Мы, люди, в принципе весьма мелочны, когда начинаем выяснять, что кому принадлежит и кто что изобрел. Бактерии и археи более снисходительны к подобным вещам и свободно обмениваются друг с другом генетическим материалом.

Основной (но не единственный) путь генетического обмена между бактериями пролегает через F-плазмиды, или плазмиды размножения, которые входят в состав генома некоторых бактерий. Плазмиды представляют собой довольно маленькие кольца ДНК с небольшим количеством генов.

В F-плазмиде эти гены активно способствуют сближению бактерий. Бактерия – носитель плазмиды – становится «донором» генов. Белки, гены которых расположены на плазмиде, образуют на поверхности бактерии ворсинки – половые пили (да, именно так они и называются). С помощью этих пилей осуществляется активный поиск других бактерий, не имеющих F-плазмид. При этом не имеет значения, о каких бактериях идет речь – того же или совершенно иного типа. Чувство стыда бактериям неизвестно. Как только половые пили вступают в контакт с другой бактерией, они укорачиваются и подтягивают ее к себе. А когда обе бактерии соприкасаются, между ними возникает связь, в ходе которой F-плазмида изготавливает собственную копию и внедряет ее в другую клетку. При этом зачастую передаются не только гены F-плазмиды, но и другие фрагменты ДНК, которые могут оказаться потенциально полезными, например формировать устойчивость против ядов и антибиотиков. Могут передаваться также гены, делающие доступными для бактерий новые виды питания.

Недавно в Японии выявили загадочный случай переселения генов: у кишечной бактерии нашли два энзима, которые встречаются только у морских бактерий. В этой связи возникает два вопроса:

1. Как эти специфические гены попали в человеческий кишечник?

2. Что им там нужно?

На оба вопроса можно дать простой ответ: суши. Но давайте по порядку. Оба энзима помогают морским бактериям переваривать трудноусвояемые сахариды водорослей (агарозу и порфиран). Речь идет именно о тех водорослях, из которых изготавливают нори – черно-зеленую оболочку для заворачивания риса и рыбы. Вполне возможно, что отдельные морские бактерии попали в организм человека вместе с суши. Там они встретились с местными бактериями и обменялись с ними некоторыми генами. Теперь гены морских бактерий позволяют кишечным бактериям усваивать сахара из водорослей, с которыми они раньше не справлялись. Таким образом, эти гены приносят пользу, по крайней мере японцам, которые регулярно и в достаточно больших количествах потребляют нори и суши.

Как видим, бактерии весьма непринужденно обращаются с чужим генетическим материалом, способствуя таким образом горизонтальному переносу генов. Но они не единственные, кто включает в свой геном украденный наследственный материал. Подобные вещи свойственны даже существам из «высших кругов»!

Знаменитый похититель генов скрывается в лесной полутьме. Это папоротник. Если бы он предстал перед судом за воровство, то поведал бы в свое оправдание трогательную историю… Он рассказал бы, что у него просто не было другого выхода. Его вынудили к этому цветковые растения!

В течение миллионов лет папоротники являлись королями мира растений. Все леса нашей планеты состояли из древовидных папоротников и хвойных деревьев. Но однажды где-то в подлеске раскрылась первая почка. Вообще самая первая. Прекрасно! Но этот факт, воспринятый поначалу папоротниками как курьез, через несколько миллионов лет стал настоящей проблемой, потому что цветковые растения начали сотрудничать с насекомыми, причем очень успешно. Они выросли в размерах и превратились в огромные деревья, украшенные цветами и густой листвой, которая заслоняла папоротникам солнечный свет и изгоняла их во все более дальние и мрачные уголки леса. Для светолюбивых папоротников это стало настоящей катастрофой. Они не могли выжить в такой чащобе.

Возможно, сегодня мы не нашли бы ни одного папоротника в густом лесу, если бы не одно благоприятное обстоятельство. Одна из спор папоротника угодила во влажный тенистый уголок и, пробиваясь в темноте сквозь лесную почву, заметила по соседству другую спору, которая, по всей видимости, была вполне довольна имеющимися условиями. Она принадлежала одному из видов мха семейства антоцерото-видных. Мхи и папоротники были знакомы уже с незапамятных времен. Мхи относились к простейшим растениям, которые долгое время находились в тени величественных папоротников. И вот теперь бывшие повелители лесов оказались вместе с ними в глухом темном углу.

Спора мха ободрительно улыбнулась и рассказала, что окружающая местность не так уж плоха. Главное – иметь нужные гены… И пока они беседовали, спора папоротника улучила момент, когда за ней никто не наблюдал, и «позаимствовала» нужные гены из генома мха. Раскрыть эту карманную кражу спустя миллионы лет было совсем не просто. Для этого потребовались специальные криминалистические методы, но мы полагаем, что все именно так и было. Возможно, ген перебрался в наследственный материал папоротника на спине транспозона.

Добычей споры папоротника стал неохром. Если это слово вызывает ассоциации с шикарным спортивным автомобилем, то вы не так уж далеки от истины, потому что приобретение неохрома стало для генома папоротника чем-то вроде тюнинга. Неохром представляет собой световой рецептор, но не совсем обычный. Как правило, в мире растений используются разные светочувствительные рецепторы для красного и синего цветов. Они помогают растениям оптимально использовать свет. Рецепторы подсказывают направление роста и разворота листьев. Однако в полутьме они функционируют не лучшим образом. И мхи в один прекрасный момент совершили весьма полезное открытие. Какой-то ретротранспозон ошибочно перенес мРНК рецептора синего цвета в ДНК, где она и закрепилась без всяких интронов. Впоследствии этот ген слился с геном рецептора красного цвета. В результате получился неохром – суперрецептор совершенно нового вида, позволяющий идеально использовать всю имеющуюся в распоряжении энергию света.

С этого момента для неприметного доселе вида папоротника начался период расцвета. История с неохромом оказалась настолько удачной, что приглянулась и некоторым его родственникам. Они тоже позаимствовали для себя копии неохрома (кстати, можно ли считать воровством случай, когда вещь украдена у вора?). Началось широкое распространение видов папоротника, живущих в тени, а те, кто по-прежнему предпочитал яркий свет, вынуждены были отойти на задний план.

Случай с папоротниками далеко не единственный. В наследственном материале растений и животных повсеместно обнаруживаются гены, ранее принадлежавшие другим живым организмам. И хотя подобные эпизоды происходят значительно реже, чем у бактерий, горизонтальный перенос генов служит одним из инструментов эволюции. Откуда конкретно берутся эти гены, особого значения не имеет. Важно то, что для этого используется любая благоприятная возможность.

В эволюции человека тоже не раз возникали ситуации, когда он присваивал чужое. В 2015 году ученые из Кембриджа установили, что 145 наших генов прежде принадлежали бактериям, протистам (одноклеточным организмам, обладающим ядром), археям, растениям и грибам. Мы приобрели их уже давно, и сегодня они являются неотъемлемой составной частью нашего генома. Это еще один аргумент для всех сомневающихся в том, что интеграция может быть успешной. Многие из данных генов играют важную роль в организме, в частности в механизме усвоения жирных кислот и в иммунной системе.

Все эти гены оказались в нашем наследственном материале более или менее случайно. Но среди них есть и те, что были внедрены целенаправленно. Это гены вирусов. Вирусы живут исключительно тем, что проникают в геномы наших клеток и нередко даже в ДНК. Обычно они размножаются там и разрушают пораженные клетки, но иногда события разворачиваются не по плану и наследственный материал вируса задерживается в клетке, не убивая ее. Если это происходит в половой клетке (например, в яйцеклетке), то вполне может случиться так, что вирус окажется частью генома данного вида организмов. Такие древние нуклеотидные последовательности вирусов (их насчитывается около 10 тысяч) составляют восемь процентов нашего генома. Большинство вирусных генов являются дефектными. То, что они были отключены в результате случайных мутаций, само по себе является преимуществом для организма-хозяина, но некоторые из них сумели проявить и какие-то полезные качества.