Глава 1
Введение. Белокровная рыба с острова Буве

Возможно, это самый одинокий уголок земли в бескрайнем океане.

Крохотный островок Буве — маленькое пятнышко в широких просторах Южной Атлантики. Он расположен в 2 тыс. км к юго-западу от мыса Доброй Надежды (Африка) и почти в 4 тыс. км на восток от мыса Горн (Южная Америка) (рис. 1.1). Великий капитан Джеймс Кук на судне «Резолюшн» дважды безуспешно пытался найти этот остров во время плавания по Южным морям в 1770-х гг. Остров покрыт толстенным слоем льда, заканчивающимся отвесными скалами, которые обрываются у черных вулканических берегов. Люди и сейчас не очень часто посещают этот остров, где среднегодовая температура воздуха ниже температуры замерзания воды.

К счастью для естественной истории и для моего рассказа, норвежское исследовательское судно «Норвегия» побывало на острове Буве в 1928 г. Высадка на берег нужна была, чтобы обустроить укрытие и оставить запас провианта для моряков на случай кораблекрушений. Во время стоянки корабельный биолог Дитлеф Рустад, тогда еще студент, изучавший зоологию, поймал несколько забавных рыб. Они во многом напоминали обычных рыб — у них были большие глаза, крупные грудные и хвостовые плавники и длинная, полная зубов выпяченная челюсть. Но они были невероятно бледными, практически прозрачными (рис. 1.2; рис. A и B цветной вкладки).

При более внимательном изучении этих странных животных, которых Рустад назвал «белыми крокодиловыми рыбами», выяснилось, что кровь у них совершенно бесцветная.

Через два года Йохан Рууд, однокурсник Рустада, отправился в Антарктику на китобойном судне «Викинг». Когда один из членов экипажа, занимавшийся добычей ворвани, спросил его: «А ты знаешь, что тут встречаются рыбы, у которых нет крови?», Рууд подумал, что тот просто подшучивает над ним. Он решил подыграть и ответил: «Неужели? Прихвати для меня парочку, пожалуйста!»

Рууд хорошо знал физиологию животных и был абсолютно уверен в том, что бескровных рыб быть не должно: во всех учебниках однозначно утверждалось, что все позвоночные (рыбы, земноводные, рептилии, птицы и млекопитающие) содержат в крови красные кровяные клетки, в которых, в свою очередь, содержится необходимый для дыхания окрашенный гемоглобин. Это так же очевидно, как то, что все дышат кислородом. Поэтому, когда китобои вернулись на борт, не привезя с собой ни одной blodlaus-fisk (бескровной рыбы), Рууд выбросил этот эпизод из головы, сочтя его элементом морского фольклора.

Через год он вернулся в Норвегию и рассказал эту историю Рустаду. К его невероятному изумлению, Рустад сообщил, что видел такую рыбу, и показал ему фотографии, которые сделал во время экспедиции.

Около 20 лет Рууд ничего не слышал о белокровных рыбах. Но потом другой норвежский биолог вернулся из антарктической экспедиции, привезя с собой белокровную рыбу из других мест. Любопытство вновь охватило Рууда, и он стал просить своих коллег, работавших в Антарктике, обращать внимание на рыбу, которую китобои называли «дьявольской рыбой» или просто «ледяной», поскольку ее тело было практически прозрачным. Наконец, в 1953 г., почти через 25 лет после своего первого путешествия, Рууд сам вернулся в Антарктику в надежде поймать и изучить этих странных рыб и разгадать тайну их крови.

Рууд организовал самодельную лабораторию на острове Южная Георгия (именно сюда прибыл в 1916 г. исследователь Антарктики Эрнест Шеклтон, спасая команду зажатого во льдах судна «Эндуранс»). Он сразу раздобыл несколько ценных экземпляров рыб и принялся анализировать их странную кровь. Результаты его исследований, опубликованные в 1954 г., по-прежнему вызывают шок у любого биолога, видящего их в первый раз. У этих рыб вообще не было переносящих кислород красных кровяных клеток, которые до открытия этих странных антарктических существ находили у каждого позвоночного животного. И до сих пор ученые не знают других примеров белокровных позвоночных, за исключением известных на сегодняшний день примерно 15 видов ледяных рыб.

В красных кровяных клетках (эритроцитах) содержится много молекул гемоглобина, которые связывают кислород в легких или жабрах, а затем высвобождают его в других участках тела в процессе циркуляции крови. Молекула гемоглобина состоит из белка глобина и небольшой молекулы, называемой гемом. Красный цвет крови связан именно с наличием гема, встроенного в гемоглобин и связывающего кислород. Если бы у нас не было эритроцитов, мы бы умерли (и умираем: патологическое состояние, связанное с низким уровнем содержания эритроцитов, называется анемией). Даже у близких родственников ледяных рыб, таких как антарктический каменный окунь и новозеландская масляная рыба, кровь красная.

Обнаружение столь удивительных рыб вызвало множество вопросов. Где, когда и как они появились? Что произошло с их гемоглобином? Как могут эти рыбы обходиться без эритроцитов?

Часто о происхождении вида можно судить по ископаемым останкам, однако подобных источников информации в случае ледяной рыбы и ее родственников не обнаружено. Но даже если бы мы и нашли такие останки, то на их основании мы не смогли бы определить, какого цвета кровь была у этих животных и когда она изменилась. К счастью, у нас есть другой источник информации об истории эволюции ледяной рыбы — ее ДНК.

Ясный и совершенно ошеломляющий ответ на вопрос о том, что случилось с гемоглобином ледяной рыбы, был получен через 40 с лишним лет после того, как Рууд взял образцы их крови. У этих удивительных рыб перестали работать два гена, которые у всех остальных позвоночных кодируют белок глобин. Один из этих двух генов превратился в «молекулярное ископаемое»: он по-прежнему присутствует в ДНК ледяной рыбы, но стал ненужным и частично разрушился, подобно тому как окаменелости рассыпаются под влиянием внешней среды. Второй ген глобина, который в ДНК обычных рыб находится непосредственно рядом с первым, полностью исчез. Таким образом, ледяная рыба навсегда лишилась генов для синтеза молекулы, которая на протяжении 500 млн лет поддерживала жизнь ее предшественников.

Что стало причиной отказа от средства поддержания жизни, которым пользуются все другие позвоночные животные на нашей планете?

Необходимость и возможность, вызванные серьезными и длительными изменениями температуры океана и подводных течений.

Около 55 млн лет назад температура воды в Южном Океане упала от примерно +20 до -1 °C в некоторых районах. Примерно 33–34 млн лет назад в результате движения тектонических плит Антарктида отделилась от южной оконечности Южной Америки и оказалась окружена океаном со всех сторон. Последовавшее за этим изменение морских течений изолировало воды, окружающие Антарктиду, так что они перестали перемешиваться с водами других районов океана. Рыбы вынуждены были либо адаптироваться к подобным переменам, либо вымереть (именно эта судьба постигла большинство видов). В то время как все остальные исчезли, одна группа рыб сумела извлечь выгоду из новых условий обитания. Ледяные рыбы — это небольшое семейство, относящееся к более обширному подотряду нототениевых рыб, который, включает в себя около 200 видов и сегодня доминирует в водах антарктического региона.

Низкая температура воды в Антарктике представляет собой серьезную проблему для функционирования организма. Как масло в моем автомобиле зимой в Висконсине, жидкости организма при температуре замерзания воды становятся очень вязкими, что затрудняет их циркуляцию. Антарктические рыбы вышли из положения, снизив содержание эритроцитов в циркулирующей крови. Гематокрит (доля эритроцитов во всем объеме крови) обычных антарктических рыб составляет от 15 до 18 %, тогда как у нас с вами гематокрит находится на уровне 45 %. Однако у ледяной рыбы этот процесс пошел еще дальше, и эритроциты были удалены из крови полностью, а гены гемоглобина за ненадобностью разрушились под грузом мутаций. Кровь ледяной рыбы настолько разбавлена, что содержит лишь 1 % клеток (исключительно белых клеток крови), так что можно сказать, что в их жилах течет вместо крови ледяная вода! Как же эти существа обходятся без необходимого для жизни гемоглобина?

Теперь понятно, что потеря гемоглобина сопровождалась целой серией изменений, которые позволили ледяной рыбе прекрасно чувствовать себя при отрицательной температуре. Одно из важных различий между теплой и холодной водой заключается в том, что в холодной воде кислород растворяется гораздо лучше, чем в теплой. Ледяные воды океана чрезвычайно богаты кислородом. У ледяной рыбы довольно крупные жабры и кожа без чешуи, но с очень толстыми капиллярами. Эти две особенности повышают ее способность поглощать кислород из воды. Кроме того, у ледяной рыбы более крупное сердце и больше объем крови, чем у ее родственников, обладающих красной кровью.

Сердце ледяной рыбы имеет и еще одну принципиальную особенность — оно зачастую очень бледное. Розовый цвет сердец (и скелетных мышц) позвоночных животных связан с присутствием другой молекулы, содержащей гем и связывающей кислород, которая называется миоглобином. Миоглобин связывает кислород более прочно, чем гемоглобин, и запасает его в мышцах, откуда кислород высвобождается при физической нагрузке. В мышцах китов, тюленей и дельфинов так много миоглобина, что эти мышцы коричневого цвета. Высокое содержание миоглобина позволяет этим животным долгое время находиться под водой. Однако в организме ледяных рыб миоглобин не заменяет гемоглобин. Он, как и гемоглобин, отсутствует в мышцах всех ледяных рыб и в сердцах у пяти их видов (поэтому они такие бледные). У позвоночных животных белок миоглобин кодируется одним-единственным геном. Анализ ДНК ледяных рыб с бледным сердцем показал, что их ген миоглобина мутирован: в него встроено пять дополнительных оснований ДНК, что нарушило код, необходимый для синтеза нормального миоглобина. У этих видов ген миоглобина тоже начал превращаться в ископаемый ген. Изменения в сердечно-сосудистой системе ледяной рыбы позволяют ей получать и доставлять к тканям необходимое количество кислорода без участия двух главных молекулярных переносчиков кислорода.

Жизнь в очень холодной воде потребовала от рыб и других изменений — бесспорные тому свидетельства обнаружены на многих участках их генома. Чтобы приспособиться к жизни в холоде, должны измениться даже основные внутриклеточные структуры. Например, основной каркас, или «скелет», клеток образован микротрубочками. Эти структуры участвуют в делении и перемещении клеток, а также определяют их форму. Белки, образующие микротрубочки, выполняют в клетках так много важных функций, что почти без изменений сохранились не только у всех позвоночных, но у всех эукариот (к которым среди прочих организмов относятся животные, растения и грибы). При температуре ниже 0 °C микротрубочки в клетках млекопитающих становятся нестабильными. Если бы это происходило у антарктических рыб, они бы давно вымерли. Но у них, напротив, микротрубочки собираются в стабильные структуры как раз при отрицательной температуре. Это замечательное свойство микротрубочек связано с серией изменений в генах, кодирующих компоненты микротрубочек, и эти изменения произошли лишь у рыб, обитающих в холодной воде (не только у ледяных, но и у их родственников, обладающих красной кровью).

Изменения произошли и во многих других генах, что позволило всем физиологическим процессам протекать при отрицательной температуре. Однако адаптация к холоду не ограничилась модификацией одних генов и исчезновением других; потребовались и некоторые нововведения. Прежде всего следует рассказать о появлении «белков-антифризов». В плазме антарктических рыб очень много этих необычных белков, которые помогают рыбам жить в ледяной воде, снижая пороговое значение температуры образования ледяных кристаллов. Не будь этих белков, рыба полностью заморозилась бы. Структура у них очень необычная и очень простая. Они состоят из последовательностей всего трех аминокислот, которые повторяются от 4 до 55 раз, тогда как большинство белков построены из 20 типов аминокислотных остатков. У обитателей теплых морей нет похожих белков, и это означает, что «белки-антифризы» в какой-то момент были «изобретены» антарктическими рыбами. Как же они возникли?

Кристина Чхен, Артур де Фрис и их коллеги из Университета Иллинойса обнаружили, что гены этих странных белков образовались из части другого, совершенно не родственного гена. Этот исходный ген кодировал пищеварительный фермент. Небольшой фрагмент этого гена выделился из последовательности и встроился в другое место в геноме ледяных рыб. Из этого фрагмента, состоящего всего из девяти нуклеотидов, образовался новый ген, кодирующий «белок-антифриз». Происхождение «белков-антифризов» является прекрасным примером того, что эволюция чаще всего идет по пути использования уже имеющегося материала (в данном случае небольшого фрагмента другого гена), чем по пути изобретения чего-то абсолютно нового.

Как житель холодного региона я восхищаюсь изобретательностью и мужеством ледяных рыб. Нам в Висконсине приходится использовать всякие ухищрения, чтобы заставить наши автомобили двигаться при отрицательной температуре, в то время как ледяные рыбы ухитрились полностью заменить всю рабочую систему, не останавливая двигатель. Они изобрели новый антифриз, заменили обычное масло (кровь) на масло с чрезвычайно низкой вязкостью, расширили топливный насос (сердце) и отбросили некоторые лишние детали — те, которыми были оснащены все «модели» рыб на протяжении 500 млн лет.

Информация, заключенная в ДНК ледяной рыбы, а также любого другого вида, представляет собой совершенно новый источник данных о ходе эволюционного процесса. Эта информация позволяет нам видеть больше, чем просто кости и кровь, она позволяет напрямую заглянуть в тексты, записанные в ходе эволюции. Создание такого удивительного существа, каким является ледяная рыба, на уровне ДНК выглядит как обычный, в некоторой степени случайный процесс формирования более приспособленного вида. Ледяная рыба возникла из обычной рыбы с красной кровью, которая была плохо приспособлена к жизни в холодной воде. Адаптация ледяной рыбы к изменяющимся условиям существования в Южном океане не была мгновенным изобретением, как не была она результатом направленного «прогрессивного» процесса. Это была импровизированная серия многочисленных изменений, в числе которых изобретение нового гена, разрушение старого и модификация многих других.

Сравнивая гены различных видов ледяных рыб с генами их ближайших родственников с красной кровью, а также с генами других антарктических рыб, мы можем увидеть изменения, происходившие на разных этапах эволюции ледяной рыбы. Все 200 видов антарктических рыб, относящихся к семейству нототениевых, имеют гены «белков-антифризов», что означает, что это давнее приобретение. Также у всех этих рыб модифицированы гены микротрубочек. Однако лишь примерно у 15 видов ледяных рыб имеются «ископаемые» гены гемоглобина. Это означает, что гены гемоглобина перестали работать примерно в то же время, когда появились ледяные рыбы. Более того, некоторые ледяные рыбы не имеют миоглобина, но другие его по-прежнему синтезируют. То есть изменения в генах миоглобина произошли позднее, чем возникли ледяные рыбы, и процесс использования (или неиспользования) миоглобина продолжает эволюционировать. Сравнивая другие последовательности ДНК, можно построить график этих событий на фоне изменений климата в Южной Атлантике, который показывает, что антарктические нототении возникли 25 млн лет назад, а ледяные рыбы — лишь 8 млн лет назад (рис. 1.3). Анализ ДНК показывает, что ледяная рыба «перешла границу» между жизнью в теплой воде и зависимостью от гемоглобина к жизни в очень холодной воде и отказу от гемоглобина (а иногда и миоглобина) не за один скачок, а в результате многостадийного процесса.

Зафиксированные на уровне ДНК многочисленные модификации, произошедшие в организме ледяных рыб при их отделении от теплолюбивого древнего предшественника с красной кровью, наглядно демонстрируют два главных принципа эволюции — естественный отбор и наследование с изменениями. Впервые эти принципы были провозглашены за 100 лет до Рустада и Рууда другим зоологом, Чарльзом Дарвином. Чтобы я мог в полном объеме продемонстрировать вам значение заключенной в ДНК информации, важно вспомнить эти два принципа и их первую формулировку в книге «О происхождении видов».