Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Какая форма жизни в нашем мире самая устойчивая и прочная? Тараканы славятся собственной живучестью — многие люди уверены, что те самый сумели бы пережить даже термоядерный апокалипсис. Тихоходки, либо водяные медведи, еще больше выносливы. Они умеют выжить даже в космосе. В кипящих скучных родниках Йеллоустонского государственного парка живет одна водоросль. Вокруг нее едкая вода, приправленная мышьяком и трудными сплавами. Дабы остаться в живых в этом летальном месте, она употребляла непредвиденный трюк.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Каковой ее секрет? Воровство. Она ворует гены, нужные для выживания, у остальных форм жизни. И эта стратегия куда наиболее всераспространена, чем можно существовало бы поразмыслить.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Большая часть живых созданий, кои живут в экстремальных пространствах, воображают собой одноклеточные организмы — микробы либо археи. Эти ординарные и древнейшие формы жизни и не владеют сложноватой биологией зверях, однако них простота является привилегией: они еще предпочтительнее управляются с экстремальными критериями.

    Млрд лет они прятались в самых негостеприимных пространствах — глубоко под планетой земля, на деньке океана, в нескончаемой мерзлоте либо в кипящих жарких родниках. Они прошли длительный путь, развивая свои гены в течение миллионов либо млрд лет, и сейчас они помогают им же совладать почти с чем угодно.

    Однако что, ежели альтернативные, наиболее сложноватые существа могли бы ординарно придти и украсть эти гены? Они бы сделали эволюционный подвиг. Одним ударом они приобрели бы генетику, позволяющую выживать в экстремальных пространствах. Они попали бы туда, минуя миллионы лет мучительной и томной эволюции, которая привычно нужна для развития этих возможностей.

    Так и сделала красноватая водоросль Galdieria sulphuraria. Ее можно определить в жарких серных родниках Италии, Нашей родины, Йеллоустонского парка в США и Исландии.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Температуры в этих жарких родниках подымаются перед началом 56 градусов по Цельсию. Хотя некие микробы умеют жить в бассейнах при температуре подле 100 градусов, а уж некие из их умеют совладать с температурой подле 110 градусов, поблизости с глубоководными родниками, очень броско, что эукариоты — группа наиболее сложноватых форм жизни, включающая зверях и растения (красноватая водоросль — это растение) — умеют жить при температуре в 56 градусов.

    Большая часть цветков и зверях и не сумели бы стерпеть этакие температуры, и тамошнему существуют причина. Тепло приводит к разрушению хим связей снутри белков, что приводит к них коллапсу. Это же оказывает катастрофическое влияние на ферменты, кои катализируют хим реакции организма. Мембраны, обволакивающие клеточку, начинают протекать. По достижении конкретной температуры, мембрана рушится и клеточка распадается.

    Все же еще больше внушительной является способность водных растений переносить кислотную среду. Некие жаркие родники имеют значения pH в спектре от 0 перед началом 1. Скучным вещество проделывают положительно заряженные ионы водорода, узнаваемые а также как только протоны. Эти заряженные протоны мешают белкам и ферментам снутри клеток, портят хим реакции, актуально нужные для жизни.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Это же происходит поэтому, что белки удерживаются совместно обоюдным притяжением позитивных и негативно заряженных аминокислот. Когда вы привносите новейший груз положительно заряженных частиц, вы нарушаете плоский баланс, удерживающий белок в целом. Белок все больше и не может сохранять собственную форму и делать собственную работу адекватно.

    «Большинство остальных форм жизни и не может противостоять экстремальному теплу либо кислотности», разговаривает Геральд Шойнкнехт, биолог по растениям из Вуза Оклахомы в Стилуотере. «Galdieria живет при pH 0, что эквивалентно выживанию в разбавленной аккумуляторной кислоте. Большая часть остальных организмов, даже микробов, и не умеют справиться с таковыми невысокими значениями pH».

    Все же Galdieria может претерпеть не совсем только тепло и кислотность. Эта водоросль устойчива к мышьяку, ртути и может жить в максимально соленых средах. Эти токсичные элементы, обычно, летальны для жизни, так как ингибируют принципиальные ферменты, участвующие в дыхании. Очень не мало соли, с альтернативный стороны, и не предлагает клеточкам цветков воспринимать влагу, иссушает них и превращает в сморщенную шелуху.

    Дабы познать, как только Galdieria выдерживает этакие экстремальные условия, Шойнкнехт и его коллеги-ученые из Оклахомы и Вуза Генриха Гейне в Германии декодировали гены водные растения. И отыскали нечто умопомрачительное: заместо тамошнего, дабы унаследовать свои суперспособности от собственных протцов, водоросли… украли них у микробов.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Это же явление телепередачи генов понятно как только «горизонтальный перенос генов». Привычно гены формы жизни наследуются от родителей. У граждан определенно эдак: вы сможете проследить свои параметры вдоль веток вашего генеалогического древа перед началом самых первых граждан.

    Все же оказывается, что и ныне, тогда и «чужие» гены совсем остальных сортов можно включать самому себе в ДНК. Этот процесс частенько встречается у микробов. Некие говорят, что это же происходит даже у граждан, хотя и оспаривается.

    Когда чужая ДНК обзаводится новейшим владельцем, ей же и не неукоснительно посиживать складя руки. Заместо сего она может начать работу над биологией владельца, поощряя ее производить новейшие белки. Это же может отдать владельцу новейшие способности и дозволит ему же выжить в новеньких ситуациях. Организм обладателя может отправиться совсем по новенькому эволюционному пути.

    В общей трудности Шойнкнехт идентифицировал 75 украденных генов у морской водные растения, кои она взяла в долг у микробов либо архей. И не все гены предлагают водные растения явное эволюционное привилегию, и четкая опция почти всех генов неведома. Однако почти все из их помогают Galdieria выживать в экстремальной среде.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Ее способность наводить справку с ядовитыми хим субстанциями, таковыми как только ртуть и мышьяк, истекает из генов, позаимствованных у микробов.

    Один из этаких генов отвечает за «мышьяковый насос», позволяющий водные растения отлично удалять мышьяк из клеток. Альтернативные украденные гены, в числе остального, дозволяют водные растения выделять ядовитые сплавы, причем извлекая принципиальные сплавы из среды. Очередные украденные гены держут под контролем ферменты, дозволяющие водные растения обезвреживать металлы вроде ртути.

    Водные растения а также сперли гены, дозволяющие им же выдерживать высоченную концентрацию соли. При обычных обстоятельствах пересоленная среда высосет влагу из клеточки и кокнет ее. Однако синтезируя стыки снутри клеточки, дабы уравнять «осмотическое давление», Galdieria избегает данной участи.

    Числится, что способность Galdieria переносить очень кислые жаркие родники обоснована ее непроницаемостью к протонам. То есть, она может ординарно и не отдать кислоте попасть в ее клеточки. Для сего она ординарно включает все меньше генов, кодирующих каналы в клеточной мембране, сквозь кои привычно проходят протоны. Эти каналы привычно дозволяют проходить положительно заряженным крупицам вроде калия, который востребован клеточкам, однако а также пропускают и протоны.

    «Похоже, что адаптация к малорослому разряду pH проводилась за счет удаления хоть какого мембранного транспортного белка из плазматической мембраны, который дозволил бы протонам просачиваться в клетку», разговаривает Шойнкнехт. «Большинство эукариот имеют огромное количество калиевых каналов в плазматических мембранах, однако у Galdieria существуют лишь один ген, кодирующий калиевый канал. Наиболее тонкий канал дозволяет наводить справку с высочайшей кислотностью».

    Все же эти калиевые каналы делают важную работу, поглощают калий либо поддерживают разность потенциалов меж клеточкой и ее окружением. Как только водоросль останется здоровенной без калиевых каналов, пока что невнятно.

    А также никто и не знает, как только водоросль совладевает с высоченным теплом. Ученые и не сумели идентифицировать гены, кои могли бы растолковать эту определенную особенность ее биологии.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Микробы и археи, кои умеют жить при максимально больших температурах, имеют белок и мембраны совсем другого образа, однако водоросль прошла сквозь наиболее стройные конфигурации, разговаривает Шойнкнехт. Он подозревает, что она обменивает метаболизм липидов мембран при всевозможном росте температур, однако пока что и не знает, как только конкретно это же происходит и как только дозволяет приспособиться к теплу.

    Явно, что копирование генов предлагает Galdieria большущее эволюционное привилегию. В то время как только большинство одноклеточных красноватых водных растений, схожих G. sulphuraria живет в вулканических районах и полностью управляются с скромным теплом и кислотами, немногие из ее родственников умеют продержаться столько тепла, кислоты и токсичности, сколько G. sulphuraria. На деле, в энных пространствах на этот общий вид приходится перед началом 80-90% жизни — это разговаривает об фолиант, как мудрено кому-то гораздо именовать особняк G. sulphuraria собственным.

    Останется очередной тривиальный и увлекательный вопросец: как только водоросль сумела украсть настолько не мало генов?

    Эта водоросль живет в среде, которая содержит не мало микробов и архей, потому в каком-то смысле вероятность воровать гены у нее существуют. Однако ученые и не знают определенно, как только ДНК перешагнула от микробов к так прочему организму. Дабы удачно попасть к владельцу, ДНК на первых парах обязана попасть в клеточку, а уж потом в ядро — и лишь впоследствии включить себя в геном владельца.

    «Лучшие гипотезы в текущее время — что вирусы могли передать генетический материал от микробов и архей водорослям. Однако это же незапятнанное предположение», разговаривает Шойнкнехт. «Может быть, попасть в клеточку — самый тяжелый этап. Оказавшись снутри клеточки, попасть в ядро и встраиваться в геном возможно и не эдак мудрено.

    Горизонтальный перенос генов частенько происходит у микробов. Вот поэтому у нас появляются трудности с устойчивостью к лекарствам. Как возникает устойчивый ген, он резво распространяется посреди микробов. Но числилось, что обмен генами пореже происходит у наиболее развитых организмов, чем у эукариотов. Числилось, что у микробов существуют специфические системы, дозволяющие им же воспринимать нуклеиновые кислоты, этаких у эукариот нет.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Все же альтернативные примеры продвинутых созданий, крадущих гены, дабы выжить в экстремальных критериях, уже обнаруживали. Разновидность снежных водных растений Chloromonas brevispina, проживающая в снегах и льдах Антарктиды, несет гены, кои, возможно, были заимствованы у микробов, архей либо даже грибов.

    Острые кристаллы льда умеют прокалывать и перфорировать клеточные мембраны, потому существа, проживающие в прохладном климате, обязаны определить метод борьбы с сиим. Один из методов — производить связывающие лед белки (IBP), кои секретируются в клеточке, цепляющейся за лед, останавливая рост кристаллов льда.

    Джеймс Реймонд из Вуза Невады в Лас-Вегасе составил карту генома снежной водные растения и нашел, что гены связующих лед белков были на удивление идентичны у микробов, архей и грибов, что разговаривает об фолиант, что все они обменялись способностью выживать в прохладных критериях в ходе горизонтального переноса генов.

    «Эти гены нужны для выживания, так как были найдены в каждой адаптированной для жизни в холоде водные растения и ни в какой проживающей в теплых условиях», разговаривает Реймонд.

    Существуют несколько остальных примеров горизонтального переноса генов у эукариот. Крохотные ракообразные, проживающие в морских антарктических льдах, похоже, тоже купили этот навык. Эти рачки Stephos longipes умеют жить в водянистых соленых каналах во льду.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    «Полевые измерения продемонстрировали, что C. longipes живут в переохлажденных рассолах на поверхностном слое льда», разговаривает Райнер Кико, ученый из Колледжа полярной экологии при Вуза Киль в Германии. «Переохлажденные значит то, что температура данной воды ниже точки замерзания и находится в зависимости от солености».

    Дабы выжить не отдать самому себе замерзнуть, в крови S. longipes и остальных жидкостях его организма находятся молекулы, понижающие температуру замерзания, дабы соответствовать воде вокруг. Причем ракообразные создают белки-незамерзайки, кои и не дозволяют формироваться кристаллам льда в крови.

    Подразумевается, что этот белок тоже был получен вследствие горизонтального переноса генов.

    У прекрасной бабочки-монарха тоже умеют быть украденные гены, однако сейчас от паразитарной осы.

    Оса-блестянка из семейства браконид знаменита тем самым, что вводит яичко наряду с вирусом в насекомое-хозяина. ДНК вируса взламывает головной мозг владельца, превращая его в зомби, который потом орудует как только инкубатор для яички осы. Ученые нашли гены драконид в бабочках, даже ежели эти бабочки ни разу и не встречались с осами. Как только считают, они проделывают бабочек наиболее устойчивыми к заболеваниям.

    Эукариоты крадут не совсем только отдельные гены. Время от времени кражи проходят с размахом.

    Ярко-зеленый морской житель Elysia chlorotica, как только считают, заполучил способность фотосинтеза в ходе поедания водных растений. Этот морской слизень глотает хлоропласты — органеллы, кои делают фотосинтез — целиком и хранит в кишечных железах. Когда прижмет, а уж водных растений в еду нет, морской слизень может выжить, используя энергию солнечного света, дабы конвертировать углекислый газ и влагу в еду.

    Генные воры: «чужая ДНК» дозволяет одурачить эволюцию за счет кражи генов

    Одно изучение демонстрирует, что морские слизни а также берут гены у водных растений. Ученые вставляют флуоресцентные маркеры ДНК в геном водных растений, дабы узреть, где конкретно были гены. Опосля кормления водными растениями, морской слизень заполучил ген, отвечающий за восстановление хлоропластов.

    В то же время, клеточки в нашем организме содержат крохотные вырабатывающие энергию структуры, митохондрии, кои различаются от других наших клеточных структур. У митохондрий даже существуют собственная ДНК.

    Существуют теория, что митохондрии существовали как только самостоятельные формы жизни млрд годов назад, однако потом каким-то образом стали врубаться в клеточки первых эукариот — может быть, митохондрии были проглочены, однако и не переварились. Это же обстоятельство, как только считают, вышло подле 1,5 млрд годов назад и предстало главный вехой в эволюции любых высших форм жизни, цветков и зверях.

    Может быть, воровство генов является достаточно всераспространенной стратегией эволюции. Наконец, она дозволяет иным выполнять всю трудную работу за вас, пока что вы пожинаете плоды. В качестве кандидатуры, горизонтальный перенос генов может ускорять уже начавшийся эволюционный процесс.

    «Организм, который и не адаптировался к теплу либо кислоте, навряд ли неожиданно заселит вулканические бассейны ординарно, так как получил надобные гены, — говорит Шойнкнехт. — Однако эволюция это же в большинстве случаев пошаговый процесс, и горизонтальный перенос генов дозволяет выполнять резкие скачки вперед».