В настоящее время никакой ген не появляется в результате того, что тысячи молний пронизывают первобытную атмосферу Земли, ударяя во влажную почву, где среди воды и минералов кипит первобытный бульон аминокислот. Всё, шоу закончилось, и билеты на него больше не продаются. До соседнего театра, где идет аналогичная постановка, пока еще далековато — подождем, пока SpaceX и Google разберутся с этой проблемой. Поэтому всякий новый ген, то есть группа нуклеотидов, содержащая информацию об устройстве какого-либо белка или РНК, может образовываться лишь из уже имеющихся. И судя по тому, что геном всех живых существ удивительно похож друг на друга, эта ситуация далеко не нова.
Существует 4 основных способа появления новых генов.
- Мутация внутри самого гена.
Во время деления клетки, когда ДНК удваивается, вместо нужного нуклеотида встает другой. Спонтанные мутации происходят постоянно и у всех. Каждый раз, когда клетка делится, хотя бы один из нескольких миллиардов или десятков миллиардов нуклеотидов встает не на то место. В общем, это совершенно неопасно, так как и частота таких мутаций, как мы видим, очень мала, да и ДНК состоит отнюдь не сплошь из генов. Более того, генов в ДНК очень мало! Основной объем ДНК занимают так называемые «некодирующие участки», которые, как ясно из их названия, ничего не кодируют. Многие из них все равно играют важную роль, а роль многих других нам еще неизвестна. Кроме того, особенность генетического кода такова, что одна и та же аминокислота соответствует нескольким комбинациям нуклеотидов, так что точечная мутация может вообще ничего не изменить. И еще существуют механизмы починки ДНК. И еще существует механизм страховки, при котором если один ген начинает не совсем правильно работать, или не работать вовсе, его функцию на себя берут другие. В общем, спонтанные мутации нам не грозят.
А вот индуцированные мутации могут быть смертельно опасны, поскольку их влияние на геном крупномасштабно. Таким мутагенным фактором является высокая радиация. Многие химические вещества являются сильными мутагенами, например бензпирен, содержащийся в табачном дыме. Отсюда ясно, что курящие люди убивают не только себя, но и тех, кто рядом с ними вынужден дышать их отравой. Могущественные табачные концерны, поддерживаемые армией курильщиков, по-прежнему во многих странах сохраняют статус-кво, при котором любой человек имеет возможность разгуливать по улице и распространять вокруг себя отравляющие вещества.
2. Дублирование гена.
При некоторых сбоях деления клетки, тот или иной участок ДНК повторяется, и образуется две его копии. Эта особенность передается дальше последующим клеткам, происходящим из первой. Когда такое происходит, копия исходного гена начинает жить своей жизнью. Благодаря спонтанным мутациям, их пути в конце концов далеко расходятся, и они начинают уже иметь заметные структурные отличия, и функции в клетке они могут выполнять разные. Родственные гены, которые когда-то возникли в результате дублирования, сохранились и начали в итоге жить независимой жизнью, специализируясь на какой-то своей профессии, называются паралогами. Схожие гены возникают также в результате обычного видообразования, когда одно существо дало происхождение нескольким видам — одни и те же их гены тоже начинают процесс постепенного изменения, сохраняя при этом большую схожесть друг с другом. Такие гены, схожесть которых вызвана обычным расхождением видов, называют ортологами. И те и другие — паралоги и ортологи, носят название гомологов. Так что если мы хотим сказать о двух генах, что они имеют общее происхождение (не акцентируя внимание на конкретный путь их эволюции), то мы назовем их гомологами.
3. Перестройка сегментов.
Иногда два или несколько генов вдруг разрываются, и механизм их починки работает со сбоем, так что в результате собирается совсем новый ген, состоящий из кусков других.
4. Горизонтальный перенос генов.
Это — чрезвычайно необычное и интересное явление. При горизонтальном переносе разные организмы просто обмениваются своими генами. Например, бактерия может передать один или несколько своих генов другим бактериям. Бывают даже случаи, когда бактерии передают свои гены грибам и растениям. Процесс обмена генами между бактериями идет особенно бурно, когда бактерии попадают в неблагоприятную среду. Горизонтальный обмен помогает им быстрее найти такую мутацию, которая будет приспособлена к новым условиям. Так что каждый раз, когда мы с помощью антибиотиков пытаемся бороться с какими-то микроорганизмами, мы тем самым запускаем в них активный процесс горизонтальных переносов генов. Чем чаще и активней антибиотики используются, тем скорее возникнет устойчивый к ним штамм бактерий. И именно поэтому антибиотики надо применять согласно выработанной программе (курсом), а не так, что попил таблеточки, полегчало, ну и бросил. Именно такое «попил и бросил» и способствует тому, что появившийся немного более устойчивый к лекарству штамм не просто появился, но еще и выжил, ведь его не добили нужным объемом применения лекарств.
Горизонтальный перенос очень часто возникает между вирусами и бактериями. Особенно — между бактериофагами и бактериями, ведь именно вирусы-бактериофаги проникают в бактерию, чтобы заразить ее и начать производить новые вирусы. Когда-то бактериофаги достигают цели, а когда-то происходит иное: бактерия с удовольствием захватывает ДНК, которую бактериофаг всунул в неё, аккуратно разбирает её на части и смотрит — что из этого генетического материала может ей пригодиться. (На самом деле конечно никто никуда не смотрит:) — просто разные бактерии, захватившие разные гены, получали разные эффекты и, соответственно, кто-то оказывался более успешным).
Некоторые участки вирусной ДНК попадают непосредственно в ДНК бактерии, а некоторые остаются плавать в свободном виде в клеточной цитоплазме. Такие свободно плавающие куски ДНК называются плазмидами. Плазмиды есть и у человека. Они изображены на фотографии снизу — кольцевые (в отличие от тех, что в хромосомах) молекулы свободно плавающих в клетках участков заимствованной когда-то ДНК.
Бывает и так, что вирус случайно (или неслучайно?) захватывает куски ДНК одной бактерии и передает её другой. Могут ли бактерии так дрессировать вирусов, чтобы они занимались этим делом? Мы пока не знаем.
Обмениваются генами между собой также и археи, и археи с бактериями. На протяжении долгого времени ученые полагали, что археи и бактерии — это одно и то же, поскольку они очень друг на друга похожи. И только исследование генома бактерий и архей показало, что мы являемся свидетелями параллельного возникновения и параллельной эволюции совершенно разных существ. Когда-то давно в результате эволюции совершенно независимо друг от друга появились бактерии и археи. Ну, собственно само по себе это и не очень странно. Не исключено, что миллиарды лет назад там много чего другого ещё появлялось. Удивительно то, что развиваясь параллельно друг другу, они приобрели, тем не менее, такое сходство, что различить их мы смогли только в результате геномного анализа. Видимо, путь развития, выбранный ими, оказался наиболее эффективным. Ну и возможно, свою роль сыграла их способность к горизонтальному обмену генами — совместными усилиями выжить всё-таки легче.
Некоторые организмы настолько полюбили процесс использования чужих генов, что достигли в этом настоящего мастерства. Например, геном кишечной палочки (E. coli) на 20% состоит из таких подарков и заимствований. Кооперация в мире бактерий и архей развита необычайно сильно, и настоящих масштабов этого явления мы себе, скорее всего, еще не представляем. Активный процесс горизонтального переноса генов среди бактерий и архей делает сильно усложненным процесс выстраивания родословных, ведь если какой-то ген-гомолог найден у двух бактерий, это еще не значит, что у них был общий предок. Они могли просто поменяться генами. Да и вообще привычные нам понятия «предок», «родословная» становятся расплывчатыми, а то и вовсе теряют свой смысл в том мире одноклеточных существ.
Рассматривая семейства генов в разных живых существах, ученые выявили интересную вещь. Примерно 250 семейств генов оказались в высокой степени консервативными, то есть очень слабо изменившихся с самых древних пор. Это объясняется тем, что некоторые механизмы, выработанные в процессе эволюции, оказались настолько ценными, настолько уникально и сложно устроенными, настолько тесно взаимоувязанными с другими процессами в клетке, что их лучше вообще никак не трогать. Ну или говоря более точно, когда появлялись организмы с мутациями в этих важных генах, они проигрывали конкуренцию. Оказалось что больше всего таких консервативных генов обслуживают процесс производства протеинов на основе чертежей, снятых с ДНК. Это и не удивительно, ведь это очень сложные процессы, в настройку которых лучше не вмешиваться, и если что-то надо где-то усовершенствовать, то лучше подкрутить в каком-то другом месте.