Что такое эволюция?

Можно ли предсказать направление эволюции, как происходят мутации и куда приведет человечество естественный отбор

Эволюция — это не вопрос веры. Эволюция происходила в прошлом и происходит сейчас, и нам известны ее механизмы. Если у вас есть достаточно полная палеонтологическая летопись, при изучении ископаемых из разных слоев будет видно, что они меняются. 

С млекопитающими это не так наглядно, потому что ископаемых очень мало. А вот микроскопические морские фораминиферы можно извлечь в колонке со дна океана, датировать осадочные породы и с точностью до десяти тысяч лет увидеть, как эти фораминиферы менялись. Но большая часть данных о том, как эволюция происходила в прошлом, не объясняет никаких механизмов. Мы не видим ни мутаций, ни отбора, только конечный результат. 

Как можно наблюдать эволюцию 

В поисках подтверждения правильности теории естественного отбора Дарвин изучал примеры искусственного отбора, при помощи которого человек создал различные породы домашних животных. Скрещивая разные породы голубей, Дарвин иногда получал птиц, напоминавших дикого скалистого голубя. Он пришел к выводу, что столь непохожие друг на друга домашние голуби произошли от единого предка. // pxhere.com

Человек в исторических масштабах живет совсем недолго, поэтому мы можем наблюдать довольно условную эволюцию. Мы не увидим, как червяк превращается в муху, то есть как одна форма переходит в другую. С моей точки зрения, самый лучший пример эволюции даже не дарвиновские голуби, а золотые рыбки: на самом деле это серебряный карась, и он очень сильно изменился за две тысячи лет. Из китайских хроник известно, когда появлялись разные формы: золотые рыбки, красные и рыбки без спинного плавника. Китайцы занимались искусственным отбором: когда появлялся интересный мутант, они его изолировали от других рыб и размножали. 

Самый знаменитый пример изучения эволюции в лаборатории — это эксперимент Ричарда Ленски, в котором он и сотрудники его лаборатории уже тридцать лет наблюдают за двенадцатью популяциями кишечной палочки Escherichia coli. За это время сменилось уже почти 80 000 поколений кишечной палочки, произошло много интересных мутаций, но для неспециалиста это как была Escherichia coli, так и осталась. Появились новые штаммы с новыми свойствами, но говорить о появлении нового вида нельзя.

Само понятие вида не определено. Когда человек заражается вирусом иммунодефицита, это происходит из-за одной вирусной частицы. Если больного не лечить и он через десять лет умрет от СПИДа, в организме обнаружатся вирусы, отличающиеся друг от друга на 15%. Это значит, что происходит серьезная эволюция. Вирус гриппа тоже все время эволюционирует. Человек, переболевший гриппом, снова этим же штаммом вируса не заболеет никогда: у него появляется иммунитет на всю жизнь. И поэтому, если бы вирус гриппа не эволюционировал, не было бы постоянных эпидемий.

Что же такое вид? В какой момент австралопитек стал человеком? Если мы хотим непрерывно эволюционирующую линию разбивать на виды, это неизбежно означает, что в какой-то момент мы маму и дочку отнесем к разным видам. В эволюции бывают такие скачки, но случаются они очень редко за счет одного специфического механизма, когда весь геном дуплицируется. У млекопитающих это невозможно. Значит, пока обезьяна превращалась в человека, не было такого, чтобы родители и дети сильно различались. Тем не менее на входе мы имеем обезьяну, а на выходе — человека.

Скорость эволюции 

Скорость эволюции непостоянна, и нужно помнить, что мы измеряем ее в поколениях, а не в годах. За одно человеческое поколение проходит пятьдесят мышиных, поэтому мышь может эволюционировать быстрее. Когда возникают новые условия, эволюция тоже ускоряется. Но бывают так называемые живые ископаемые, целаканты и гинкго, которые за 200 миллионов лет внешне не изменились, а млекопитающие за этот же промежуток времени прошли гигантский путь. 

Дискретное моделирование популяционной динамики

Согласно закону Харди — Вайнберга, скорость эволюции фрагмента генома, на который не действует отбор, равна скорости мутирования. Причины понятны: если отбор не действует, то новая мутация ничем не лучше и не хуже старого варианта. Поэтому новый вариант имеет ту же вероятность закрепиться в популяции, что и любая копия старого варианта. Удивительным образом скорость мутирования у всех эукариот, которых изучали, более-менее постоянна и составляет 10-8 нуклеотидов за поколение. 

Это относится к нейтральной эволюции, которая не имеет никакого отношения к эволюционно значимым изменениям — лосиным рогам и бабочкиным крыльям. Нейтральная эволюция — это изменение аминокислотных и нуклеотидных последовательностей, которые не влияют на приспособленность организма и не находятся под давлением отбора. Случайные, не зависящие от приспособленности изменения частот генетических аллелей в популяции называются генетическим дрейфом. Таким образом, генетический дрейф царствует над нейтральными мутациями, а отбор — над полезными и вредными. Отбор, повышающий частоту полезных мутаций, называется положительным. Отбор, отбраковывающий вредные мутации, — отрицательным.

Теория нейтральной эволюции —предположение, что большинство мутаций на молекулярном уровне носит нейтральный характер по отношению к естественному отбору. Таким образом, значительная часть внутривидовой изменчивости, особенно в малых популяциях, объясняется не действием отбора, а случайным дрейфом мутантных аллелей, которые нейтральны или почти нейтральны.

Эволюция тех нуклеотидов, которые влияют на признаки и приспособленность, находится под давлением отбора, а значит, совсем не нейтральна. Консервативный белок, например гистон у человека и у гороха, будет отличаться всего одной аминокислотой, то есть он вообще не эволюционирует. А какой-нибудь важный для адаптации белок может эволюционировать с большой скоростью. Мы сейчас в эксперименте выращиваем гриб Podospora. У нас есть восемь линий, и за шесть лет в семи линиях проэволюционировал один и тот же белок. Получается, что для адаптации к условиям культивирования этому грибу хочется сломать конкретный белок.

Есть целые сегменты генома, которые на признаки и приспособленность не влияют. Но очень много некодирующей ДНК влияет на признаки. У человека общая длина таких сегментов как минимум в десять раз больше длины кодирующих сегментов. 

Не всякий человек может пить молоко во взрослом возрасте. У всех млекопитающих, как только они заканчивают питаться грудным молоком, отключается фермент лактаза, перерабатывающий молочный сахар. У человека возникла мутация, которая ломает механизм отключения и позволяет пить молоко всю жизнь. Предполагается, что это было связано с возникновением и развитием скотоводства: у полинезийцев гена, позволяющего пить молоко во взрослом состоянии, вообще нет, потому что никто из предков полинезийцев никогда в жизни молоко не пил и не занимался разведением скота.Мутация, позволяющая пить молоко, — это замена всего одного нуклеотида даже не в кодирующем гене, а в 30 тысячах нуклеотидов от него. Две разные мутации отдельно возникли у северных европейцев и скотоводов банту в Африке, но находятся они совсем рядом, в десяти нуклеотидах друг от друга. И там ломается тот кусок некодирующей ДНК, который отвечает за сложный процесс выключения работы гена лактазы. Так что если сегмент некодирующий, то это вовсе не означает, что он ничего не делает. Есть факторы транскрипции, которые связываются с некодирующей ДНК и регулируют экспрессию генов. У человека некодирующей ДНК 99%, а «бездельничающей» — 90%. Получается, много некодирующей ДНК выполняет какие-то функции.

Чтобы по эволюции генома понять, как будут меняться признаки, мы должны знать отображение из генотипа в фенотипы, но обычно это неизвестно. Допустим, мне запретили смотреть на признаки, а разрешили смотреть только на генотипы. И я увижу, что в моей популяции за сто поколений в таком-то месте произошла замена буквы A буквой G. Что это означает в терминах признаков? Никто не знает.

Если дать ученому какой-нибудь новый генотип и сказать: «Мы поймали зверя с таким-то геномом. Что ты можешь сказать про него?», то единственное, что может сделать этот ученый, — сравнить данный геном с уже известными и сказать: «Этот зверь — жук, потому что его геном похож на геном жука». Но если бы мы не могли таким образом жульничать, то мы вообще ничего бы не сказали. Мы бы не определили, лапы у него или щупальца, какого оно размера, чем оно питается.

ДНК меняется случайно, прежде всего за счет ошибок ДНК-полимеразы. Эти изменения обычно вредны, потому что когда ты берешь что-то, что уже работает, и случайно меняешь, то, скорее всего, ты сделаешь хуже. Но удивительным образом иногда мутации оказываются полезны. 

При этом мы совершенно не понимаем, как накопление полезных мутаций приводит к появлению новой жизненной формы. Шимпанзе отличается от человека 30 миллионами букв, то есть 1% генома. Большая часть этих отличий никакого отношения к признакам не имеет: если 20 миллионов букв в моем геноме заменить «буквами шимпанзе», я от этого не изменюсь. Но какие-то буквы, наоборот, важные. Возникает вопрос: сколько букв надо поменять в геноме шимпанзе, а точнее, сколько «слов», чтобы из него получился человек? Какой силы был отбор, который поддерживал гоминизирующие мутации обезьян? Мы этого не знаем.

Естественный отбор

Методом случайных блужданий найти во всем многообразии белков одну точку, которая соответствует оптимальной реализации функции каждого белка, невозможно. К счастью, такие оптимумы — не точки, а обширные области. И поиск оптимума в ходе эволюции осуществляется не методом случайных блужданий, а с помощью направленного отбора. Направленность возникает благодаря тому, что случайные отклонения в «неправильную» сторону ухудшают рабочие качества белка и выбраковываются. А случайные изменения в «правильную» сторону запоминаются и сохраняются. 

Чем больше у организма вредных мутаций, тем меньше вероятность обмануть отбор. Конечно, всегда есть какой-то случайный компонент, но если мутация совсем вредная, то ее носитель обречен на вымирание. Если она умеренно вредная, то может повезти, и он выживет. Человеческая медицина сопротивляется отбору. Множество людей еще сто лет назад умерли бы в раннем возрасте, а сейчас успешно размножаются. Но есть данные о том, что отбор в человеческой популяции по-прежнему продолжает работать. И он действует не только на выживаемость, но и на плодовитость.

Недавно были получены очень интересные данные: гены, которые способствуют получению образования, находятся под отрицательным давлением естественного отбора. Давно было понятно, что чем выше у человека уровень образования, тем меньше у него детей в среднем. Но сейчас это подтвердили уже на уровне генов, то есть идентифицировали аллели, которые сопряжены с более высоким уровнем образования. И оказалось, что если ты несешь такую аллель, то у тебя уровень образования выше, а детей меньше.

Мозг — это самая сложная часть человеческого фенотипа с точки зрения генетики. Тяжелое слабоумие вызывают мутации пяти тысяч генов, и каждый год еще по несколько сотен генов добавляется к этому списку. Это, кстати, к вопросу о том, зачем человеку его чудовищный интеллект. В современных индустриализованных обществах чем выше у человека уровень образования, тем больше доход и продолжительность жизни. Казалось бы, от образования одни преимущества, но отбор направлен в другую сторону. А у питекантропов, которые никакого образования не получали, отбор почему-то действовал в пользу способности обучаться. 

У вас остались вопросы? Задайте их в Яндекс.Знатоках

Образование определяется средой, но то, что какая-то вещь больше определяется средой, не означает, что это не признак. Хороший пример — рост и вес. Вес определяется средой гораздо больше, чем рост. Даже в Священном Писании сказано, что никто из нас не может, несмотря на все усилия, прибавить себе рост хоть в один локоть. Но там не сказано, что никто из нас не может прибавить вес в 10 килограмм, потому что это очень легко сделать, если у тебя есть деньги и «Макдоналдс». Но это же не означает, что рост — это признак, а вес — это не признак.

До сих пор некоторые люди считают, что эволюция — теория, которая еще требует доказательств. Но естественный отбор — это очень простая вещь. Если существует генетически обусловленная изменчивость удоя у коров и мы половину коров с меньшим удоем зарежем, в следующем поколении средний удой будет больше. Не очень понятно, что здесь можно опровергать или доказывать. 

Современная эволюционная биология построена на том, что ДНК, РНК и белки — основа жизни на Земле. В живой клетке имеется направленный поток информации от ДНК, которая представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Текст записан в виде последовательностей этих букв, которые называются нуклеотидами и хранятся в двойной спирали ДНК, в одной из двух цепей. В процессе транскрипции на матрице ДНК синтезируется РНК, которая идентична этому тексту, с той разницей, что в РНК вместо T стоит U. РНКовый текст является слепком с соответствующего ДНКового текста.

Центральная догма молекулярной биологии

Полученная РНК, называющаяся информационной РНК, или мРНК, транслируется с помощью генетического кода в виде последовательности аминокислотных остатков в белках. Происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного алфавита нуклеотидов в двадцатибуквенный алфавит аминокислот. Иногда в текстах по разным причинам случаются ошибки: замены одной или нескольких букв, повторы, исчезновение целых фрагментов. Такие ошибки — мутации — лежат в основе изменчивости. 

Все законы эволюции рассматриваются только через призму современных представлений о молекулярной организации живого. Двести лет назад Дарвин понял ключевые механизмы эволюции, ничего не зная о связи генотипов и мутаций с фенотипом, и это исключительно интересно с точки зрения истории. На интуитивном уровне он установил связь между изменчивостью, наследственностью и отбором. Но сейчас изучать эволюционную биологию, начиная с дарвиновского понимания, неправильно.

С чего все начиналось 

Самые первые ископаемые останки живого датированы 3,5 миллиардами лет — это сообщества бактерий, строматолиты в Австралии и Южной Африке. Эти два места были расположены близко и образовывали так называемый Пилбарский кратон. Сейчас вышло несколько работ, утверждающих, что жизнь была уже 3,8 миллиарда лет назад. Замечательно то, что существует нижняя граница: жизнь не может быть старше, чем 4,2 миллиарда лет, потому что в это время из Земли была выбита Луна. Все на нашей планете было расплавлено и раскалено, и, даже если какая-то жизнь существовала до этого, должна была случиться полная перезагрузка. Так что для возникновения жизни понадобилось либо 700 миллионов лет, либо вообще 400. 

Примерно у половины генов кишечной палочки Escherichia coli есть четкие родственники в геноме человека. В другую сторону соотношение меньше, но у человека просто больше кодирующих белок генов: двадцать тысяч против трех тысяч. Но бывает и наоборот: у нематоды C. elegans десятки генов, которые есть только у других нематод, но нет больше ни у кого. То ли эти гены так сильно эволюционировали, что мы уже не видим сходства, то ли они возникли из ниоткуда — никто не знает.

Last universal common ancestor (LUCA) —

последний универсальный общий предок. Окаменелых останков LUCA не сохранилось, поэтому его можно изучать только путем сравнения геномов. Считается, что LUCA жил 3,5–3,8 миллиарда лет назад, в палеоархейскую эру.

Все ныне живущие виды одинаково древние и произошли от LUCA. Но одни виды изменились больше, а другие меньше. Эволюционный подход говорит о том, что все живое связано между собой. На уровне фундаментальных генов то, что есть у человека, должно быть и у крокодила. Самым фундаментальным процессом для всего живого считается синтез белка. Почему именно это? Казалось бы, синтез ДНК тоже важный процесс, он есть у всех. Но сейчас говорят, что у последнего общего предка LUCA могло не быть ДНК, только РНК и белки. 

Такая ситуация возможна: ДНК могла появиться позже и оказаться таким полезным приобретением, что через горизонтальный перенос она распространилась по всему живому. Проверить это, скорее всего, никак нельзя, потому что поймать живого LUCA или хотя бы найти его останки невозможно: это выведенная концепция, а не какой-то конкретный и определенный организм. Но в первом приближении если что-то есть у всех, то, наверное, оно было у LUCA. Или вскоре после его появления распространилось, как лесной пожар, по всем его потомкам.

Можно пытаться рассуждать об эволюции самого LUCA и заглянуть в историю до него. Представим себе, что у всех есть два родственных белка, которые явно произошли от общего предкового белка. Значит, они являются продуктами дупликации и дивергенции генов, которые происходили еще до LUCA. С помощью таких рассуждений мы делаем вывод, что и сам LUCA уже прошел очень сложный отбор и был продуктом долгой эволюции. В нем было много белков, явно произошедших друг от друга. Если спросить Евгения Кунина, он скажет, что все самое интересное произошло до LUCA. И с определенной точки зрения он прав: про происхождение жизни никто ничего не знает. Распространена гипотеза мира РНК: может, он был, а может, его не было. Все звучит очень правдоподобно, но никаких фактов у нас нет. Евгений Кунин утверждает, что рибосома не может возникнуть спонтанно, но, поскольку существует 10500 вселенных, в одной из них это случилось.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: