О грибах!
Со шляпками и без шляпок – грибы очень разные. Они бывают съедобными и несъедобными, могут расти на деревьях (наверняка тебе доводилось видеть такие плоские выросты – это грибы-трутовики), вызывать болезни у растений и животных. Еще есть плесневые грибы, знакомые тебе как плесень.
Бактерии появились на нашей планете задолго до людей и даже до динозавров – примерно 3,5 млрд лет назад. Многие гигантские ящеры болели из-за тех же бактерий, что и мы с вами.
Бактерии – одни из самых древних на планете, поэтому их геном – особенный.
У бактерий ДНК замкнута в кольцо или лежит линейно – как кусочек ленты. Она свободно плавает во внутреннем пространстве клетки, а не сидит в ядре, как ДНК клеток зверей, рыб, птиц и человека. Но у ДНК бактерии тоже есть свое место – нуклеоид. Помимо ДНК там находятся еще некоторые белки и РНК. Они необходимы для того, чтобы информация, закодированная в ДНК, «оживала» – могла превращаться в белки. В отличие от ДНК эукариот, бактериальный геном компактен, то есть намного меньше размером.
Одна из самых интересных особенностей генома бактерий – плазмиды в клетках. Это маленькие фрагменты ДНК, которые расположены отдельно от нуклеоида. Они могут быть кольцевыми, а могут – линейными. Если весь геном бактерии, например кишечной палочки, – 4,6 млн нуклеотидов, то в одной плазмиде их от 2 тысяч до 600 тысяч. Бактерии могут обмениваться плазмидами. Зачем им это? Например, чтобы предупреждать друг друга об антибиотиках и обеспечивать своим собратьям устойчивость (по-научному – «резистентность») к лекарствам. Одна бактерия отправляет другой плазмиду – словно письмо, в котором сообщает последние новости и дает советы.
Некоторые ученые изучают метагеномы – набор геномов всех организмов, которые живут в одном местообитании, то есть рядом друг с другом. Наука, которая этому посвящена, называется метагеномика. Понятие «метагеном» относится к микроорганизмам: к некоторым грибам, бактериям и вирусам. Например, бывает нужно узнать метагеном гриба-трутовика, ладоней пациента (мало ли кто там живет и чем может заразить!) или метагеном воды, которую зачерпнули в море. Кстати, именно последним занимался известный ученый Крейг Вентер – о нем мы уже говорили. Он путешествовал по океанам и исследовал микроорганизмы, которые их населяют.
Где только бактерии не служат человеку: из них производят лекарства, они очищают воду, помогают делать йогурты, получать драгоценные металлы и спасать природу при утечке нефтепродуктов. Но порой им самим нужна наша помощь. У бактерий есть естественные враги, которые их атакуют. Это особые вирусы – бактериофаги. Недавно ученым удалось изменить геном кишечной палочки так, чтобы она была устойчива к вирусам. Для этого в лаборатории последовательно и кропотливо смешивали определенные ингредиенты. Раз мы знаем, из чего состоят отдельные нуклеотиды, то можем их синтезировать, соединяя нужные химические вещества. Например, для создания нуклеотида с аденином (буква А в генетическом коде) нам потребуются фосфорная кислота, сахар под названием дезоксирибоза и азотистое основание (6-аминопурин). Если известны отдельные «буквы» кода, можно поставить их в нужной последовательности. Ученые надеются, что способы изменения геномов помогут сохранить ценные для людей бактерии.
У бактерий есть необычная способность – передавать фрагменты ДНК (плазмиды). Существует теория, что так они помогли пластидам появиться в растениях (и запустить фотосинтез), а митохондриям – начать вырабатывать энергию в эукариотах.
Некоторые «кусочки» ДНК бактерий – транспозоны, или вирусные ретроэлементы, – могут встраиваться в ДНК клеток человека. Они похожи на правки писателя, который стремится к идеалу и бесконечно меняет текст. Иногда ничего нового не выходит, а порой изменения даже вредны. Но случается, что именно так и рождаются шедевры. Оказавшись внутри гена, транспозоны могут вызвать заболевание, а могут принести организму большую пользу – даже способствовать эволюции вида. Например, совсем недавно ученые узнали, что наше с вами зрение появилось благодаря тому, что в геноме общего предка млекопитающих оказался один из генов бактерий.
Мы выяснили, что ДНК живет в ядре. Это ее дом. Но иногда она выходит на прогулку… и находит новый! Только «гуляет» она не целиком, а отдельными фрагментами кода. Их называют мобильными генетическими элементами, или прыгающими генами. У бактерий это делают еще и плазмиды. Они осуществляют горизонтальный перенос. Что это такое? Это перенос генов между живыми организмами. Он бывает вертикальным – когда ДНК наследуется детьми от родителей, как бы сверху вниз по родословной. И горизонтальным – когда ген просто переходит от одного организма к другому, независимо от родства и поколений. Так, в геноме человека можно найти кусочки из генома бактерий и вирусов. ДНК-путешественница помогает бактериям противостоять антибиотикам. Бактерия, которая пережила воздействие лекарства, может отправить код другой – чтобы та знала, как сопротивляться. Именно поэтому врачи вынуждены менять антибиотики, которые выписывают пациентам. Чтобы этого избежать, важно принимать полный курс лекарств. Если доктор велел пить таблетки семь дней – значит, семь, и ни днем меньше. Тогда ни одна из бактерий-злоумышленниц не выживет и не передаст тайное послание сообщницам.
У животных, которые относятся к эукариотам, геном имеет больше вариантов для жилья: ядро, митохондрии и пластиды. Самый большой дом – ядро, остальные – поменьше. Пластиды есть у растений, водорослей и некоторых простых микроорганизмов, а митохондрии – почти у всех эукариот.
ДНК в митохондриях располагается в виде ленты (линейная форма), но очень редко, или в виде кольца (кольцевая форма) – чаще. Стоп, вроде бы такое устройство у бактерий? Все верно. Митохондрии – это, по сути, «одомашненные» бактерии внутри эукариотических клеток. Давным-давно, около 1,45 млрд лет назад, одна клетка поглотила другую. Но не переварила ее, а начала мирно жить вместе с ней. Клетка, оказавшаяся внутри, постепенно теряла почти все свои гены – а зачем они, если ей во всем помогала другая? Но одна важная функция у «приемной» клетки все же осталась: она вырабатывала энергию. Две клетки стали дружить, и появились митохондрии – энергетические станции.
ДНК митохондрий по длине близка к ДНК (или РНК) вирусов: митохондриальный геном включает в себя информацию всего о нескольких генах. У млекопитающих в митохондриальной ДНК примерно 17 тысяч нуклеотидов.
Кстати, геном митохондрий обычно наследуется от мамы. А еще митохондрии могут делиться!
Так как митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии, ученые говорят об одной женщине, от которой произошли все живущие ныне люди, – митохондриальной Еве. Это совсем не обязательно самая первая женщина на Земле. Просто до нашего времени дошел только ее вариант митохондриальной ДНК, а вот другие – нет.
У эукариот геном спрятан куда надежнее по сравнению с прокариотами. Это и хорошо, и не очень. Даже у одноклеточных эукариот организм сложнее, чем у прокариот. Что уж говорить о таких многоклеточных, как мы с тобой! Придется здорово поломать голову, чтобы разобраться, как все устроено. Усложнение организма привело к тому, что геном увеличился. Его организация и место в клетке изменились. Требовалось гораздо больше молекул и химических реакций, чтобы указывать клетке, какие белки производить.
Только представь: в геноме человека более 3 млрд пар нуклеотидов, а в геноме кишечной палочки – всего 4,6 млн пар. Чтобы такие большие молекулы ДНК помещались в ядре, они скручиваются и наматываются на белки. Так получаются хромосомы. Они образуются только в период деления клетки, а после частично разворачиваются, чтобы информация о будущих белках считывалась с молекулы ДНК.
Рекордсмены по длине геномов – растения. Самый длинный – у новокаледонского вилочного папоротника, он состоит примерно из 160 млрд пар нуклеотидов.
У двоякодышащих рыб геном тоже намного больше, чем у человека, – 133 млрд пар нуклеотидов.
Самый маленький геном среди эукариот – у грибов. Например, ДНК энцефалитозоона кишечного состоит всего из 2,28 млн пар нуклеотидов.
ДНК эукариот такая длинная, что ученые до сих пор не знают точно, зачем нужна бóльшая ее часть – та, что не кодирует белки. А это примерно 98 %! В этом направлении работают многие исследователи. Их задача – понять, как некодирующая часть влияет на работу генов.
СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ ЧЕТВЕРИКОВ
Организмы разных видов генетически отличаются друг от друга. Сравнение их геномов помогает узнать многое. Например, выяснить, как они эволюционировали. Сопоставив геномы человека и шимпанзе, можно увидеть мутации и понять, с какой скоростью они накапливались. Такой метод называется сравнительной генетикой, если изучаются гены, и геномикой – если геномы. В глобальном масштабе это эволюционная генетика (и геномика). Ее основоположник – Сергей Сергеевич Четвериков. Еще в 1920-х годах он начал развивать близкую к эволюционной генетике синтетическую теорию эволюции. «Синтетическая» – от слова «синтез». В этой теории объединены идеи генетики, палеонтологии и других наук. Сергей Сергеевич Четвериков полагал, что изучение генетики объяснит теорию эволюции и поможет понять ее механизмы.
Давным-давно древняя бактерия захватила в плен пластиду. История вышла примерно такая же, как с митохондрией, помнишь? Пластида в то далекое время была вовсе не пластидой, а отдельной, вполне самостоятельной бактерией. Когда бактерия-захватчица поглотила пластиду, та стала ей помогать и поделилась своей ДНК.