Геология и эволюция

Геология (точнее, палеонтология) всегда широко использовалась в исследова­ниях по молекулярной эволюции для калибровки эволюционных деревьев. Дело в том, что современные методы реконструк­ции истории видов в большинстве случаев могут достаточно надежно восстановить то­пологию эволюционного древа и даже дли­ны его ветвей, было бы достаточно данных. Однако временнáя шкала на таком древе измеряется числом замен на позицию в бел­ке, и для того, чтобы перевести ее в обыч­ное астрономическое время, надо датиро­вать промежуточные узлы — установить вре­мя, когда появились предки современных таксонов. А для этого используют данные о том, когда представители этих таксонов по­являются в палеонтологической летописи. Однако в последние годы стали появ­ляться работы, в которых геология и эволюционная биология взаимодействуют новым, неожиданным образом.

Уголь

Лигнин — сложный полимер, придающий жесткость и прочность древесине и защи­щающий клеточные стенки, состоящие из целлюлозы, от микробных атак. Кроме того, лигнин — один из основных предшественников каменного угля. Лигнин разлагают грибы, вызывающие белую гниль, — в от­личие от грибов, вызывающих бурую гниль, которые модифицируют лигнин, но не могут разложить его окончательно. Для того, что­бы установить молекулярно-генетическую природу и эволюционную историю белой гнили, исследователи из Объединенного ге­номного института (Joint Genome Institute, Валнут Крик, Калифорния, США) опреде­лили геномные последовательности ше­сти грибов, вызывающих белую гниль, и пяти — бурую, и проанализировали их, а также последовательности еще двадцати грибов надкласса Agaricomycotina.

Оказалось, что репертуар белков, уча­ствующих в метаболизме полисахаридов, у грибов белой гнили в среднем в два раза обширнее, чем у грибов бурой гнили — как по количеству, так и по представленности различных семейств. В частности, два се­мейства гликозид-гидролаз, включающих белки, разлагающие целлюлозу, присутство­вали во всех грибах белой гнили и ни в одном — бурой. То же самое было замече­но для еще двух семейств белков, участву­ющих в разрушении молекул целлюлозы.

Но чтобы добраться до целлюлозы, гри­бу надо разрушить лигнин. Эти занимаются пероксидазы типа II. Такие белки делятся на четыре группы, из которых три содер­жат белки, которые могут разрушать лиг­нин, а четвертая — нет. Три «разрушите­ля» содержат специальные аминокислоты на строго определенных позициях, и поэ­тому по последовательности белка мож­но узнать, является ли он разрушителем.

Как и в случае с гидролазами целлюло­зы, гены, кодирующие пероксидазы пер­вых трех групп, были найдены только в геномах грибов белой гнили. Построение эволюционного древа пероксидаз пока­зало, что предковый белок не мог разру­шать лигнин — у него не было критических аминокислот. Такой набор аминокислот впервые возник у общего предка класса Agaricomycetes (включающего, например, общеизвестные пластинчатые грибы, такие как сыроежки и мухоморы, и трубча­тые грибы, скажем, подберезовики), при­чем представители трех групп возникали в ходе эволюции несколько раз, незави­симо в разных порядках этого класса: это один из достаточно редких примеров кон­вергентной эволюции.

Далее авторы откалибровали эволю­ционные деревья, используя доступные палеонтологические данные о грибах, и датировали как время появления первых лигнин-разрушающих пероксидаз, так и время появления Agaricomycetes (для ко­торых палеонтологические данные отсут­ствовали). Это время практически совпа­ло — 290 млн лет назад. И вскоре после этого, по окончании карбона и перми, пре­кратилось образование больших объемов каменного угля: грибы начали есть лигнин.

Заметим, что это исследование не мог­ло быть выполнено ни на основании толь­ко лишь палеонтологической летопии (по­тому что группы, определяемые по мор­фологическим признакам, могут включать и грибы белой гнили, и грибы бурой гни­ли), ни на основании только молекуляр­ных построений (потому что они не привязаны ко времени).

Металлы

Похожий подход, но в гораздо более ши­роких масштабах, был применен Лорен­сом Дэвидом и Эриком Альмом из Массачусетского технологического института к анализу геномов прокариот (бактерий и архей). Для каждого семейства фермен­тов анализ таксономического древа по­казал, когда появилось это семейство, — для этого был разработан специальный метод, который анализирует распределе­ние генов в современных геномах, при­чем учитывается возможность горизон­тальных переносов.

Оказалось, что большинство семейств (из тех, которых не было у последнего об­щего предка всех существующих организ­мов) возникло в архейскую эру, примерно 3,3 млрд лет назад. Далее авторы проанализировали кофакторы и субстраты этих ферментов и выяснили, что среди белков, кодируемых архейскими генами, особенно велика доля тех, которые связывают железо, железо-серные кластеры и молекулярный кислород, а также другие группы, участву­ющие в окислительно-восстановительных реакциях. Это может отражать расширение репертуара процессов дыхания и перено­са электронов, причем гены, задействован­ные в кислородном дыхании, массово по­являются лишь к концу архейского взры­ва. Это согласуется с геологическими мо­делями повышения содержания кислоро­да в атмосфере.

Частое использование меди и молиб­дена в качестве кофакторов архейских генов также согласуется с геохимически­ми сведениями о появлении марганца в конкрециях и повышенной растворимо­сти этих металлов при увеличении содер­жания кислорода в морской воде: только растворенные ионы металлов доступны для живых организмов. Ситуация с нике­лем также в общем согласуется с геохи­мическими данными. А вот ситуация с же­лезом оказалась противоречива: количе­ство ферментов, кофактором которых яв­ляется железо, растет, при том, что растворимость железа падает с увеличением со­держания кислорода в воде, а в бескисло­родных глубоких водах железо осаждает­ся в результате реакций с сульфидом. Од­ним из объяснений этого может быть эво­люционная инерция, из-за которой прока­риотам оказалось проще развить системы добывания железа, такие как сидерофоры, вместо того, чтобы отказаться от железо-зависимых ферментов.

Температура

Еще один подход — реконструкция древ­них белков и изучение их свойств. Дело в том, что современные методы построения эволюционных деревьев не только восста­навливают историю, но и (с некоторой вероятностью) — предковые последователь­ности в каждом узле. Далее, методы ген­ной инженерии позволяют воссоздать эту последовательность в виде молекулы ДНК, вставить ее в живую бактерию и нарабо­тать соответствующий белок. А затем мож­но изучать его свойства, например, темпе­ратурный оптимум — температуру, при ко­торой фермент наиболее активен.

Простые эволюционные соображения (подтвержденные многочисленными на­блюдениями) показывают, что темпера­турный оптимум совпадает с темпера­турой, при которой (преимущественно) живет организм. Так что, реконструиро­вав древние белки и измерив их темпе­ратурный оптимум, мы можем установить, при какой температуре жили предки со­временных организмов. Именно этот под­ход был применен в работе, выполненной в лаборатории Эрика Гоше. Поскольку ам­биции авторов простирались очень дале­ко, они исследовали весьма консерватив­ный белок, фактор трансляции EF-Tu. Авто­ры реконструировали белки в нескольких внутренних узлах, измерили температур­ные оптимумы и сопоставили их с темпе­ратурой мирового океана. Оказалось, что два графика почти полностью совпали — с точностью до несовершенства эволюци­онных датировок внутренних узлов и из­мерения температуры по косвенным ге­охимическим данным.

***

Узким местом второй и третьей из об­суждаемых работ является датировка вну­тренних узлов. В первом случае — для гри­бов — всё понятно: датировка производит­ся по палеонтологическим данным, кото­рые, даже с учетом неполноты палеонто­логической летописи, дают разумные оцен­ки (при этом надо учитывать, что появле­ние таксона в виде известных палеонтоло­гических объектов может случиться замет­но позднее, чем его возникновение в ходе эволюции). Но как калибровать эволюци­онное древо прокариот? Во-первых, здесь тоже существуют палеонтологические и ге­ологические соображения, скажем, увели­чение концентрации кислорода в атмосфе­ре (которое можно наблюдать) естествен­но связывать с возникновением фотосин­теза — и, стало быть, соответствующих бел­ков (на молекулярном уровне) и цианобактерий (на уровне таксономии). Второй спо­соб — привязать эволюцию бактерий к эво­люции других организмов (скажем, хозяев для патогенов или эндосимбионтов), для которых можно осуществить пересчет мо­лекулярных часов в астрономическое вре­мя и таким образом откалибровать моле­кулярные часы прокариот.

Ясно, что пока подобные работы пред­ставляют собой скорее яркие курьезы. Од­нако ясно и то, что с увеличение объемов доступных геномных данных поток таких результатов будет нарастать, и, как всегда в науке, постепенно из них будет склады­ваться красочная, но в целом непротиво­речивая картина того, что (по всей види­мости) происходило на самом деле. А мо­раль, вытекающая из этих первых попы­ток, состоит в том, что интересные наблю­дения делаются при привлечении очень разнообразных соображений. И это мо­раль не нова.

1. D. Flouds et al., The Paleozoic origin of enzymatic lignin decomposition reconstructed from 31 fungal genomes. Science 336: 1715 (2012).
2. L. A. David, E. J. Alm. Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion. Nature 469: 93 (2011).
3. E. A. Gaucher et al. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins. Nature 451: 704 (2008).