ДНК. История генетической революции

Великий химик Лайнус Полинг был родоначальником современного молекулярного подхода к эволюции. В начале 1960-х годов они с Эмилем Цукеркандлем сравнили аминокислотные последовательности аналогичных белков от нескольких видов. Тогда секвенирование белков только начинало развиваться, поэтому полученные ими данные неизбежно оказывались неполными. Тем не менее этими учеными была обнаружена поразительная закономерность: чем ближе друг к другу два вида с эволюционной точки зрения, тем более похожи у них последовательности аналогичных белков. Так, сравнивая одну из белковых цепочек в молекуле гемоглобина, Полинг и Цукеркандль заметили, что из всех образующих ее 141 аминокислоты у шимпанзе и у человека наблюдается всего одно различие, а у человека и лошади там же насчитывается уже 18 различий. Данные молекулярных последовательностей свидетельствуют, что человек состоит в более близком родстве с шимпанзе, чем с лошадью. Изучение эволюционной истории, скрытой в биомолекулах, сегодня уже стало рутинной практикой, однако в те времена эта идея казалась, с одной стороны, новаторской, а с другой стороны – весьма неоднозначной.

Успех молекулярного подхода к изучению эволюции зависит от корреляции двух составляющих: длительности периода, истекшего с момента расхождения двух видов, и степени молекулярной дивергенции между ними. Логика таких «молекулярных часов» проста. Чтобы ее проиллюстрировать, давайте вообразим скрещивание между двумя парами однояйцевых близнецов: первая однояйцевая самка скрещивается с первым однояйцевым самцом, вторая – соответственно, со вторым. Затем каждая из пар изолируется на необитаемом острове. С генетической точки зрения обе популяции, оказавшиеся на островах, изначально неотличимы одна от другой. Однако спустя несколько миллионов лет в популяции с одного из островов накопятся мутации, которых не будет в популяции с другого острова, и наоборот. Поскольку мутации возникают нечасто, а отдельно взятые геномы велики и потому разброс участков, где могли бы произойти мутации, просто огромен, невозможно себе представить, что обе популяции могут приобрести одинаковые наборы мутаций. Поэтому, секвенируя ДНК потомков каждой из пар, мы найдем множество различий между некогда идентичными геномами, накопившихся со времени их разделения. В таком случае говорят, что между популяциями произошла «генетическая дивергенция». Чем дольше они были разделены, тем сильнее будет дивергенция.

Однако как определить, если можно так выразиться, точку отсчета, с которой мы начинаем считать эти молекулярные часы? Иными словами, как измерить генетическую дивергенцию между нами и, скажем, другими представителями живой природы? В конце 1960-х годов, задолго до появления ДНК-секвенирования, Аллан Уилсон, эксцентричный новозеландец, работавший в Калифорнийском университете в городе Беркли, решил вместе с коллегой Винсом Сэйричем проверить логику Полинга и Цукеркандля на человеке и его ближайших родичах. Поскольку в то время секвенирование белков все еще оставалось печально обременительным и крайне трудоемким делом, Уилсон и Сэйрич придумали хитроумный выход из ситуации.

Сила иммунного ответа на инородный белок отражает степень его чужеродности: если он сравнительно схож с собственным белком организма, то реакция относительно слабая, но с увеличением разницы реакция пропорционально усиливается. Уилсон и Сэйрич проверяли силу реакции, беря белок от одного вида и измеряя иммунный ответ, который он провоцировал у других видов. Так они смогли построить индекс молекулярной дивергенции между двумя видами, однако, чтобы добавить в такие молекулярные часы параметр времени, их требовалось откалибровать. Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что обезьяны Старого и Нового Света (две основные группы обезьян) произошли от общего предка, жившего около 30 миллионов лет тому назад. Соответственно, Уилсон и Сэйрич приравняли иммунологическую «дистанцию» между обезьянами Старого и Нового Света к 30 миллионам лет, истекших с момента расхождения этих линий. Насколько в таком случае отстоят люди от своих ближайших эволюционных родичей, шимпанзе и горилл? В 1967 году Уилсон и Сэйрич опубликовали результаты своих расчетов, согласно которым эволюционные линии человека и человекообразных обезьян разделились около пяти миллионов лет тому назад. Это заявление встретили в штыки: в палеоантропологических кругах считалось общепризнанным, что этот акт дивергенции произошел около 25 миллионов лет тому назад. Научный истеблишмент настаивал, что промежуток между человеком и человекообразными обезьянами намного больше пяти миллионов лет. Уилсон и Сэйрич выдержали этот натиск. Дальнейшие исследования показали, что предложенная ими датировка расхождения человека и человекообразных обезьян на удивление точна.