Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Некоторые детали генетических методов

 

Основной объект генетических исследований – молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Эти молекулы сосредоточены в клетке двух местах – в хромосомах в ядре (ядерные ДНК – яДНК) и в митохондриях (мтДНК) в цитоплазме клетки.

 

Рис. 146. Строение клетки человека

 

Наследственная информация кодируется цепочками двух типов – ДНК и РНК (рибонуклеиновая кислота). Цепочки обоих типов состоят из молекул нуклеотидов (или «азотистых оснований») четырех видов – аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Таким образом, одинарную цепочку можно представить как произвольную последовательность из четырех букв, например ATCGGATCAAC, полностью отвлекаясь как от химической природы ее элементов, так и от типа химических связей между ними.

Следует отметить, что у любой такой цепи имеется естественная химическая «ориентация», которую вышеприведенная простая запись не отражает. А именно: каждый нуклеотид связан со своими соседями в двух позициях – в месте присоединения фосфата (5-ый атом углеродного цикла) и в месте присоединения радикала OH (там, где находится 3-ий углерод). Если обозначить указанные связи нуклеотидов через 5' и 3' соответственно, то можно просто сформулировать важный факт: соседние нуклеотиды могут соединяться друг с другом только «концами» разных типов, то есть к 3' концу одного может присоединиться 5' конец другого и наоборот, но соединения 5'-5' и 3'-3' невозможны. Используя данные обозначения, говорят о 5'-ом либо 3'-ем конце всей цепи и пишут, например, так: 5'-ATCGGATCAAC-3'. Если условиться, что при буквенной записи цепи начинаются с 5' конца, обозначения 5' и 3' можно опускать. Заметим, что ориентация цепей важна не только как естественный способ их упорядочения, но еще и потому что она учитывается самой природой в процессах передачи генетической информации – новая цепь может строиться только в направлении от 5' к 3'.

Если РНК – одиночная цепь нуклеотидов, то ДНК – это двойная цепочка. Точнее – две цепочки, соединенные друг с другом с соблюдением так называемой комплементарности (дополнительности). Так C есть комплемент (дополнение) к G, G к C, A к T и T к A. Или, говоря другими словами, аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.

 

Рис. 147. Нуклеотиды и их соединение в ДНК

 

При секвенировании (расшифровке) ДНК производится целый ряд весьма непростых процедур, в результате чего появляется длинная запись последовательности расположения нуклеотидов в цепочке – сиквенсы. Эти записи в нескольких форматах ныне хранятся в базах данных сиквенсов, крупнейшей из которых является Генбанк – онлайн-хранилище, доступное исследователям. Ниже приводится пример фрагмента такой записи:

>Homo sapiens mitochondrion, D-loop region, sample #1

AATCAGAGAAAAAGTCTTTAACTCCACCATTAGCACCCAAAGCTAAGATTCTAATTTAAACTATTCTCTGTT

CTTTCATGGGGAAGCAGATTTGGGTACCACCCAAGTATTGACTCACCCATCAACAACCGCTATGTATTTCGT

ACATTACTGCCAGCCACCATGAATATTGTACGGTACCATAAATACTTGACCACCTGTAGTACATAAAAACCC

AATCCACATCAAAATCCCCTCCCCATGCTTACAAGCAGGTACAGCAATCAACCCTCAACTATCACACATCA

ACTGCAACTCCAAAGCCACCCCTCACCCACTAGGATACCAACAAACCTACCCACCCTTAACAGTACATAGT

ACATAAAGCCATTTACCGTACATAGCACATTACAGTCAAATCCCTTCTCGTCCCCATGGATGACCCCC

В ходе эволюционного процесса в живом организме происходят изменения – мутации, которые в дальнейшем передаются по наследству. Наследственная же информация, как указывалось выше, передается с помощью ДНК. Таким образом, в результате мутаций происходит изменение структуры ДНК – изменение последовательности нуклеотидов. Наличие мутаций как раз и выявляется по различию записей (сиквенсов) таких последовательностей, отражающих структуру ДНК у разных людей (животных, растений и т.д.).

«С эволюционной (филогенетической) точки зрения мутациями обычно называют различия между двумя сиквенсами, про которые установлено, что один из них является «непосредственным» эволюционным предком другого. Между ними могут быть десятки и даже сотни трансмиссий, и нередко мы сталкиваемся с ситуацией, когда близкие «родственники» сиквенса не обнаружены, и его приходится сравнивать с достаточно отдаленными, что приводит к реконструированию большого числа мутаций при переходе от узла-предка к его ныне живущим «непосредственным» узлам-потомкам. Поясним сказанное простым примером.

Taxon1 AGCCTGGATCGTATTAGCATGTA

Taxon2 AGCCTGAATCGTACTAGCATGTA

Taxon3 AGCCTGAATCGTATTAGCACGCA…

Разумно предположить, что общий предок трех данных сиквенсов в каждой позиции имел нуклеотид, встречающийся у большинства потомков:

Anc AGCCTGAATCGTATTAGCATGTA

но при этом любой из трех сиквенсов Taxon1, Taxon2 и Taxon3 хотя бы в одной позиции отличается от своего предка. Иными словами, где-то на эволюционном пути от сиквенса Anc к трем его потомкам произошли мутации, а именно, линии Taxon1 и Taxon2 мутировали в одной позиции, а Taxon3 – сразу в двух» (А.Чубенко, «Сыновья Адама»).

Обратим внимание на слова «разумно предположить» в приведенной выше цитате. Спорить не буду – в данном случае это предположение действительно разумно. Однако это – всего лишь предположение, а вовсе не четко установленный факт!.. А любое предположение – даже не просто гипотеза, а субъективная гипотеза!..

Далее мне придется немного перефразировать А.Чубенко, чтобы избежать излишней специфической терминологии.

Усложним задачу и зададимся вопросом – в каком порядке происходили мутации в линии Taxon3? Ответить на данный вопрос, имея в наличии только указанный набор данных, невозможно. Сначала, например, могла произойти мутация в четвертой позиции с конца, а затем во второй с конца, а могло быть и наоборот – сначала во второй с конца, а затем в четвертой, или вообще обе мутации могли произойти одновременно (пусть это и маловероятно).

Однако, если бы в нашем наборе данных присутствовал такой сиквенс:

Taxon4 AGCCTGAATCGTATTAGCATGCA

то можно было бы сделать вывод, что он лежит «на полпути» между вариантом Taxon3 и общим предком Anc, имея только одну мутировавшую позицию – вторую с конца. Таким образом, сиквенс Taxon4 – предок сиквенса Taxon3, что, впрочем, не мешает обоим «жить» в одно время, ведь мы сейчас рассматриваем не реальные организмы, а участки их ДНК, которые могут мутировать с разной скоростью, вследствие чего среди живых потомков Taxon4 есть как неизменные, так и мутировавшие до состояния Taxon3. Более того, среди ныне живущих организмов вполне может встретиться и носитель предкового типа Anc, хотя со временем количество таких неизмененных вариантов убывает.

«Итак, мы провели простейшую филогенетическую реконструкцию – восстановили вид общего предка трех сиквенсов, при этом столкнулись с неопределенностью порядка возникновения мутаций и видели, как добавление новых данных может изменить точность нашего анализа» (А.Чубенко, «Сыновья Адама»).

Данный вывод, на мой взгляд, весьма важен.

Обнаружение останков ранее неизвестных видов и подвидов предшественников человека, как мы могли убедиться ранее, способно приводить к весьма существенному пересмотру взглядов палеоантропологов на эволюционное древо человека. В частности поэтому так бурно обсуждаются находки, связанные, например с «денисовским» человеком и «хоббитом». Точно так же (как теперь выясняется) дело обстоит и с результатами генетических исследований.

Ситуация усугубляется тем, что в реальности даже у современного человека считается полностью расшифрованной лишь мтДНК (да и то со второй попытки – в первой позднее была обнаружена ошибка). Для неандертальца и денисовского человека удалось расшифровать ДНК лишь частично, а для более древних останков ДНК выделить пока еще не удается. То есть мы имеем дело как раз с ситуацией, при которой отсутствует масса данных. И появление новых данных, способных повлиять на выводы даже кардинальным образом, очень даже возможно. В собранной же на текущий момент «мозаике» эволюционного древа Гомо сапиенс вполне могут отсутствовать весьма важные детали!..

 

Рис. 148. В мозаике могут отсутствовать важные детали

Пойдем далее.

«…даже самая близкая эволюционная связь сиквенсов не является непосредственной в физическом смысле слова, так как степень реального родства живых организмов можно восстановить по ДНК только в том случае, если известна скорость мутирования рассматриваемого участка. Встречаются участки ДНК, где мутации определенного типа происходят раз в несколько столетий, и наоборот, бывают крайне консервативные участки, например кодирующие критически важные для организма функции, где большинство мутаций влечет нежизнеспособность нового организма, и поэтому новые «устойчивые» варианты появляются раз в несколько тысячелетий. Специалисты, имеющие практический опыт работы с сиквенсами, даже интуитивно умеют определять примерную степень родства генетических линий, исходя из свойств рассматриваемых участков ДНК, скорости их эволюции и особенностей филогении» (А.Чубенко, «Сыновья Адама»).

Хм… Ничуть не сомневаюсь в профессионализме упомянутых в цитате специалистов. Но интуиция есть интуиция – она может и подвести. И наличие подобного субъективного фактора настораживает. Как теперь разобраться, где специалисты сделали вывод на основе объективных данных, а где – на собственной интуиции?..

Оставим собственные субъективные сомнения в стороне и перейдем к другому примеру, приведенному в статье.

Рассмотренный ранее пример достаточно тривиален и позволяет реконструировать эволюционное древо. Но изменим выборку данных, сохранив первые два сиквенса и добавив два новых:

Taxon1 AGCCTGGATCGTATTAGCATGTA

Taxon2 AGCCTGAATCGTACTAGCATGTA

Taxon5 AGCCTGGATCGTACTAGCATGTA

Taxon6 AGCCTGAATCGTATTAGCATGTA

Изменяющихся позиций осталось вместо четырех всего две – седьмая и четырнадцатая с начала. Однако они имеют неприятную особенность – в них представлены все четыре возможных сочетания изменяющихся нуклеотидов: GT, AC, GC и AT. И какой из четырех вариантов ни выбрать в качестве предкового, придется допустить, что по крайней мере одна из позиций мутировала дважды. Например, если выбран предок GT, от него можно произвести с одной заменой GC, от GC – AC, и далее AT, то есть в четырнадцатой позиции имели место переходы T → C → T. В таких случаях говорят, что имеет место так называемая гомоплазия в паре позиций 7 и 14, причем позиция 14 мутирует «обратно».

Если же в качестве корня выбрать сиквенс с GC, то гомоплазия вызовет уже не обратную, а «параллельную» мутацию в четырнадцатой позиции – в двух ветвях независимо друг от друга происходит мутация C в T: T ← C → T. И чем больше таких пар позиций в выборке, тем сложнее и ненадежнее реконструкция истории таких сиквенсов.

«Заметим, что чем быстрее мутирует позиция, тем чаще она вступает в такие гомоплазийные пары с другими позициями. В реальных выборках гомоплазия встречается достаточно часто, а в случаях, когда рассматриваются участки такого вида, как например тандемные повторы, то почти каждая позиция (или признак) может вступать в отношение гомоплазии с какой-то другой позицией (признаком). Филогенетические программы возвращают результат в виде эволюционного дерева либо множества равновероятных деревьев» (А.Чубенко, «Сыновья Адама»).

Итак оказывается, что возможны случаи, когда генетические исследования дают вовсе не однозначный ответ, а сразу несколько вариантов, вероятность реализации которых вдобавок одинакова!..

 

Рис. 149. Витязь на распутье (Васнецов)

 

Далее. Физическая мутация всегда имеет направление изменения – одно состояние цепи ДНК сменяет другое. Эволюционное древо также имеет «корневой узел», с которого началась эволюция рассматриваемой ветви, и «узлы-листья», являющиеся ныне живущими потомками корня.

В первом из рассмотренных выше примеров был использован простейший метод реконструкции предка – в каждой позиции выбирался нуклеотид, представленный у большинства сиквенсов. В том же случае, если мы рассматриваем реальную выборку из большого числа сиквенсов, описанный подход будет неприменим, поскольку трудно предположить, что, скажем, 100 сиквенсов различного вида развились от одного общего предка одновременно и независимо. Скорее наоборот – наверняка в этой выборке есть более близкие друг к другу типы и наоборот более удаленные друг от друга. Следовательно, эволюционное древо может иметь сложную иерархическую структуру.

Вынужденные работать в столь непростых условиях, генетики разработали множество формализованных методов реконструкции структуры дерева, определения вида предковых узлов и корня, которые применимы как к малым выборкам из нескольких сиквенсов, так и к большим выборкам в несколько тысяч образцов. И конечно же, никто не занимается столь сложным анализом «вручную» – для реконструкции дерева используются компьютеры, анализирующие исходные выборки сиквенсов по определенным алгоритмам. И в этих алгоритмах приходится учитывать массу дополнительных деталей.

«…нередко возникает потребность как-то ранжировать позиции по скорости мутаций в них, чтобы программа могла искать деревья, более вероятные с точки зрения известных биологических особенностей мутирования, поэтому предварительная обработка молекулярных данных обязательно включает в себя анализ сиквенсов как последовательностей нуклеотидов. Кроме того, многие методы требуют данных об относительной вероятности перехода одного нуклеотида в другой, притом для каждой позиции отдельно» (А.Чубенко, «Сыновья Адама»).

Вышеприведенные словосочетания «формализованные методы», «использование алгоритмов», «ранжирование позиций», «вероятность перехода одного нуклеотида в другой» подразумевают под собой не только неоднозначность решения (как для последнего словосочетания), но и сильнейшее влияние субъективного фактора – ведь делает это все человек. И методы с алгоритмами разрабатывает, и позиции ранжирует, и даже вероятность перехода оценивает. И использование компьютеров не только не улучшает ситуацию, а наоборот – только усугубляет ее.

Обычный человек часто воспринимает выводы, полученные с использованием компьютеров, чуть ли не за истину, а результаты компьютерного моделирования чуть ли не за достоверно установленный факт. Грешат таким заблуждением, увы, и многие из тех, кто причисляет себя к сообществу ученых.

Компьютер действительно не обладает какими-то субъективными предпочтениями. Но он исполняет то, что ему задал человек – программист, разработчик модели или тот, кто задавал исходный алгоритм для расчетов. Ведь у компьютера нет собственного интеллекта. Что в компьютер заложишь – то и получишь. Все субъективные ошибки человека, попавшие в программу, компьютер в ходе расчетов сохраняет.

 

Рис. 150. Что в компьютер заложишь – то и получишь

 

И еще один момент.

При исследовании родословной человека и анализе путей расселения наших предков по разным континентам генетика использует такие термины как гаплотип и гаплогруппа.

«Гаплотипом называют произвольный вариант какого-либо участка ДНК, в контексте, когда на этом участке встречаются вариации нуклеотидов… Гаплотип – понятие эмпирическое, так как последовательность нуклеотидов на каждом участке можно узнать с помощью секвенирования, применяя минимум теоретических усилий.

Набор родственных гаплотипов, происходящих от общего предка, называют гаплогруппой, но это понятие уже не столь элементарно. Очевидно, что огромная неопределенность скрывается в понятии «родственный», ведь… факт филогенетического родства сиквенсов может иметь разную степень достоверности.

Далее, почему не считать, что каждый гаплотип на филогенетическом древе вместе со всеми своими потомками образует гаплогруппу? Действительно, пока не указаны строгие правила выделения «главных» ветвей, такой подход кажется разумным. На первый вопрос (о достоверности гаплогрупп) можно ответить следующим образом: любая гаплогруппная номенклатура основывается на некотором варианте дерева, принимаемом большинством специалистов, поэтому в конечном счете проблема упирается в наличие консенсусного мнения. Например, авторитетным считается мнение авторов Y-хромосомной филогении http://isogg.org или филогении мтДНК http://phylotree.org» (А.Чубенко, «Сыновья Адама»).

Итак, мы вышли на то, что решение о содержании базового понятия и выстраивание эволюционного древа принимается не на основе строгих выводов из объективных фактов, а… методом голосования среди авторитетов (вдобавок, среди авторов самой методики!). К каким ошибкам это может приводить, мы ранее уже рассматривали…

 

 

«Молекулярные часы»

Описанная выше методика (при всех ее недостатках) позволяет построить модель эволюционного древа. Но эта модель отражает лишь относительную последовательность и не привязана к абсолютному времени. Для того же, чтобы определить время, когда произошло то или иное разделение ветвей на эволюционном дереве, генетики используют так называемую гипотезу «молекулярных часов».

Гипотеза «молекулярных часов» была выдвинута в 1962 году американскими учеными Эмилем Цукеркандлем и Лайнусом Полингом на основе результатов их исследований структуры таких белков, как гемоглобин и цитохром С. Основная функция гемоглобина – перенос кислорода и углекислого газа, а цитохром С выполняет перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий и выполняет еще ряд других функций. Эти белки (как и другие) состоят из аминокислот, выстроенных в определенную последовательность. Сравнивая такие последовательности у разных видов современных животных и людей, Цукеркандль и Полинг пришли к выводу, что количество аминокислотных различий в гемоглобине и цитохроме С растет линейно со временем.

 

Рис. 151. Цитохром С

Различия в аминокислотных последовательностях появляются в результате мутаций и тесно с ними связаны. И вывод Цукеркандля и Полинга основывался на том, что зависимость между числом мутационных шагов (которые оцениваются по числу различий в аминокислотных последовательностях белков) и временем дивергенции (временем расхождения на эволюционном древе) организмов, из которых эти белки были выделены, является линейной – данные для разных организмов ложатся на прямую линию, что и отражает постоянную скорость процесса мутаций в аминокислотной последовательности.

«Возьмем, например, цитохром С млекопитающих и рептилий. Палеонтологическая летопись показывает, что звероподобные рептилии дивергировали от других рептилий примерно 300·106 лет назад. Цитохромы ныне живущих млекопитающих отличаются от цитохромов ныне живущих рептилий примерно 15 заменами на 100 аминокислот. Следовательно, в этом случае на возникновение 15%-ного различия понадобилось 300·106лет, или 20·106 – для различий в 1%. Время, необходимое для 1%-ной дивергенции по любому белку, Дикерсон (Dickerson) назвал единицей эволюционного времени (ЕЭВ). Для цитохрома С, следовательно, ЕЭВ равно 20·106 лет. У других белков средние скорости эволюции также постоянны, однако абсолютные скорости эволюции у разных белков различны. В частности, для… гемоглобина ЕЭВ равна 5,8·106 лет, а для фибринопептида – всего 1,1·106 лет» (Р.Рэфф, Т.Кофмен, «Эмбрионы, гены и эволюция»).

 

Рис. 152. Постоянство скорости мутаций у различных белков

Отметим, что время дивергенции – количество лет, прошедших с момента, когда произошло разделение двух эволюционных ветвей сравниваемых современных видов (родов и т.п.) – оценивалось по результатам датировок соответствующих палеонтологических находок. К этому моменту мы еще вернемся чуть позже…

Необходимо также сделать следующую важную оговорку. Не следует в данном случае смешивать два разных понятия – скорость мутаций и скорость эволюции. То, что обычный читатель понимает под биологической эволюцией (а профессионалы называют морфологической эволюцией), конечно, непосредственно связано с мутациями, отражающимися в структуре белков, но эта связь имеет сложный характер. Конкретная мутация может иметь разные последствия для эволюционных способностей организма.

Ясно, что если мутация «вредная», то она в конечном итоге приведет просто к вымиранию тех особей, у которых она проявилась. И такая мутация не закрепится в виде соответствующего изменения в структуре белка. «Полезная» мутация приводит к таким изменениям, которые позволяют организму приспособиться (адаптироваться) к изменившимся по неким причинам внешним условиям. Такие мутации называются адаптивными. Но есть и мутации, которые не приносят ни «вреда», ни «пользы». Их называют нейтральными. Количество изменений в структуре белка, возникших в результате именно этих нейтральных мутаций, и является исходными «показаниями молекулярных часов». Некоторые исследователи иногда вводят дополнительно понятие условно нейтральных мутаций, которые, накапливаясь изначально в виде нейтральных, в определенных условиях становятся «вредными» или адаптивными.

«В 1963 году Марголиаш (Margoliash) высказал мысль, что эволюция аминокислотных последовательностей в белках и морфологическая эволюция, возможно, не сопряжены друг с другом. Марголиаш указал, что если истекшее время определяет число замен, накопившихся в данном белке, то эволюция аминокислотной последовательности может служить часами, позволяющими измерить время, прошедшее с момента дивергенции любых двух видов» (Р.Рэфф, Т.Кофмен, «Эмбрионы, гены и эволюция»).

А в конце 60-х годов японский биолог Мотоо Кимура разработал Нейтральную теорию молекулярной эволюции, в которой утверждалось, что подавляющее число мутаций на молекулярном уровне носит нейтральный по отношению к естественному отбору характер. Эта теория также предсказывала существование «молекулярных часов», но при этом не ограничивалась лишь белками, исследованными Цукеркандлем и Полингом, а включала и мутации последовательностей нуклеотидов в ДНК.

Теорию «молекулярных часов» применили в том числе и для определения времени разделения эволюционных ветвей человека и обезьян. Согласно молекулярной оценке, это произошло примерно 5 миллионов лет назад. Такой результат ошеломил палеоантропологов, которые до этого долгое время полагали, что разделение человека и обезьян произошло существенно раньше – около 25 миллионов лет назад. Однако сейчас выводы генетиков все-таки приняты палеоантропологами. Считается, что общий предок человека и обезьян жил 6-7 миллионов лет назад…

Поскольку «молекулярные часы» отсчитывают время по накоплению нейтральных мутаций, не влияющих (по крайней мере напрямую) на видообразование, появляется возможность определять время тех или иных эволюционных событий внутри одного вида – в том числе и Гомо сапиенс. В частности, именно с помощью «молекулярных часов» получены ранее приводившиеся результаты генетиков по миграциям древних людей и освоению ими новых территорий.

 

Рис. 153. «Молекулярные часы» позволяют заглянуть в прошлое человечества

 

Нельзя сказать, что теория «молекулярных часов» была всеми сразу принята «на ура». Положенный в ее основу принцип постоянства скорости нейтральных мутаций вызывает серьезные вопросы. Как его можно совместить, скажем, с явно прослеживающимся по палеонтологическим находкам ускорением самого процесса эволюции в целом?.. Или с проявлениями неравномерности такого процесса, как видообразование?.. Так, например, установлено, что скорость видообразования в среднем выше в тропиках, чем в умеренных и холодных широтах (хотя есть и исключения из этого правила) – причины этого давно исследуются, но до конца так и не выяснены. В рамках же теории «прерывистого равновесия» (см. ранее) о таком понятии, как «средняя скорость видообразования», вообще говорить не приходится – она то близка к нулю (на стадии «стазиса»), то становится чуть ли не огромной (на стадии «гнозиса»). А ведь все эти процессы неразрывно связаны с возникновением тех или иных мутаций.

По всем логическим соображениям, в основе возникновения всех («вредных», адаптивных и нейтральных) мутаций должен лежать какой-то единый механизм. Теория же «молекулярных часов» требует принятия идеи, что этот единый механизм приводит сразу к двум принципиально разным процессам – процессу появления «вредных» и адаптивных мутаций, который зависит от целого ряда внутренних и внешних факторов и идет явно неравномерно, и процессу появления нейтральных мутаций, который практически ни от чего не зависит и идет с постоянной скоростью. Такая идея выглядит, как минимум, довольно странной и сомнительной. Особенно с учетом того уже упоминавшегося факта, что нейтральные мутации в некоторых случаях могут стать «вредными» или адаптивными…

Сомнения эти в значительной степени усиливаются тем фактом , что попытки практического применения постулата о постоянстве хода «молекулярных часов» эволюции для анализа хода филогенеза (то есть биологического развития во времени) организмов встретились с серьезными трудностями. Некоторые из полученных этим методом выводов серьезно противоречили сложившимся в науке представлениям, обоснованным традиционными методами и имеющим (как считается) надежную геологическую и палеонтологическую датировку.

Например, среди грызунов дивергенция родов Крыса и Мышь, по данным палеонтологии, произошла не ранее чем 8-12 миллионов лет назад. По данным же молекулярной биологии, дивергенция этих родов определена в принципиально гораздо более древнем интервале времени – 17,5-67 миллионов лет назад (впрочем, такой огромный разброс датировок – почти 50 миллионов лет, который получен в ходе применения разных методов, сам уже говорит против теории «молекулярных часов»). Аналогичное серьезное расхождение дают исследования, проведенные уже в конце ХХ века. Так, «молекулярные часы» указывают для начала дивергенции многоклеточных время 1,5 миллиарда лет назад, между тем как палеонтологи связывают с появлением многоклеточных так называемый кембрийский взрыв – примерно 540 миллионов лет назад, то есть разница в три раза!.. Дивергенция птиц и лепидозавров (надотряд, включающий в себя в том числе ящериц и змей) по «молекулярным часам» происходит еще триасе, а в палеонтологической летописи они появляются лишь в юре (следующий за триасом период). Ветви млекопитающих, ведущие к приматам, грызунам, насекомоядным и хищным дивергируют по «молекулярным часам» уже 140-90 миллионов лет назад – задолго до массового вымирания динозавров 65 миллионов лет назад, которое, по мнению палеонтологов, освободило экологические ниши для млекопитающих.

Подобное расхождение послужило причиной для появления гипотезы, что нейтральные мутации начинают накапливаться задолго до момента расхождения видов, и лишь в некий момент – при изменении внешних условий или при выходе в новую экологическую нишу – нейтральные признаки становятся адаптивными. Но эта на первый взгляд вполне логичная гипотеза влечет за собой весьма неприятные последствия для теории «молекулярных часов».

Во-первых, изначально скорость хода «молекулярных часов» определялась по данным палеоантропологии – по датировкам вполне конкретных находок. Соответственно, для этих находок подразумевалось совпадение момента начала накопления нейтральных мутаций с моментом дивергенции видов. На этом, собственно, и строилось вычисление скорости хода часов. Тогда почему для других видов мы должны допускать отсутствие этого совпадения, да еще и такое сильное?.. И почему принцип более раннего начала накопления нейтральных мутаций не соблюдался для тех видов, по находкам останков которых проводилась «настройка часов»?.. И на основании каких вообще критериев следует в таком случае отбирать палеонтологические находки для «настройки»?.. Может, следует взять совершенно другие и перенастроить «молекулярные часы»?.. Но тогда «поплывут» все полученные результаты и весьма серьезно.

А во-вторых, если принцип более раннего начала накопления нейтральных мутаций, опережающего видовые изменения, имеет место, то он должен быть универсален. Тогда что именно вообще измеряется «молекулярными часами»?.. И какова в этом случае ценность показаний «молекулярных часов», которые показывают нечто, по сути не связанное с реальным расхождением эволюционных ветвей?.. Ответ очевиден – нулевая, как и ценность показаний обычных сломанных часов, которые два раза в сутки все-таки показывают верное время...

 

Рис. 154. От сломанных часов проку нет

 

Вместо гипотезы, приводящей к столь неприятным последствиям, был выбран другой путь – начиная с самых первых исследований еще конца 60-х годов ХХ века, давших расхождение показаний «молекулярных часов» с палеонтологическими датами, получило распространение положение, согласно которому «молекулярные часы» идут по-разному на разных ветвях эволюционного древа. Скорость хода часов начали определять для каждой «ветки». Исследования показали, например, что скорость накопления нейтральных мутаций (то есть скорость хода «молекулярных часов») у грызунов оказалась в 2-4 раза выше, чем у копытных, и в 4-8 раз выше, чем у высших приматов. Работа Хэйка по молекулярной эволюции кукурузы показала, что, по крайней мере у некоторых растений, «молекулярные часы» идут на несколько порядков быстрее, чем это обычно наблюдается у животных. И наоборот, у некоторых групп организмов, например у ряда воробьиных Нового Света, ход этих часов замедлен. Аналогичная ситуация наблюдается и в ближайших к нам ветках эволюционного древа – отмечено замедление скорости молекулярной эволюции у гоминид (человека и человекообразных обезьян) по сравнению с другими видами приматов.

Дальше – больше. Выяснилось, что разные белки в одной и той же «ветке» эволюционируют с разной скоростью. А исследования ДНК человека показали, что даже разные гены (участки одной и той же ДНК) накапливают нейтральные мутации с разной скоростью. Причем различия в темпах эволюции различных генов иногда достигают аж трех порядков (то есть скорости мутаций отличаются в тысячу раз)!..

Более того, сейчас уже высказывается мысль, что скорость накопления нейтральных мутаций также изменяется на разных этапах эволюции. Вывод же Цукеркандля и Полинга о линейной зависимости количества мутаций от времени был лишь следствием очень большой погрешности методов «молекулярных часов», которые оцениваются в 20-30 процентов (и это при условии наличия общей тенденции занижать декларируемые погрешности методов). Эта погрешность просто «смазывает» реально существующее непостоянство скорости мутаций. Так, исследования Гудмена показали, что темп молекулярной эволюции увеличивается после генных дупликаций и во времена так называемой адаптивной радиации (адаптации родственных групп организмов к систематическим нерезким однонаправленным изменениям условий окружающей среды).

И наконец еще одна небольшая цитата.

«Постулат о постоянной скорости мутирования не выдержал проверки. Сейчас уже относительно хорошо изучен взрывной мутагенез и, в частности, транспозиционные взрывы [Герасимова и др., 1985]» (В.Красилов, «Нерешенные проблемы теории эволюции»).

 

Рис. 155. У каждого своя скорость хода «молекулярных часов»

 

Можно заметить, что ситуация медленно дрейфует к выводу, что нейтральные мутации в общем-то ничем не отличаются от адаптивных как по своей природе, так и по характеру их накопления. А раз так, то мы опять возвращаемся к тому моменту, что в рамках эволюционной теории «прерывистого равновесия», подкрепляемой экспериментами Шапошникова и других (см. ранее), само понятие равномерной скорости накопления мутаций теряет всякий смысл. То, что мы наблюдаем, исследуя относительно недавние изменения – например, при анализе вопроса распространения гаплогрупп современных людей – относится к стадии «стазиса». И попытки применить вычисляемую для этой стадии скорость накопления мутаций на существенно более длительных периодах времени, в которые попадают и кратковременные стадии «гнозиса» (то есть взрывоподобных эволюционных изменений), неизбежно дадут ошибочный результат.

Довольно показательной в данном случае является статья, опубликованная в сентябре 2012 года в научном журнале Nature Reviews Genetics, посвященном вопросам генетики. В этой статье группа исследователей из Бирмингема и Хьюстона призвала пересмотреть принятое значение скорости «молекулярных часов» для человека, которая была рассчитана по степени различия в геномах человека и человекообразных обезьян. И пересмотреть ее в сторону уменьшения интенсивности мутаций аж в два раза!.. Это значение получено ими на основании результатов целого ряда работ, в которых скорость накопления мутаций определялась прямым методом – для современных людей, связанных родственными узами (пары отец-сын или потомки какого-то человека с известным временем его жизни).

Дело в том, что определение времени существования предков современного человека (начиная с гейдельбергского человека) с помощью «молекулярных часов» с традиционным значением скорости дает результат, который как раз примерно в два раза меньше возраста, полученного при датировании реальных палеоантропологических находок. Так, например, костные останки гейдельбергского человека в Атапуэрке (считающегося прямым предком неандертальца), датируются палеоантропологами возрастом 400-600 тысяч лет, в то время как «молекулярные часы» для момента отделения ранних неандертальцев от ветви, ведущей к современным людям, дают всего 270-435 тысяч лет.

Генетические исследования показали, что предки европейцев и жителей Азии покинули Африку около 60 тысяч лет назад. Эти результаты заставили палеоантропологов сделать вывод, что останки древних сапиенсов возрастом 100 тысяч лет, найденные в Израиле, относятся к участникам тупиковой миграции, а не к представителям глобального исхода сапиенсов из Африки.

А если принять предлагаемое в статье снижение скорости накопления мутаций в два раза и взять скорость мутаций у современных людей, показания «молекулярных часов» будут гораздо лучше соответствовать палеоантропологическим датировкам. Для упомянутого гейдельбергского человека скорректированные показания «молекулярных часов» составят около 600 тысяч лет, а время глобального исхода сапиенсов из Африки отодвинется к рубежу 120 тысяч лет назад, и находки в Израиле можно будет уже относить к участникам этого исхода, а не тупиковой миграции (см. Рис. 156).

 

Рис. 156. Изменение датировок при корректировке скорости «молекулярных часов»

 

Однако тут возникает другая проблема. В случае проведения этой корректировки при датировании более ранних этапов эволюции вновь возникают серьезные рассогласования с палеонтологическими данными. Так, при замедлении «молекулярных часов» в два раза время существования общего предка человека и орангутана оказывается на рубеже в 40 миллионов лет – чуть ли время существования последних динозавров. Между тем основная масса находок, относящихся к такому предку, датируется палеонтологами временем всего 12-16 миллионов лет назад.

Прямо как в поговорке: хвост вытащили – нос увяз, нос вытащили – хвост увяз…

Для того, чтобы как-то выйти из этого противоречия, исследовали выдвинули предположение, что скорость мутаций замедлялась на протяжении последних 15 миллионов лет. При этом, правда, не уточняется, как именно происходило это замедление и почему…

Между тем, на мой взгляд, ситуация вполне определенно указывает на то, что справедлива именно теория «прерывистого равновесия». И в указанный период времени эволюция человека прошла через стадию «гнозиса», а возможно, и не через одну. Соответствующий всплеск (или всплески) скорости мутаций на стадии «гноз<

Последнее изменение этой страницы: 2016-07-28

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...