Молекулярные часы. Связь с нейтральной теорией молекулярной эволюции

Традиционно эволюция жизни на Земле восстанавливается путем накопления палеонтологических данных. Однако сложность интерпретации геологической информации об ископаемых организмах, неполнота и различные дефекты палеонтологической летописи, несовершенство существующих методик обработки данных о древней биоте и т.д. создают значительные препятствия на пути познания биологической эволюции. Для иллюстрации сказанного приведем два факта. Долгое время считалось, что остатки древнейших на Земле организмов возрастом 3,8 млрд лет найдены в Гренландии. Однако новые исследования показали, что данные остатки (независимо от того, являются ли они органическими или нет, хотя последнее вероятно) имеют существенно более молодой возраст (Appel et al., 2003). Таким образом, возраст наиболее древних организмов оказывается меньшим, чем предполагалось. Тем не менее, жизнь на Земле наверняка является более древней (Russell, 2009). В качестве другого факта можно указать, что степень изученности морских и континентальных организмов принципиально различна, и, возможно, мы существенно недооцениваем роль континентальной биоты в общей эволюции жизни на Земле (Russell, 2009).

Новейшей альтернативой традиционному направлению исследований является метод "молекулярных часов". Он интенсивно развивался с 1960-х годов, однако наиболее широко стал использоваться лишь в последние 5-10 лет. Смысл данного метода заключается в следующем. Анализ генетической информации, полученной из современных организмов (по ДНК и протеиновым последовательностям), позволяет определить степень их родства и реконструировать порядок образования от некоторых общих предковых форм (Hedges, Kumar, 2009). При этом считается, что молекулярные изменения достаточно постоянны, предсказуемы, а потому пригодны для статистического моделирования. Современные технологии также позволяют учесть возможные отклонения от постоянных величин указанных изменений. Таким образом, имеется возможность для оценки времени между дивергенцией форм от последнего общего предка. Результатом дивергенции является появление новых линий организмов, которое, как было сказало, может быть датировно. Таким образом, строится т.н. "дерево времени" (аналог генеалогического древа), которое отражает последовательность и время дивергенций организмов, приведших, в конечном итоге, к появлению современных форм. Иными словами, анализ только лишь современной генетической информации позволяет реконструировать биотическую эволюцию и описывать ее в масштабе геологического времени.

Метод "молекулярных часов" получил особое распространение с начала 2000-х годов, а его результаты привлекают к себе все большее внимание. Они позволяют предполагать с той или иной степенью достоверности время появления таксонов при отсутствии надежных палеонтологических данных. По сути активное развитие данного метода открыло соврешенно новое направление в изучении эволюции жизни на Земле. Большие перспективы в его развитии связаны с анализом информации не только по современным, но и по ископаемым организмам, а также совершенствованием калибровок датирования происхождения новых таксонов от общего предка (Hedges, Kumar, 2009).

Поскольку большая часть случайных генетических мутаций не приносит организму ни вреда, ни пользы, они накапливаются с постоянной (в геологическом масштабе времени) скоростью; и по ним можно судить о времени, минувшем с момента обособления двух видов, произошедших от общего предка. Скорость накопления таких изменения называют ходом молекулярных часов.

Молекулярные часы (molecular clock) - это метод датирования филогенетических событий, основанный на вышеупомянутом аксиоматическом утверждении, что нуклеиновым кислотам присуща практически постоянная скорость эволюционно значимых замен молекулярных мономеров (нуклеотидов). Отсюда следует, что время, прошедшее с момента расхождения каждой пары ветвей родословного древа ("сестринских групп"), пропорционально числу молекулярных замен при условии отсутствия селективного давления . Разница между ортологичными молекулами двух разных видов используется для определения времени, прошедшего с тех пор, когда два вида в последний раз имели общего предка (для расчета времени различных эволюционных событий. Реально скорость мутаций неравномерна и различна для разных видов, поэтому расчеты на основе молекулярных часов весьма приблизительны.

Гипотеза молекулярных часов была выдвинута при сравнении гемоглобина и цитохрома С из разных видов. Цукеркэндл и Полинг ( Zuckerkandl, Pauling, 1962 , ) заметили что темпы аминокислотных замен в этих белках приблизительно одинаковы при сравнении различных млекопитающих. Они предположили, что для любого белка во всех филогенетических линиях темпы эволюции постоянны.

Эта гипотеза породила множество споров. Классические эволюционисты выступали против, так как на морфологическом уровне не наблюдается никакого постоянства скоростей. Возражения против этой гипотезы усилились после датировки молекулярными методами времени расхождения человека и африканских человекообразных обезьян. По молекулярным данным эта цифра равнялась 5 миллионам лет, а по общепринятому мнению палеонтологов - 15 миллионам лет.

Проведенные исследования (например, Goodman, 1981), показали, что не во всех линиях наблюдается постоянный темп эволюции: разным таксонам присущи разные темпы эволюции. Скорее всего не существует глобальных молекулярных часов, но есть локальные, внутри таксонов. Действительно, внутри таксонов часто не наблюдается достоверных различий в темпах замен.

Различия в темпах эволюции часто объясняют эффектом времени генерации или различной эффективностью систем репарации, скорости замен увеличиваются после генных дупликаций и во времена адаптивной радиации.

Тем не менее, несмотря на спорность гипотезы молекулярных часов, она широко использутся для оценок времен дивергенции видов и построения филогенетических деревьев.

Чем больше времени отделяет два вида от той эпохи, когда жил их общий предок, тем больше различаются ДНК этих видов.

Согласно центральной догме молекулярной биологии , химическая индивидуальность каждого живого организма определяется последовательностью пар оснований в ДНК этого организма. Теория эволюции утверждает, что виды развиваются в течение времени, и параллельно этому развитию изменяются их ДНК. К изменению ДНК могут привести различные события. Например, медленное накапливание мутаций, массовые ошибки при копировании или проникновение последовательности вирусных нуклеиновых кислот. Но одно можно утверждать смело - чем больше прошло времени с тех пор, как жил общий предок двух видов, тем длиннее период, в течение которого происходили эти изменения, и, следовательно, тем сильнее отличаются последовательности ДНК этих двух видов.

Следует отметить несколько моментов, касающихся этого утверждения. Во-первых, подсчитав различия между последовательностями ДНК, мы можем построить генеалогическое древо всех живых организмов. Например, у человека и шимпанзе совпадают 98% ДНК. Это означает, что наш общий предок жил совсем недавно. В то же время у человека и лягушек совпадающая часть ДНК значительно меньше, следовательно наша ветвь отделилась от ветви, занимаемой земноводными, значительно раньше. Теория эволюции предсказывает, что построенное таким образом генеалогическое древо должно быть сходно с древом, построенным в прошлом веке на основании изучения окаменелостей. По моему мнению, совпадение двух генеалогических древ является одним из самых убедительных доказательств эволюции. Оно также показывает, что теория эволюции может быть подвергнута проверке (как уже говорилось во Введении , это одно из важнейших требований любой научной теории), поскольку могло оказаться, что люди генетически более близки к лягушкам, чем к шимпанзе.

Метод молекулярных часов использует данные ДНК более фундаментально. Если изменения ДНК происходят с некоторой средней скоростью - если молекулярные часы тикают равномерно - то, подсчитывая количество различающихся пар оснований в последовательностях двух видов, мы можем получить представление о времени жизни их последнего общего предка. Если частота изменений ДНК постоянна, анализ современной ДНК может рассказать нам о шкалах времени на разных этапах развития генеалогического древа.

В 1980-е годы, когда впервые была предложена концепция молекулярных часов, от исследователей ожидали услышать, что изменения во всех ДНК происходят с одинаковой скоростью - что все часы тикают с одним и тем же интервалом. Однако оказалось, что существует много разных молекулярных часов, и все они идут с разной скоростью. Например, пары оснований в последовательности важного гена не могут сильно измениться без ущерба для организма в целом, поэтому часы, показывающие время для пар оснований в таких генах, идут относительно медленно. С другой стороны, большинство сегментов ДНК не влияют на химические процессы в организме, поэтому для этих сегментов часы могут идти быстрее.

Пожалуй, больше всего привлекает в методе молекулярных часов перспектива его применения к недавней эволюции человека. Чтобы лучше все это понять, вам нужно знать, что внутри каждой клетки высокоразвитых организмов имеются крохотные органеллы - митохондрии . В них сгорает топливо клетки - то есть осуществляется важнейшая функция обмена веществ. Считается, что митохондрии впервые проникли в более сложно организованные клетки миллионы лет назад в процессе симбиоза . Две клетки, эволюционировавшие независимо друг от друга, обнаружили, что им пойдут на пользу партнерские отношения, при которых одна клетка будет жить внутри другой. Тот факт, что в митохондрии содержится собственная небольшая петлевидная ДНК (в митохондриальной ДНК человека 26 генов), говорит о том, что это событие произошло очень давно.

В сперматозоидах нет митохондрий, поэтому вся митохондриальная ДНК в вашем организме получена вами из яйцеклетки матери. Другими словами, митохондриальная ДНК передается по материнской линии. Установлено, что молекулярные часы митохондриальной ДНК тикают почти в 10 раз быстрее, чем часы ДНК, содержащейся в клеточном ядре. Поэтому для анализа и была выбрана митохондриальная ДНК - ведь за определенный промежуток времени в ней произойдет значительно больше изменений, чем в ядерной ДНК.

Митохондриальная ДНК впервые привлекла к себе всеобщее внимание после того, как в 1987 году группа американских исследователей получила митохондриальные ДНК от 147 представителей различных рас из разных уголков мира и установила количество мутаций, их различающих. По результатам первого анализа складывалось впечатление, что все современные люди ведут свою родословную от одной и той же женщины, которая жила в Африке около 200 000 лет назад. Эту женщину немедленно нарекли Евой (или, для большей наукообразности, Митохондриальной Евой) и даже поместили ее на обложку крупного общественно-политического журнала.

К сожалению, этот сногсшибательный результат не выдержал испытания более полным анализом, и ученые больше не вспоминают Еву (она пала жертвой критического анализа ДНК, сделанного компьютерной программой). Согласно последним научным веяниям, данные ДНК указывают на то, что все современные люди произошли от довольно небольшой популяции - около 5–10 тысяч человек, - жившей в Африке 100–200 тысяч лет назад.

Спор между селекционистами и нейтралистами можно, пожалуй, назвать внутренним конфликтом в рамках эволюционистского сообщества, но у него есть один аспект, немаловажный для эволюционной теории и креационизма: вопрос о молекулярных эволюционных часах. Еще до возникновения теории нейтрализма было высказано предположение, что изменения в ДНК могут происходить с более или менее постоянной скоростью. Таким образом, ди­вергенция производимых ДНК белков должна отражать темп эволюционных изменений на протяжении длительного времени 11 . Было отмечено несколько примеров, когда белковые различия между организмами соответствовали по своему характеру их предполагаемым эволюционным взаимосвязям.

Молекулярные эволюционные часы зиждятся на исходном положении, согласно которому большие молекулы (биополимеры) постоянно изменя­ются. Следовательно, чем резче отмеченные различия, тем больше времени прошло со времени дивергенции от общего эволюционного предка. В таб­лице 8.1 (колонка А) показана процентная разница в аминокислотах в ши­роко распространенном ферменте цитохром-с. Этот фермент участвует в транспорте электронов, когда в клетке высвобождается химическая энер­гия. Легко заметить, что разница становится все больше и больше по мере того, как мы переходим от человека к более простым, а значит, и более древ­ним согласно эволюционной теории формам. Колонка Б показывает едино­образие показателя, свидетельствующего о различиях между другими орга­низмами и дрожжевыми клетками, а они считаются очень древними. Эта со­гласованность была истолкована как свидетельство в пользу единых моле­кулярных часов, по которым на основании молекулярных различий можно определить время, прошедшее с момента дивергенции. Сторонники данной теории считают цитохром-содним из лучших определителей. Учебники био­логии и эволюционной теории используют молекулярные часы для обоснования общей теории эволюции. Однако эти данные вовсе не обязательно свидетельствуют об эволюции. Они могут представлять биологические фак­торы, связанные со степенью сложности различных организмов.

Гипотеза о молекулярных часах сталкивается с целым рядом вопросов. У исследователей нет определенности в отношении последствий нейтраль­ных мутаций, которые наиболее подходят для молекулярных часов. Если изменения носят не нейтральный характер или только относительно нейт­ральный, то молекулярные часы остаются без теоретической базы. Изме­нения, контролируемые естественным отбором, не могут служить часами. Они будут отражать влияние среды, а не время. Эволюционисты подняли целый ряд других вопросов, касающихся молекулярных часов, многие из которых возникли в ходе полемики между селекционистами и нейтралис­тами, более расположенными к идее часов.

Исследования фермента цитохром-с у разных организмов действитель­но дают результаты, согласующиеся с концепцией молекулярных часов, однако другие исследования, связанные с темпами изменений, могут при­водить к совершенно иным результатам 12 . Фермент супероксид-дисмута-за, снижающий токсичность кислорода у большинства живых организмов, известен тем, что заставляет молекулярные часы работать неритмично 13 . Судя по результатам, полученным исследователями, эти часы для человеко­образных обезьян и людей сильно отстают 14 . Из-за столь серьезных раз­личий некоторые ученые называют молекулярные часы «эпизодическими»" 5 , то есть идущими то быстро, то медленно.

В таблице 8.2 показаны различия в аминокислотной последовательности в гормоне инсулин у позвоночных. Согласно концепции молекулярных ча­сов все грызуны приблизительно в равной степени отличаются от человека, поскольку их предки возникли в процессе эволюции в одно и то же время. Но мы видим, что это далеко не так. Люди отличаются от домовой мыши на восемь процентов, а от нутрии - на тридцать восемь. Этот показатель даже больше, чем разница между людьми и несколькими видами рыб, которая, казалось бы, должна быть гораздо значительнее. В других сопоставлениях, связанных с инсулином 16 , разница между мышью и морской свинкой {35 про­центов), видами достаточно близкородственными, превышает разницу меж­ду мышью и китом (12 процентов), человеком и каймановой черепахой (24 процента), курицей и пеламидой (16 процентов) и между многими другими организмами, не имеющими тесных родственных связей. В научной литера­туре отмечается множество подобных несоответствий 17 . У нас нет доста­точно обоснованных данных, говорящих в пользу постоянного темпа изме­нений, на основе которого должны действовать молекулярные часы.

Учитывая вышеизложенные особенности, не стоит удивляться, что со­поставление аминокислотной последовательности у разных видов белков

Процентная разница в аминокислотной последовательности в гормоне инсулин между ря­дом организмов и человеком*.

* Dayhoff МО. 1976. Atlas of protein sequence and structure, vol. 5, supplement 2,

Washington, O.C.: National Biomedical Research Foundation, p. 129.

дает противоречивые с точки зрения эволюции результаты. Один подоб­ный анализ, цель которого заключалась в сравнении эволюционных взаи­мосвязей между несколькими отрядами млекопитающих на основе амино­кислотной последовательности четырех разных протеинов, показал «об­щее отсутствие соответствия» между четырьмя исследованными протеи­нами и лишь «умеренное соответствие» с взаимосвязями, основанными на строении (морфологии) различных организмов 18 .

Так называемые живые ископаемые представляют собой еще одну за­гадку для концепции молекулярных часов. Живые ископаемые - это виды, почти не отличающиеся от ископаемых предков, которые, как полагают, жили сотни миллионов лет назад. В качестве примера можно привести обычного мечехвоста 19 , живущего вдоль восточного побережья Северной Америки. По всей видимости, он почти идентичен своему ископаемому двойнику, существовавшему, по некоторым подсчетам, не менее 200 мил­лионов лет назад. Возможно ли, чтобы изменения, непрерывно накапли­вавшиеся по ходу действия молекулярных часов в течение 200 миллионов лет, не оказали никакого видимого воздействия на организм?

Данные, изложенные в колонке Б таблицы 8.1, настолько единообраз­ны, что неизбежно поднимают еще несколько вопросов, касающихся мо­лекулярных часов, как в рамках эволюционного контекста, так и при рассмотрении прочих биологических факторов. Каким образом могли возник­нуть столь единообразные результаты, если исследования, как указыва­лось выше, свидетельствуют, что цитохромные часы неустойчивы в пока­заниях? Раз изменениям в белках (основанным на изменениях в ДНК) спо­собствует клеточное деление, может ли подобная устойчивость темпов мутации характеризовать все многообразные направления эволюционно­го развития всех видов растений и животных? Такое трудно себе предста­вить, учитывая, что эволюционное развитие теплокровных животных дол­жно было проходить иначе, чем у хладнокровных или у растений. Кроме того, одни виды размножаются очень быстро, а другие очень медленно. Столь единообразные результаты для разных путей предполагаемого эво­люционного развития могут вызвать новые вопросы о концепции молеку­лярных часов и привести к мысли о том, что нужно искать альтернативные истолкования. Пока мы не получим дополнительных сведений о том, что заставляет эти часы работать, если они вообще существуют, нам не по­вредит осмотрительность в суждениях.

Автор научных книг и статей Роджер Льюин подвел черту под полеми­кой о молекулярных часах в статье, озаглавленной так: «Молекулярные часы вышли из употребления». Он делает вывод, что молекулярные часы, похо­же, постоянны только в одном - в своем непостоянстве 20 . Зигфрид Ше-рер, биолог из университета Констанц, приходит к заключению, что «гипо­теза о белковых молекулярных часах должна быть отвергнута» 21 , а биолог Джеф Палмер из университета штата Индиана утверждает, что «верный ход молекулярных часов - это одно лишь предположение; чем глубже мы изучаем молекулярные изменения, тем больше у нас появляется свиде­тельств, что эти часы идут неверно» 22 . Два молекулярных биолога, Лайза Ваутер и Уэсли Браун столь же недвусмысленно высказываются за «бе­зусловный отказ от обобщенной концепции молекулярных часов» 23 .

ОТКРЫТИЯ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Многочисленные открытия, сделанные за последнее время в молекуляр­ной биологии, внесли свой вклад в многообразие эволюционной мысли. Они выявили такие свойства жизни, о которых невозможно было помыс­лить еще тридцать лет назад. Множество загадок, связанных с генетичес­кими системами, ставят в тупик как эволюционистов, так и креационистов. Почему последовательность всего лишь нескольких нуклеотидных осно­ваний повторяется 100000 раз в центре хромосомы плодовой мушки? Ка­кова функция большого числа некодирующих, или повторяющихся ДНК, содержащихся во всех организмах, кроме простейших? У людей они со­ставляют до 97 процентов всех ДНК. Ученые, считающие эти ДНК неким генетическим хламом, доставшимся нам от эволюционного прошлого, называют их «мусорными ДНК». Псевдогены - это еще одна разновидность последовательности явно некодирующих ДНК. Они выглядят как функци­ональные гены, но в них имеются участки, которые, очевидно, препятству­ют им в осуществлении нормальных функций 24 . Однако нельзя с уверен­ностью сказать, что некодирующие последовательности действительно не­функциональны. Есть мнение, что «мусорные ДНК» выполняют определен­ную роль, и ученые отвергают этот термин. Другие эволюционисты зада­ются вопросом, почему некодирующие ДНК сохранились «в первоздан­ной чистоте», если у них нет никаких функций. По идее, они должны были видоизмениться в процессе мутаций. Часть ученых говорит о неких функ­циях некодирующих ДНК, включая тайный язык 25 .

Старые представления о генах как длинных цепочках ДНК, иногда мути­рующих и в конечном итоге производящих новые организмы, уже не соот­ветствуют современным научным открытиям. Гены, очевидно, организова­ны в сложные, взаимодействующие системы, включая механизмы обратной связи, которые вряд ли могли развиться в постепенном, случайном эволю­ционном процессе, поскольку не обладали бы выживаемостью без полно­ценно функционирующей системы. Ниже приведены несколько примеров.

1. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. Открытие генетического кода показало, ка­ким образом сочетание четырех разных видов нуклеотидных оснований в кодовых комплексах из трех оснований в каждом, находящихся в цепочке ДНК (рис. 4.1), может диктовать порядок любой из 20 различных видов аминокислот, образующих белок. Клетка использует информацию из ДНК в своем ядре, чтобы производить тысячи различных белков посредством сложной закодированной системы. Каким образом случайный эволюци­онный процесс мог привести к образованию закодированной системы? Данная система требует не только замысловато закодированной инфор­мации, но также и наличие системы расшифровки этого кода. Иначе ниче­го не произойдет.

2. СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ГЕНОВ. Процесс производства белков на ос­новании генетической информации сложен и тщательно отрегулирован. Гены должны быть вовремя включены и вовремя выключены из процесса. Исследователи обнаружили целый ряд механизмов генного контроля 26 , одна часть которых подавляет ген, а другая активизирует его. Отдельные гены имеют более чем один контролирующий механизм. Система Lac-one-рона, обнаруженная в обычной бактерии, стала классическим примером системы генного контроля 27 . Она управляет производством трех фермен­тов (белков), занятых в метаболизме лактозы. Три фермента последова­тельно, один за другим, закодированы на спирали ДНК. Этим кодам пред­шествуют четыре особых участка в закодированной ДНК, необходимых для регулирования и производства ферментов. Данный, основной, вид системы и более сложные системы управления существуют также и у выс­ших организмов 28 . Огромное число химических преобразований в клетках находятся под контролем сложных систем.

3. СИСТЕМЫ ИСПРАВЛЕНИЯ ОШИБОК. Многоклеточные организмы в процессе жизнедеятельности производят множество новых клеток. Де­лясь на две половины, клетка воспроизводит миллионы и миллиарды пар нуклеотидов. Что касается человека, то всякий раз, когда организм форми­рует ДНК для новой клетки, он производит три миллиарда пар нуклеотидов. В процессе копирования данной информации зачастую случаются ошибки. Какая-то их часть не играет большой роли, но не исключены и ошибки, спо­собные привести организм к летальному исходу. Доля таких ошибок без вмешательства корректирующих ферментов могла бы достигать одного про­цента. Таким образом на одно деление клетки приходились бы тысячи, а то и миллионы ошибок. К счастью, клетка обладает эффективными системами, помогающими предотвращать данный процесс. Эти замысловатые механиз­мы могут увеличить точность копирования в миллионы раз, благодаря чему количество ошибок сведено до минимума 29 . Тонкие корректирующие сис­темы находят ошибки и исправляют любые участки ДНК, в которые вкра­лась ошибка. Исследователи обнаружили по крайней мере 15 ферментов, участвующих в репарации ДНК у бактерии Escherichia coli, а ведь нам изве­стно еще далеко не все о подобных системах 30 . Что касается эволюционной теории, то при рассмотрении данного коррекционного механизма ДНК воз­никает целый ряд вопросов. Например, могла ли подверженная ошибкам система быть достаточно последовательной, чтобы допустить эволюцион­ное развитие самокорректирующего механизма? Один исследователь на­звал это затруднение «нерешенной проблемой в теоретической биологии» 31 .

Изучая ДНК, молекулярные биологи обнаруживают широкий спектр специализированных функций, которые копируют, расщепляют, сращи­вают, исправляют, перемещают и инвертируют ДНК. На смену прежней гипотезе о простой ДНК, управляющей развитием и функцией организма, приходит концепция «текучей» ДНК со способностями программирования. Дж. А. Шапиро из Чикагского университета так формулирует новейшие идеи: «Нам необходимо рассматривать геномы [ДНК] как системы обра­ботки информации» 32 . Далее он подчеркивает, что «многие (возможно по­давляющее большинство) из преобразований ДНК происходят не в резуль­тате случайных химических процессов или репликационных ошибок. Ско­рее они возникают благодаря деятельности чрезвычайно сложных биохи­мических систем, которые можно считать функциями, репрограммирующими геномы [ДНК]».

В молекулярной биологии поиски истины только начались.

НЕОБЫЧНЫЕ ЭВОЛЮЦИОННЫЕ КОНЦЕПЦИИ

Последние десятилетия породили необычайное разнообразие идей и коллизий в эволюционной мысли. Неудачи, сопутствующие поиску убеди­тельного объяснения эволюционного развития, вызвали к жизни ряд не­ординарных предположений. В качестве примера я упомяну лишь три или четыре из них.

Английский химик Джеймс Лавлок обнародовал так называемую «гипо­тезу геи». Серьезную поддержку ему оказал Линн Маргулис, известный биолог из Бостонского университета. Эта идея приобрела значительную популярность, но отнюдь не в среде классических эволюционистов. Суть гипотезы геи заключается в том, что вся Земля представляет собой живой организм, в котором жизнь гармонично взаимодействует с неживой мате­рией как единое целое 33 . Гея предполагает скорее симбиотический про­цесс совместной деятельности организмов, чем борьбу за выживание. От­стаивая новую концепцию, Маргулис утверждает, что неодарвинизм «дол­жен быть отвергнут как маловажная религиозная секта в рамках разно­родного религиозного течения англо-саксонской биологии XX в.» 34 .

Кристофер Уилле из Калифорнийского университета выдвинул пред­положение, согласно которому гены эволюционировали в сторону увели­чения их способности к самосовершенствованию 35 . Отталкиваясь от тра­диционных научных взглядов, Уилле высказывает мысль, что отдельные сложные системы высокоорганизованных организмов являются результа­том развития у генов некоей «мудрости», позволяющей осуществлять все более сложные функции в процессе эволюции. Он не предлагает каких-то более или менее убедительных свидетельств, но делает свои выводы на основе многочисленных примеров существования комплексных генных ме­ханизмов у развитых организмов. Живые системы, несомненно, устроены чрезвычайно сложно, однако предположение о том, что подобная «муд­рость» развивалась сама по себе, не находит большой поддержки.

В том же интеллектуальном русле находятся и компьютерные исследо­вания, цель которых - выяснить, каким образом могла самоорганизовать­ся жизнь. Как уже говорилось 36 , второй закон термодинамики предпола­гает неуклонную тенденцию Вселенной к беспорядку. Эволюционная тео­рия предполагает обратное, и перед компьютерными исследованиями стоит задача объяснить, как же все это могло происходить 37 . Для решения зада­чи исследователи создают в компьютере виртуальный биологический мир. Знакомые всем компьютерные вирусы содержат некоторые элементы та­кой «рукотворной жизни». Программы отмечают результаты воздействия смоделированных факторов, таких, как изменчивость, соперничество, ес­тественный отбор. Ученые надеются, что подобные исследования смогут объяснить самоорганизацию, ожидаемую от эволюции. Разработчики этих программ сообщают об определенных успехах, однако даже в этой упро­щенной «силиконовой вселенной» есть много усложняющих задачу фак­торов.

Данная работа сосредоточена вокруг института Санта Фе в Нью-Мекси­ко; еще несколько специалистов работают в других исследовательских цен­трах. Они изучают вопрос о происхождении сложных структур в более широкой перспективе, включая эволюцию, экологию, человеческие систе­мы и гею. Ведется поиск некоего универсального объяснения возникнове­ния сложных структур. Исследователи пришли к определенному согласию в том смысле, что сложные структуры развиваются «на грани хаоса». Этот вывод основывается на том, что высокоорганизованные и стабильные сис­темы, такие, как кристаллы, следуют установившемуся образцу и не гене­рируют ничего нового. С другой стороны, совершенно хаотичные системы, такие, как горячий газ, слишком бесформенны и перемешаны, чтобы иметь значение для результатов. Следовательно, сложные системы должны раз­виваться между этими двумя крайностями, на грани хаоса.

Работа института Санта Фе подвергается критике с нескольких точек зрения. Надежды на универсальное объяснение существования сложных структур весьма призрачны 38 . Одни ученые полагают, что для объяснения сложных структур достаточно только естественного отбора, а в прочих объяснениях нет необходимости 39 . Другие выражают обеспокоенность тем, что упрощение может принести понимание за счет реальности 40 . Вид­ный эволюционист Джон Мэйнард Смит охарактеризовал этот тип искус­ственной жизни как «в основе своей свободную от фактов науку» 41 , а эко­лог Роберт Мэй находит работу института «математически интересной, но биологически незначительной» 42 . Самые острые критические стрелы ис­ходят со стороны логики, которая учит, что «подтверждение числовых мо­делей естественных систем не представляется возможным, поскольку сложные естественные системы не бывают закрытыми» 43 . Никогда нельзя быть уверенным, что обладаешь всей информацией.

Другой подход продемонстрировал знаменитый французский зоолог Пьер Грассе, автор труда под названием Эволюция живых организмов 44 . Грассе, бывший президент Французской Академии Наук и редактор 35-томной мо­нографии по зоологии, хорошо знаком с живыми организмами. Он весьма критически настроен по отношению к некоторым современным эволюцион­ным концепциям и категорически отрицает значение мутации и отбора для эволюции. Объясняя пробелы между основными группами организмов, П. Грассе высказывает мысль о существовании особых генов и особой био­химической активности, но соглашается с тем, что эволюция - это загадка, о которой мало что известно. Он приходит к такому выводу: «Возможно, в дан­ной области биологии некуда больше двигаться: далее только метафизика» 45 .

Похожая информация.

Как научиться определять время, сравнивая молекулы? В настоящее время развитие молекулярной биологии, биоинформатики и геномики позволяет находить новые подходы к изучению центрального вопроса всей биологической науки - проблемы эволюции живых систем. Одним из весомых вкладов этих относительно молодых дисциплин в развитие данной области является метод оценки времени эволюционного расхождения таксонов - так называемый метод «молекулярных часов».

Развитие молекулярной систематики

Идея использовать биомолекулы для определения степени родства между видами, как и многие другие важные идеи в биохимии прошлого века, пришла в голову Лайнусу Полингу (Linus Pauling ). Предложенная им и его коллегой Эмилем Цукеркандлем (Emil Zuckerkandl ) в 1965 году концепция была достаточно проста и основывалась примерно на тех же принципах, на которых основана систематика морфологическая. Ученые рассудили, что чем больше сходство между биомолекулами, синтезируемыми организмами, тем более филогенетически близки сами организмы, и наоборот. В первых экспериментах, посвященных изучению данного вопроса, Полинг и его коллеги исследовали некоторые биохимические характеристики (такие, например, как молекулярная масса и электрофоретическая подвижность) гемоглобина, выделенного из крови представителей разных таксонов. В результате оказалось, что гемоглобины человека и гориллы отличаются заметно меньше, чем они вместе отличаются от гемоглобинов лошади. Еще дальше от этой группы стояли гемоглобины курицы, ну а самые сильные отличия наблюдались в белках, выделенных из крови рыбы . Несложно заметить, что выводы зарождающейся молекулярной систематики в этом случае полностью совпали с устоявшимися представлениями морфологов. Разумеется, подобный результат вполне удовлетворил исследователей.

Собственно, время расхождения таксонов при таком подходе определяется исходя из двух параметров: примерной скорости накопления изменений в неких биомолекулах и непосредственного количества этих изменений (различий между биомолекулами таксонов, время расхождения которых пытается определить исследователь). Чем раньше виды разошлись, тем больше отличий в последовательностях биополимеров они накопили. Зная количество различий и скорость их появления можно рассчитать время, за которое они образовались. Однако это только теория, а на практике оба этих показателя довольно трудно поддаются точной оценке.

Рисунок 1. Филогенетическое дерево трёх гипотетических видов A, B и C. Эти виды имеют общего предка X. Виды B и C имеют более позднего предка Y.

Одна из первых попыток осуществить калибровку молекулярных часов была предпринята в конце 60-х годов работах Винсента Сэрича (Vincent Sarich ) и Алана Уилсона (Alan Wilson ), изучавших реципрокное сродство иммуноглобулинов разных родов и видов приматов . Как и Полинг, эти исследователи работали с белками. Сначала выделялись белки из трех разных таксонов. Для простоты назовем их A , B и C (рис. 1). Причем известно, что B и C эволюционно ближе друг к другу, чем к A . К каждому белку были получены антитела, после чего проверялось сродство этих антител к «чужим» белкам. Сначала антитела к белку А тестировались на сродство к белкам В и С , после чего антитела к белкам В и С тестировались на сродство к более эволюционно удаленному белку А . Их целью было выяснить правильность гипотезы о том, что скорость накопления изменений в белковых молекулах является постоянной для изучаемых видов. Данные исследования эту гипотезу не опровергли, поскольку показали, что скорость накопления изменений в линии “В ” оказалась такой же, как и скорость накопления изменений в линии “С ” с момента их расхождения. После этого ученые предположили, что, зная время расхождения линий “В ” и “С ” из палеонтологических данных, можно откалибровать получившиеся молекулярные часы и впоследствии датировать время расхождения таксонов, изучая только их биомолекулы. Впрочем, очень быстро выяснилось, что это не так просто, поскольку их попытки осуществить подобные операции не увенчались успехом - молекулярные оценки сильно расходились с данными палеонтологии.

Однако, несмотря ни на что, методика молекулярных часов находила широкое применение на ранних этапах молекулярно-филогенетических исследований. В частности, ее использовали для оценки времени расхождения крупных таксонов. Например, Дикерсон изучал эволюционные изменения гемоглобина и определил, что растения, животные и грибы дивергировали порядка 1-1,2 млрд. лет назад. Используя последовательности тРНК и 5S РНК МакЛафлин и Дэйхофф , а также Кимура и Ота оценили время расхождения про- и эукариот, получив результат порядка 2-2,6 млрд. лет назад. Как уже говорилось, все эти оценки характеризуются большими погрешностями, однако они не расходятся принципиально с оценками более точных современных исследований.

Несколько отличный подход к определению степени родства видов молекулярными методами применили Бриттен и Кон в 1968 году . Суть их метода заключалась в сравнении сразу всей ДНК исследуемых видов. Это делалось таким образом: сначала молекулы геномной ДНК подвергались денатурации, после чего одноцепочечные молекулы отжигались друг с другом. Далее исследовался полученный гетеродуплекс. Логика была такова: чем больше энергии придется затратить для того, чтобы осуществить денатурацию полученного дуплекса (чем дуплекс более прочен), тем ближе виды между собой, поскольку очевидно, что стабильность такой гибридной ДНК напрямую зависит от того, насколько похожи две частично комплементарные цепи.

Результаты этих исследований не были очень впечатляющими, поскольку тогда еще не было четкого понимания того, что геном состоит далеко не только из уникальной ДНК. Картину портили всевозможные геномные повторы, количество и размер которых, как оказалось, плохо коррелирует со степенью различия между видами (кстати, данная работа сделала серьезный вклад в их изучение) . Возникновение и исчезновение повторов - это непредсказуемый процесс, который может быть вызван огромным числом самых разных причин. К тому же, предполагать, что число повторов изменяется с постоянной скоростью у всех видов в любой исторический момент, довольно наивно.

К 70-м годам прошлого века стало ясно, что если имевшиеся тогда методы молекулярной систематики и подходят для того, чтобы классифицировать эволюционно далекие объекты, то когда речь заходит о близких видах, сопоставление белков и полных геномов обнаруживает явные неточности и дает ненадежные результаты. Например, оказалось, что биохимические различия между шимпанзе и человеком настолько малы, что, судя только по ним, невозможно будет отделить один вид от другого. Становилось понятно, что для более точных результатов надо искать и сравнивать конкретные последовательности ДНК

ДНК: какие куски лучше сравнивать?

Как уже говорилось, одним из самых тонких мест в методике молекулярных часов является определение скорости накопления изменений, которую довольно проблематично точно оценить. К тому же, в большинстве случаев эта скорость для удобства считается постоянной на всем времени с момента расхождения изучаемых видов, а говорить об этом не всегда правомерно. Классическим эволюционистам идея постоянства скорости накопления мутаций была непонятна совершенно. Ведь согласно общепризнанной в то время синтетической теории эволюции, скорость эволюционного изменения видов определяется факторами среды и интенсивностью естественного отбора, а, следовательно, она просто обязана колебаться, поскольку условия среды меняются с переменной скоростью.

Первые идеи по разрешению сложившегося противоречия были предложены японским биологом Моту Кимура (Motoo Kimura ), который сформулировал так называемую «нейтральную теорию» молекулярной эволюции . Предположение заключалось в том, что большинство изменений в последовательности геномной ДНК никак не отражается на фенотипе особей, а, следовательно, не попадает под действие естественного отбора. Интересно, что по этой причине, концепцию Кимуры некоторое время считали противоречащей классическому дарвинизму. Однако сейчас очевидно, что никакого противоречия нет.

Дело в том, что отбор преимущественно действует на уровне строения белковых молекул. Ведь для того, чтобы организм нормально существовал, его белки должны правильно работать, а это невозможно в случае, если белковые молекулы накопят слишком много структурных изменений. Следовательно, организмы, синтезирующие дефектные белки, погибают, а выживают только те, чьи белковые молекулы нормально функционируют и не содержат критического количества перестроек. Но, как оказывается, отсутствие различий в белковых молекулах видов вовсе не говорит о том, что этих различий нет в последовательностях ДНК.

Генетический аппарат клетки устроен таким образом, что непосредственно на структуру белков (а, следовательно, на фенотипические проявления признаков, подвергающиеся действию отбора) влияют далеко не все последовательности ДНК. Сейчас хорошо известно, что в среднем у эукариотических организмов количество структурных генов может колебаться от 10% до 40% от всего генома. Остальные последовательности представлены межгенными спейсерами, регуляторными участками, мобильными элементами и гетерохроматиновыми повторами, мутации в которых далеко не всегда отражаются на фенотипе особи и в массе своей оказываются именно нейтральными.

Разумеется, эти представления появились не сразу. В 30-е годы XX века считалось, что в хромосомах нет ничего, кроме генов, линейно соединенных между собой наподобие бусин на нити. Эти соображения были особенно популярны в период активного изучения политенных хромосом дрозофилы, которым присуща характерная поперечная исчерченность. Поперечные полоски на таких хромосомах, как раз и считали некоторое время генами, наблюдаемыми непосредственно в световой микроскоп. К 60-м годам становится ясно, что между генами содержится множество нуклеотидных последовательностей, которые тогда считались «мусорными», ну а к середине 70-х годов стало ясно, что и сама тонкая структура гена такова, что не все его участки непосредственно влияют на фенотипическое проявление признака (рис. 2). Ведь гены содержат экзоны (кодирующие участки) и интроны (участки, удаляющиеся в ходе процессинга пре-мРНК). Вполне естественно, что скорости изменения функционально разных последовательностей должны отличаться, поскольку важные для нормального существования организма регионы генома естественным образом окажутся более консервативными, а менее значимые участки будут накапливать изменения интенсивнее.

Рисунок 2. Эволюция представлений о строении гена. а - 30-е годы. Хромосомы - это цепочки из генов. б - 60-е годы. Гены в хромосомах разделены спейсерами и гетерохроматиновыми участками. в - Наши дни. Гены содержат интроны, которые удаляются из пре-мРНК в результате сплайсинга.

Молекулярные часы: множество стрелок и все идут с разной скоростью!

В 80-е годы c накоплением данных о ДНК-последовательностях геномов разных организмов число противоречий относительно методики молекулярных часов возросло. В 1986 году в своей работе Бриттен заключил, что разные группы живых организмов могут накапливать молекулярные изменения с разной скоростью . В частности, он пришел к выводу, что грызуны, а именно мыши и крысы, эволюционировали заметно быстрее, чем прочие группы млекопитающих, а, например, человекообразные обезьяны, наоборот, характеризовались низкой скоростью молекулярной эволюции (нейтральные замены накапливались медленнее). Сам Бриттен склонен был объяснять это тем, что у данных групп могли быть различия в системе репарации ДНК, что и привело к расхождению в скорости накопления нейтральных мутаций. Однако эти исследования показывали, что скорость нуклеотидных замен пропорциональна скорее количеству поколений, сменившихся с момента дивергенции исследуемых таксонов, чем абсолютному времени, прошедшему с тех пор, что усложняло применение метода молекулярных часов в исследованиях, поскольку вносило дополнительные неточности.

Примерно в это же время ученые с короткими фамилиями Ву и Ли сделали предположение о том, что в линиях грызунов и человекообразных обезьян могут по каким-то причинам различаться количества синонимичных (не приводящих к замене аминокислоты и, следовательно, не отражающихся на фенотипе) и несинонимичных нуклеотидных замен . Им даже удалось подтвердить это в своей работе, в которой они показали, что число синонимичных замен у грызунов в два раза больше, чем в линии наших предков. Эти данные подтверждали необходимость сравнивать не абсолютные промежутки времени, а количество поколений, прошедших с момента дивергенции.

Однако эти заключения были подвергнуты сомнению в работе Эстила , в которой утверждалось, что причиной расхождений в скоростях накопления мутаций была неверная оценка времени дивергенции общих предков линии грызунов и человекоподобных обезьян. Впрочем, в последующих работах Ли было показано, что есть разница в скорости накопления замен в интронах некоторых генов у обезьян Старого света и их человекоподобных родственников .

Сравнение скоростей молекулярной эволюции различных локусов проводилось и на других объектах. В частности, было показано, что ген алкогольдегидрогеназы у гавайских представителей рода Drosophila изменялся заметно быстрее в сравнении с таким же геном у D. pseudoobscura . Или, например, известно, что структурные гены митохондрий по каким-то причинам изменяются заметно медленнее у рыб, чем у млекопитающих . А недавно с помощью молекулярно-филогенитического анализа удалось не только оценить время, прошедшее с момента дивергенции опсинов, отвечающих за зрение в различных таксонах животного мира, но и доказать сам факт возникновения зрения , насолив тем самым противникам идеи биологической эволюции, считающим, что возникновение новых функций в процессе естественного отбора невозможно по причине нежизнеспособности переходных форм.

Главная » Правила в английском языке » Молекулярные часы. Связь с нейтральной теорией молекулярной эволюции