Сейчас уже понятно, что древо Дарвина более не является полноценным объяснением механизмов работы эволюции. Какие-то эволюционные взаимоотношения подчиняются древообразной структуре, а какие-то – нет.
Рис. 4.4. Упрощенная версия дерева жизни, показывающая отношения между группами с секвенированными геномами. Построение дерева являлось одной из главных целей биологии. Однако в свете недавних исследований некоторые ученые стали сомневаться в правильности этой затеи.
Дерево? Куст? Почему это так важно?
Как так? – подумаете вы. Микробы могут обмениваться генами направо и налево, а также в центре. Какое это имеет значение? Конечно же, интересующие нас области (растения и животные) все еще можно представить в виде дерева, причем довольно точно. Так в чем же проблема?
Для начала биология – это наука о жизни, а первая жизнь была одноклеточной. Микробы живут на Земле свыше 3,8 миллиарда лет; тогда как многоклеточные организмы появились не ранее 900 миллионов лет назад. Даже сегодня бактерии, археи и одноклеточные эукариоты составляют, по меньшей мере, 90 % всех известных видов. И если судить по цифрам, то почти все живые существа на Земле являются микробами. Было бы странным заявлять, что эволюция жизни на Земле имеет форму дерева только потому, что именно так зародилась многоклеточная жизнь. «Если древо жизни существует, то это просто крошечная аномальная структура, растущая на паутине жизни», – говорит Джон Дюпре, философ биологии из Эксетерского университета в Великобритании.
Эволюция генетического кода
Каким образом эволюция создает генетический код и основной генетический механизм, которым пользуются все организмы? Большинство биологов поддерживали Фрэнсиса Крика (сооснователя структуры ДНК) и считали, что все это – «историческая случайность». Однако прогрессивный микробиолог Карл Везе (ныне покойный) и физик Найджел Голденфельд внимательно изучили ранний этап жизни на Земле и пришли к поразительному выводу: дарвиновская эволюция не способна объяснить возникновение генетического кода. Однако это под силу горизонтальному переносу генов.
Генетический код открыли в 1960-х годах, но никто не смог объяснить, каким образом эволюция смогла так точно настроить его на «безошибочность». В процессе кодирования ДНК постоянно происходят мутации, которые тем не менее не затрагивают производимые белки.
В генетическом коде последовательностям из трех оснований (кодонов) соответствуют определенные аминокислоты. Белки состоят из цепочек аминокислот, поэтому при транскрипции гена в белок именно кодоны определяют, какую аминокислоту следует добавить в цепочку. Например, кодон ААУ соответствует аспарагину, а триплет УГУ кодирует цистеин. Всего существует 64 кодона и 20 аминокислот. Это указывает на некую избыточность кода, при которой несколько кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту.
Идеальный код
Этот код является универсальным, общим для всех организмов, а биологи давно уже знают о его замечательных свойствах. Например, в начале 1960-х годов Везе сам заявил, что одной из причин резистентности кода к ошибкам является тот факт, что схожие кодоны выбирают либо одну общую, либо две разных аминокислоты со схожими химическими свойствами. Следовательно, мутация одного основания при изменении кодона слабо скажется на свойствах продуцируемого белка.
В 1991 году генетики Дэвид Хейг и Лоуренс Херст из Оксфордского университета пошли еще дальше, отметив действительно впечатляющий уровень резистентности кода к ошибкам. При изучении устойчивости к ошибкам огромного числа абстрактных генетических кодов было замечено, что все коды состояли из одинаковых пар оснований, но их кодоны хаотично связывались с аминокислотами. Ученые пришли к выводу, что фактический код был идеально хорош в своей безошибочности. И не лишним было бы найти эволюционное объяснение для этого. К сожалению, оно не найдено до сих пор. По словам Везе и Голденфельда, причина безуспешных поисков заключается в том, что все рассматривают ситуацию с точки зрения неправильной эволюции.
В ходе совместной работы с биологом Калином Ветсиганом, Везе и Голденфельд создали виртуальный мир, в котором они многократно повторяли историю и проверяли эволюцию генетического кода при разных условиях. Начав со случайной стартовой популяции кодов в различных организмах (везде использовалась идентичные основы ДНК, но разные связи кодонов и аминокислот), сначала изучался процесс эволюции кода в соответствие с классической дарвиновской теорией эволюции. Несмотря на то что со временем резистентность кода к ошибкам повышалась, ученые заметили, что результаты не соответствовали общепринятому шаблону по двум причинам. Во-первых, код никогда не делился между всеми организмами. Все зависимости от того, как долго команда выполняла симуляции, всегда оставался некий набор обособленного кода. Во-вторых, ни в одной из попыток ни один код не смог достичь оптимальной структуры реального кода.
Хронология: эволюция жизни
Определить точное время какого-либо события довольно трудно, ведь оно зависит от возраста пород, в которых была найдена окаменелость, и «молекулярных часов» ДНК живых организмов.
К сожалению, в каждом из методов есть свои недочеты, поэтому хронологические даты следует считать весьма условными. Как правило, с увеличением возраста на геологической шкале погрешность возрастает.
3,8 млрд лет назад
Наша главная догадка о зарождении жизни на Земле. Затем в какой-то момент общий предок породил две основные группы жизни: бактерий и археи.
3,4 млрд лет назад
Развитие первых фотосинтетических бактерий.
2,1 млрд лет назад
Образование эукариотических клеток (клеток с внутренними «органами»).
1,5 млрд лет назад
Эукариоты разделяются на три группы: предки современных растений, грибы и животные; в них также происходит разделение по эволюционных веткам.
900 млн лет назад
Развитие первой многоклеточной жизни.
800 млн лет назад
Древние многоклеточные животные проходят через фазу первого расщепления. В основном, они делятся на губки и всех остальных.
630 млн лет назад
Появление двусторонней симметрии у ряда животных. Теперь у них четко дифференцированы верх и низ, перед и зад. Первое двусторонне-симметричное животное – разновидность червя.
540 млн лет назад
Кембрийский взрыв. Появление новых видов телесной организации.
530 млн лет назад
Появление первых настоящих позвоночных. Это животные, имеющие спинной хребет. Скорее всего, животное походило на угреобразную рыбу (миногу или миксину).
