Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК

Когда Оно вырезал свои фотографии, он знал, что при простых ошибках в клетках может происходить удвоение хромосом, их частей и даже наборов хромосом. Таким образом, он мог представить себе мир из множества копий и их копий. По его мнению, удвоение было источником изобретений.

Вырезанные фотографии хромосом саламандр и лягушек предлагали новый взгляд на происхождение генетических изобретений в истории жизни. На тот момент считалось, что топливом для эволюции за счет естественного отбора служат небольшие изменения генов. Оно подумал: а что, если двигателем эволюционных изменений было удвоение генов? Тогда изобретения для реализации новых нужд получались в уже готовом виде. Если ген удваивается, на месте одного возникают два. Благодаря этой избыточности один ген может оставаться прежним и выполнять свою первую функцию, а вторая копия может меняться и приобретать новую. Новый ген получается со свистом и практически без затрат для хозяина.

Удвоение ДНК может стать основой для генетических изменений на любом уровне. Полезные части уже готовы для модификаций в разных направлениях: применяем старое для создания нового.

К тому времени, когда Оно закончил вырезать фотографии хромосом, начали появляться данные о последовательностях различных белков. И они подтвердили широкую распространенность копирования в геноме. Существуют копии всех сортов: могут копироваться целые геномы или отдельные гены, и даже в молекулах белков встречаются повторы отдельных последовательностей. В этих дуплицированных белках Оно слышал особую музыку. Оно и его жену Майдори, певицу, часто приглашали на различные общественные мероприятия, чтобы услышать в их исполнении музыку удвоенных молекул.

Копии повсюду

Геном на каждом уровне организации напоминает музыкальную партитуру, в которой одна и та же музыкальная фраза повторяется в разных вариантах, создавая широкое разнообразие звуков. На самом деле, если бы природа была композитором, она была бы крупнейшим в мире нарушителем авторских прав: абсолютно все, от фрагментов ДНК до целых геномов и белков, является измененной копией чего-то другого. Анализ дупликаций в геноме можно сравнить с примеркой новых очков: мир кажется иным. Как только вы увидели дупликации в геноме, вы начинаете видеть их повсюду. Новый генетический материал выглядит как копия старого, перепрофилированного для решения новых задач. Творческий потенциал эволюции заключается в имитации, позволяющей на протяжении миллиардов лет удваивать и модифицировать старую ДНК, белки и даже схемы строения органов.

Ученые столкнулись с явлением дупликации, как только начали анализировать последовательности белков (вспомним Цукеркандля и Полинга). Белок крови гемоглобин, переносящий кислород, существует во множестве форм, каждая из которых соответствует определенным условиям жизни. Потребности плода отличаются от потребностей взрослого существа. В матку кислород проникает с кровью матери, тогда как взрослый человек дышит легкими. Этим фазам жизни соответствуют разные формы гемоглобина, являющиеся копиями друг друга.

Различающиеся аминокислотные последовательности белков – разные версии одного и того же. Примеры можно найти в любых тканях и органах: кожа, кровь, глаза, нос – лишь некоторые из них.

Белок кератин обеспечивает особые физические свойства наших ногтей, кожи и волос. В каждой из этих тканей содержится свой тип кератина – более пластичный или более жесткий. Семейство генов кератина возникло в результате дупликации предкового гена, после чего в каждой ткани возникли свои специфические кератины.

Цветовое зрение реализуется благодаря активности белков, называемых опсинами. Люди видят широкий спектр цветов, поскольку у нас есть три формы опсина, настроенные на восприятие света с разными длинами волн – красного, зеленого и синего. Эти опсины – результат дупликации одного гена с образованием трех вариантов, что привело к расширению наших зрительных возможностей.

Аналогичная картина наблюдается в отношении молекул, позволяющих распознавать запахи. Диапазон распознаваемых животными запахов в значительной степени определяется количеством генов обонятельных рецепторов. У человека их около пятисот, но нам очень далеко до собак и крыс, у которых имеется тысяча и полторы тысячи рецепторов соответственно (у рыб их около 150). Зрение, обоняние, дыхание и практически все проявления физиологической активности животных существуют благодаря дупликации генов. Почти каждый белок в теле – модифицированная копия более древней версии, перепрофилированной для решения новой задачи.