Эволюция митохондрий
Принцип образования этих союзов можно понять, поглядев на филогенетическое дерево, или «древо жизни». Если нарисовать эволюционное дерево, показывающее взаимосвязи между видами млекопитающих, и другое дерево – с бактериями, населяющими этих млекопитающих, – то станет ясно, что эти группы прошли эволюционный путь вместе. Эти два дерева являются отражениями друг друга: там, где один вид млекопитающих разделяется на два, свойственные им микробы тоже разделяются, и дальше каждый новый подвид развивается уже самостоятельно, вместе с новым хозяином. Благодаря выявлению такой тесной взаимосвязи между микрофлорой и организмом-хозяином и возникла революционная идея, которая позволяет подобраться к самой сути работы, проделанной эволюцией путем естественного отбора.
Я начну с того, с чего начал Дарвин в «Происхождении видов», – не с естественного, а с искусственного отбора. Дарвин писал о разведении голубей, потому что это было любимым хобби некоторых сословий в то время. Я объясню свою мысль на примере собак. И немецкий дог, и фокстерьер – потомки волков, однако ни одна из этих пород внешне не похожа на своих предков. Немецких (или «датских») догов выводили для охоты на оленей, кабанов и даже медведей в лесах Германии. В каждом поколении заводчики отбирают самых крупных, быстрых и сильных собак, чтобы те произвели новое поколение. Мало-помалу в потомстве все ярче проявляются именно те черты, за которые заводчики выбирают отдельных собак. Иными словами, отбор наиболее подходящих качеств происходит искусственным, а не естественным путем. Фокстерьеры, находящиеся на противоположном конце условной шкалы, отбираются за быстроту реакции, ловкость и способность пролезть в лисью нору – и опять все решают заводчики, а не естественная среда.
Естественный отбор работает примерно так же, только вместо человека, отбирающего собак с нужными ему качествами, все определяет природа. Гепарду нужны очень сильные ноги, чтобы бегать за добычей; большие легкие и сердце, чтобы не устать раньше своей жертвы; острое зрение, чтобы издалека заметить детеныша, отставшего от стада газелей. Лягушке нужны перепончатые лапы, чтобы легко отталкиваться от воды; крепкая икра, способная выжить на солнцепеке, и кожа маскировочного окраса, чтобы укрыться от глаз цапли. Каждая из этих черт определяется климатом, средой обитания, конкуренцией, питанием, а также хищниками, ведущими охоту на данный вид.
Однако среди биологов-эволюционистов не утихают споры о том, что же все-таки подлежит отбору. Казалось бы, все просто: выживает и оставляет потомство особь с крепкими мышцами или перепончатыми лапами. Иными словами, отбирается та особь, которой обстоятельства позволяют продолжить род. Но почему тогда львицы так заботятся о львятах? Почему рабочие пчелы оберегают пчелиную матку? Почему молодые водяные курочки заботятся о родителях? Или, что еще удивительнее, почему одна летучая мышь-вампир отрыгивает выпитую ею кровь другой мыши, когда той не повезло с добычей, даже если они не связаны никаким родством? Если для каждой отдельной особи действительно важнее всего собственное успешное размножение, зачем они помогают другим? Эти вопросы не дают покоя биологам и заставляют их говорить о том, что отбор идет не на уровне отдельных особей, а на более высоком уровне. Если взаимовыручка помогает членам какой-то группы (особенно если они не связаны родством) продолжить род, значит, предметом отбора для окружающей среды являются не особи, а целые группы.
Ричард Докинз обязательно напомнил бы нам, что в обеих гипотезах – индивидуального и группового отбора – упускается главное. В своей книге «Эгоистичный ген», вышедшей в 1976 году, он подробно изложил взгляды нескольких выдающихся биологов-эволюционистов, которые считают, что предметом естественного отбора являются гены. Тело, как объясняет Докинз, – это всего лишь носитель и передатчик генов, позволяющий им вести и продолжать бессмертное существование. Подобно особям, у них имеются вариации, они могут воспроизводиться, они передаются от поколения к поколению. Дело в том, что именно гены определяют шансы особи на воспроизводство, а значит, именно они, а не особь, либо отбираются, либо отвергаются. Разумеется, ген не может действовать в одиночку. Даже самый животворный, чадородный ген, каким только мутация может наделить ту или иную особь, ограничивается свойствами соседних генов. И тут мы должны вернуться к началу – то есть к особи, – но уже лучше понимая всю сложность естественного отбора.
Совместная эволюция видов организмов-хозяев и их микрофлоры дополняет еще одним нюансом и без того запутанную паутину путей эволюционного развития. Давайте рассмотрим травоядное животное – например, бизона – и попытаемся представить себе, как в его случае работал бы естественный отбор в отсутствие микрофлоры. Наш бизон должен быть достаточно крупным, чтобы отпугивать волков, достаточно шерстистым, чтобы не замерзнуть холодной зимой, и достаточно сильным, чтобы переносить переходы на большие расстояния в поисках хороших пастбищ. Однако эти, да и многие другие качества бизона, необходимые для жизни и продолжения рода, окажутся бесполезными, если у него не будет нужного набора кишечных микробов. В одиночку, без этих микробов, бизон не сможет переваривать траву. Он может до отказа набить себе брюхо травой, но она останется лежать там мертвым грузом: не будут усваиваться пищевые молекулы, не будет вырабатываться энергия. А без энергии бизон не сможет расти, передвигаться, размножаться и вообще жить. Все будет без толку.
Бизон и его микрофлора развивались не порознь, а вместе. Они прошли отбор не сами по себе, а в тесном союзе. Конечно, бизон должен быть крупным, шерстистым и сильным, но еще он должен хорошо переваривать пищу, чтобы добиться благосклонности естественного отбора. Он должен обладать хорошими микробами. Симбиоз организма-хозяина (будь то бизон, рыба, насекомое или человек) и населяющих его микробов называется «холобионтом», то есть «живой единицей». Именно эта неизбежная взаимозависимость навела Юджина и Илану Розенберг из Тель-Авивского университета в Израиле на мысль, что естественный отбор может происходить еще на одном уровне. Они считают, что за репродуктивные достоинства отбираются не только особи и группы, но и холобионты. Поскольку ни одно животное не может существовать независимо от своей микрофлоры, а микрофлора – независимо от своего хозяина, невозможно выбрать одно без другого. Таким образом, естественный отбор распространяется на их союз как на целую живую единицу, благоволя, как и в случае отбора особей, тем комбинациям «транспорта» и «пассажиров», которые достаточно сильны и выносливы, способны выживать и размножаться.
Как показывает Докинз, в конечном итоге отбор направлен на гены, будь то гены животных или микробов. Поэтому и идея, выдвинутая Розенбергами, получила название гипотезы «хологеномного отбора» – то есть отбора одновременно хозяйского и микробиомного генома.
Дело в том, что иммунная система человека развивалась не в изоляции. Она никогда не была стерильным набором наростов, трубочек и блуждающих клеток, ожидающих нападения со стороны неизвестного врага. Скорее она «росла и воспитывалась» бок о бок с микробами всех мастей – как с полезными, так и с теми, которые несут разные болезни. Из-за этих тысячелетий войн и перемирий иммунная система давно настроена на присутствие микробов. Когда они куда-то исчезают, привычное равновесие нарушается. Представьте себе, что вы научились водить машину с постоянно включенным ручным тормозом. Вы уже точно знаете, с какой силой нужно нажимать на педаль газа, чтобы преодолеть торможение, вы ездите так уже несколько десятков лет, и все получается без сучка без задоринки, но вдруг ручной тормоз пропадает, вы пытаетесь ехать, но машину хаотично заносит, болтает и швыряет, и вы просто не справляетесь с управлением.
