Справа на графике (рис. 1) показан положительный результат эволюции — образование новых генов, дупликации и горизонтальные переносы, а слева отрицательный — исчезновение генов из общего генного пула. Мы видим, что в истории земной жизни был особый период, когда скорость появления новых генных семейств резко возросла; вслед за этим резко возросла и скорость выпадения генных семейств. Этот период приходится на средний–верхний архей — 3,3–2,85 млрд. лет назад. Авторы назвали его «Архейская экспансия генов».

После события Архейской экспансии к середине протерозоя появление новых семейств стало совсем незначительным. Когда период бурных инноваций закончился, постепенно всё большее значение стала приобретать дупликация генов; темпы этого процесса постепенно увеличиваются даже и в современности. Роль горизонтальных переносов росла вместе с нововведениями, а с прекращением образования de novo семейств оставалась более или менее постоянной.

Всё складывается в логичную схему: после появления жизни на планете организмы начали быстро приспосабливаться к различным экологическим нишам, изобретая для этого необходимые ферменты и реакции. После накопления достаточного массива ферментативного инструментария всё лишнее быстро вышло из употребления. Зато в дальнейшем удобнее было при необходимости перетасовывать уже имеющийся массив, чем изобретать что-то новое. Отсюда и устойчиво высокая роль горизонтальных переносов. Зато если возникала нужда в освоении новой экологической ниши, надежнее было продублировать уже имеющийся ген и изменить его в угоду новым условиям, чем изобретать новый ген, еще не приспособленный ни к внутренней генной среде, ни к внешней абиотической.

Учитывая эту картину, мы можем пересмотреть вопрос, поставленный Г.А. Заварзиным: Составляет ли эволюция смысл биологии?. Г.А. Заварзин, на основе изучения эволюции микроорганизмов, подводил нас к мысли, что в мире бактерий эволюция в целом не обязательна. Обязательно приспособление к геохимическим обстановкам, встраивание в геохимические круговороты. Именно это и заставляет микромир меняться. Смысл биологии микромира — это участие в геохимических планетарных циклах, а сама эволюция (если она есть) вторична. Высказанная Г.А. Заварзиным мысль исключительна по своей глубине и значимости. Однако она скорее описывает ситуацию после окончания грандиозной Архейской Экспансии. А до и во время нее гены переживали период своей самой бурной эволюции.

Что вызвало Архейскую экспансию, какие события привели к столь радикальным переменам генов микробного мира? Конечно, точного ответа на этот вопрос нет. Но авторы предложили свою версию. Они посмотрели, какие функциональные группы генов в этот период появлялись активнее всего, провели специальные вычисления, сравнивая темпы появления различных функциональных групп семейств генов до экспансии и во время экспансии. В результате этого анатомирования Архейской экспансии четко выявились лидеры экспансии (рис. 2).

График показывает, что максимум появления генов, связанных с кислородным дыханием, приходится на самый конец периода Архейской экспансии. Так что, скорее всего, не этот процесс повлиял на взрывную эволюцию бактерий в архее.

Было бы полезно сопоставить получившиеся графики с другими геохимическими изменениями планеты, однако эта задача требует специальной фактической информации. Авторы исследования представили результаты расчетов по появлению генов, связанных с определенными металлами, серой, азотом. Более или менее осмысленная картина получилась только с медью и молибденом. Согласно моделям, растворимость этих металлов по мере становления кислородной атмосферы постепенно повышалась. Параллельно увеличивалась и доля генов, обслуживающих эти металлы.

С другими субстратами ситуация менее очевидная и требует привлечения дополнительных гипотез, альтернативных геохимических моделей или же геохимических данных другого типа. Нужно при этом подчеркнуть, что сама идея сопоставить эволюцию функциональных групп генов с данными по геохимии и геологии планеты видится исключительно плодотворной. Просто пока что работ, эксплуатирующих эту идею, практически нет, как нет и опыта сотрудничества геологов, геохимиков и биоинформатиков. Не случайно статья в Nature подписана только двумя авторами, оба они специалисты в области биоинформатики и микробиологии, и в этой компании явно недостает геолога.

Говоря в самом начале заметки о недостатках данного подхода для реконструкции жизни на нашей планете, я указала на статистическую неопределенность конечного результата: какую реконструкции бактериальной эволюции положишь в основу исследования, такой результат и получишь в конечном итоге. От начальных посылок будет зависеть результат исследования.

В данном исследовании авторы попробовали подсчитать темпы генетической эволюции (появления, переноса, дупликации, элиминации) с использованием двух альтернативных схем микробной эволюции. Архейская экспансия четко выявилась в обоих случаях, и в обоих случаях ее основной особенностью осталось увеличение разнообразия генов электронтранспортной цепи. Более чувствительными оказались датировки архейской экспансии: они сдвинулись от 3,3–2,85 млрд. лет к 2,75–2,5 млрд. лет. Соответственно, сдвинулись и все остальные графики.

Авторы исследования предполагают, что независимые геохимические данные могут помочь выбрать наиболее правдоподобный вариант филогении. Получается, дело за дальнейшей кооперацией специалистов из разных областей науки.

Источник: Lawrence A. David, Eric J. Alm. Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion// Nature. 2010. Published online 19 December 2010.

Елена Наймарк