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».
Чарльз Дарвин, 1859
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.
Филогенетическое древо живых существ, построенное на основе генома
Сравнение ДНК нескольких видов получило еще одно применение: степень различия между ДНК двух видов в целом пропорциональна времени, на протяжении которого эти виды эволюционировали от своего общего предка. По крайней мере, для тех участков молекулы, на которые не влияет естественный отбор. Если их ДНК во многом схожи, значит, общий предок жил совсем недавно («недавно» по геологическим меркам, разумеется). А если ДНК значительно различаются, значит, общий предок этих видов исчез очень давно. Зачастую период существования общего предка можно датировать благодаря ископаемым останкам. Даже если конкретный вид этого предка определить нельзя, можно сказать, в какую эпоху он обитал на Земле.
Эти данные позволяют оценить скорость модификации ДНК, например рассчитать число мутаций на миллион лет. Если допустить, что объем мутаций постоянен, то далее можно определить время появления различающихся видов. Такие молекулярные часы дают нам общего предка для человека и шимпанзе, обитавшего примерно 6–8 миллионов лет назад, что соответствует возрасту самых древних африканских двуногих приматов, например сахелантропа, известного под именем Тумай. Молекулярные часы работают по-разному в зависимости от эпохи и, главное, от зоологической группы, но, настроенные один раз, они приносят большую пользу при соотнесении с палеонтологическими данными.
Адаптивная радиация
Когда мы говорим об адаптивной радиации, то речь ни в коем случае не идет о привыкании к радиоактивному излучению! Этим термином описывают быстрое появление группы близких видов от одного предка, видов, которые питаются ресурсами из одной среды. Это происходит, когда соответствующая среда мало обжита, например на вулканических островах, появившихся из океана, изначально бедных фауной, или – если говорить обо всем периоде жизни на Земле – после случаев массового вымирания. Бывает также, что эволюция создает новые способы освоения среды, например сформировав у птиц перья, а затем крылья. Адаптивная радиация – одна из причин современного биоразнообразия.
Самым известным случаем, разобранным Дарвиным, стал пример с галапагосскими вьюрками, внешне очень похожими, но по сути заметно различающимися: «Наблюдая эту постепенность и различие в строении в пределах одной небольшой, связанной тесными узами родства группы птиц, можно действительно представить себе, что вследствие первоначальной малочисленности птиц на этом архипелаге был взят один вид и видоизменен в различных целях». Формула еще двусмысленна, так как этот текст датируется 1839 годом, когда Дарвин находился еще далеко от окончательного формулирования своей теории, но уже тут мы видим зародыш идеи формирования отдельных видов от общего предка.
Дарвиновы вьюрки
