Дарвин на отдыхе. Размышляем над теорией эволюции

Детальный анализ белков, а затем и ДНК позволил понять, как вид может приобретать новые характеристики, не утрачивая прежних. Если ген трансформируется в процессе мутации, то бывает, что он теряет свою изначальную функцию, что априори неблагоприятно. Но мы обнаружили, что многие гены дублируются, то есть копируются в нескольких экземплярах, идущих один за другим. В таком случае одна копия может накапливать мутации, тогда как другие функционируют по-прежнему. Именно так объясняют производство нескольких видов зрительных пигментов, позволяющих нам иметь цветовое зрение, или разных форм гемоглобина, сменяющих друг друга у зародыша и новорожденного.

Среди множества критических аргументов, высказанных против дарвиновской теории отбора, один имел особенный вес. Несложно признать слабые трансформации внутри видов: цвет шкуры или перьев, размер особи или даже постепенную утрату какого-то органа. Но строгий градуализм с трудом мог объяснить появление совершенно новых органов или неизвестных ранее структур.

С 1980-х годов обнаружение генов, отвечающих за развитие, обновило наш взгляд на проблему мутаций. Некоторые гены вмешиваются уже на начальной стадии развития особи и играют определяющую роль в ее строении. В первую очередь они определяют, где у эмбриона будет перед и зад, то есть живот и спина. Такие гены получили название «гены-архитекторы».

Гены, именуемые «гомеозисными», играют роль в повторении определенных органов, например сегментированного брюшка насекомых или ребер у позвоночных, и в их дифференциации. Малейшая модификация этих генов приводит к зримым последствиям у эмбриона – например, у насекомого вместо усика может возникнуть ножка. Сегодня это проявляется чаще всего в нежизнеспособных аномалиях, но у более простых организмов в результате могут родиться жизнеспособные особи, заметно отличающиеся от своих сородичей.

Именно так произошло, по всей видимости, в начале кембрийского периода, 540 миллионов лет назад. В ту эпоху было еще совсем немного видов животных. В природе резко сократилось количество хищников, и перед животным миром раскрылись океаны пищи. Геномы в то время, вне всяких сомнений, также были проще. Мутации, проявлявшиеся на ранних стадиях развития эмбрионов, привели к появлению самых разных структур. Некоторые из них оказались выигрышными, а другие исчезли или выжили скорее случайным образом. Представьте, что в менее требовательной, чем сегодня, среде обитания у всех мутаций имелся шанс на выживание! Рождались самые странные животные, сколь бы мало жизнеспособными они ни были. Из этого периода благополучия ведут начало несколько линий, предки большинства современных биологических типов. Так, насекомые и млекопитающие унаследовали одинаковые гены-архитекторы от общего предка, обитавшего именно в ту эпоху. Впоследствии возникали только вариации на существующие темы. Некоторые типы строения, например позвоночных или моллюсков, оказались благоприятны для появления самых разных форм. Но эта эволюция шла уже гораздо более низкими темпами, чем в период «кембрийского взрыва», хорошо изученного палеонтологами.

Горизонтальный перенос генов

Случается, что два совершенно разных организма (например, гриб и животное) обладают предельно схожими генами, при том что такие гены отсутствуют у большинства близких видов и не являются унаследованными от общего предка. Такое сходство объясняют «горизонтальным переносом генов», передачей их не наследственным путем, (например, через вирус или пищу), произошедшей у прямого предка одного из этих видов. Встроившись в новый геном, эти гены ведут себя так же, как обычные гены, и передаются из поколения в поколение.

Это явление распространено у бактерий и архей[11], которые могут обмениваться ДНК или заимствовать ее из окружающей среды. У таких организмов до 50 % генома может формироваться методом горизонтального переноса. Этот механизм предоставляет бактериям и археям молекулярные инструменты, прошедшие естественный отбор, которые позволяют им получить доступ к новым источникам пищи или устойчивость к антибиотикам. Полезные мутации быстро распространяются среди разных видов как путем обмена фрагментами ДНК, так и путем прямого заимствования участков ДНК у мертвых бактерий, плавающих в среде обитания живых бактерий.