Введение. Белокровная рыба с острова Буве
Шон Кэрролл
Приспособиться и выжить!
Шон Кэрролл
Приспособиться и выжить!
ДНК как летопись эволюции
Посвящается Джоан Г. Кэрролл и покойному Дж. Роберту Кэрроллу.
Спасибо за мою ДНК и все мои мутации.
Применение анализа ДНК в судебно‑медицинской экспертизе. Семь вертикальных дорожек – это образцы ДНК семи подозреваемых. В центре нанесена ДНК, обнаруженная на месте преступления, которая, как мы видим, совпадает только с ДНК подозреваемого № 3. Печатается с разрешения лаборатории Cellmark Diagnostics.
Предисловие
Вне всяких сомнений
Факты не перестают существовать оттого, что ими пренебрегают.
Олдос Хаксли
В 1979 году Диана Грин, находившаяся на последнем месяце беременности, была сильно избита, и ее нерожденный ребенок погиб от полученных травм. Женщина потеряла память и на судебном процессе не могла произнести даже собственное имя, но тем не менее подтвердила, что увечья ей нанес ее муж, Кевин Грин. Грин был обвинен в убийстве и в покушении на убийство.
В 1996 году сотрудники лаборатории Калифорнийского департамента юстиции вновь вернулись к этому делу, чтобы провести анализ ДНК. Анализируя образец ДНК с места преступления и ДНК Грина, исследователи обнаружили, что ДНК с места преступления 17‑летней давности, а также ДНК, обнаруженная в ходе расследования четырех других убийств, совпадала с ДНК другого мужчины, Джеральда Паркера, который в это время находился в тюрьме за несоблюдение условий досрочного освобождения из предыдущего заключения. Когда Паркеру предъявили результаты анализа ДНК, он сознался в своих преступлениях (и впоследствии был приговорен к смерти), а Грин вышел на свободу, отсидев в тюрьме 16 лет за преступление, которого не совершал.
|
|
|
Анализ ДНК является гораздо более точным и строгим методом, чем анализ волос или отпечатков пальцев, и гораздо более надежным, чем показания свидетелей, и поэтому он может служить окончательным доказательством того, что кто‑то находился (или не находился) на месте преступления. Бесспорность генетических доказательств во множестве судебных дел, аналогичных делу Грина, привела к революционным преобразованиям в криминалистике и к широкому привлечению генетического анализа к доказательству виновности и подтверждению невиновности подозреваемых. Многие преступления, которые в прошлом остались бы нераскрытыми, а также многие дела, безнадежно висевшие десятки лет, теперь раскрываются в рутинном порядке. Растет и число оправдательных приговоров. Американская организация «Проект невиновности» (Innocence Project ), занимающаяся оправданием осужденных с помощью анализа генетического материала, сообщает, что за последние 13 лет было освобождено свыше 150 человек, причем некоторые из них вышли из камеры смертников.
|
|
|
Анализ ДНК применяется не только в криминалистике. Теперь не представляет особой трудности определение отцовства, а также выявление генетической предрасположенности к определенным заболеваниям. Однако осталась еще одна область, где возможности генетических методов оценены не до конца: эта область в некотором роде относится к сфере философии.
Дело в том, что уникальной является не только ДНК каждого индивида – уникальна и ДНК каждого вида организмов. Любое эволюционное различие между видами (от внешних признаков до особенностей обмена веществ) связано с изменением ДНК и отражено в ДНК. Таким образом, «устанавливать отцовство» можно не только на уровне отдельных индивидов, но и на уровне видов организмов. Можно сказать, что ДНК содержит в себе экспертный отчет о ходе эволюции.
Тут следует отметить одно довольно забавное обстоятельство. Присяжные и судьи опираются на генетические доказательства в вопросах, касающихся жизни и смерти тысяч людей. И кажется, 100 % населения США поддерживают эту практику. Но при этом около половины американцев до сих пор не верят в теорию биологической эволюции. Совершенно очевидно, что мы гораздо лучше справляемся с применением ДНК, чем с объяснением ее сути.
|
|
|
Более 100 лет назад Уильям Бэтсон[1] начал свою книгу, ставшую одним из важнейших трудов по эволюции после трудов Дарвина, такими словами: «Если фактов старого типа недостаточно, давайте займемся поиском фактов нового типа. Я верю, что многие натуралисты начинают осознавать, что пришло время отправиться в новый путь».
Сейчас, когда анализ ДНК проникает в самые разные области нашей жизни, настало время опять отправиться в путь за фактами нового типа. В этой книге я поставил перед собой задачу представить читателю новые факты об эволюции, обнаруженные благодаря анализу ДНК. В последние годы биологи получили доступ к гигантскому объему генетической информации, касающейся многих видов организмов, включая человека и его ближайших родственников. Всего за 20 лет количество последовательностей в генетических базах данных выросло в 40 тыс. раз, причем большая часть этой информации получена уже в новом тысячелетии. Представьте себе, что в 1982 г. наши знания о последовательностях ДНК всех организмов в целом не превышали миллиона знаков. Напечатав эти знаки в виде букв и строчек, мы получили бы книгу примерно такого же размера, как та, что вы сейчас держите в руках. Если же напечатать в виде книг все последовательности ДНК, известные нам сегодня, и сложить их стопкой, эта башня вдвое превысит высоту 110‑этажного небоскреба Сирс‑тауэр в Чикаго. И это собрание информации о жизни продолжает расти в высоту более чем на 30 этажей в год.
|
|
|
Внутри этих книг – последовательность ДНК, лежащая в основе строения всех видов бактерий, грибов, растений и животных. Расшифровка этих текстов, состоящих из практически бесконечного набора перестановок всего четырех букв (A, C, G и T), открывает нам самые широкие возможности за всю историю эволюционной биологии. Биологи анализируют этот новый, богатейший источник информации, чтобы изучить и понять наиболее загадочные события в естественной истории и установить в мельчайших подробностях, ранее недоступных, как в ходе эволюции формировались все важнейшие признаки. В этой книге я расскажу о том, каким образом новая наука под названием геномика – полное и, что более важно, сравнительное исследование ДНК разных видов организмов – принципиальным образом расширяет и углубляет наши знания об эволюции жизни.
Геномика позволяет нам глубоко проникнуть в суть эволюционного процесса. Со времен Дарвина прошло более 100 лет, но все это время наблюдать за ходом естественного отбора ученые по‑прежнему могли только на уровне целых организмов (таких как вьюрки или бабочки) по различиям в их выживаемости или репродукции. Теперь мы можем увидеть, как сделаны наиболее приспособленные. ДНК содержит абсолютно новый тип информации, о котором Дарвин не подозревал и не мог даже мечтать, но который окончательно подтверждает его теорию эволюции. Теперь мы можем идентифицировать те специфические изменения ДНК, которые позволили видам адаптироваться к меняющимся условиям существования и к новому образу жизни.
Этот новый уровень понимания не просто обеспечивает нас окончательными доказательствами, он преподносит и некоторые сюрпризы, которые расширяют наш взгляд на эволюцию. Например, в ДНК любого вида мы находим «ископаемые» гены. Это фрагменты ДНК, которые нужны были предкам современных организмов, но со временем вышли из употребления и начали разрушаться. Эти реликтовые участки ДНК – абсолютно новый источник информации о тех признаках и способностях живых организмов, которые исчезли при изменении образа жизни.
Кроме того, летопись ДНК показывает, что эволюция может повторять – и повторяет – саму себя. Похожие или идентичные адаптационные изменения происходили одинаковым образом у столь разных организмов, как, например, бабочки и люди. Это говорит о том, что при возникновении одних и тех же трудностей или возможностей в самые разные моменты времени и в самых разных местах развитие жизни может пойти по одному и тому же пути. Эта повторяемость и воспроизводимость опровергает бытующее мнение о том, что, если бы ход истории живых организмов можно было переиграть заново, мир был бы совсем другим.
Анализ ДНК произвел революцию и в изучении происхождения человека и возникновения человеческой цивилизации. Хотя внимание журналистов было приковано в основном к прочтению генома человека, понять значение этого текста можно только по мере расшифровки генов и геномов других приматов и млекопитающих. Наши гены свидетельствуют о том, чем мы отличаемся от других и как мы такими стали. Многие гены несут на себе шрамы естественного отбора – тех битв, которые наши предки вели с микробами на протяжении многих тысячелетий.
Когда я писал эту книгу, я имел в виду самых разных читателей. Тем, кто интересуется естественной историей, я предложу путешествие по планете и расскажу о множестве удивительных существ, приспособившихся к жизни в горячих источниках, пещерах, джунглях, магматических отложениях, в глубинах океана и прочих необычных местах. Есть некое величие в этом новом знании о том, как замена одного или нескольких знаков простого кода серьезнейшим образом изменяет форму или физиологию сложных организмов. Для студентов и преподавателей я выбрал, на мой взгляд, наиболее интересные примеры, иллюстрирующие ключевые этапы эволюции и усиливающие наше благоговение перед замечательным разнообразием и изменчивостью жизни. Большинство историй, которые я расскажу, еще не попали в учебники, но многие из них станут неотъемлемой частью эволюционной науки. Тем, кто пытается пробраться сквозь риторику и псевдонаучные измышления противников эволюционного учения, я помогу разобраться в тактике и аргументации, при помощи которой они ставят под сомнение эволюцию, и предложу достаточно научных доказательств, чтобы разбить эту аргументацию в пух и прах.
Новые данные о строении ДНК играют важную роль не только в объяснении эволюционного процесса. Они могут сыграть решающую роль в продолжающейся борьбе за то, как преподавать теорию эволюции в школах, и в восприятии эволюционных идей обществом в целом. Лично мне кажется абсолютно ненормальным, что присяжные полагаются на данные о генетической вариабельности людей и анализ ДНК, решая вопросы о свободе и жизни подозреваемых, но при этом школьные учителя не преподают тех принципов, на которых основаны эти доказательства, да и вообще вся биология. Отрицание эволюции базируется на совершенно ложных представлениях о генетике и эволюционных механизмах. Те новые доказательства, о которых я расскажу в книге, не оставляют места для сомнений в том, что биологическая эволюция является основой разнообразия жизни на Земле.
Остров Буве, сфотографированный Дитлефом Рустадом в 1928 г во время экспедиции на судне «Норвегия». Из отчета Норвежской антарктической экспедиции за 1927–1928 гг. (I. Kommisjon Hos Jacob Dybwad of Oslo, 1935).
Глава 1
Введение. Белокровная рыба с острова Буве
Когда мы перестанем смотреть на органическое существо, как дикарь смотрит на корабль, то есть как на нечто превышающее его понимание; когда в каждом произведении природы мы будем видеть нечто имеющее длинную историю; когда в каждом сложном строении или инстинкте мы будем видеть итог многочисленных приспособлений, каждое из которых полезно их обладателю, подобно тому как всякое великое механическое изобретение есть итог труда, опытности, разума и даже ошибок многочисленных тружеников; когда мы выработаем такое воззрение на органические существа – как неизмеримо (говорю на основании личного опыта) возрастет интерес, который представит нам изучение естественной истории![2]
Чарльз Дарвин «О происхождении видов» (1859)
Возможно, это самый одинокий уголок земли в бескрайнем океане.
Крохотный островок Буве – маленькое пятнышко в широких просторах Южной Атлантики. Он расположен в 2 тыс. км к юго‑западу от мыса Доброй Надежды (Африка) и почти в 4 тыс. км на восток от мыса Горн (Южная Америка) (рис. 1.1). Великий капитан Джеймс Кук на судне «Резолюшн» дважды безуспешно пытался найти этот остров во время плавания по Южным морям в 1770‑х гг. Остров покрыт толстенным слоем льда, заканчивающимся отвесными скалами, которые обрываются у черных вулканических берегов. Люди и сейчас не очень часто посещают этот остров, где среднегодовая температура воздуха ниже температуры замерзания воды.
Рис. 1.1. Карта южной части Атлантического океана. Рисунок Лианн Олдс.
К счастью для естественной истории и для моего рассказа, норвежское исследовательское судно «Норвегия» побывало на острове Буве в 1928 г. Высадка на берег нужна была, чтобы обустроить укрытие и оставить запас провианта для моряков на случай кораблекрушений. Во время стоянки корабельный биолог Дитлеф Рустад, тогда еще студент, изучавший зоологию, поймал несколько забавных рыб. Они во многом напоминали обычных рыб – у них были большие глаза, крупные грудные и хвостовые плавники и длинная, полная зубов выпяченная челюсть. Но они были невероятно бледными, практически прозрачными (рис. 1.2; рис. A и B цветной вкладки).
Рис. 1.2. Ледяная, или белокровная, рыба. Фотография любезно предоставлена Итальянской антарктической программой PNRA.
При более внимательном изучении этих странных животных, которых Рустад назвал «белыми крокодиловыми рыбами», выяснилось, что кровь у них совершенно бесцветная.
Через два года Йохан Рууд, однокурсник Рустада, отправился в Антарктику на китобойном судне «Викинг». Когда один из членов экипажа, занимавшийся добычей ворвани, спросил его: «А ты знаешь, что тут встречаются рыбы, у которых нет крови?», Рууд подумал, что тот просто подшучивает над ним. Он решил подыграть и ответил: «Неужели? Прихвати для меня парочку, пожалуйста!»
Рууд хорошо знал физиологию животных и был абсолютно уверен в том, что бескровных рыб быть не должно: во всех учебниках однозначно утверждалось, что все позвоночные (рыбы, земноводные, рептилии, птицы и млекопитающие) содержат в крови красные кровяные клетки, в которых, в свою очередь, содержится необходимый для дыхания окрашенный гемоглобин. Это так же очевидно, как то, что все дышат кислородом. Поэтому, когда китобои вернулись на борт, не привезя с собой ни одной blodlaus‑fisk (бескровной рыбы), Рууд выбросил этот эпизод из головы, сочтя его элементом морского фольклора.
Через год он вернулся в Норвегию и рассказал эту историю Рустаду. К его невероятному изумлению, Рустад сообщил, что видел такую рыбу, и показал ему фотографии, которые сделал во время экспедиции.
Около 20 лет Рууд ничего не слышал о белокровных рыбах. Но потом другой норвежский биолог вернулся из антарктической экспедиции, привезя с собой белокровную рыбу из других мест. Любопытство вновь охватило Рууда, и он стал просить своих коллег, работавших в Антарктике, обращать внимание на рыбу, которую китобои называли «дьявольской рыбой» или просто «ледяной», поскольку ее тело было практически прозрачным. Наконец, в 1953 г., почти через 25 лет после своего первого путешествия, Рууд сам вернулся в Антарктику в надежде поймать и изучить этих странных рыб и разгадать тайну их крови.
Рууд организовал самодельную лабораторию на острове Южная Георгия (именно сюда прибыл в 1916 г. исследователь Антарктики Эрнест Шеклтон, спасая команду зажатого во льдах судна «Эндуранс»). Он сразу раздобыл несколько ценных экземпляров рыб и принялся анализировать их странную кровь. Результаты его исследований, опубликованные в 1954 г., по‑прежнему вызывают шок у любого биолога, видящего их в первый раз. У этих рыб вообще не было переносящих кислород красных кровяных клеток, которые до открытия этих странных антарктических существ находили у каждого позвоночного животного. И до сих пор ученые не знают других примеров белокровных позвоночных, за исключением известных на сегодняшний день примерно 15 видов ледяных рыб.
В красных кровяных клетках (эритроцитах) содержится много молекул гемоглобина, которые связывают кислород в легких или жабрах, а затем высвобождают его в других участках тела в процессе циркуляции крови. Молекула гемоглобина состоит из белка глобина и небольшой молекулы, называемой гемом. Красный цвет крови связан именно с наличием гема, встроенного в гемоглобин и связывающего кислород. Если бы у нас не было эритроцитов, мы бы умерли (и умираем: патологическое состояние, связанное с низким уровнем содержания эритроцитов, называется анемией). Даже у близких родственников ледяных рыб, таких как антарктический каменный окунь и новозеландская масляная рыба, кровь красная.
Обнаружение столь удивительных рыб вызвало множество вопросов. Где, когда и как они появились? Что произошло с их гемоглобином? Как могут эти рыбы обходиться без эритроцитов?
Часто о происхождении вида можно судить по ископаемым останкам, однако подобных источников информации в случае ледяной рыбы и ее родственников не обнаружено. Но даже если бы мы и нашли такие останки, то на их основании мы не смогли бы определить, какого цвета кровь была у этих животных и когда она изменилась. К счастью, у нас есть другой источник информации об истории эволюции ледяной рыбы – ее ДНК.
Ясный и совершенно ошеломляющий ответ на вопрос о том, что случилось с гемоглобином ледяной рыбы, был получен через 40 с лишним лет после того, как Рууд взял образцы их крови. У этих удивительных рыб перестали работать два гена, которые у всех остальных позвоночных кодируют белок глобин. Один из этих двух генов превратился в «молекулярное ископаемое»: он по‑прежнему присутствует в ДНК ледяной рыбы, но стал ненужным и частично разрушился, подобно тому как окаменелости рассыпаются под влиянием внешней среды. Второй ген глобина, который в ДНК обычных рыб находится непосредственно рядом с первым, полностью исчез. Таким образом, ледяная рыба навсегда лишилась генов для синтеза молекулы, которая на протяжении 500 млн лет поддерживала жизнь ее предшественников.
Что стало причиной отказа от средства поддержания жизни, которым пользуются все другие позвоночные животные на нашей планете?
Необходимость и возможность, вызванные серьезными и длительными изменениями температуры океана и подводных течений.
Около 55 млн лет назад температура воды в Южном Океане упала от примерно +20 до ‑1 °C в некоторых районах. Примерно 33–34 млн лет назад в результате движения тектонических плит Антарктида отделилась от южной оконечности Южной Америки и оказалась окружена океаном со всех сторон. Последовавшее за этим изменение морских течений изолировало воды, окружающие Антарктиду, так что они перестали перемешиваться с водами других районов океана. Рыбы вынуждены были либо адаптироваться к подобным переменам, либо вымереть (именно эта судьба постигла большинство видов). В то время как все остальные исчезли, одна группа рыб сумела извлечь выгоду из новых условий обитания. Ледяные рыбы – это небольшое семейство, относящееся к более обширному подотряду нототениевых рыб, который, включает в себя около 200 видов и сегодня доминирует в водах антарктического региона.
Низкая температура воды в Антарктике представляет собой серьезную проблему для функционирования организма. Как масло в моем автомобиле зимой в Висконсине, жидкости организма при температуре замерзания воды становятся очень вязкими, что затрудняет их циркуляцию. Антарктические рыбы вышли из положения, снизив содержание эритроцитов в циркулирующей крови. Гематокрит (доля эритроцитов во всем объеме крови) обычных антарктических рыб составляет от 15 до 18 %, тогда как у нас с вами гематокрит находится на уровне 45 %. Однако у ледяной рыбы этот процесс пошел еще дальше, и эритроциты были удалены из крови полностью, а гены гемоглобина за ненадобностью разрушились под грузом мутаций. Кровь ледяной рыбы настолько разбавлена, что содержит лишь 1 % клеток (исключительно белых клеток крови), так что можно сказать, что в их жилах течет вместо крови ледяная вода! Как же эти существа обходятся без необходимого для жизни гемоглобина?
Теперь понятно, что потеря гемоглобина сопровождалась целой серией изменений, которые позволили ледяной рыбе прекрасно чувствовать себя при отрицательной температуре. Одно из важных различий между теплой и холодной водой заключается в том, что в холодной воде кислород растворяется гораздо лучше, чем в теплой. Ледяные воды океана чрезвычайно богаты кислородом. У ледяной рыбы довольно крупные жабры и кожа без чешуи, но с очень толстыми капиллярами. Эти две особенности повышают ее способность поглощать кислород из воды. Кроме того, у ледяной рыбы более крупное сердце и больше объем крови, чем у ее родственников, обладающих красной кровью.
Сердце ледяной рыбы имеет и еще одну принципиальную особенность – оно зачастую очень бледное. Розовый цвет сердец (и скелетных мышц) позвоночных животных связан с присутствием другой молекулы, содержащей гем и связывающей кислород, которая называется миоглобином. Миоглобин связывает кислород более прочно, чем гемоглобин, и запасает его в мышцах, откуда кислород высвобождается при физической нагрузке. В мышцах китов, тюленей и дельфинов так много миоглобина, что эти мышцы коричневого цвета. Высокое содержание миоглобина позволяет этим животным долгое время находиться под водой. Однако в организме ледяных рыб миоглобин не заменяет гемоглобин. Он, как и гемоглобин, отсутствует в мышцах всех ледяных рыб и в сердцах у пяти их видов (поэтому они такие бледные). У позвоночных животных белок миоглобин кодируется одним‑единственным геном. Анализ ДНК ледяных рыб с бледным сердцем показал, что их ген миоглобина мутирован: в него встроено пять дополнительных оснований ДНК, что нарушило код, необходимый для синтеза нормального миоглобина. У этих видов ген миоглобина тоже начал превращаться в ископаемый ген. Изменения в сердечно‑сосудистой системе ледяной рыбы позволяют ей получать и доставлять к тканям необходимое количество кислорода без участия двух главных молекулярных переносчиков кислорода.
Жизнь в очень холодной воде потребовала от рыб и других изменений – бесспорные тому свидетельства обнаружены на многих участках их генома. Чтобы приспособиться к жизни в холоде, должны измениться даже основные внутриклеточные структуры. Например, основной каркас, или «скелет», клеток образован микротрубочками. Эти структуры участвуют в делении и перемещении клеток, а также определяют их форму. Белки, образующие микротрубочки, выполняют в клетках так много важных функций, что почти без изменений сохранились не только у всех позвоночных, но у всех эукариот (к которым среди прочих организмов относятся животные, растения и грибы). При температуре ниже 0 °C микротрубочки в клетках млекопитающих становятся нестабильными. Если бы это происходило у антарктических рыб, они бы давно вымерли. Но у них, напротив, микротрубочки собираются в стабильные структуры как раз при отрицательной температуре. Это замечательное свойство микротрубочек связано с серией изменений в генах, кодирующих компоненты микротрубочек, и эти изменения произошли лишь у рыб, обитающих в холодной воде (не только у ледяных, но и у их родственников, обладающих красной кровью).
Изменения произошли и во многих других генах, что позволило всем физиологическим процессам протекать при отрицательной температуре. Однако адаптация к холоду не ограничилась модификацией одних генов и исчезновением других; потребовались и некоторые нововведения. Прежде всего следует рассказать о появлении «белков‑антифризов». В плазме антарктических рыб очень много этих необычных белков, которые помогают рыбам жить в ледяной воде, снижая пороговое значение температуры образования ледяных кристаллов. Не будь этих белков, рыба полностью заморозилась бы. Структура у них очень необычная и очень простая. Они состоят из последовательностей всего трех аминокислот, которые повторяются от 4 до 55 раз, тогда как большинство белков построены из 20 типов аминокислотных остатков. У обитателей теплых морей нет похожих белков, и это означает, что «белки‑антифризы» в какой‑то момент были «изобретены» антарктическими рыбами. Как же они возникли?
Кристина Чхен, Артур де Фрис и их коллеги из Университета Иллинойса обнаружили, что гены этих странных белков образовались из части другого, совершенно не родственного гена. Этот исходный ген кодировал пищеварительный фермент. Небольшой фрагмент этого гена выделился из последовательности и встроился в другое место в геноме ледяных рыб. Из этого фрагмента, состоящего всего из девяти нуклеотидов, образовался новый ген, кодирующий «белок‑антифриз». Происхождение «белков‑антифризов» является прекрасным примером того, что эволюция чаще всего идет по пути использования уже имеющегося материала (в данном случае небольшого фрагмента другого гена), чем по пути изобретения чего‑то абсолютно нового.
Как житель холодного региона я восхищаюсь изобретательностью и мужеством ледяных рыб. Нам в Висконсине приходится использовать всякие ухищрения, чтобы заставить наши автомобили двигаться при отрицательной температуре, в то время как ледяные рыбы ухитрились полностью заменить всю рабочую систему, не останавливая двигатель. Они изобрели новый антифриз, заменили обычное масло (кровь) на масло с чрезвычайно низкой вязкостью, расширили топливный насос (сердце) и отбросили некоторые лишние детали – те, которыми были оснащены все «модели» рыб на протяжении 500 млн лет.
Информация, заключенная в ДНК ледяной рыбы, а также любого другого вида, представляет собой совершенно новый источник данных о ходе эволюционного процесса. Эта информация позволяет нам видеть больше, чем просто кости и кровь, она позволяет напрямую заглянуть в тексты, записанные в ходе эволюции. Создание такого удивительного существа, каким является ледяная рыба, на уровне ДНК выглядит как обычный, в некоторой степени случайный процесс формирования более приспособленного вида. Ледяная рыба возникла из обычной рыбы с красной кровью, которая была плохо приспособлена к жизни в холодной воде. Адаптация ледяной рыбы к изменяющимся условиям существования в Южном океане не была мгновенным изобретением, как не была она результатом направленного «прогрессивного» процесса. Это была импровизированная серия многочисленных изменений, в числе которых изобретение нового гена, разрушение старого и модификация многих других.
Сравнивая гены различных видов ледяных рыб с генами их ближайших родственников с красной кровью, а также с генами других антарктических рыб, мы можем увидеть изменения, происходившие на разных этапах эволюции ледяной рыбы. Все 200 видов антарктических рыб, относящихся к семейству нототениевых, имеют гены «белков‑антифризов», что означает, что это давнее приобретение. Также у всех этих рыб модифицированы гены микротрубочек. Однако лишь примерно у 15 видов ледяных рыб имеются «ископаемые» гены гемоглобина. Это означает, что гены гемоглобина перестали работать примерно в то же время, когда появились ледяные рыбы. Более того, некоторые ледяные рыбы не имеют миоглобина, но другие его по‑прежнему синтезируют. То есть изменения в генах миоглобина произошли позднее, чем возникли ледяные рыбы, и процесс использования (или неиспользования) миоглобина продолжает эволюционировать. Сравнивая другие последовательности ДНК, можно построить график этих событий на фоне изменений климата в Южной Атлантике, который показывает, что антарктические нототении возникли 25 млн лет назад, а ледяные рыбы – лишь 8 млн лет назад (рис. 1.3). Анализ ДНК показывает, что ледяная рыба «перешла границу» между жизнью в теплой воде и зависимостью от гемоглобина к жизни в очень холодной воде и отказу от гемоглобина (а иногда и миоглобина) не за один скачок, а в результате многостадийного процесса.
Рис. 1.3. Временная шкала эволюции ледяных рыб. Движение земной коры в Южном полушарии около 50 млн лет назад привело к значительным изменениям подводных течений и температуры (верхняя часть рисунка). Одна большая группа рыб, называемых нототениевыми рыбами, адаптировалась к жизни при низкой температуре: у них появились «белки‑антифризы», холодоустойчивые тубулины, и понизился гематокрит. Позднее у общего предшественника всех ледяных рыб гены глобина перестали работать и перешли в «ископаемое» состояние. Рисунок Лианн Олдс.
Зафиксированные на уровне ДНК многочисленные модификации, произошедшие в организме ледяных рыб при их отделении от теплолюбивого древнего предшественника с красной кровью, наглядно демонстрируют два главных принципа эволюции – естественный отбор и наследование с изменениями. Впервые эти принципы были провозглашены за 100 лет до Рустада и Рууда другим зоологом, Чарльзом Дарвином. Чтобы я мог в полном объеме продемонстрировать вам значение заключенной в ДНК информации, важно вспомнить эти два принципа и их первую формулировку в книге «О происхождении видов».
Возвращаемся к Дарвину
Дарвин взошел на борт военного английского корабля «Бигль» в декабре 1831 г., в возрасте 22 лет. Это было началом пятилетнего кругосветного путешествия. Основное время корабль провел в районе Южной Америки, где неугомонный капитан Роберт Фицрой зарисовывал и перерисовывал все реки и гавани. Для Дарвина знакомство с животными, растениями, ископаемыми остатками и геологическими породами этого огромного континента стало началом большого пути, который через 20 с лишним лет привел к созданию трактата «О происхождении видов». Труд этот начинается такими словами:
Путешествуя на корабле Ее Величества «Бигль» в качестве натуралиста, я был поражен некоторыми фактами, касавшимися распространения органических существ в Южной Америке, и геологических отношений между прежними и современными обитателями этого континента. Факты эти, как будет видно из последующих глав этой книги, кажется, освещают до некоторой степени происхождение видов – эту тайну из тайн, по словам одного из наших величайших философов. По возвращении домой я в 1837 году пришел к мысли, что, может быть, что‑либо можно сделать для разрешения этого вопроса путем терпеливого собирания и обдумывания всякого рода фактов, имеющих какое‑нибудь к нему отношение. После пяти лет труда я позволил себе некоторые общие соображения по этому предмету и набросал их в виде кратких заметок; этот набросок я расширил в 1844 году в общий очерк тех заключений, которые тогда представлялись мне вероятными; с того времени и до настоящего дня я упорно занимался этим предметом. Я надеюсь, мне простят эти чисто личные подробности, так как я привожу их затем только, чтобы показать, что не был поспешен в своих выводах.
Эти «краткие записи» заняли 502 страницы и были распроданы за один день – 24 ноября 1859 г.
«До чего же глупо было не додуматься до этого!» – воскликнул знаменитый биолог Томас Хаксли, прочтя книгу Дарвина «О происхождении видов».
Вопреки распространенному мнению, Дарвин не был автором идеи эволюционного развития. Эта идея существовала уже на протяжении нескольких десятилетий, в том числе она была признана в семье самого Дарвина. Его дед, Эразм Дарвин, изложил теорию эволюции в своей книге «Зоономия, или законы органической жизни» (Zoonomia, or the Laws of Organic Life, 1794 г.).
Вовсе не сама идея изменяемости видов так потрясла Хаксли. Произведенное впечатление объяснялось мощью и одновременно интуитивной простотой двух идей, заключавшихся в «наследовании с изменениями» и «естественном отборе», которые предлагались в качестве механизма эволюции живых организмов.
Дарвин провел аналогию между отбором вариантов в процессе одомашнивания животных и борьбой за существование среди слишком многочисленного потомства диких животных:
Можно ли… считать невероятным, чтобы другие изменения, полезные в каком‑нибудь смысле для существ в их великой и сложной жизненной битве, появлялись в длинном ряде последовательных поколений? Но если такие изменения появляются, то можем ли мы (помня, что родится гораздо более особей, чем может выжить) сомневаться в том, что особи, обладающие хотя бы самым незначительным преимуществом перед остальными, будут иметь более шансов на выживание и продолжение своего рода? С другой стороны, мы можем быть уверены, что всякое изменение, сколько‑нибудь вредное, будет неукоснительно подвергаться истреблению. Сохранение благоприятных индивидуальных различий или изменений и уничтожение вредных я назвал «естественным отбором» [курсив Ш. К.].
«О происхождении видов», глава IV
И затем Дарвин приходит к смелому выводу о том, что этот процесс привел к возникновению всех современных форм жизни от общих предшественников:
Различные группы фактов… по‑моему, столь ясно указывают, что бесчисленные виды, роды и семейства, населяющие земной шар, произошли каждый в пределах своего класса или группы от общих прародителей и затем изменялись в течение последовательного развития…
Там же, глава XIII[3]
А дальше еще смелее:
…а если мы допустим это, мы должны допустить, что и все органические существа, когда‑либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы.
Там же, глава XIII[4]
Вот в чем заключается суть дарвиновской теории эволюции: естественный отбор мельчайших вариаций создал величайшее разнообразие форм жизни, начав с просто устроенного общего предка. Простая логика, научное бессмертие. Неудивительно, что Хаксли так себя ругал.
Однако в книге Дарвина есть нечто большее, чем эти несколько заключений (к некоторым из которых независимым образом пришел также Альфред Рассел Уоллес[5] в результате своих исследований в Южной Америке и на Малайском архипелаге). Дарвин представил доказательства. Его труд – это горы и горы наблюдений и фактов, изобретательные эксперименты, умные аналогии и 20 лет подбора профессиональной аргументации.
Мы, биологи, благодарны Дарвину за многое. Безусловно, книга «О происхождении видов» является самой главной книгой в биологии. «Длинный аргумент»[6] Дарвина превосходно построен, подтвержден великолепным набором фактов и представляет собой пример героического труда, выполненного одним человеком. Эту книгу до сих пор очень легко читать, и в ней по‑прежнему чувствуется страсть автора. Однако наследие Дарвина состоит из множества книг, посвященных образованию коралловых рифов, важности полового отбора, биологии орхидей и усоногих раков и многому другому. Это пример того, как многого могут достичь в жизни талантливые и трудолюбивые люди.
Но почему же великие идеи Дарвина встретили такое сопротивление?
Покажите нам этапы эволюции
Сам Дарвин очень хорошо понимал и предвидел многие вопросы и возражения, которыми могло быть встречено появление его теории. В большинстве своем нападки на его идеи, конечно же, шли со стороны людей, которые считали его взгляды на историю жизни отталкивающими и унизительными без всякой научной подоплеки. Большинство ученых быстро восприняли идею эволюции, то есть идею об изменчивости видов. Но даже сторонникам Дарвина было трудно воспринять предложенный им механизм того, как эти изменения происходят.
Задуматься над механизмом было вполне резонно. Я полагаю, что многие ученым и простым людям поначалу стоит немалого труда свыкнуться с дарвиновским видением естественного отбора, известного также как идея о «выживании наиболее приспособленного». Заметим, кстати, что эту знаменитую формулировку придумал не Дарвин, а философ Герберт Спенсер. Это выражение по совету Уоллеса появилось только в пятом издании книги Дарвина, вышедшем в 1869 г. Процесс эволюции по Дарвину основывался на трех главных элементах: изменчивость, отбор и время. Каждый из них требовал объяснения и доказательства, и каждый мог вызывать недоверие. По существу, Дарвин просил своих читателей представить себе, как слабые изменения (причина которых была неизвестна и невидима) могут отбираться (в ходе невидимого процесса, который нельзя было измерить) и накапливаться на протяжении такого периода времени, который лежит за пределами человеческого опыта. Дарвин эту трудность понимал:
Главной причиной естественного нежелания допустить, что какой‑либо вид дал начало другому, не сходному с ним виду, заключается в том, что мы всегда неохотно допускаем существование великих перемен, отдельных стадий которых мы не в состоянии уловить [курсив Ш. К.]. Это затруднение совершенно сходно с тем, которое испытывали геологи, когда Лайель[7] выдвинул впервые свое утверждение о том, что длинные ряды внутриматериковых скал и глубокие долины являются результатами деятельности факторов, которые мы и теперь еще видим в действии. Наш разум не может схватить полного смысла, связанного с выражением «миллион лет»; он не может подвести итог и усмотреть конечный результат многочисленных легких изменений, накоплявшихся в течение почти безграничного числа поколений.
«О происхождении видов», глава XIV[8]
Известный биолог и писатель Ричард Докинз указывает, что концепция естественного отбора обманчиво проста: «Как будто человеческий мозг специально создан таким образом, чтобы неправильно понимать теорию Дарвина и не верить в нее». Роль факторов случайности (в создании новых вариантов) и отбора (в наследовании признаков) очень легко понять неправильно. Роль случая часто очень сильно преувеличивают (иногда противники теории эволюции делают это умышленно), чтобы показать, что эволюция имеет совершенно случайный характер и что упорядоченность и усложнение – также результат случайности. Но это абсолютно неверно. Отбор, который не является случайным, определяет, какие из случайных вариаций будут сохранены. Только накапливающий отбор («сложение» в терминах Дарвина) вариаций приводит к усложнению и разнообразию, причем за такой период времени, который мы, люди, едва ли можем вообразить. Идея естественного отбора смущала даже сторонников Дарвина. Люди с трудом могут поверить в то, что отбор является настолько мощным механизмом, что способен распознавать и накапливать слабые изменения.
Лишь спустя примерно 50 лет после появления книги «О происхождении видов» биологи смогли разобраться во взаимодействии факторов вероятности, отбора и времени. Интересно, что окончательно убедиться в том, что естественный отбор, по крайней мере в теории, представляет собой достаточно мощный и быстрый механизм, способный направлять ход эволюции, биологам (даже самым сомневающимся) помогла математика – та самая «бытовая» математика, которая позволяет нам рассчитывать вероятность выигрыша в казино или в лотерее, а также оценивать прибыльность банковских вкладов.
Но математика работает лишь до определенного предела. Вспомните историю о Йохане Рууде и бескровной антарктической рыбе: многие из нас готовы поверить и понять, только если увидят собственными глазами. Мы хотим видеть, как работает эволюционный процесс. Мы хотим иметь возможность видеть, измерять и отслеживать этапы, пройденные эволюцией на пути от одного вида к другому.
И вот теперь, спустя 140 лет, мы можем это сделать.
Следы эволюции в ДНК
Теперь мы знаем, что каждый шаг эволюции учтен и записан в ДНК. Каждое изменение или новый признак – от антифриза белокровных антарктических рыб до изумительных оттенков альпийских цветов и наших крупных, наполненных мозгом черепов – является результатом одного или многих (иногда очень, очень многих) постепенных изменений в ДНК, которые мы теперь имеем возможность обнаружить. Некоторые из этих изменений малюсенькие – всего лишь замена одного основания ДНК в одном гене. Другие гораздо серьезнее и связаны с появлением (или потерей) целых генов или групп генов.
Мы получили возможность проследить за этими изменениями благодаря недавнему прорыву в наших знаниях о генах различных видов организмов и их геномах (полном наборе ДНК организма). Всего лишь несколько лет назад ученые расшифровали простые геномы бактерий и дрожжей, и вот уже одно за другим стремительно появляются сообщения о прочтении геномов таких сложных организмов, как шимпанзе, собаки, киты и различные растения. Уникальная последовательность ДНК каждого организма содержит полную информацию о нем нынешнем. Это перечень всех генов, необходимых для его создания и функционирования.
Но текст ДНК – это еще и окошко в близкое и далекое прошлое. Определение генома первого представителя какой‑либо группы организмов прокладывает путь для гораздо более быстрого анализа геномов его родственников. Сравнивая гены и геномы организмов с разной степенью родства, мы можем обнаружить важные различия и найти следы естественного отбора. Кому‑то эта картина поубавит спеси, а кого‑то восхитит. Мы можем вернуться на несколько миллионов лет назад и проследить за эволюционными изменениям в той ветви, что ведет к нам от общего предка с шимпанзе, нашим ближайшим родственником на планете. Мы можем вернуться на 100 млн лет назад и увидеть точку, в которой появилось различие между сумчатыми и плацентарными млекопитающими. Мы можем бросить взгляд в еще более давнее прошлое, когда животных еще не существовало, и найти сотни генов простейших одноклеточных организмов, которые появились более 2 млрд лет назад, но все еще выполняют ту же самую работу для нас с вами.
Возможность поэтапного наблюдения меняет наше отношение к процессу. На протяжении сотни с лишним лет мы были ограничены наблюдением только внешних проявлений эволюции. Мы разглядывали окаменелости и сравнивали их с данными современной анатомии. Но до наступления молекулярной эры у нас не было возможности проводить сравнительный анализ видов на генетическом уровне. Мы могли изучать воспроизводство и выживание организмов и делать заключения о том, какие факторы влияют на эти процессы. Но у нас не было конкретных знаний о механизме изменчивости и о значимых признаках, определяющих различия между видами. Да, мы знали, что итогом эволюции является выживание наиболее приспособленного, но мы не знали, как создается этот наиболее приспособленный. Механизм любого сложного устройства (машины, компьютера, космического корабля) становится намного понятнее, если мы знаем, как оно сделано и чем каждая модель отличается от предыдущих версий. Мы уже не дикари, которые в изумлении провожают взглядом проплывающие мимо корабли.
Основное внимание в книге я уделяю объяснению того, как с помощью последовательности ДНК можно увидеть механизм эволюции в действии. Мы с вами увидим, как возникли некоторые наиболее интересные и важные способности многих удивительных существ. Книга состоит из трех основных частей. Я представляю их себе в виде трех составляющих хорошей, запоминающейся трапезы: небольшое вступление, обильная еда и полезная беседа. Сначала, чтобы подготовиться к вкушению пищи, я хотел бы объяснить вам суть основных ингредиентов эволюции – изменчивости, отбора и времени – и рассказать, каким образом они взаимодействуют, создавая наиболее приспособленные организмы.
Лауреат Нобелевской премии сэр Питер Медавар[9] однажды заметил, что «причины, заставившие всех без исключения профессионалов принять теорию эволюции, в большинстве своем настолько тонкие, что вряд ли могут быть поняты непрофессионалами».
Я не думаю, что это так. Но если это правда, то проблема заключается в неумении самих ученых доступно объяснить способность естественного отбора в сочетании с долгими временными интервалами создавать живые существа, большие и малые – от кита до бескровной ледяной рыбы.
Чтобы заполнить этот пробел, я постараюсь объяснить «бытовую математику» эволюции (глава 2). Это лучший способ почувствовать силу естественного отбора и поспорить с некоторыми ошибочными аргументами относительно вероятности эволюционных событий. В популярных изложениях теории эволюции эта простая математика обычно не приводится. Однако ее важно усвоить не только для того, чтобы поверить в возможность естественного отбора, но и для того, чтобы понять суть взаимодействия факторов изменчивости, отбора и времени. Я знаю, вы скажете: «Математика?! Только не это!» Не беспокойтесь, она проста. По меньшей мере эта глава поможет вам стать более успешным игроком или вкладчиком.
Основное содержание книги я представляю в виде обеда из шести блюд (шести глав). Каждая из них призвана показать, как новая информация, полученная из расшифровки ДНК, отражает тот или иной аспект эволюции. Мы познакомимся с доказательствами нового рода, о которых ни сам Дарвин, ни его математически одаренные ученики не могли и мечтать.
Сначала я расскажу о том, как в ДНК отражается процесс естественного отбора и наследования с изменениями в масштабе долгих геологических эпох. Я представлю неоспоримые доказательства того, что естественный отбор устраняет, говоря словами Дарвина, «вредные изменения» (глава 3). Доказательством является сохранение определенных генов во всех царствах живых организмов на протяжении 2 млрд лет или более. Содержание этих «бессмертных» генов остается неизменным в результате строгого контроля, осуществляемого естественным отбором. Бессмертные гены – это не просто стойкие борцы против нескончаемых мутаций, происходивших на протяжении всего этого времени, они являются важнейшим доказательством происхождения всех живых организмов от общих предков и дают нам новую возможность реконструировать ранние эволюционные события.
Затем я обращаюсь к рассмотрению очень важного вопроса о том, каким образом организмы приобретают новые признаки и более тонким образом настраивают уже существующие (глава 4). Я продемонстрирую это на нескольких замечательных примерах, касающихся происхождения и эволюции цветового зрения у животных. Цветовое зрение и его тонкая настройка играют важнейшую роль в жизни животных, в том, как они находят еду, партнеров и других себе подобных при свете, в темноте и в глубинах океана. Этапы развития и настройки цветового зрения на уровне ДНК особенно хорошо изучены и отлично показывают, как естественный отбор влияет на эволюцию генов.
Эти примеры эволюции в природе убедительно демонстрируют отдельные эпизоды и механизмы эволюционного процесса. Они подтверждают теорию, существующую уже много десятилетий. Однако дело обстоит гораздо интереснее: анализ ДНК преподносит нам и некоторые сюрпризы – неожиданную информацию, которая позволяет по‑новому взглянуть на процесс эволюции. Такая информация – настоящий клад.
Изучение истории жизни на Земле в значительной степени основано на традиционном анализе окаменелостей – так вот, при анализе ДНК биологи тоже нашли определенный род окаменелостей – ископаемые гены (глава 5). Как осадочные породы содержат в себе следы древних форм жизни, которых больше не существует, так и в ДНК всех видов организмов содержатся гены (иногда исчисляемые сотнями), которые больше не используются и находятся на разных стадиях распада. Эти ископаемые гены, как те, о которых мы говорили в связи с ледяной рыбой, могут многое поведать о древних организмах и о том, в чем образ жизни их потомков стал иным. Наши с вами ископаемые гены рассказывают, чем мы отличаемся от предков‑гоминидов.
И все же самое неожиданное открытие – это воспроизводимость и повторяемость эволюции (глава 6). Сравнивая виды, которые независимо друг от друга приобрели или потеряли аналогичные признаки, мы часто обнаруживаем, что эволюция повторяет саму себя, причем на уровне одного и того же гена, иногда путем изменения одной и той же позиции в этом гене. В некоторых случаях одни и те же гены становятся «ископаемыми» независимо у разных видов. Это замечательным образом доказывает, что на всем протяжении истории жизни отдельные виды, включая те, что принадлежат к совершенно разным таксономическим группам, под влиянием определенных условий изменялись одинаковым образом. Повторяемость эволюционных изменений распространена так широко, что мы вынуждены пересмотреть наши представления об уникальности событий прошлого. Летопись ДНК рассказывает нам не только о том, что у какого‑то вида произошли те или иные генетические изменения, но и о том, что в сходных условиях многие разные виды с большой вероятностью будут меняться одинаково.
Повторение эволюционных событий не ограничено отдаленным прошлым или малоизвестными видами – оно происходит сейчас, в нашей с вами плоти и крови (глава 7). Наш вид сформировался под влиянием физической среды и патогенных организмов. С некоторыми древнейшими врагами, такими как возбудитель малярии, мы и сегодня вынуждены вести «эволюционную гонку вооружений», и следы суровых боев остались в наших генах. Я объясню, как процесс естественного отбора сформировал наше генетическое содержание и почему знание об этом так важно для развития медицины и понимания биологии человека.
Огромное множество доказательств, упоминаемых в этих пяти главах, не оставляют сомнений в повсеместности естественного отбора и в его способности уловить даже очень небольшие различия между особями. Однако еще со времен Дарвина самым сложным для понимания аспектом эволюционного процесса была кумулятивная способность естественного отбора направлять эволюцию сложных структур. На протяжении всего этого времени ученым не хватало детальной информации о механизмах формирования сложных органов и структур организма.
В заключительной части нашей трапезы я представлю новые данные о создании и эволюции сложности (глава 8). Я расскажу о том, как знание механизмов развития организма помогает понять устройство сложных структур и как сравнение структур разной степени сложности помогает понять ход их эволюции. Данные, записанные в ДНК, проливают свет на то, как сложность и разнообразие организмов развились на основе древних генов, контролирующих развитие тела.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 308; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!