой темой (моей узкой специализацией являются амебоидные простейшие), учёные всё равно нередко ошибаются, и чем шире тема статьи, монографии или учебника, тем выше вероятность сделать ошибку. В этом заключается особенность научного знания: ответственный учёный изо всех сил стремится быть точным, но осознаёт ограниченность своих экспертных знаний. Как говорил один из величайших мыслителей своего времени Сократ, «я знаю, что ничего не знаю».

Приглашаю вас в увлекательное путешествие, в котором мы сможем «разложить по полочкам» разнообразных живых существ и разобраться, кто из них кому родня. Вперёд!

Глава 1. При чём здесь бананы?

Прежде чем начать историю изучения родословной живых существ, мне нужно будет разъяснить название этой книги. Мы, живые существа, очень разные: по своей форме, строению, образу жизни. Сравните, например, бактерию кишечную палочку, которую можно увидеть лишь при помощи микроскопа, рака-отшельника, ковыляющего по дну моря, и гигантский баобаб. Даже способы получения питательных веществ для извлечения из них энергии или для построения тела могут быть самыми разными у различных живых существ. Так, упомянутый выше баобаб синтезирует органические вещества из углекислого газа, воды и растворённых в ней минеральных веществ, тогда как мы и другие животные, а также грибы, многие простейшие используем в качестве источника углерода и энергии уже готовую органику. Обмен веществ у бактерий бывает самый разнообразный: в качестве источника углерода разные группы бактерий могут использовать и углекислый газ, и органические вещества, а в качестве источника энергии – и энергию солнца, и энергию окисления органических и неорганических веществ.

Если мы взглянем чуть более пристально на строение клеток бактерий и сравним их с клетками растений, животных, грибов или протистов (например, инфузории-туфельки или амёбы), то обнаружим, что бактериальные клетки очень сильно отличаются – они в большинстве своём значительно меньше, а главное – они гораздо проще устроены. К примеру, у них отсутствует ядро. Такие клетки называются прокариотическими, а сами организмы с таким строением клетки – бактерии и археи – прокариотами (доядерными, от др.-греч. πρό – «перед» и κάρυον «ядро»). Значительно более крупные и сложноорганизованные клетки животных, растений, грибов и протистов называются эукариотическими, а организмы, состоящие из таких клеток (или всего из одной клетки), – эукариотами (истинноядерными, от др.-греч. εὖ – «истинно» и κάρυον «ядро») (рис. 1).

Несмотря на эти различия, нас многое роднит и с баобабом, и с бледной поганкой, и с раком-отшельником, и даже, о ужас, с кишечной палочкой. Например, все вышеперечисленные организмы состоят из клеток или этой клеткой являются сами. Кроме того, во всех нас протекают сходные процессы. Все живые организмы размножаются, получают извне вещества, которые используют для получения энергии или построения тела. Одновременно из организма постоянно выводятся продукты обмена веществ. Наконец, потомки всех живых существ построены по образу и подобию своих предков.

Рис. 1. Строение прокариотической и эукариотической клеток. Everett Collection / Shutterstock.com

Как же так получается, что наши дети похожи на людей, а не на бананы и даже не на шимпанзе? Всё дело в том, что в клетках всех живых организмов содержится наследственная информация в виде молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), содержащей особые участки – гены, которые кодируют строение и функции организма. Чаще всего гены передаются от предков к потомкам – этим и обусловлено то, что мы порождаем себе подобных людей, инфузории порождают инфузорий и так далее. Это так называемый вертикальный перенос генов. Бывает и горизонтальный перенос – когда генетическая информация передаётся между организмами, не связанными отношениями «предок – потомок».

Генетическая информация, которую мы передаём нашим потомкам, организована и реализуется по одному принципу[2]. В её основе лежит генетический код, единый для всех живых организмов. В некоторых случаях (в особых органеллах – митохондриях, у бактерий микоплазм и инфузорий) могут быть небольшие отклонения от единого стандарта генетического кода, но случаи эти крайне редки и возникли вторично. Таким образом, информация у всех живых существ зашифрована по одному принципу, так же как, например, в большинстве вычислительных устройств используется двоичный код из единиц и нулей.

Наличие единого генетического кода, единого принципа строения нуклеиновых кислот (к которым относятся молекулы ДНК и РНК – рибонуклеиновой кислоты), общность многих клеточных механизмов, например синтеза белка, клеточного дыхания вызывает справедливый вопрос: как так получилось, что в основе функционирования таких, казалось бы, различных живых организмов положены одни и те же принципы?

Этому есть простое объяснение. Если передача генетической информации осуществляется преимущественно от предков к потомкам, то логично предположить, что наличие единого генетического кода у всех живых существ говорит о том, что он был унаследован ими от далёкого общего предка путём вертикального переноса генов! Получается, что все мы, от самой мельчайшей бактерии до гигантского синего кита, связаны родственными узами.

«Так-так, – скажете вы. – А как насчёт бананов? Мы все родственники, но почему именно банан оказался в названии книги?»

Если все организмы унаследовали от общего предка генетический код, то, сравнивая гены различных организмов, мы можем проследить их эволюционную историю – узнать, кто из них кому более близкий родственник. Неудивительно, что как только люди научились читать последовательности ДНК или, по-научному, секвенировать их, они тут же бросились получать эти последовательности и сравнивать их у самых разных организмов.

Появилась и наука геномика, изучающая целые геномы – совокупности всех генов организма. При этом существуют:

• структурная геномика, изучающая состав генома и его организацию;

• функциональная геномика, изучающая механизмы реализации генетической информации на пути ген – признак;

• сравнительная геномика, которая нас больше всего интересует, – сравнение геномов различных организмов.

Сначала учёные секвенировали полный геном вируса-бактериофага Φ-X174 (1977 год) [2], затем – бактерии Haemophilus influenzae (1995 год) [3], наконец, в 2001 году была закончена черновая сборка генома человека, а в 2003 году проект был завершён [4].

Секвенировали учёные геномы и ближайших родственников человека – шимпанзе и гориллы, а также собаки, модельного вида круглого червя (нематоды) Caenorhabditis elegans и банана вместе со множеством других организмов. Оказалось, что с другими живыми существами мы имеем довольно-таки большой процент общих генов.

Так, например, у нас и у других млекопитающих порядка 80–100% общих генов, у человека и круглого червя – 74%, а у человека и банана – 50%. Почему-то именно степень сходства человеческой ДНК с банановой особенно запала в душу интернет-пользователям, и появился мем, благодаря которому и возникло название книги. Однако информация про степень нашего сходства с бананами «мутировала», как мутируют молекулы нашей ДНК. «ДНК человека и банана на 50% одинаковы», «ДНК человека и банана совпадают на 50%», гласят надписи на весёлых картинках с людьми, одетыми в костюм бананов.

Но действительно ли верно утверждение, что 50% нашей ДНК совпадает с таковой у банана? Оказывается, это не совсем так. И даже совсем не так. Тут стоит отметить, что информативная часть генома составляет лишь около 2% ДНК человека, 10–20% кодируют участки, контролирующие включение или выключение генов, а 80–90% нашего генома – это участки с неизвестными функциями или функциями, потерянными в ходе эволюции. Такие участки раньше часто называли junk DNA (буквально «мусорная ДНК»), однако более корректно было бы говорить о неизвестных функциях, так как такие участки на самом деле могут оказаться и функциональными [5].

Так вот, высокая степень сходства (50% между нами и бананами) наблюдается как раз в тех самых 2% генома, кодирующих белки. То есть с бананами у нас примерно половина общих информативных генов, что составляет приблизительно 1% от всего нашего генома!

Конечно, вполне логичным выглядит и то, что общее сходство нашего генома с геномами животных гораздо выше сходства нашей ДНК с ДНК бананов – наши эволюционные пути разошлись намного-намного раньше, чем с другими животными. Растения и мы находимся в двух отдельных крупных ветвях родословного древа эукариот, но об этом более подробно вы прочтёте в девятой главе «Так ли просты простейшие?». Так что да, бананы приходятся нам родственниками, пусть и довольно далёкими, как и маленький круглый червь Caenorhabditis, как и крошечная, микроскопическая кишечная палочка Escherichia coli.

А мы с вами сначала отправимся в прошлое, а именно – в Древнюю Грецию, где более 2000 лет назад жил человек, который впервые попытался «разложить по полочкам» живые существа. Тогда ещё не было речи о родословной живого мира и тем более о теории эволюции, но началось всё именно с попыток понять, чем отличаются одни организмы от других и какие группы они образуют. Что ж, перейдём к следующей главе, «С чего началась систематика?».

Глава 2. С чего началась систематика?

Для того чтобы узнать, с чего началась история систематики, нам нужно будет отправиться к самым истокам биологии. И это не XVIII век, время жизни знаменитого «князя ботаников», шведского натуралиста Карла Линнея. История биологии и, в частности, биологической систематики началась за 2000 лет до его рождения.

Началась она в Древней Греции и связана с именем одного из самых известных античных философов – Аристотеля (384–322 до н. э.). Он родился в одном из полисов древней Македонии, городе Стагир. Известно, что отец Аристотеля был врачом, что, возможно, повлияло на его интерес к биологии.

Аристотель был учеником другого выдающегося древнегреческого философа – Платона (ок. 427–347 до н. э.). Однако Аристотель в своих рассуждениях придерживался более материалистических взглядов. Для Аристотеля познание начинается с познания самих вещей, а теоретические науки (такие как физика, математика и метафизика) возникают в результате абстрагирования от этого опыта. Хотя Аристотель не проводил экспериментов – этот подход появится позже, в эпоху Возрождения, важно отметить, что его метод не был полностью умозрительным и был тесно связан с наблюдением и практикой. Будучи прекрасным анатомом, Аристотель вскрыл более 50 видов животных. Большую часть своих исследований он провёл, находясь на острове Лесбос в северо-восточной части Эгейского моря.

Аристотеля по праву считают основателем целого ряда наук. Среди них логика, физика, политология, социология, психология, педагогика, этика, эстетика и, конечно, биология. Такая разносторонность интересов поражает, и только лишь одной биологии посвящено несколько трудов античного философа, например «История животных», «О частях животных», «О походке животных», «О возникновении животных», «О растениях» и другие. Мы же остановимся на первом упомянутом труде, поскольку именно в нём мы впервые встречаем попытку классифицировать живые организмы.

Прежде чем начать обсуждать саму систему Аристотеля, нельзя не упомянуть о двух фактах. Когда юный Карл Линней в 1727 году отправился из своей родной деревни Росхульт в университетский городок Лунд, в его котомке лежала лишь одна книга – «История животных» Аристотеля [1].

Позже другой выдающийся биолог Чарльз Дарвин в своём письме 1882 года к переводчику трактата «О частях животных» Уильяму Оглу писал:

«Из цитат, которые я видел, у меня сложилось высокое представление о заслугах Аристотеля, но у меня не было ни малейшего представления о том, какой он был замечательный человек. Моими богами, хотя и очень по-разному, были Линней и Кювье, но оба они были просто школьниками по сравнению со стариком Аристотелем» [2].

Эти два эпизода косвенно говорят об огромном вкладе греческого философа в биологию и о его огромном авторитете. Вплоть до XVIII века, эпохи Карла Линнея, книги Аристотеля оставались главными справочниками по биологии, а позже, несмотря на то что многие тезисы уже потеряли свою актуальность, она продолжала вызывать неизменный интерес. Перейдём же, наконец, к одному из интереснейших трудов мыслителя, на много веков опередившего время, в котором он жил.

Именно Аристотель поделил всех животных на «животных с кровью» и «животных без крови», указав, кстати, что у последних в теле есть жидкость, которая заменяет им кровь. Две эти группы полностью соответствуют позвоночным и беспозвоночным, на которые намного позже, в конце XVIII века, разделил животных Жан-Батист Ламарк. В этой связи следует указать, что Аристотель точно подметил, что у всех животных с кровью есть позвоночник.

«Животных без крови» Аристотель делит на четыре группы.

• Тело без резкого разделения на твёрдые и мягкие ткани, с внутренними окостенениями, с ногами на голове. Мягкотелые (μαλάκια). Головоногие моллюски.

• Многоногие, покрытые роговой скорлупой, защищающей мягкое тело. Скорлупа эта «давится, но не колется». Мягкоскорлупные (μαλακόστρακα). Десятиногие ракообразные.

• Мягкотелые, с «черепком» (то есть раковиной) снаружи. Раковина «колется, но не давится». Черепокожие (раковиннокожие) (ὀστρακόδερμα). Моллюски, кроме головоногих, а также морские ежи и оболочники. Судя по тому, каких животных Аристотель отнёс к этой группе, их «раковина» может быть не только ломкой, но и эластичной.

• Многоногие, с телом, «посечённым» на отрезки. Насекомые (ἔντομα). Насекомые, многоножки, паукообразные и скорпион. Заметим, что все последующие классификаторы вплоть до XVIII века относили скорпиона к ракам! Ну как же, ведь у него есть «клешни»!

«Животных с кровью» Аристотель разделил на пять групп.

• Живородящие четвероногие, покрытые волосами. Четвероногие живородные (ζῳοτόκα τετράποδα). Млекопитающие.

• Большей части яйцеродные, иногда живородящие, четвероногие или безногие, часто покрытые чешуёй. Четвероногие яйцеродные (ᾠοτόκα τετράποδα, или φολιδωτά). Амфибии и рептилии.

• Всегда яйцеродные, крылатые, летающие, двуногие, покрытые перьями. Птицы (ὄρνιθες).

• Живородящие, дышащие лёгкими, безногие, водные животные. Киты (κητώδη).

• Яйцеродные, реже живородящие, чешуйчатые или голые, безногие, дышащие жабрами, водные животные. Рыбы (ἰχθύες).

Комментируя классификацию Аристотеля, следует отметить несколько важных моментов. Некоторые названия, введённые им ещё 2000 лет назад, существуют до сих пор и обозначают вполне валидные, то есть соответствующие требованиям современной систематики, таксономические группы[3].

Например, названием Malacostraca сейчас обозначается таксон ракообразных, так называемые высшие раки, куда входят и десятиногие – раки, крабы, креветки, которых имел в виду Аристотель. Название Tetrapoda стало обозначать таксон позвоночных животных с четырьмя конечностями, в который входят амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие. От ряда греческих названий – Malakia, Entoma, Ornithes, Ichtyes – были образованы названия наук, занимающихся соответствующими группами животных:

• малакология (наука о моллюсках);

• энтомология (наука о насекомых);

• орнитология (наука о птицах);

• ихтиология (наука о рыбах).

Особенно стоит отметить то, что китов Аристотель выделял в отдельную группу, а не помещал их в рыб, как гораздо позже делали многие натуралисты, включая даже Карла Линнея (в десятом издании своей знаменитой «Системы природы» 1758 года он всё-таки поместил их в млекопитающих) и его друга-ихтиолога Петера Артеди. Аристотель обратил внимание на то, что все рыбы дышат жабрами, а киты – лёгкими. Кроме того, он указывал, что они живородящие животные с горячей кровью, которые кормят детёнышей молоком.

Книга «История животных», если смотреть на неё глазами человека из дня сегодняшнего, представляет собой удивительное сочетание очень точных и верных наблюдений и выводов относительно образа жизни и строения животных с наивными и неверными заключениями. Впрочем, легко с нашим современным образованием уличать в наивности Аристотеля, которому куда как сложнее было разобраться в строении и физиологии животных!

Например, Аристотель совершенно справедливо отмечает различие между рыбами и водными млекопитающими, рептилиями и птицами, так как первые «принимают и выбрасывают из себя влагу», а все остальные – воздух. В то же время он полагал, что «насекомые» (к которым он относил и других членистоногих и даже некоторых червей) «воздуха не принимают». Он отмечает, что лишь под водой животные могут быть прикреплены (как губки и оболочники), некоторые при этом способны открепляться (как актинии), наконец, третьи не прикрепляются, но ведут неподвижный образ жизни (как некоторые двустворчатые моллюски и морские огурцы). Аристотель считал губок животными, «всецело похожими на растения». Он пишет:

«Говорят, что они имеют ощущения: если губка почувствует, что её намереваются оторвать, она сокращается и отделить её трудно. То же они делают при сильном ветре и волнении, чтобы не отпасть».

Что касается актиний, то в сочинении «О частях животных» «отец биологии» описывает их следующим образом:

«Acalephae, или морская крапива, как их по-разному называют, вовсе не являются Testacea, а лежат вне признанных групп. Их строение, как и у тетий [оболочников], приближает их, с одной стороны, к растениям, с другой – к животным. Ибо, поскольку некоторые из них отделяются [от субстрата] и схватывают пищу, и что они чувствуют предметы, которые с ними соприкасаются, их следует считать имеющими животную природу. <…> Они пользуются [жгучестью] своего тела для защиты. <…> Они тесно связаны с растениями, во-первых, несовершенством своего строения, во-вторых, способностью прикрепляться к камням, что они делают с большой быстротой, и, наконец, явным отсутствием выделений [испражнений] при наличии [у них] рта» [3].

Резюмируя, Аристотель пишет:

«Тетии мало отличаются по своей природе от растений, однако более похожи на животных, чем губки; те уже полностью имеют свойства растений. Ибо природа переходит непрерывно от тел неодушевлённых к животным через посредство тех, которые живут, но не являются животными, таким образом, что одно совсем мало отличается от другого вследствие близости друг к другу» [4].

Ещё со времён Аристотеля в умах натуралистов и философов прочно укоренилось представление о существах, сочетающих признаки и растений, и животных. Оно породило такие названия, как Zoophyta и Plantanimalia, сохранявшиеся в научной литературе до XIX века. В 1761 году знаменитый Карл Линней писал в одном из писем:

«Зоофиты устроены совсем по-другому и живут простой растительной жизнью и увеличиваются в размерах каждый год под их корой, как у деревьев, как видно по годовым кольцам на срезе ствола горгонии. Следовательно, они являются растениями, с цветами, похожими на маленьких животных… Все подводные растения питаются порами, а не корнями, как мы знаем по фукусу. Как и зоофиты, многие из них покрыты каменной оболочкой, и Творец рад, что они получают питание за счёт своих обнажённых цветов. Поэтому он снабдил их порами, которые мы называем ртом» [5].