Использование протонных насосов для хранения потенциальной энергии в форме электрохимического градиента, а затем укрощение этой энергии по мере того, как она проходит сквозь мембрану, чтобы создать химическую энергию, может выглядеть довольно странным механизмом. Однако он присущ всем формам земной жизни.
Рис. 1.8. Молекулярное изображение АТФ-синтазы, демонстрирующее ее направленность и сложность
Аналогично происходит и фотосинтез растений, хотя в этом случае солнечная энергия используется для выкачивания протонов через мембрану хлоропласта, который представляет собой результат растительной эволюции митохондрий. Бактерии, являясь прародительницами митохондрий, функционируют в этом же ключе. Они создают протонный градиент за счет разницы в концентрациях растворенного вещества по обе стороны мембраны и разницы зарядов и свободно удерживаются с помощью их клеточной стенки. Но, в отличие от людей и млекопитающих, в растительном мире конечным «приемником» электронов, движущихся по ЭТЦ, могут быть самые разные молекулы, а не только кислород. Как бы то ни было, извлекаемая с помощью ЭТЦ энергия используется для выкачивания протонов через мембрану. Этот механизм является столь универсальным, что может считаться отличительным признаком жизни на Земле.
Рис. 1.9. Иллюстрация механизма генерации энергии с помощью окислительного фосфорилирования посредством комплекса I (верхняя половина рисунка) и комплекса II (нижняя половина рисунка)
Митохондриальная ДНК: любопытный реликт древности
После поглощения бактерии, впоследствии ставшей митохондрией, бактерией-хозяином она некоторое время жила на правах паразита. Организм хозяина давал ей практически все, что нужно для выживания, и поэтому она обленилась. Ей не было нужды содержать громоздкую и бесполезную ДНК. В самом деле, зачем кодировать белки, если это с успехом делает хозяйская ДНК? Природа также задалась этим вопросом и со свойственной ей безжалостной эффективностью сделала так, что паразитическая бактерия начала терять лишние гены.
И все бы ничего, только при утрате наиболее важных генов клетка неизбежно умирает. Лэйн в своей книге приводит следующий пример: наши предки-приматы однажды (миллионы лет назад) лишились гена, синтезирующего витамин С. К счастью, их диета была богата фруктами с повышенным содержанием этого витамина. Поэтому потеря данного гена не вызвала катастрофических последствий: древние человекообразные выживали и даже процветали. Но откуда мы знаем, что они в свое время обладали геном витамина С, если его нет у современных людей? Бо́льшая часть его находится в мусорной ДНК, и этот рудимент идентичен функционирующему гену рецептора витамина С у других видов.
Утрата бесполезных генов — весьма распространенное явление. Бактерии могут потерять их в течение нескольких часов или дней. Как это помогает выживанию? Деление клеток, обеспечивающее репродукцию бактерий, требует очень большого количества энергии, тогда как бактерии в сравнении с эукариотами производят очень мало энергии. Чем меньше размер бактериальной ДНК, тем меньше энергии требуется для ее копирования для дочерних клеток. Эффективность сброса генетического балласта проявляется в малом количестве мусорного ДНК на главной хромосоме бактерий.
Вы можете возразить, что утрата генов — это неэффективный механизм, потому что сброшенные гены могут быть вновь востребованы. Тем не менее отказ от генов бактериями не является столь безрассудным, как это может показаться. Дело в том, что бактерии могут вновь приобрести нужные им (равно как и другие) гены в рамках процесса, называемого горизонтальным переносом генов. Бактерии способны подбирать ДНК в окружающей их среде (забирая генетический материал у мертвых клеток или других бактерий) с помощью бактериальной конъюгации, которая не сильно отличается от акта совокупления между людьми в плане передачи ДНК. (Ну ладно, возможно, различия здесь существенны, но главное здесь то, что бактерии могут приобретать новые гены и успешно пользуются этой способностью.) Феномен горизонтального переноса генов, позволяющего бактериям получать новый генетический материал, говорит о том, что введение в пищевую цепь генетически модифицированных растений и животных может привести к непредсказуемым последствиям и требует гораздо более углубленных исследований, нежели проведены до сих пор. Бактерии в наших кишечниках или в кишечниках наших домашних животных способны вобрать в себя модифицированные гены. Если это произойдет, то в царствах животных и растений может начаться необратимый хаос (а ведь существует бесконечное число иных возможностей утечки модифицированных генов в мир живой природы).
Процесс потери и приобретения генов сохраняет общую генетическую базу бактерий в состоянии постоянного изменения, что является благоприятным для выживания, так как предупреждает потерю той или иной колонией всех «избыточных» генов в конкретный момент времени. Какая-то часть входящих в данное сообщество бактерий, как правило, сохраняет эти гены в полностью функциональном состоянии, и, если в них вновь возникает нужда, передает реабилитированный генетический материал остальным членам сообщества посредством механизма горизонтального переноса. Развитая способность бактерий делиться друг с другом генами объясняет такие явления, как очень быстрое распространение резистентности к антибиотикам в рамках больших бактериальных сообществ. Именно поэтому регулирующие организации требуют от компаний-изготовителей пищевых добавок с содержанием пробиотиков доказательств того, что соответствующие пробиотические штаммы не обладают сопротивляемостью к антибиотикам (в противном случае генетическая защита от лекарств может быть передана потенциально патогенным бактериям в кишечнике).
Процесс переноса хромосомных генов при конъюгации гораздо быстрее протекает при участии содержащихся в хромосоме крошечных колец — плазмид (я упоминал о них выше), однако бактерии могут передавать гены, являющиеся частью ее основных хромосом, просто это происходит медленнее. Любой ген, который не используется регулярно или в котором сейчас отсутствует потребность, будет отвергнут во имя более быстрой и эффективной репликации.
Будучи потомками бактерий, митохондрии потеряли бо́льшую часть своих генов. Но если бы они были всего лишь паразитами, живущими на всем готовом, то почему у них сохранились какие-то гены? Это хороший вопрос, особенно если учесть, что каждая клетка включает в себя от нескольких сотен до нескольких тысяч митохондрий, а каждая из митохондрий скрывает от пяти до десяти копий ДНК. Лэйн глубоко погружается в проблему. Содержащийся в клетке объем митохондриальной ДНК является серьезной проблемой при клеточном делении или при делении самих митохондрий (митохондриальном биогенезисе), так как все эти гены должны быть скопированы. Кроме того, каждая митохондрия должна поддерживать свой собственный аппарат генетической трансляции и синтезирующих белки рибосом. Для наследников бактерий (мы помним, что кредо первых микроорганизмов — максимальная экономия энергии) такой набор функций является, на первый взгляд, чрезмерным.
