Дарвин на отдыхе. Размышляем над теорией эволюции

Мутации – это более или менее значимые изменения в последовательности ДНК, вызванные облучением или химическими веществами. Одна мутация может затронуть один нуклеотид, тогда происходит однонуклеотидный полиморфизм, или «снип» – например, АТС превращается в GТC. Но иногда это сложные преобразования участков хромосом, содержащих тысячи нуклеотидов.

Секвенировать ДНК – значит определить порядок составляющих ее цепочек нуклеотидов. С 2010-х годов секвенирование генов стало рутинной задачей для лабораторий – быстрой и недорогой. Мы расшифровали полный геном, то есть комплекс генов, сотен видов бактерий, растений и животных. Сегодня проще сравнить геномы двух видов животных, чем их строение!

Биологи постепенно описывают тот способ, которым клетка использует ДНК для синтезирования необходимых ей белков. Ученые констатировали, что у всех живых существ ДНК транслируется одинаково – генетический код универсален! Конкретным результатом этого стала трансгенетика – мы можем пересадить ген человека бактерии и заставить ее вырабатывать белок для человека, например инсулин. Из этой универсальности есть и еще одно следствие: если ДНК всех живых существ обладает идентичной структурой и функционирует идентичным образом, то можно предположить, что все они унаследовали эти свойства от одного общего предка. То есть все живые существа: бактерии, археи, растения, грибы и животные – происходят от одного и того же предка. Именно так и предполагал Дарвин, но теперь у биологов появился мощный аргумент в поддержку его гипотезы. Мы все унаследовали нашу ДНК и механизм ее функционирования от общего предка, получившего название LUCA – Last Universal Common Ancestor, Последний Универсальный Общий Предок. У нас нет его ископаемых останков, он скорее существует в теории, чем в реальности.

«Все органические существа, когда-либо жившие на Земле, могли произойти от одной первобытной формы».

Чарльз Дарвин, 1859

Впоследствии секвенирование ДНК привело к развитию нового направления филогенетики, базирующегося не на анатомических или физиологических характеристиках видов, а на их геноме.

Потребовалось создать алгоритмы для сравнения последовательностей ДНК, чтобы обрабатывать непростые для интерпретации данные. Но теперь все методики уже известны, их можно обсуждать и модифицировать. Сравнивая одну и ту же молекулу у нескольких видов, можно оценить степень отличия одного вида от другого и восстановить пройденный эволюционный маршрут на молекулярном уровне. Теперь можно строить молекулярные филогенетические деревья, следующие принципам кладистики. Такие деревья не являются заведомо более надежными, чем деревья, основанные на анатомическом строении, но они помогли устранить некоторые двусмысленности. Например, мы сумели определить родственные отношения малой панды: по своей ДНК она ближе к енотам-полоскунам, чем к медведям, но достаточно удалена от обоих, чтобы войти в новое семейство – пандовые, являясь в нем сегодня единственным живым представителем.

Филогенетическое древо живых существ, построенное на основе генома

Сравнение ДНК нескольких видов получило еще одно применение: степень различия между ДНК двух видов в целом пропорциональна времени, на протяжении которого эти виды эволюционировали от своего общего предка. По крайней мере, для тех участков молекулы, на которые не влияет естественный отбор. Если их ДНК во многом схожи, значит, общий предок жил совсем недавно («недавно» по геологическим меркам, разумеется). А если ДНК значительно различаются, значит, общий предок этих видов исчез очень давно. Зачастую период существования общего предка можно датировать благодаря ископаемым останкам. Даже если конкретный вид этого предка определить нельзя, можно сказать, в какую эпоху он обитал на Земле.

Эти данные позволяют оценить скорость модификации ДНК, например рассчитать число мутаций на миллион лет. Если допустить, что объем мутаций постоянен, то далее можно определить время появления различающихся видов. Такие молекулярные часы дают нам общего предка для человека и шимпанзе, обитавшего примерно 6–8 миллионов лет назад, что соответствует возрасту самых древних африканских двуногих приматов, например сахелантропа, известного под именем Тумай. Молекулярные часы работают по-разному в зависимости от эпохи и, главное, от зоологической группы, но, настроенные один раз, они приносят большую пользу при соотнесении с палеонтологическими данными.

Адаптивная радиация