Жан-Батист Панафье - Дарвин на отдыхе [Размышляем над теорией эволюции] [litres]

Опираясь на многочисленные геологические данные, он показал, что 66 миллионов лет назад на землю упал астероид и что последствия этого события, несомненно, лежат в основе исчезновения динозавров, морских рептилий, аммонитов и многих других видов. Несмотря на то, что геологи до сих пор дискутируют о том, что оказалось более значимым – падение астероида или мощный вулканический кризис, пришедшийся на ту же эпоху, результатом стало глубокое потрясение всех экосистем, что направило эволюцию по совершенно иному пути. Динозавров сменили млекопитающие, которые за несколько миллионов лет заняли все доступные среды обитания, где ранее господствовали крупные рептилии.

Мощный катаклизм развернул привычное течение эволюции. Вся планета на много лет оказалась в ледяных сумерках. Погибли растения, за ними – травоядные и хищники. Очевидно, что к подобным событиям виды живой природы не могут приспособиться путем медленных, постепенных мутаций и естественного отбора. Выжившие виды были обязаны своей счастливой судьбой тем характеристикам, которые не имели отношения к катастрофе – например, способности к замедлению рождения потомства, – или рациону, базировавшемуся на умерших растениях или трупах животных. Именно так объясняют выживание крокодилов и маленьких млекопитающих, способных впадать в спячку. Но отчасти исчезновение или выживание отдельных видов стало игрой случая.

Открытие структуры ДНК сопровождается пересмотром некоторых аспектов неодарвинизма. Эволюция предстает более разнообразной, и естественный отбор сохраняет в ней главенствующую роль.

На протяжении первой половины XX века генетика совместно с классическим дарвинизмом предыдущего столетия сформировала «синтетическую теорию эволюции». Но вскоре теорию самым радикальным образом обогатило новое направление в науке – молекулярная биология. Открытие структуры молекулы ДНК и выявление мощных молекулярных инструментов вызвали двойной эффект: с одной стороны, это привело к развитию теории, поскольку ученые получили доступ к глубинным механизмам мутации и их воздействию на организм, а с другой – к изучению новых процессов, способных повлиять на ход эволюции.

В 1953 году Джеймс Уотсон (род. в 1928) и Фрэнсис Крик (1916–2004) опубликовали в журнале Nature статью, в которой описали структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – знаменитую двойную спираль – и увязали эту структуру с базовыми свойствами клетки. Это открытие принесло им в 1962 году Нобелевскую премию по медицине совместно с физиком Морисом Уилкинсом. Химик Розалинд Франклин умерла в 1958 году, и ее имя теперь не так знаменито, как фамилии ее коллег.

ДНК представляет собой длинную линейную молекулу из звеньев, образованных четырьмя нуклеотидами, обозначаемыми А, Т, G, C по их азотистым основаниям – аденин, тимин, гуанин и цитозин соответственно. Цепочка может выглядеть так: A-T-G-G-T-C-A-G-A-T-C–C-A…

Человеческая ДНК содержит примерно 3,3 миллиарда нуклеотидов. Эта последовательность разделена на 46 участков – 23 пары хромосом. Под микроскопом они выглядят как маленькие палочки, когда клетка делится, но в остальное время это длинные нити, свернутые в ядре клетки. ДНК одной клетки человека достигает в длину почти двух метров.

ДНК

Клетка умеет читать последовательность, то есть порядок нуклеотидов, примерно так, как мы читали бы слова четырехбуквенного алфавита. Часть ДНК транслируется клеткой при синтезе новых молекул (белка или ДНК) в качестве усвоенной информации. Участки, пригодные для экспрессии в процессе производства молекул, называют генами. Всего у человека около 20 тысяч генов. Но не все гены экспрессируются повсюду. Их экспрессия зависит от клеточной среды, в соответствии с ролью каждой конкретной клетки в организме.

Остальная часть ДНК не транслируется, но значительная часть молекулы играет существенную роль в регуляции чтения генов и их трансляции клеткой. В половине случае это повторяющиеся последовательности. Существуют также тысячи «псевдогенов» – последовательностей, напоминающих гены, но не имеющих их функционала.

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».

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.