Стресс — ускоритель эволюции
Сообразуясь с такими новыми данными, есть прямой смысл внести уточнение во второй постулат второго общебиологического принципа, который мы — казалось бы, окончательно — сформулировали чуть выше: в неблагоприятных (стрессовых) условиях окружающей среды происходит расширение генетической изменчивости, включающее — внимание! — повышение скорости перестроек генома.
Но и это тоже не всё. Есть ещё один способ расширения генетического разнообразия. Вы, наверное, уже догадались? Да, речь опять же о микроорганизмах.
5
Сафо, фиалкокудрая, чистая,
С улыбкою нежной.
Очень мне хочется
Сказать тебе кой-что тихонько.
Только не смею, стыд мне мешает.
Алкей
Перенос генов существует не у всех микробов, а лишь у тех, которые обладают особыми, так называемыми конъюгативными плазмидами.
Поясним. Плазмида — это кольцевая двухнитевая ДНК, она реплицируется в цитоплазме (отсюда и название) отдельно от хромосомы, но как эндосимбионт пользуется многими веществами, которые для себя синтезирует клетка. Вне клеток плазмиды не живут, однако могут переходить из одной клетки, донорской, в другую, реципиентную. Хитрость в том, что, переходя в новую клетку, из старой они не уходят. Как? Да по принципу: зачем менять одну квартиру на другую? Лучше удвоиться и жить одновременно в обеих! Мудро.
Как это происходит? За счёт своих генов, обеспечивающих конъюгативный перенос, хитрая плазмида передаёт в другую клетку только одну нить своей ДНК. Тут уж по законам жанра (биологического, естественно) донорской клетке ничего не остаётся, как оставшуюся, осиротевшую нить плазмидной ДНК достраивать до двойной. И абсолютно то же самое происходит и в реципиентной клетке с новоприбывшей нитью. (Это называется, паразитировать на принципах устройства живой природы. Шутка.)
Таким образом, плазмида распространяется не только вертикально, по классическому сценарию (ибо при делении клеток обе дочерние клетки из поколения в поколение получают плазмиды) но и, как показано только что, горизонтально, то есть между разными микробными клетками, принадлежащими чаще всего к одному биологическому виду. Клетки, у которых есть конъюгативная плазмида, считаются мужскими, у которых нет — женскими. На экзамене по молекулярной генетике студентов обычно спрашивают, какой организм после скрещивания меняет свой пол? Ответ ясен.
Дальше все достаточно просто. Существуя только внутри клетки и только за её счет, плазмиды кровно заинтересованы в том, чтобы клетка жила, и поэтому реализуют достаточно цивилизованную эволюционно-экологическую стратегию: ты мне, я тебе. Ты мне — жизнь (репликацию, то есть размножение!), я — тебе преимущества в суровых условиях среды, а именно: устойчивость к антибиотикам, устойчивость к токсичным тяжёлым металлам, способность поедать необычную пищу (остатки нефтепродуктов или пестицидов) и другое. И действительно: многие плазмиды несут такие гены, которые обеспечивают клетке весьма ценные преимущества, особенно в напряжённых или стрессовых условиях, и без таких плазмидных генов клетки в суровом бытии гибнут.
Однако плазмиды не только помогают клеткам выжить, но и сильно стимулируют их эволюцию. Во-первых, транспозон может переместиться из хромосомы клетки в ДНК плазмиды, затем плазмида перейдёт в другую клетку, а с ней „автостопом“ и транспозон. В другой клетке этот транспозон может пересесть с плазмиды в клеточную хромосому и вызвать там блочные перестройки ДНК. Далее весь процесс, не исключено, повторится, но уже с третьей клеткой, а затем — с четвёртой, и — ищи ветра в поле!
Именно так транспозоны в основном и распространяются — на плазмидах горизонтально и попадают в те клетки, где раньше их не было, — например, в болезнетворные микробы. И тогда болезни, вызываемые этими последними, стандартными антибиотиками, уже не вылечить: микробы приобретают к ним устойчивость благодаря вселившимся туда плазмидам. Именно они и несут транспозоны с генами устойчивости к антибиотикам.
Следующий интимный момент — рекомбинация между плазмидой и хромосомой. Если между их генами есть большое сходство (гомология), то рекомбинация происходит, если нет гомологии, то не произойдет и рекомбинация. Последнее (отсутствие рекомбинации) называется межвидовым генетическим барьером. Он предотвращает образование межвидовых химер. У микроорганизмов его молекулярный механизм обеспечивает активность системы репарации неправильно спаренных оснований — MMR. Белки этой системы узнают участки, где нет сходства между ДНК плазмиды и клетки (области неспаренных оснований) и, связываясь с этими участками, препятствуют рекомбинации. А при стрессе, как уже говорилось, активность системы MMR падает. И в данном случае это ведёт к падению межвидовых генетических барьеров — стало быть, к интенсивному межвидовому генетическому переносу. То есть, ни много ни мало, к вспышке видообразования.
Это, уточним, при стрессе. Но предположим, он прошел и популяция (или субпопуляция) клеток выжила. Что тогда, учитывая всё вышеизложенное? Подытожим. Если клетки, пребывавшие в стрессе (то есть клетки, замедлившие рост, неделящиеся), в результате рекомбинаций и межвидового генетического переноса запускают рост, то у них: 1) восстанавливаются межвидовые генетические барьеры, 2) нормализуются механизмы генетической рекомбинации. Всё теперь в норме, а возник новый вид (новый вид микроба всего лишь, не пугайтесь!).
И потому вот как теперь выглядят основные постулаты эволюции микроорганизмов:
Эволюция — это: 1) случайная генетическая изменчивость, 2) её расширение в неблагоприятных условиях окружающей среды, включая повышение частоты перестроек генома и повышение частоты межвидового генетического переноса, 3) естественный отбор.
И в заключение. Как-то раз я рассказывал обо всех этих биологических (точнее, микробиологических) механизмах старшеклассникам Экологического лицея. И вдруг вижу, по щекам у Наташи текут слезы. „Наташа, — говорю, — отчего вы плачете?“ — „Микроб, он такой маленький, — отвечает, всхлипывая,— у него даже головы нет, а какие красивые механизмы придумал! Я бы в жизни не додумалась“.