e.a. katrukha blog

Сравнение последовательностей оснований ДНК разных видов привело к появлению значительного объема более точной информации о взаимоотношениях между организмами. Составленная на основании этой информации схема в общем соответствовала ветвистому дереву родства, построенному путем сравнения анатомических особенностей и изучения археологических находок. Как и в любом новом методе, экстраполяция ограниченного количества данных может приводить к серьезным ошибкам. Однако в этом случае данные сами по себе довольно наглядны и легко проверяемы. Все живое от бактерий до грибов, растений и животных использует ДНК для записи генетического материала. Разница лишь в порядке следования четырех нуклеотидов, A, T, G и C. Для оценки минимального количества шагов, необходимых для эволюции одной последовательности из другой, могут быть использованы вычислительные методы.

Используя данные методы, можно построить деревья родства, называемые филогенетическими деревьями. С их помощью возможно определить степень родства организмов, которые выглядят совершенно по-разному, к примеру, животных и грибов. Этот подход работает, потому что некоторые последовательности ДНК очень похожи между собой, хотя и не идентичны. К примеру, при сравнении последовательности определенного гена, общего для двух организмов и состоящего из тысячи оснований, положения девятиста из них могут быть идентичны. С одной стороны, такого рода неполная идентичность позволяет установить, что это один и тот же ген, а с другой – отметить различия в них. (Необходимо принимать во внимание, что некоторые из совпадений являются результатом вторичной мутации. То есть, если A в результате мутации было изменено на G, а позже G заменено на A, то анализ будет полагать, что мутации вообще не происходили). Даже у пивных дрожжей, которые являются грибами, есть общие с человеком последовательности.

Бесспорно, такие общие гены не перешли недавно из одного организма в другой. Эти идентичные области поддерживались на протяжении миллиардов лет. В самом общем случае, чем больше различий в последовательностях, тем старше последний общий предок двух организмов. Таким образом, можно построить «дерево жизни», включающее в себя все современные формы жизни, происходящие от одного общего предка, который существовал вероятно, около трех миллиардов лет тому назад. Основанные на анализе последовательностей деревья могут быть построены без знаний о том, какой именно белок кодирует последовательность (если вообще кодирует) или какая из функций сохраняется. Однако происхождение организмов оказывается возможным соотнести на основании общего предка.

Реконструкция путей происхождения на основе последовательностей ДНК может быть наглядно проиллюстрирована на примере восстановления оригинала потерянной рукописи «Кентерберийских рассказов». При жизни Чосера (приблизительно 1343-1400 годы) рассказы не были опубликованы и во время переписывания рукописи в пятнадцатом столетии в копиях постепенно накапливались ошибки и изменения. Для того, чтобы восстановить происхождения копий, исследователи использовали алгоритмы сравнения последовательностей ДНК. Английский алфавит отличается от четырехбукванного алфавита ДНК, но принцип остается прежним: ошибки в правописании и последовательности слов обычно накапливаются. Аналогично, порядок следования рассказов формально соответствует порядку генов в геноме. Как только расположение генов меняется, маловероятно, что оно вернется в точности к начальному положению. Результаты исследования показывают, что ограниченное, малое количество текстов служило в качестве изначальных источников для более поздних, последующих текстов. Как дерево, у которого есть несколько корней. Из этого следует, что даже самые ранние рукописи уже различались между собой. Это наводит на мысль, что сам Чосер, вероятно, написал несколько разных вариантов рассказов и затем передал их нескольким людям, которые скомпоновали их по-разному.

Похожий анализ «Декамерона» Боккаччо, собрания сотни рассказов, написанных приблизительно в то же время (около 1350 года), выявил, что Боккаччо изначально распространял лишь один, финальный вариант рукописи. «Декамерон», как и дерево жизни (но не как «Кентерберийские рассказы»), имеет лишь один общий корень и множество ветвей.

Как в литературе, так и в области геномики (науке об изучении последовательностей генов) анализ текстов не позволяет выявить мотивацию проведенных изменений. Были ли они полностью случайными? Попадались ли какие-то нейтральные, альтернативные написания слов, которые в целом не меняли смысла? Были ли некоторые изменения следствием желания переписчика улучшить рукопись? Это могло бы быть формой естественного отбора. Если мы можем прочитать слова «Кентерберийских рассказов» и интерпретировать их значения, значит, мы можем строить догадки о том, что было случайным, а что намеренным.

Что касается изменений «букв» A, T, G, и C в геноме, то такой возможности пока нет. Нельзя отличить бессмысленные изменения от тех, которые имеют какую-то цель. Слова или генетические последовательности сами по себе ничего не значат, вне контекста их использования. Большая часть последовательности ДНК в настоящий момент не поддается интерпретации, а какая-то ее часть вообще не несет никакого содержания. Однако существует возможность проследить взаимосвязи происхождения видов и без знания о смысле. Но объяснение того, к чему приводит изменение последовательности на уровне организма и его фенотипа, все еще недоступно.

Многие из биохимических путей метаболизма в отдалённо родственных видах (таких, как человек и бактерия) практически идентичны с точки зрения химических превращений, которые в них происходят. К тому же функциональные составляющие этих путей, белки, кодируются сходными последовательностями в разных организмах. После того, как стало возможным секвенирование ДНК (определение последовательности оснований), молекулярным биологам открылась практически универсальная картина: сходные функции осуществлялись белками, которые обладали значительным сходством в аминокислотной последовательности, закодированные генами с похожей последовательностью оснований ДНК. Эта связь между сходством в функциях и сходством в последовательности ДНК поддерживается даже в видах, разнесенных на эволюционном дереве. Таким образом, данные пути метаболизма в значительной степени сохранились в том виде, в котором они существовали у древнего предка.

Но не обязательно все происходило именно таким образом. Функции могли сберегаться, а компоненты изменяться или же наоборот. Вместо этого, в ключевых процессах функции и структуры белков сохранялись одновременно. Следовательно, эволюционные процессы могли разворачиваться при разных обстоятельствах, но сами по себе метаболические пути сохранялись вплоть до структуры их схемы и построения входящих в них компонент.

Могли ли сходства в последовательностях возникать за счёт сходимости, то есть, под действием случайной изменчивости и отбора на разные начальные исходные точки? Скорее всего, с точки зрения статистики это крайне маловероятно, потому что сотни и даже тысячи позиций в последовательности ДНК идентичны. Сходимость – это демон всех работ по воссозданию эволюционных связей между организмами. Есть случаи ее однозначного проявления в анатомических чертах организмов. Хорошо знакомый большинству крот из северного полушария, который является плацентарным животным, напоминает австралийского крота, являющегося сумчатым. Каждый из видов в процессе эволюции приспособился к рытью нор и жизни под землей, но исходили они из разных начальных точек.

В некоторых своих проявлениях сходимость более неуловима, это скорее параллельность. Крылья летучей мыши и крылья птицы анатомически настолько различны, что без сомнений можно утверждать, что крыло летучей мыши не является модификацией птичьего крыла. Однако и те и другие являются модификацией передней конечности позвоночных. Налицо сходимость в функции, но расходимость в наследственных процессах формирования конечности.

Сопоставление генетических последовательностей разрешило вопросы сходимости даже для крайне разнесенных видов. Гены сходны вследствие их сохранения при передаче от общего предка, а не за счет сходимости при эволюции нескольких предков. Когда молекулярные биологи изучили гены, отвечающие за разнообразные функции бактерий, они обнаружили, что более чем половина из них в значительной степени сохранилась у человека. При том, что трудно найти два более отличающихся с вида с точки зрения анатомии, физиологии и поведения. Что это значит? Так как они не изменились, значит ли это, что они не принимают участия в эволюции анатомии и физиологии видов? Если это так, то какие из других частей генома изменились и ответственны за изменения анатомии и физиологии в ходе эволюции?