Сверим часы. Выдвижение теории и её развитие

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЭВОЛЮЦИИ

Любая клетка состоит из определённого количества органических соединений. В строении клетки и в обеспечении энергией протекающих в ней процессов основную роль играют белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды. Особое место в жизни клеток занимают макромолекулы белков и нуклеиновых кислот. Белки, прежде всего, являются строительным и пластическим материалом клетки, а нуклеиновые кислоты - носителями наследственной информации.

На современном этапе развития молекулярной биологии можно анализировать изменения в последовательности нуклеотидов в ДНК или аминокислот в молекуле белка разных видов и по этому показате­лю судить о степени их сходства и различия.

Эволюция белков

Поскольку каждая за­мена аминокислот в молекуле белка связана с изменением одного, двух или трёх нуклеотидов в молекуле ДНК, с помощью компьютеров можно вычислить максимальное или минимальное число нуклеотидных замен в составе гена, участвующего в синтезе данной молекулы белка.

На основе полученных данных можно судить о среднем числе замещений аминокислот в молекуле белка и изменениях в расположении нуклеотидов в составе гена. Как известно, гемоглобин входит в состав красных кровяных телец - эритроцитов и активно участвует в транспорте кислорода. Гемоглобин в эритроцитах человека состоит из взаимно схожих двух α- и двух β-цепей. В каждую цепь α входит 141, в каждую цепь β - 145 аминокислот. Несмотря на взаимные различия α- и β-цепей гемоглобина, последовательность расположения аминокислот в них одинакова. Это свидетельствует о том, что цепи α и β гемоглобина возникли в результате дивергенции единой полипептидной цепи в историческом процессе. В результате мутационных изменений в различных группах животных замещение аминокислот происходило также в α- и β-цепях гемоглобина.

Как видно из данных таблицы 1, молекулы гемоглобина у человека и человекообразных обезьян почти схожи по последовательности аминокислот, однако различия между человеком и другими отрядами млекопитающих животных по этому показателю весьма существенны и составляют от 14 до 33. Такие же данные получены при сопоставлении аминокислотного состава белка цитохрома C человека, дрозофилы и других организмов (таблица 2).

Если скорость эволюции белка измеряется числом аминокис­лотных замен в год, то скорость эволюции генов измеряется путём определения нуклеотидных замещений. Однако нуклеотидные заме­ны в составе генов не всегда обусловливают аминокислотную замену в составе белка. Об этом свидетельствует тот факт, что из 20 амино­кислот, входящих в состав белка, 18 кодируются 2, 3, 4 и 6 кодами.

Эволюция ДНК (гена)

Каждый нуклеотид в составе гена может подвергаться мутации. Её называют точечной мутацией . Некоторые нуклеотиды по-разному реагируют на воздействие извне. В некоторых нуклеотидных парах мутация происходит всего один или два раза, у других число мутаций может достигать нескольких сотен. Последние называются «горячими » точками.

Очень важно и то, какой нуклеотид претерпевает изменения при мутации. Например, фенилаланин обладает кодоном UUU. Если тре­тий нуклеотид этого кодона урацил заменяется аденином или гуани­ном, то положение кодона изменяется и кодоны UUA и UUG вклю­чают в полипептидную цепь не фенилаланин, а лейцин, что приводит к существенному изменению структуры и функции молекулы белка. Обычно у близких друг к другу в систематическом отношении видов число мутаций невелико и, наоборот, у видов, далёких друг от дру­га, - велико. Поэтому, например, ДНК человека оказалась гомоло­гичной ДНК макаки на 66%, быка - на 28%, крысы - на 17%, лосося - на 8%, бактерии кишечной палочки - всего на 2%.

Молекулярные часы эволюции

Обычно, определяя дивергенцию белков у нескольких видов, можно судить о сроках расхождений между ними. Скорость эволюции белка измеряется числом годичных аминокислотных замен в его составе. По аминокислотным заменам в составе белка можно определить момент дивергенции рода, семей­ства, отряда, класса, типа. Например, в результате изучения родос­ловной белка глобина в установлено, что его строение было схожим у общих предков карпа и человека, существовавших около 400 млн лет назад, ехидны и человека - 225 млн лет назад, собаки и чело­века - 70 млн лет назад. Материал с сайта http://wikiwhat.ru

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-12

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).

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.

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.

Главная » Артикли » Сверим часы. Выдвижение теории и её развитие