Как строятся сети

При сооружении жгутика E. coli не просто штампует все белки в произвольном порядке. Она управляет процессом синтеза и сборки при помощи целой сети генов, которые включаются только тогда, когда бактерия чувствует признаки опасности; при этом она старается избежать «ложных срабатываний», для чего использует противопомеховый фильтр. По ходу синтеза жгутика E. coli включает нужные гены в определенной последовательности, а затем снова выключает. И, подобно самому жгутику, эта управляющая сеть тоже имеет собственную длинную историю.

В 2006 г. биолог Мадан Бабу из Кембриджского университета с коллегами опубликовали серьезное исследование о происхождении управляющих схем E. coli. Ученые начали с поиска у бактерии генетических переключателей — белков, которые связываются с ДНК и занимаются тем, что включают и выключают гены или воздействуют на них иным образом. Они насчитали более 250 таких переключателей. Затем они изучили научную литературу и попытались разобраться, какие именно гены контролируются этими переключателями. В конце концов Бабу с коллегами составили схему плотной паутины из 755 генов и 1295 связей между ними.

Схема, составленная командой Бабу, очень напоминает схему структурной иерархии правительства или корпорации. На верхушке пирамиды находится несколько мощных генов, каждый из которых непосредственно контролирует несколько других генов. Эти гены среднего звена управления контролируют, в свою очередь, множество других генов и так далее. Такая организация позволяет E. coli справляться с изменениями окружающей среды при помощи очень быстрых и серьезных изменений собственной биологии. Схема Бабу позволила ему изучить управляющую сеть E. coli вплоть до мельчайших контуров.

Завершив построение управляющей схемы E. coli, Бабу получил возможность реконструировать и ее историю. Он сравнил схему E. coli со схемами 175 других видов микроорганизмов. Он обнаружил, что управляющая схема имеет своеобразное ядро, общее для всех этих видов. В нее входит 62 генетических переключателя, под управлением которых находится 376 генов; всего в этом ядре 492 связи. Бабу пришел к выводу, что оно имелось уже у общего предка всех живых организмов.

Ядро схемы позволяет сделать некоторые предположения о том, как выглядел наш общий предок. У него уже были сенсоры, позволявшие этому существу различать разные виды сахаров и следить за собственным энергетическим уровнем. Он мог регистрировать кислород, но не дышать им, поскольку в атмосфере кислорода почти не было; вероятно, кислородные сенсоры были нужны ему, чтобы защититься от собственных токсичных кислородосодержащих отходов. Этот микроорганизм уже использовал генетические переключатели; с их помощью он контролировал приток железа, а также создавал кирпичики для строительства белков и ДНК. Иными словами, это было достаточно гибкое и легко адаптирующееся существо.

От этого общего предка путем эволюции произошли все присутствующие сегодня на планете живые организмы. Естественно, их управляющие схемы тоже эволюционировали. Эволюционная ветвь, в конце которой находится E. coli, обзавелась в процессе развития дополнительными системами регуляции: к примеру, теми, что позволяют микроорганизму ощущать и расщеплять новые сахара. Эксперименты на живых E. coli помогли пролить свет на то, как мутации и естественный отбор когда‑то перестраивали управляющую схему бактерии. Один из самых распространенных типов мутаций — тот, при котором случайно дублируется тот или иной участок ДНК. В некоторых случаях E. coli может оказаться обладательницей двух переключателей, контролирующих один и тот же ген. Если ген, отвечающий за один из этих переключателей, мутирует, то переключатель может начать контролировать еще какой‑то ген. В других случаях дополнительные копии генов, получившиеся при дупликации, контролируются переключателем, который включает и первоначальный ген.

Предки E. coli перестраивали свои схемы по мере адаптации к новому образу жизни. Иногда самого крохотного изменения в схеме достаточно для получения нового важного приспособления; к примеру, таким изменением может стать добавление лишнего переключателя или удаление одного из имеющихся. Один из подобных слегка измененных контуров позволяет E. coli почувствовать падение уровня кислорода и вовремя перейти на древний бескислородный метаболизм. Этот контур почти полностью — с точностью до гена — идентичен контуру, отвечающему за чувствительность к кислороду у Haemophilus influenzae — вида бактерий, обитающих в крови. У Haemophilus один переключатель активирует два гена, которые затем активируют все остальные гены, необходимые бактерии для перехода на бескислородный обмен. Это быстрый механизм, вполне соответствующий потребностям Haemophilus influenzae, поскольку обитает эта бактерия в крови и всякий раз при переходе из артерий в вены сталкивается с резким падением уровня кислорода в окружающей среде.

С другой стороны, E. coli не спешит переключаться, ощутив лишь легкое падение уровня кислорода. Поскольку обитает она в относительно стабильной обстановке — в кишечнике, ей, в отличие от гемофилюса, редко приходится испытывать его внезапное и долгосрочное падение. Легкая флуктуация уровня кислорода может оказаться ложной тревогой, и мгновенная реакция легко могла бы заставить E. coli потратить кучу энергии на производство ферментов, которые потом не пригодятся. Это жизненное обстоятельство отразилось в кислородном контуре E. coli. Он во всем идентичен контуру Haemophilus influenzae, за исключением одного лишнего гена — narL.

У гемофилюса переключатель /л г сразу же включает гены frdB и frdC. Но у E. coli для их активации требуется также сигнал от narL. Чтобы fnr сумел поднять уровень белка NarL до величины, нужной для получения двумя генами обоих необходимых сигналов, требуется определенное время. При небольшом падении уровня кислорода этот процесс просто не успеет завершиться.

В ходе эволюции управляющая схема E. coli стала весьма и весьма устойчивой. Развитие искусственных, созданных человеком сетей помогает представить себе, как это происходило. Интернет, способный донести ваши электронные письма в любой уголок земного шара, появился не сразу в готовом виде. Он возник в 1969 г. как примитивная связь между компьютерами Калифорнийского университета в Лос — Анджелесе и Стэнфордского исследовательского института в Пало- Альто (штат Калифорния). Постепенно, с годами, к системе подключались новые организации, между ними возникали новые связи. Интернет стал устойчивым благодаря принципам своей архитектуры. Но ведь в 1969 г.никто не писал и не разрабатывал точных спецификаций на весь Интернет! Они появились сами по ходу развития. Компьютерщики, как правило, заботились в первую очередь о том, как работает каждый небольшой участок сети. Их беспокоила стоимость дальних соединений между серверами, поэтому они старались сделать все связи как можно более короткими.

Управляющая схема E. coli формировалась похожим образом. По мере того как происходила случайная дупликация генов, сеть усложнялась. Мутации соединяли заново некоторые новые гены, так чтобы они могли взаимодействовать с другими генами. Естественный отбор подхватывал благоприятные мутации и отвергал остальные. Создавая эффективные небольшие контуры, эволюция заодно формировала и устойчивую сеть.

На дуврском судебном процессе по поводу преподавания разумного замысла в школе креационисты с удовольствием сравнивали биологические системы с техническими устройствами. С их точки зрения, если что‑то в устройстве E. coli или другого организма напоминает машину, значит, это что‑то было сконструировано и создано неким разумом. И все же в конечном итоге все доказательства разумного замысла притянуты за уши. Тот факт, что E. coli и созданная человеком сеть в некоторых отношениях поразительно похожи, вовсе не означает, что микроорганизмы появились в результате разумного замысла. На самом деле факт сходства означает, что конструкторская мысль человека намного менее разумна, чем мы привыкли полагать. Наши лучшие изобретения возникают не в результате величественного полета к сияющим вершинам мысли, а в результате медленного близорукого перебора бесконечных вариантов.