К весне 1976 г. группа Вёзе определила полные нуклеотидные последовательности 16S рРНК широкого круга бактерий. Далее ученые переключили внимание на одну особую группу микробов, называемых метаногенами. Эта очень необычная группа микроорганизмов получила название в связи со способностью производить метан в качестве побочного продукта при переработке углекислого газа и молекулярного водорода, из которых эти микробы получают энергию. На основании внешних признаков ученые считали метаногенов особой группой бактерий, однако произведенный Вёзе генетический анализ показал, что это вовсе не бактерии. Вёзе понял, что его исследования полностью перевернули основы биологической таксономии. Выяснилось, что самых древних ветвей на дереве жизни было не две (эукариоты и прокариоты), а три и все они отделились от корня на самых первых этапах развития жизни.
Вёзе назвал новую группу организмов архебактериями, но позднее их стали называть просто археями, что означает «древнейшие». Далее он начал перестраивать дерево жизни. На рисунке Вёзе все, что составляло дерево Дарвина, оказалось лишь одной ветвью нового дерева. В завершенном виде дерево было больше похоже на сложную несимметричную снежинку с тремя ветвями, отходившими от общего ствола в разных направлениях. Вёзе назвал эти три основных направления доменами. В кругах микробиологов это открытие назвали «революцией Вёзе».
В 1977 г. Вёзе, Фокс и НАСА объявили в прессе об открытии домена архей; по времени объявление совпало с публикацией соответствующей статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Новость была воспринята с недоверием и даже гневом. Усугубляло ситуацию еще и то, что Вёзе обладал репутацией чудаковатого затворника, занимающегося непонятными вещами. Некоторые считали, что его данные слишком фрагментарны для построения филогенетического дерева, а кто-то даже полагал, что Вёзе слегка тронулся умом. Один из самых влиятельных эволюционных биологов XX в. Эрнст Майр, ставший самым яростным критиком Вёзе, сообщил корреспонденту газеты New York Times, что работа Вёзе – полная бессмыслица. Вёзе обычно защищался от критики тем, что писал письма редакторам, но это слабо помогало. Его даже не пригласили на первую серьезную научную конференцию, посвященную обсуждению его теории. Впрочем, возможно, даже получив приглашение, он не приехал бы.
Однако к середине 1980-х гг. идеи Вёзе стали приобретать популярность. В 1992 г. он даже получил самую престижную в микробиологии награду – медаль Левенгука, вручаемую Королевской академией наук и искусств Нидерландов всего раз в десять лет. В 1996 г. группа Вёзе и группа его коллеги профессора Гари Олсена из Иллинойского университета опубликовали полную структуру генома археи Methanococcus jannaschii. В статье, вышедшей в журнале Science, они утверждали, что археи являются более близкими родственниками человека (эукариота), чем бактерий. В интервью, которое Вёзе дал вскоре после публикации статьи, он сказал следующее: «Археи – родственники нам, эукариотам. Они являются потомками микроорганизмов, которые миллиарды лет назад дали начало эукариотической клетке».
Анализ генома Methanococcus jannaschii способствовал признанию идей Вёзе в научном мире. В новую таксономию поверили многие ученые. Комментируя драматические перипетии научной карьеры Вёзе, журнал Science назвал его «покрытым шрамами революционером микробиологии» – это прозвище закрепилось за Вёзе на всю жизнь.
Революция Вёзе оказала глубокое влияние на продвижение исследований происхождения жизни. До Вёзе эту проблему обычно рассматривали снизу вверх. Такие ученые, как Стэнли Миллер и Сидней Фокс, пытались понять, какие простейшие химические процессы постепенно привели к появлению первых живых организмов.
Вёзе показал, что эту проблему можно решать, двигаясь в противоположном направлении. К истокам жизни можно вернуться с помощью эволюционных свидетельств, все еще присутствующих в генах современных организмов, произошедших от единого общего предка. Отслеживая генетические изменения в различных видах организмов, можно получить изображение их общего предка. Те характеристики, которые были общими для групп микроорганизмов в самом основании дерева, с большой вероятностью были приобретены ими от LUCA, и эти данные позволяют понять не только каким был LUCA, но и в каком мире он появился. Это еще не очень четкое изображение, но гораздо более понятное, чем раньше.
Однако на этом пути было немало трудностей, одна из которых заключалась в уникальном способе обмена генетической информацией у самых древних организмов. Этот необычный способ обмена генами был причиной самого противоречивого вывода Вёзе о том, что первой формой жизни был не отдельный организм, а сообщество организмов, свободно обменивавшихся генетической информацией из общего генетического набора за счет так называемого горизонтального переноса генов. Эта идея появилась у Вёзе при попытках расшифровать генетический код.
Вёзе удивляла неизменность генетического кода на протяжении миллиардов лет в миллионах эволюционных ветвей. За несколькими совсем незначительными исключениями все современные организмы – синий кит, красное дерево, человек и микробы – сохранили общий генетический язык, и это удивительно, если учесть, как быстро возникают диалекты в человеческой речи. Генетический код практически не изменился за миллиарды лет. Причина этой невероятной стабильности оставалась загадкой вплоть до 1960-х гг., когда ученые впервые занялись решением этой проблемы.
Вёзе видел ключ к разгадке в открытии физика из Сиэтла Виктора Фримана. В 1951 г. Фриман обнаружил, что вирус, инфицирующий болезнетворную бактерию Corynebacterium diphtheriae, можно использовать для превращения безопасного штамма бактерии в вирулентный штамм. Это наблюдение позволило объяснить, почему зараженные дифтеритом люди иногда заболевают не сразу, а через некоторое время. Еще более важно, что изучение Corynebacterium diphtheriae позволило Фриману описать один из первых примеров горизонтального переноса генов, то есть передачи генов одним организмом другому организму, не являющемуся его потомком. Позднее выяснилось, что в горизонтальном переносе генов участвуют многие микроорганизмы, вероятно, даже большинство. Вёзе предположил, что именно этот способ обмена генетическим материалом объясняет невероятную стабильность генетического кода. Всем организмам нужен однотипный язык, чтобы «разговаривать» друг с другом на генетическом уровне. Если изменится генетический код – исчезнет возможность обмениваться генетической информацией с другими организмами.
Кроме того, открытие горизонтального переноса генов позволило решить важную эволюционную проблему. Дарвиновская концепция естественного отбора лучше всего описывает сложные современные организмы, размножающиеся половым путем. Гены детей представляют собой смесь генов обоих родителей с различными накопленными мутациями. Однако большинство микроорганизмов не нуждается в половом процессе для воспроизводства[61]. Имея всего одного родителя, потомство представляет собой клоны, различия между которыми возникают исключительно из-за мутаций под действием внешних воздействий, например радиации, или из-за ошибок копирования генетической информации. Влияние таких мутаций чаще всего незаметно, иногда пагубно, а изредка – летально. Однако бывает, что мутации производят положительный эффект. В очень редких случаях они даже обеспечивают своему обладателю адаптационные преимущества. Однако, если бы эволюция основывалась только на накоплении мутаций, она происходила бы чрезвычайно медленно.
В традиционном представлении сложные организмы (высшие эукариоты) быстро продвигаются по эволюционной лестнице за счет полового размножения, тогда как прокариоты почти не эволюционируют, изменяясь исключительно за счет случайных мутаций. Горизонтальный перенос генов позволил объяснить быструю эволюцию первых микроорганизмов[62]. За счет свободного обмена информацией, примерно как в случае Corynebacterium diphtheriae, первые микроорганизмы смогли эволюционировать быстрее, используя более широкий набор генов. Вёзе называл горизонтальный перенос генов «волной, которая поднимает все суда».
В конечном итоге ученые поняли, что генами обмениваются даже очень отдаленные виды бактерий. Более того, бактерии способны поглощать ДНК мертвых бактерий. После смерти организма его генетический материал может сохраняться в окружающей среде достаточно долгое время. Микроорганизмы могут поглощать эту ДНК и включать ее в собственный геном. Можно сказать, что фрагменты генетической информации рассредоточены буквально повсюду, а Земля – большая библиотека, из которой микробы могут заимствовать гены.
Кроме того, Вёзе пришел к заключению, что горизонтальный перенос генов не только затрудняет выявление самых ранних событий в эволюции жизни, но и полностью переворачивает наши представления о структуре филогенетического дерева. Примитивные микроорганизмы так легко обменивались информацией, что корень дерева жизни, на самом деле, больше похож на сеть, в которой виды соединены между собой не однонаправленными прямыми линиями от предков к потомкам, а перекрестными связями, являющимися результатом горизонтального переноса генов. Новый взгляд на структуру дерева жизни полностью опровергал гипотезу Дарвина о том, что все современные организмы про изошли от одного общего предка. По мнению Вёзе, невозможно построить дерево, исходя из единственного предка. Все, что мы можем различить у самых истоков, – это беспорядочное сочетание разных организмов, эволюционировавших взаимозависимым образом.
Возможно, самым удивительным свойством микроорганизмов, находившихся в основании нового дерева Вёзе, было то, что многие из них были экстремофилами (любителями экстремальных условий), обитавшими в таких условиях окружающей среды, которые смертельны для большинства современных организмов. Некотор