Часть IV. Другие пути

Когда опускается темная безлунная ночь, из своего укрытия появляется обыкновенный малый фонареглаз.

Эта рыба (ее научное название Photoblepharon palpebratus) обитает в морях, омывающих архипелаг Банда в Индонезии. Дни свои она коротает в подводных пещерах на глубине более 30 м. После наступления темноты рыба выплывает из пещеры и поднимается к поверхности. Она охотится на мелких насекомых – для этого-то ее тело и светится.

Как и любое другое животное, фонареглаз представляет собой набор органов. Его кожа действует как защитный барьер. Его жабры поглощают кислород. Его желудок переваривает добычу. Каждый орган отличается от остальных, потому что его клетки вырабатывают свой набор молекул и используют свою сеть генов. Свечение исходит от пары похожих на бобы желез, находящихся под каждым глазом. Этот свет создается светящимися белками, которые производятся клетками в железах-бобах.

Свечение может показаться не очень разумной идеей, если вы маленькая рыбка, плавающая в полном хищников море. Однако фонареглаз умеет использовать его и для бегства от врагов. Чтобы улизнуть, он сначала резко устремляется вперед, так что светящиеся органы прочерчивают прямую линию в воде, а потом вдруг прячет светящиеся органы в специальные кармашки на голове. Рыба внезапно для врага становится невидимой и незаметно отклоняется от линии, вдоль которой плыла, – а хищнику остается двигаться туда, где уже никого нет.

С помощью таких приемов светящиеся органы помогают рыбам прожить достаточно долго, чтобы размножиться. Самцы выбрасывают сперматозоиды в воду, чтобы оплодотворить женские яйцеклетки (икринки), которые после этого развиваются сначала в мальков, а затем и во взрослых рыб. Подобное порождает подобное – это столь же верно для фонареглаза, сколь и для любого другого животного. У каждого нового поколения образуются плавники, глаза, челюсти и жабры в точности так, как это было у их предков. И светящиеся органы – не исключение.

В 1971 г. двое ученых – Ята Ханэда из Городского музея Йокосуки и Фредерик Цудзи из Питтсбургского университета – отправились к островам Банда, чтобы исследовать эту интересную рыбу. По вечерам они отплывали от берега на каноэ. Затем они гасили на лодке все огни и высматривали в воде светящихся рыб. Выловив нескольких особей сетью, Ханэда и Цудзи поместили их в банки с морской водой, а затем препарировали светящиеся органы. Даже после извлечения те не гасли. (Как раз потому, что эти органы могут светиться часами, местные рыбаки используют их в качестве приманки, нацепляя на крючок.)

Ханэда и Цудзи исследовали светящиеся органы под микроскопом, чтобы понять, как они работают. Может быть, рыба производит свет подобно светлячкам? У тех в ДНК есть ген, отвечающий за синтез белка люциферина. Насекомые накапливают этот белок в клетках брюшка. Когда они хотят послать сигнал своим собратьям-светлячкам, то с помощью других белков изменяют люциферин так, что тот начинает светиться. Светлячки наследуют ген, отвечающий за синтез люциферина, от своих родителей – вместе с остальными генами.

Но исследователи выяснили, что у фонареглаза нет генов для свечения. Светящиеся клетки в их органах не принадлежали самой рыбе. То были клетки бактерий.

Однако не простых бактерий. У всех фонареглазов в светящихся органах обитали микробы одного и того же штамма Candidatus Photodesmus blepharus. И если вам надо найти Candidatus Photodesmus blepharus, то единственный вид на земле, у которого вы можете их обнаружить, – это обыкновенный малый фонареглаз.

В тех же водах около островов Банда обитает похожий вид рыб – большой фонареглаз, у которого тоже есть светящийся орган с бактериями. Но с другими. Каждый вид фонареглазов получает по наследству собственного чрезвычайно редкого микробного партнера.

Все виды растений и животных, и мы в том числе, буквально пропитаны бактериями. По некоторым оценкам, в каждом человеке содержится около 37 трлн человеческих клеток и примерно такое же количество бактерий. Нашу бактериальную часть легко вообще не заметить, потому что человеческие клетки в сотни раз крупнее клеток микробов. Но ее не стоит игнорировать. У нас внутри живут тысячи видов микроорганизмов, каждый из которых несет тысячи собственных генов, совсем не похожих на наши. И в этом смысле мы не отличаемся от других животных – какого-нибудь португальского кораблика, пустынного скорпиона или морского слона. И даже не сильно отличаемся от ясенелистного клена или крокуса.

Лучше всего мы знаем тех бактерий, которые вызывают заболевания, едят нашу кожу и свирепствуют в наших кишках. Между тем даже в обладателе самого замечательного здоровья полным-полно постоянных жильцов. Некоторые безвредно цепляются к своим хозяевам, захватывая молекулы отходов. Другие выполняют задачи, от которых зависит выживание их хозяев. Если у фонареглаза не будет бактерий, то не станет и фонареглаза. Еще целый ряд микробов выполняет задачи менее заметные, но не менее важные. Они вырабатывают витамины, обучают иммунную систему «уравновешенности», формируют живой барьер на пути опасных патогенов. Это сообщество бактерий называется «микробиом», и оно размывает любые представления о том, что значит быть отдельным организмом. Если бы мы стали по-настоящему отдельными, без микробиома, мы бы заболели и, вероятно, умерли.

Каждое новое поколение всех видов обзаводится микробиомом. В некотором смысле такой цикл очень похож на наследственность. Новое животное не получает свои синтезированные с нуля гены из ниоткуда. Эти гены были в клетках его предков и неоднократно удваивались в ходе удивительного путешествия к каждому последующему животному. Человек, например, начинается с зиготы, наполненной генами, которые при каждом делении копируются. Сначала они оказываются в тотипотентных клетках, потом в плюрипотентных, а затем в тех, из которых образуются определенные ткани. Некоторые из них становятся клетками зародышевой линии. Они мигрируют по организму, доставляя свои гены туда, где позже сформируются семенники. Спустя годы из потомков этих клеток могут получиться длиннохвостые сперматозоиды, каждый из которых содержит только один набор генов. Хотя у мужчины в течение жизни образуются миллиарды сперматозоидов, лишь некоторые из них попадут из его тела в женские половые пути и уж совсем немногие доставят свои гены в яйцеклетку.

Гены бактерий могут передаваться похожим образом, когда следующее поколение хозяев получает свои микроорганизмы. Один из самых изумительных таких переходов осуществляется на глубине сотен метров под водой, где вокруг разломов на морском дне разрастаются колонии моллюсков из семейства Vesicomyidae. Моллюски поглощают поднимающийся из этих трещин сероводород – ядовитое химическое вещество, которое придает тухлым яйцам их характерный омерзительный запах. Газ впитывается в их мышцы, а затем кровеносная система переносит его к жабрам. В жабрах имеются специальные клетки, которых нет у других видов моллюсков, эти клетки отделяют атомы серы от молекул сероводорода, и при разрушении химической связи высвобождается энергия. Моллюски используют эту энергию, чтобы объединить углерод, водород и кислород в молекулу сахара. Они делают примерно то же, чем занимаются деревья, но вместо солнечного света пользуются подземной химической энергией.

Если точнее, моллюски не сами захватывают энергию с морского дна. Специализированные клетки в их жабрах – на самом деле бактериальные. У них есть ген, который кодирует белок, умеющий расщеплять сероводород. В обмен на эту услугу моллюски предоставляют бактериям хорошо оборудованный домик. Моллюски без бактерий будут голодать, бактерии без моллюсков вряд ли смогут существовать.

Эти взаимоотношения примечательны по многим причинам – и в том числе географическим. Поскольку упомянутые моллюски могут жить только там, где из морского дна просачивается сероводород, их колонии милями отделены друг от друга. Моллюски выбрасывают свои половые клетки в воду, и после оплодотворения их личинки дрейфуют в океан. Большинство из них осядет на пустынное дно и умрет. Лишь немногие окажутся в тех местах, где смогут расти. Они принесут с собой и бактерий, необходимых им для выживания, – так же, как делали их предки.

Поскольку практически невозможно выращивать глубоководных существ в лабораторных условиях, исследователям сложно понять, как моллюскам удается сохранять своих партнеров. Поэтому в поисках ответа ученые поднимают моллюсков с морского дна и вскрывают их мертвые тела. В 1993 г. Крейг Кэри и Стивен Джованнони из Университета штата Орегон использовали поиск бактериальной ДНК, чтобы выяснить, где внутри моллюска находятся бактерии. Исследователи нашли их в клетках жабр. Но кроме того, бактериальная ДНК была найдена и в органах, где образуются яйцеклетки моллюсков. Каким-то образом бактерии перемещались по моллюску из жабр к яйцеклеткам, чтобы проникнуть в следующее поколение животных. Новые моллюски с рождения оказываются инфицированными, получив по наследству расширенный набор генов: как от животных, так и от бактерий.

Интересно, что бы подумал Дарвин об этих моллюсках? Представляя себе наследственность, он считал, что геммулы стекаются из всех частей тела к половым клеткам, где объединяются, чтобы передать свойства организма следующим поколениям. Его теория пангенезиса оказалась неверной, и биологи отказались от нее как от одной из немногих дарвиновских ошибок. Вместо этого они приняли предложенное Августом Вейсманом строгое разделение клеток на две линии – зародышевую и соматическую. Теперь же исследователи обнаружили, что глубоководные моллюски используют геммуло-подобную наследственность, чтобы передать потомкам бактериальных партнеров.

Если бы эти глубоководные моллюски оказались единственным на земле видом, наследующим жизненно необходимые ему свойства таким способом, можно было бы счесть это исключением и отмахнуться от него точно так же, как когда-то сочли случайностью и сначала проигнорировали заразный рак тасманийского дьявола. Но моллюски не одиноки. Попадание необходимых бактерий к своим яйцеклеткам обеспечивают многие животные. И некоторых из них, например тараканов, изучать гораздо проще.

К тем микробам, что живут внутри тараканов, относят, в частности, Blattabacterium. Как и у моллюсков, у этих насекомых развились специальные клетки, внутри которых обитают бактерии. Вместо попадающего в морскую воду сероводорода тараканы используют для своего питания органическое вещество с поверхности земли, они находят его под пологом леса или в обычной нью-йоркской квартире. Blattabacterium сыграли важнейшую роль в повсеместном распространении тараканов. Когда насекомые кормятся, они запасают азот в жировом теле, это специальный орган в брюшке. Некоторые клетки внутри жирового тела содержат Blattabacterium. Бактерии превращают азот в аминокислоты и другие вещества, необходимые тараканам для роста.

Иногда клетки с Blattabacterium отправляются в путешествие. Они покидают жировое тело, находят тараканьи яйцеклетки и прикрепляются к ним. А через несколько дней яйцеклетка их поглощает. Таким образом, новое поколение тараканов продолжит завоевание планеты.

Бактерии, живущие строго внутри хозяина, называются эндосимбионтами, но они были такими не всегда. Их предки обитали некогда снаружи своих хозяев. Свободноживущие родственники эндосимбионтов помогают ученым выяснить, каким образом некоторые бактерии превратились в таких близких партнеров. Шаг за шагом микроорганизм постепенно приближался к тому, чтобы всегда жить внутри хозяина.

Исследования показывают, что когда свободноживущие предки эндосимбионтов вступали в контакт с хозяином, будь то таракан, моллюск или один из миллионов других видов, они могли расти на нем или даже внутри него. По чистой случайности эти бактерии оказались чем-то полезными своим хозяевам, возможно, выделяя в виде отходов нужную тем аминокислоту. Если в результате хозяева преуспевали, у бактерий появлялось больше шансов размножаться в их внутренностях. Естественный отбор благоприятствовал тем бактериям, которые для своих хозяев были полезнее, поскольку их интересы совпадали. Подобным же образом их хозяева эволюционировали, чтобы выращивать бактерий. Появление специальных клеток для них обеспечило животным возможность наслаждаться бактериальными услугами.

По мере того как бактерии становились все более избалованными, они переставали испытывать нужду в генах, необходимых для выживания во внешней среде. Мутации, портящие эти ставшие лишними гены, больше не приводили к вымиранию. Бактерии генетически упрощались, их геномы сокращались в размерах на 90 % и более. Некоторые эндосимбионты утратили способность вообще что-либо делать – за исключением того, что не умеют делать их хозяева.

И бактерии, и их хозяева-животные угодили в эволюционную ловушку, из которой нет выхода. Как только они оказались заперты в симбиозе, у них начался общий эволюционный путь. Когда насекомые разделяются на два вида, их эндосимбионты тоже разделяются. Их эволюционные деревья копируют друг друга, одинаково ветвясь на протяжении десятков миллионов лет.

Путь фонареглаза очень похож на тот, что прослеживается у моллюсков и тараканов. Он тоже организует специальные укрытия – светящиеся органы, – где могут благополучно жить бактерии. Каждое новое поколение фонареглазов наследует свежий запас бактерий того же вида. В сущности, рыба расширяет свой геном, включая туда гены, производящие свет. Просто эти гены принадлежат совсем другому виду. Поскольку эти бактерии приспособились к жизни в светящихся органах, они потеряли 80 % своего генома.

Однако есть одно важное различие. Самка фонареглаза не занимается аккуратным перемещением бактерий внутри своего тела, чтобы перенести их из светящегося органа в яйцеклетки. Ее потомки выходят из икринок без этих микробов, необходимых им для свечения. Чтобы завести свои собственные фонарики, мальки должны заразиться.

Каждый день, который взрослый фонареглаз проводит, затаившись в пещере, он теряет немного своих бактерий. И хотя Candidatus Photodesmus blepharus утратил большинство генов, необходимых для жизни во внешней среде, кое-что у него осталось. Некоторые гены позволяют ему отращивать жгутики, которыми он может двигать вперед-назад, чтобы плавать в море. Кроме того, у него сохранились гены для создания рецепторных белков, по-видимому, выполняющих роль молекулярного носа для вынюхивания, где находятся мальки малых фонареглазов, которых можно заразить. Однако в итоге именно от рыбы зависит, пустит ли она бактерий в свой светящийся орган. У нее имеется строгая система допуска: в тех же водах полно бактерий, обеспечивающих свечение большому фонареглазу, но их микробы сюда, к малому, проникнуть не могут.

Такой способ наследования более свободный, чем точная передача бактерий у моллюсков и тараканов. И все же здесь тоже присутствуют некоторые важные свойства наследственности. Передаваясь из поколения в поколение, бактерии и их гены не имеют прочной связи с генами хозяина. Но последствия те же: благодаря комбинированному геному на протяжении миллионов лет каждое последующее поколение рыб продолжает испускать кремовый свет в море Банда.

Наш собственный микробиом – еще одно отклонение от стандартной наследственности. У нас не формируется специальный карман для хранения в нем какого-то определенного вида бактерий. Если вы дадите антибиотик моллюску и убьете его потребляющих сероводород бактерий, то он умрет. Но какого-то одного вида бактерий, от которого бы зависела наша – человеческая – жизнь, не существует. На самом деле нет и никакого определенного вида бактерий, который присутствовал бы у всех людей. У каждого из нас свой персональный зоопарк.

Я проникся глубоким уважением к этому разнообразию несколько лет назад, посетив одну научную конференцию. Бродя среди беседующих людей, я наткнулся на биолога Роба Данна, который помахал перед моим носом ватной палочкой. Он спросил меня, не дам ли я ему образец содержимого моего пупка для проводимого им исследования. Я отношусь к тем людям, которые на подобную просьбу сразу отвечают «да», поэтому через несколько минут был уже в ближайшем мужском туалете, где сунул ватную палочку себе в пупок, а затем поместил ее в пластиковый пузырек со спиртом.

Данн и его коллеги собрали сотни таких пузырьков и выделили из каждого фрагменты ДНК. Большинство этих фрагментов были явно человеческими. Но некоторые принадлежали бактериям. Ученые искали совпадающие последовательности в базах данных в интернете, чтобы выяснить, к каким видам они относятся. В моем пупке они обнаружили 53 вида бактерий. Когда Данн прислал мне файл с моим личным каталогом пупковых бактерий, он сделал приписку: «Да ты, мой друг, страна чудес».

Надо отметить, что нет ничего необычного в наличии 53 видов бактерий в пупке, у некоторых Данн с коллегами нашел в два раза больше. Чтобы получить общее представление о разнообразии микроорганизмов, ученые проанализировали содержимое пупков 60 человек. Всего было выявлено 2368 видов бактерий. Не нашлось ни одного общего для всех людей вида. Восемь встречались как минимум у 70 % человек. Но 92 % видов можно было найти не более чем у 10 % обследованных. Большинство вообще присутствовали лишь у кого-нибудь одного. Посмотрев на свой список, я увидел в нем 17 видов, которые обнаружились исключительно у меня. Один из них, Marimonas, был ранее найден только в Марианской впадине, самой глубокой точке океана. Другой, Georgenia, живет в почве. В японской.

Сделав это открытие, я отправил Данну электронное письмо с сообщением, что никогда не бывал в Японии.

«Ну, значит, она побывала в тебе», – ответил Данн.

Неожиданность моего списка объясняется нашим глубочайшим незнанием микробного мира. Микробы невообразимо разнообразны, в одной ложке почвы их тысячи видов. Хотя микробиологи дают бактериям названия уже более века, до сих пор мы описали лишь малую часть этого одноклеточного разнообразия Земли. Глубоководные микробы были названы Marimonas, но у них, вероятно, есть множество родственных видов, приспособленных к другим условиям обитания, в том числе к жизни на человеческой коже.

Однако, несмотря на сложность человеческого микробиома, вы можете и здесь услышать отзвук наследственности. Микробиом появляется, когда мама засевает микробами своих детей. Когда именно начинается засев, пока неизвестно. Хотя ученые долгое время считали эмбрионов, находящихся в амниотическом мешке, стерильными, ряд исследований показывает, что есть по крайней мере несколько материнских бактерий, которые могут проникать к плоду. В любом случае совершенно ясно, что, как только ребенок начинает перемещаться по родовому каналу, он заражается. Бактерии, живущие на стенках канала, покрывают младенца микробной оболочкой. Некоторые из них будут жить на его коже, а другие проскользнут в рот и доберутся до кишечника.

Кормящая мать дополнительно снабжает своего малыша микробами. Они обитают на ее груди и попадают в молоко. Согласно данным, полученным в небольших исследованиях, те штаммы, которые при кормлении легче всего проникают в ребенка, очень хорошо умеют разрушать молочный сахар и превращать компоненты молока в витамины, необходимые малышу. Матери, по-видимому, осуществляют отбор, помогая одним видам бактерий попасть к ребенку и отфильтровывая другие. Грудное молоко содержит много питательных веществ, которые поглощаются младенцем, но там есть и некоторые углеводы, так называемые олигосахариды, которые не перевариваются. Точнее, не перевариваются людьми. Определенные штаммы кишечных бактерий с удовольствием потребляют эти олигосахариды и размножаются в кишечниках у малышей. Таким образом, матери могут передавать микробов будущим поколениям как наследственную информацию.

Чтобы разобраться, как микробы следуют за нами из поколения в поколение, микробиолог из Техасского университета Говард Охман с коллегами заглянул назад, в прошлое эволюции. Исследователи сравнили микробиомы людей и наших ближайших ныне живущих родственников: горилл, шимпанзе и бонобо. (Бонобо – вид человекообразных обезьян, отделившийся от общего с шимпанзе предка около 2 млн лет назад.) Оказалось, что многие разновидности бактерий, живущие в кишечнике человека, отсутствуют в кишечниках наших собратьев-обезьян. И наоборот, у этих обезьян есть свои собственные штаммы бактерий.

Когда Охман с коллегами сравнил эволюционные древа хозяев и их бактерий, они оказались очень схожими, с одинаковым рисунком ветвления. Микробы у шимпанзе ближе к человеческим, чем те, которые живут у горилл, а шимпанзе – наши ближайшие родственники. Исследования Охмана показали, что более 15 млн лет наши предки находились в тесном коэволюционном взаимодействии со своим микробиомом.

Отделившись от других человекообразных обезьян, гоминины вместе со своими микробами приспособились к новым типам питания. Наши предки приобрели способность культивировать наши штаммы бактерий – но не чужие. Олигосахариды в человеческом молоке отличаются от содержащихся в молоке других млекопитающих. Они подходят для выращивания некоторых наших штаммов бактерий и не пригодны для чужих, которые живут у других видов.

В некоторых случаях бактерии передаются от родителей к детям настолько стабильно, что могут играть роль грубых генеалогических записей. Микроб Helicobacter pylori давно уже приспособился к существованию в желудке человека. Неуязвимый для нашего желудочного сока, он поглощает глюкозу из пищи. Каким образом микроб переходит из одного человеческого желудка в другой, остается загадкой, но эпидемиологические исследования показывают, что заражение H. pylori происходит в раннем детстве. Эти бактерии обнаруживаются в зубном налете, попадая туда в результате обратного движения по пищеводу. Возможно, матери, как и другие члены семьи, заражают детей, передавая им бактерии из своего рта.

Как бы ни перемещался H. pylori, это чрезвычайно успешная бактерия. По некоторым оценкам, она живет в желудках большей части населения Земли. До появления антибиотиков ее встречаемость, вероятно, была близка к 100 %. У некоторых людей, зараженных этой бактерией, могут развиваться язвы и рак желудка, но в большинстве случаев H. pylori – наш друг. Она посылает сигналы развивающейся иммунной системе ребенка, помогая ей учиться аккуратно реагировать на угрозы, не слишком сильно, чтобы не повредить собственному организму. В желудках миллиардов людей микроб живет и размножается. Изучив мутации, накопившиеся у этой бактерии, ученые смогли нарисовать ее эволюционное древо.

Ветви этого дерева поразительно похожи на эволюционное древо нашего вида. H. pylori впервые заселился в человека в Африке 100 000 лет назад, и люди распространили эту бактерию по всему свету. Если вы хотите что-то узнать о своем происхождении, то можете изучить собственные гены. Но также вы можете получить и некоторую информацию от H. pylori, которого унаследовали от своих предков.

Не всех своих микробов дети получают от матерей или других родственников. Они могут подхватить бактерий от игрушек товарища, засовывая их в рот, от учителей, вытирающих грязь с их щеки, и даже из воздуха, которым дышат. Тем не менее и те бактерии, что свободно перемещаются между незнакомыми людьми, тоже переплетены с нашей наследственностью.

Чтобы увидеть подобное переплетение, представьте себе микробиом как наследуемую черту – вроде роста, интеллекта или вероятности сердечного приступа. И изучайте его именно с этой позиции. Микробиолог из Корнеллского университета Джулия Гудрич с коллегами так и сделала, она исследовала микробиомы близнецов, чтобы увидеть, как генетическое сходство хозяев влияет на микрофлору.

Ученые собрали образцы стула 1126 пар близнецов и составили список живущих там организмов. Среди тысяч видов бактерий они определили два десятка тех, по присутствию которых однояйцовые близнецы лучше коррелировали друг с другом, чем разнояйцовые. Иначе говоря, если какой-то из этих видов был у одного близнеца, то он с большой вероятностью был и у второго тоже. Ученые обнаружили, что у некоторых видов наследуемость оказалась лучше, чем у других. Самым наследуемым был Christensenella. Гудрич с коллегами оценила наследуемость этого вида примерно в 40 %. Это примерно такое же значение, как и у умеренно наследуемых черт, скажем тревожности.

Результаты данного исследования показали, что гены, которые мы наследуем от родителей, влияют на то, какие микробы у нас в итоге поселятся. Для дальнейшего изучения этой темы Гудрич с коллегами применила другой подход. Специалисты изучили человеческие геномы, отыскивая людей, имевших одинаковые аллели и одинаковые бактерии. Они обнаружили, что у людей с одним определенным вариантом гена было много микробов, принадлежащих к группе бифидобактерий. Понятно, почему именно этот аллель благоприятен для них. Он управляет геном, отвечающим за синтез белка, расщепляющего молочный сахар – лактозу. У младенцев этого белка – лактазы – производится много, чтобы расщеплять лактозу, содержащуюся в молоке. Многие дети, переходя на питание твердой пищей, перестают синтезировать лактазу. Однако у других есть аллель, позволяющий им продолжать вырабатывать лактазу и переваривать молочный сахар, будучи уже взрослыми.

Бифидобактерии размножаются в среде с лактозой, которая не успела перевариться до попадания в толстый кишечник. У людей, переваривающих лактозу, бифидобактерий обычно меньше. В тех же, у кого синтез лактазы выключается, бифидобактерий живет гораздо больше.

Не вполне понятно, почему Christensenella, для которой в исследовании Гудрич показана наибольшая наследуемость, вообще наследуется. По-видимому, мы еще просто не знаем чего-то, поскольку бактерия была открыта лишь в 2012 г. Ученые выяснили, что Christensenella расщепляет разные сахара, а другие виды бактерий питаются получающимися побочными продуктами.

Есть предположение, что Christensenella действует как распорядитель, участвуя в регулировании, сколько энергии из пищи достанется нашему организму, а сколько – нашему микробиому. Такое объяснение возникло, когда посмотрели, кто является носителем Christensenella, а кто нет: худощавые люди с большей вероятностью будут носителями, нежели полные. Другое подтверждение этой версии было получено в эксперименте, который Гудрич с коллегами провела на мышах. Исследователи заразили мышат Christensenella и затем вырастили их на обычном рационе. Бактерия поспособствовала стройности мышей. Мыши без Christensenella набрали 15 % веса, а их запас жира составил 25 % от веса тела. Мыши же, зараженные Christensenella, набрали лишь 10 % веса, а их жировой запас составил 21 %.

Эти открытия означают, что нам надо учитывать микробиом, если мы хотим выяснить, каким образом наследуется такой признак, как вес тела. Некоторые аллели, связанные с наследуемостью веса, не влияют напрямую на то, как наши клетки запасают жир. Мы наследуем аллель, который выращивает Christensenella в нашем кишечнике. А дальше все делает бактерия.

Есть вид микроорганизмов, который очень тесно соединен с нашими телами, и эта связь гораздо теснее той, что существует между фонареглазом и его обеспечивающим ему свечение микробом. Этот микроорганизм до такой степени стал частью нашей наследственности, всего нашего существования, что многие ученые на протяжении десятилетий отказывались признавать в нем свободноживущий когда-то организм. Я говорю о митохондриях – крошечных мешочках, производящих топливо внутри наших клеток.

Митохондрии впервые привлекли внимание биологов в конце XIX в., когда были разработаны новые вещества для окраски внутренних клеточных структур. При рассматривании этих окрашенных структур выяснилось, что клетки животных просто набиты какими-то загадочными гранулами. Немецкий биолог Рихард Альтман написал целую книгу об этих странных объектах и обильно проиллюстрировал ее с любовью выполненными рисунками необычайной точности. Альтман был поражен тем, насколько эти гранулы похожи на бактерий. Причем не только внешне – иногда автору удавалось разглядеть, что они и делятся надвое, как бактерии. Альтман был убежден, что они живые. Он назвал их «элементарными организмами». Ученый считал, что сами клетки возникли, когда эти гранулы собрались в колонии и построили вокруг себя укрытие из протоплазмы.

Для других биологов его идея прозвучала абсурдно. Они полностью ее отвергли, и Альтман превратился в желчного затворника. Он входил в свою лабораторию и выходил из нее через заднюю дверь, избегая любых встреч с людьми. Коллеги Альтмана в разговорах между собой называли его призраком. В 1900 г. в возрасте 48 лет Альтман умер при загадочных обстоятельствах.

«Все шло от плохого к худшему, – загадочно писал биолог Эдмунд Коудри в 1953 г., излагая историю исследования митохондрий, – и конец был в некотором роде ожидаемым и трагическим».

Коудри простил Альтману ошибочное представление о митохондриях, поскольку, по его словам, «сходство между ними и бактериями было действительно поразительным». В итоге Коудри и большинство других исследователей сочли их подобие исключительно поверхностным. Они думали, что митохондрии – это просто части клетки и их устройство кодируется ее собственными генами.

В последующие годы выяснилось, что митохондрии выполняют очень важную работу: они используют кислород и сахар, чтобы снабжать клетку топливом. Кроме того, ученые узнали, что митохондрии есть не только у животных, но и у растений, грибов и простейших, т. е. у всех эукариот. Проследив эти линии на древе жизни, удалось установить, что митохондрии должны были возникнуть у общего предка эукариот примерно 1,8 млрд лет назад.

В начале 1960-х гг. появилась удивительная новость о митохондриях: в них содержатся не только белки. Ученые обнаружили, что там присутствует еще и собственная ДНК, хотя и немного. В человеческих митохондриях всего 37 генов, тогда как в ядре около 20 000 генов, кодирующих белок. Тем не менее открытие митохондриальной ДНК озадачило исследователей. В наших клетках много компартментов – это, к примеру, лизосомы для расщепления молекул пищи, эндоплазматическая сеть для перемещения белков. Но среди них только у митохондрий есть свой собственный набор генов.

Биолог из Массачусетского университета Линн Маргулис заявила, что существует лишь один способ объяснить это открытие: пришла пора вспомнить старые теории Альтмана и других пионеров клеточной биологии. Полученные данные свидетельствовали о том, что митохондрии произошли от свободноживущих бактерий и до сих пор сохранили некоторые первоначальные гены.

Маргулис оказалась права. В 1970-х гг. ученые приступили к секвенированию митохондриальной ДНК. Они искали наиболее похожие гены у других видов и все чаще обнаруживали, что митохондрии больше всего напоминают бактерий. Исследователи смогли даже выделить одну конкретную наиболее генетически сходную с митохондриями группу, это оказались альфа-протеобактерии.

Сейчас мы знаем, что, прежде чем заполучить митохондрий, наши предки были одноклеточными организмами, которые жили, потребляя какой-то молекулярный «мусор», их окружающий. Примерно 1,8 млрд лет назад у них внутри навсегда поселился вид мелких бактерий, а конкретно альфа-протеобактерий. Изучение современных альфа-протеобактерий позволило ученым выдвинуть несколько предположений, как именно могло произойти такое объединение. Некоторые исследователи считают, что альфа-протеобактерии проскользнули в более крупные клетки как паразиты. Их хозяева сделали все возможное, чтобы уничтожить оккупантов, но альфа-протеобактерии сформировали свою систему защиты. Со временем они перестали перемещаться из клетки в клетку. Когда их хозяин делился, альфа-протеобактерии оказывались в каждой из дочерних клеток.

Другие ученые предположили, что сначала два микроба жили бок о бок. Они обменивались необходимыми питательными веществами, помогая друг другу благоденствовать. Чем ближе они оказывались к своему партнеру, тем надежнее становился обмен. В итоге эти клетки слились полностью.

Как бы то ни было, приобретение клетками митохондрий – один из крупнейших скачков в эволюции жизни. Теперь клетка могла получать топливо, производимое ее новыми жильцами. Чем больше митохондрий клетке удавалось в себе разместить, тем больше энергии было в ее распоряжении. Этот симбиоз придал большой толчок развитию, позволив эукариотическим клеткам стать гораздо крупнее и гораздо сложнее тех, что существовали ранее. Отныне не было нужды питаться молекулярными отходами – у эукариот теперь имелось достаточно топлива, чтобы гоняться за бактериями и поглощать их. Позже эти одноклеточные хищники начали склеиваться друг с другом, превращаясь в многоклеточных существ.

Устроившись в своем новом доме, митохондрии пошли по тому пути, которым обычно идут эндосимбионты. Они утратили многие гены, нужные им для самостоятельной жизни. Но митохондрии никогда не отказывались от собственной наследственности. Альтман, возможно, ошибался, считая митохондрий свободноживущими жизненными формами. Но он оказался прав, что подумал именно о бактериях, когда наблюдал за делением митохондрий. Внутри клетки митохондрия делится на две части, и дочерние митохондрии наследуют копии ее ДНК точно так же, как это происходило у их свободноживущих предков примерно 2 млрд лет назад.

Когда наша собственная клетка делится, дочерние клетки наследуют часть ее митохондрий, которые продолжают делиться на всем протяжении нашей жизни. Мы не переполняемся ими, потому что наши клетки, контролируя количество митохондрий, иногда их разрушают. Смерть организма обрывает линию митохондрий, живших в теле; шанс шагнуть в грядущее есть лишь у тех, которые обитают в яйцеклетках. У мужских митохондрий нет будущего, поскольку во время оплодотворения они разрушаются прямо в сперматозоиде.

Благодаря тому что митохондрии наследуются исключительно по материнской линии, их ДНК – мощный генеалогический инструмент. Используя его, ученые смогли идентифицировать семью Николая II. Другие исследователи с его помощью объединили всех ныне живущих людей, проследив их митохондриальную ДНК до одной женщины, жившей в Африке более 150 000 лет назад. Однако это независимое наследование митохондриальной ДНК может породить и большие проблемы.

Когда митохондрии копируют свою ДНК, они иногда ошибаются и возникает мутация. Некоторые из этих мутаций всего лишь нарушают работу системы, производящей топливо, но другие вызывают тяжелые наследственные заболевания. Они могут привести к слепоте, глухоте, атрофии мышц. Генетики десятилетиями не обращали внимания на многие такие наследственные заболевания, поскольку для них не выполнялся закон Менделя. В некоторых семьях болезнь только иногда поражает кого-то из родственников на протяжении многих поколений. В других семьях такое же заболевание может возникать у всех детей матери – носительницы мутации.

И лишь в конце 1980-х гг. ученые начали выявлять генетические основы митохондриальных заболеваний. С тех пор были найдены сотни таких заболеваний, от них страдает в среднем один человек из 4000. Интересно, однако, что у этих людей часто есть родственники без выраженных симптомов, но с той же мутацией в митохондриях.

Недоумение исчезнет, если вы будете исходить из того, что митохондрии – это вселившиеся в нас бактерии со своей собственной наследственностью. Если единичная митохондрия мутирует, то клетка будет продолжать нормально работать, потому что у нее есть еще сотни других, здоровых митохондрий. Когда клетка делится, одна из дочерних клеток наследует эту мутантную митохондрию. По мере деления мутантных митохондрий нагрузка на клетку возрастает. Когда число испорченных митохондрий превысит определенный порог, у клетки начнутся неприятности.

Содержание мутантных митохондрий способно увеличиваться из поколения в поколение. Женщина с низким их содержанием может родить детей, у которых количество неисправных митохондрий будет выше порогового, и митохондриальное заболевание разовьется в полной мере. Случайным образом некоторые из ее детей заболеют, а другие останутся здоровыми.

Изучение митохондриальных заболеваний, возможно, в итоге приведет ученых к ответу на главный вопрос митохондриальной наследственности: почему митохондрии передаются только по материнской линии? Никто из нас – как мужчин, так и женщин – не может жить без митохондрий. Сперматозоиды нуждаются в митохондриях, чтобы приплыть к месту зачатия. Ученые обнаружили несколько видов, у которых оба родителя передают свои митохондрии потомству. Один из них – чернильный гриб. Другой – герань. У мидий сыновья наследуют митохондрии от обоих родителей, а дочери – только от матерей. Но у подавляющего большинства видов отцы никогда не передают свои митохондрии потомству.

Все это указывает на то, что должно быть какое-то мощное преимущество в передаче митохондрий только по материнской линии. Возможно, такое наследование сформировалось потому, что смешивание митохондрий от обоих родителей способно обернуться катастрофой для их детей. В 2012 г. специалист по митохондриальным заболеваниям Дуглас Уоллес из Пенсильванского университета совместно с коллегами ввел митохондрии одной здоровой линии мышей в клетки другой генетической линии. Затем исследователи использовали эти смешанные клетки для получения мышиных эмбрионов. Когда животные выросли, у них обнаружилось множество проблем, особенно в поведении. Их аппетит заметно ухудшился, мыши испытывали напряжение и плохо обучались находить выход из лабиринта.

Наследование митохондрий только от одного родителя, вероятно, оказывается полезным для продвижения вперед в эволюционной гонке. После того как митохондрии стали передаваться только через яйцеклетку, матери время от времени «пересматривали» способы инвентаризации своих яйцеклеток, чтобы устранять те, где было слишком много мутаций. Бактерии, некогда заразившие наших предков, теперь представляют собой такую значительную часть нашей наследственности, что от их качества стало зависеть, какими окажутся новые человеческие существа.