Эволюционная теория предполагает, что все особи в популяции, принадлежащие к одному "виду", могут быть отнесены к общему предку", - говорит он, - "и независимо от того, обусловлено ли это выживанием. В результате того, что генетический дрейф называется генетическим дрейфом, любое генетическое разнообразие в популяции должно было возникнуть после общего предка. Чем больше популяция, тем дольше жил самый последний общий предок, и тем больше генетического разнообразия можно ожидать". Другими словами, за более длительный период времени возникает больше мутаций.
Учитывая эту классическую теорию, - продолжает Халперн, - один из способов объяснить наши наблюдения - сказать, что размеры популяций многочисленных морских микробов настолько велики, что их общий предок жил очень давно. Однако есть и другие возможности. Одна из них - географическая изоляция: если вид разделен между двумя физически изолированными друг от друга местами, то отдельные популяции могут сохраняться как генетически различные линии, что приводит к более высокому разнообразию между популяциями, чем если бы популяции были полностью смешанными". В этот момент Крейг добавил: "Это то, что описал Дарвин с уникальными видами, которые он нашел на Галапагосах". Но, подчеркнул он, "есть и другая возможность - что на самом деле существовало несколько "общих предков", имевших уникальное происхождение".
"Примечательно, что мы наблюдали высокую степень разнообразия в пределах одной и той же выборки, - говорит Халперн, - что указывает на то, что это разнообразие не может быть обусловлено исключительно географическим разделением". Другая возможность заключается в том, что то, что выглядит как одна популяция, на самом деле представляет собой две или более популяций схожих, но функционально различных особей. Поскольку они функционально различны, они не конкурируют друг с другом, по крайней мере напрямую, и могут сосуществовать, что позволяет возникнуть большему количеству генетических различий, чем можно было бы ожидать в одной гомогенной популяции. Например, две бактерии могут отличаться по температуре, при которой они растут оптимально, из-за небольших различий в их белках".
Как и ожидалось, самое поразительное разнообразие было продемонстрировано находками в экстремальных условиях, например в гиперсоленом водоеме на острове Флореана на Галапагосах. Это был образец 33, взятый в начале февраля 2004 года в жаркий день, когда Хоффман и его команда перетащили оборудование вглубь острова к этому небольшому водоему, расположенному в вулканическом кратере. Раш отметил, что между образцом, взятым на Флореане, и образцом, взятым, скажем, в пресноводном озере Гатун в Панаме, существует глубокая разница в солености, поддерживающая совершенно разные наборы видов с различными "волосками" на хохолкоподобных профилях подтипов.
Другой экстремальный образец, 32, был взят в прибрежной манной роще 11 февраля 2004 года на Галапагосах, когда Крейг выпрыгнул из "Зодиака" и погрузился в грязь по колено. "Толстый слой органических отложений на глубине менее метра - вот вероятная причина того, что найденные нами гены и организмы не похожи ни на один другой образец, который мы изучали", - говорит Раш, - "разнообразие практически зашкаливает".
Для следующей статьи в PLoS Biology Крейг хотел выйти за рамки ДНК и изучить белки в первых сорока одном образце. В результате появилась статья "Глобальная экспедиция по отбору проб океана Sorcerer II: Expanding the Universe of Protein Families" ("Расширяя вселенную семейств белков").4 Вычислительный биолог Шибу Йоосеф был первым автором, а Крейг - старшим. Среди соавторов были Раш и Халперн, а также Шеннон Уильямсон, Джонатан Айзен, Карла Хайдельберг и другие. В то время, да и сейчас, это было новаторское исследование с точки зрения объема белков, обнаруженных в океане, и географической широты выборки, охватившей полмира.
"Даг Раш возглавил работу по изучению выборки с точки зрения генетики, начиная с Северной Атлантики и заканчивая Гала-Пагосами", - говорит Йоозеф. "Мы использовали тот же набор данных в нашем исследовании, чтобы взглянуть на вещи с точки зрения белков" - белки представляют собой молекулы, которые создаются в соответствии с инструкциями генов и выполняют важнейшие функции в организме. "У нас были все эти данные о последовательностях, что позволило нам определить гены, кодирующие белки, а затем задать несколько фундаментальных вопросов о том, сколько семейств белков существует и какие новые семейства появляются".
"Мы обнаружили порядка двадцати пяти сотен новых белковых семейств", - говорит Йоозеф, - семейств, которые демонстрируют значительные различия в разных местах в зависимости от местоположения, солености и так далее. Исследователи также обнаружили 3 995 кластеров белков, которые могли бы быть семействами, из которых 1 700 не имели обнаруживаемой гомологии, связывающей их с семействами в существующих базах данных. Это опровергло мнение многих ученых о том, что все белковые семейства уже открыты.
Когда Йозеф и его команда столкнулись с миллионами неизвестных белков, одной из главных задач было попытаться определить, как они вписываются в то, что было известно и не известно ранее об океанических белках и их действиях. Им удалось идентифицировать лишь около 25 процентов всех белковых последовательностей, с которыми они работали, а остальные так и остались загадками. "Что, я думаю, довольно неплохо, - сказал он, - учитывая все то, чего мы не знали, когда начинали".
Любопытно, что бактерии на поверхности океана, как правило, имеют меньшие геномы, чем те, что живут глубже в море. "Эти ребята на поверхности были действительно успешно приспосабливаются к условиям открытого океана", - говорит Йоозеф. "Они просто занимаются своими делами. У них нет с собой большого багажа". Эти бактерии также занимаются фотосинтезом и производят кислород; они находятся в самом низу пищевой цепи, которая поддерживает эко-систему, поддерживающую нас. Поэтому, если вы уничтожите некоторых из них, это может привести к самым разным непредвиденным последствиям".
По его словам, это контрастирует с организмами, которые встречаются в малом количестве: "такие, как ваши вибрионы", то есть различные бактерии из рода, включающего возбудителя холеры в форме запятой. У них, как правило, гораздо больше дополнительных генов, которые помогают им выжить, когда условия не являются оптимальными". Эта разница в количестве генов потенциально может иметь последствия для пищевой цепи, изменения климата и всего остального, потому что, хотя бактерии хорошо приспособились к жизни в океанах, они не обладают большой метаболической гибкостью. Они делают то, что делают, очень хорошо, но если условия изменятся, если океаны внезапно станут кислыми, это потенциально может оказать негативное влияние на эти микробы".
Среди различных микробов, населяющих невидимое царство земных океанов, часто больше всего внимания привлекают бациллы. На другом конце спектра внимания находится класс микробов, которых в основном игнорируют или очерняют. Они также являются наиболее распространенными генетическими элементами на Земле. Это вирусы, крошечные пучки ДНК или РНК, которые могут быть живыми, а могут и не быть. Им была посвящена еще одна крупная статья в специальном сборнике PLoS Biology, в которой сообщалось об исследовании, которое на тот момент было практически уникальным, поскольку представляло собой крупномасштабное изучение вирусов, существующих в океанах. Их количество исчисляется квадриллионами (1015), в более широком контексте, когда на Земле существует около десяти немиллионов вирусов (1031).
Большинство людей думают: "Фу, вирусы, они плохие", - говорит бывший вирусолог JCVI и морской биолог Шеннон Уильямсон, первый автор книги "The Sorcerer II Global Ocean Sampling Expedi-tion: Metagenomic Characterization of Viruses within Aquatic Microbial Samples". "Но на самом деле они очень полезны во многих отношениях".
Пожалуй, наиболее важны те вирусы, которые играют решающую роль в контроле популяций видов-хозяев. К таким хозяевам относятся бактерии, которые размножаются так быстро, что без специальных вирусов, называемых бактериофагами, их численность быстро нарушила бы равновесие, позволяющее существовать экосистеме, которая нас поддерживает. Бактериофаги также играют важнейшую роль в рециклинге углерода и круговороте питательных веществ в океане: заражая и убивая бактерии, они запускают процесс распада, в ходе которого из тел клеток бактерий-хозяев выделяются химические вещества. Они становятся питательными веществами, которые служат пищей для живых бактерий, водорослей и других организмов. Для нас, людей, и почти всех других ор-ганизмов вирусы стали важным элементом эволюции, поскольку ДНК древних вирусов за долгие века слилась с нашей клеточной ДНК. ДНК, изначально полученная от вирусов, составляет около восьми процентов ДНК Homo sapiens.7
"Когда вышла наша статья в PLoS, прошло не так много времени с тех пор, как мы узнали, что вирусы являются важными компонентами морской экосистемы", - говорит Уильямсон. "Это была одна из тех вещей, которые привлекли меня к изучению вирусов еще в аспирантуре. Но проект Sorcererproject, безусловно, стал моим первым опытом использования геномики и метагеномики для изучения популяций вирусов со всего мира".
"Метагеномика то и дело использовалась в других исследованиях в небольших сообществах или в небольших океанических сообществах, - говорит она, - но не в таком объеме, как в рамках проекта Sorcerer II. Одним из интересных открытий, но в то же время и разочаровывающим, стало то, что мы обнаружили 99-процентную полную генетическую новизну. То есть, когда мы сравнивали данные, полученные из воды, с известными вирусами, которые были секвенированы и помещены в генетическую базу данных, а именно так проводился анализ, мы искали сходства и практически не находили". Почти все, что обнаружили Уильямсон и ее команда, было новым для науки.
Вирусы - исключительно эффективные машины для убийства в океанах, уничтожающие до сорока процентов всей микробной биомассы в морях каждый день.8 Вирусы также атакуют и убивают водоросли, бушующие в неконтролируемых цветениях. Вирусы поражают все живые существа во всех известных экосистемах.