Дарья Фурсенко
Введение.
Человек еще с античных времен предпринимал попытки систематизировать знания об окружающем его мире. Сначала это были классификации, основанные на идее того, что мир был создан творцом, с тех пор не менялся, и человек венец творения. Это была иерархическая система от низших существ к высшим. Хотя то, что некоторые организмы изменяются, приобретая новые качества, допускалось некоторыми мыслителями. Такая классификация была искусственная, так как в одной группе оказывались виды, связанные между собой лишь поверхностными морфологическими признаками.
Переломным моментом в истории систематики стало изобретение классификации Карлом Линнеем. Он предложил логику, по которой организмы соединяются во всё большие и большие ранги, на основе их строения. В последствие, на основе системы Линнея, Антуан Лоран де Жюссьё создал естественную классификацию, используя в качестве признаков для разделения характерные особенности организмов.
Затем Дарвин предложил понимать естественную классификацию как результат исторического развития живой природы. То есть, он первым высказал мысль, что классификация отражает взаимное родство организмов.
На данный момент признаки, по которым строилась систематика, используются для доказательства родства организмов и, следовательно, эволюции. С другой стороны, определение родства помогает при составлении классификации.
Сравнительная анатомия.
Самым ранним способом составления классификации организмов является сравнение их морфологии. Люди объединяли животных имеющих одни и те же признаки в группы. Например, группа эукариот включает все организмы, клетки которых имеют ядра. По такому принципу, чем больше существ имеют данный признак, тем более высокий ранг у такой группы, достаточно легко разделить организмы на уровне высоких рангов. Но чем ниже уровень, тем сложнее выделить те признаки, по которым надо классифицировать. Это связано с тем, что организмы, существуя в определенной среде, так хорошо к ней приспосабливаются, что становятся неузнаваемыми.
Аналогичными называют признаки, которые сформировались у разных групп организмов по-разному, но выполняют одну и ту же функцию. Например, крыло бабочки, птицы и летучей мыши. Это всё приспособления для полета, они очень важны для жизни этих существ, но никто не будет использовать их как признак для объединения в одну группу, потому что, несмотря на внешнее сходство, это очень разные органы, сформировавшиеся параллельно, как адаптация.
Сравнивая крыло птицы и летучей мыши, мы наблюдаем и гомологию. Хотя идея образования крыла у них различна, но для этого используются одни и те же кости. Такую же гомологию мы видим, сравнивая строение стоп млекопитающих.
Гомологию присутствует в строении всех органов, а не только костей. При этом она может наблюдаться как между разными группами, так и внутри одного организма. Так кости черепа гомологичны позвонкам. Это свидетельствует о том, что некогда существовал общий зачаток, который под действием эволюционных факторов развился в два непохожих по форме органа, однако имеющих схожие функции. Под действием тех же самых эволюционных факторов, у схожих групп одни и те же органы модифицировались, но сохраняя общую схему строения. То есть, эволюция не создает новое, а модифицирует старое. В результате этого получаются иногда достаточно нелепые конструкции. Например, глаз. Глаз млекопитающего конечно очень приспособлен, но прохождение света сначала через слой нервных клеток, а потом уже к рецепторам вряд ли можно назвать самым простым и идеальным. Однако поскольку первоначально сложилось так, что именно слой нервных клеток покрывал светочувствительную пластинку, то и модификации такой системы сохраняют такое строение.
Развитие и эмбриология.
Давно замечено, что на ранних стадиях развития эмбрионы различных групп позвоночных напоминают друг друга. Это обусловлено разверткой генетической программы и может указывать на ход эволюции. Гены, которые обуславливают развитие признаков характерных для данного типа, начинают работать раньше, чем гены, которые характеризуют данный класс, и так далее. Причем вероятно строение эмбриона на разных стадиях отображает строение общего предка.
В пользу того, что это всё именно так, свидетельствует то, что в процессе эмбрионального развития, зародыши приобретают, а потом утрачивают те органы, которые им не пригодятся на постэмбриональном этапе развития.
К тому же в последнее время показана гомология генов контролирующих раннее развитие. Сначала у мушки Drosophila melanogaster был найден комплекс, который отвечал за развитие у зародыша из разных сегментов характерных для этой части органов. Этот комплекс включает в себя три гена, имеющие участки с высокой гомологией. Их назвали гомеобоксами. Затем такие же структуры нашли у многих представителей Metazoa.
На нижеприведенной картинке видно, что эти гены у разных групп организмов отвечают за одни и те же части тела. Так Abd-B у мух и 2.5 в Hox-2 у мыши контролируют развитие задней части тела.
Известен эксперимент, что если дрозофиле встроить ген, который контролирует развитие глаза у мыши, то у неё разовьется свой глаз, типичный для насекомого. Всё дело в том, что каскад генов, обуславливающий развитие глаза, находится под контролем главного мастер-гена. Именно мастер-гены, контролирующие развитие на ранних этапах эмбриогенеза, имеют максимальную гомологию. Они есть у всех видов.
Молекулярные доказательства.
С развитием методов молекулярной биологии, появилась возможность сравнивать организмы на том уровне, который раньше был недоступен – на уровне наследственного материала.
В сравнительно-эволюционных исследованиях используют дифференциальное G-окрашивание, метод флуоресцентного окрашивания in situ (FISH-окрашивание) и многоцветный бэндинг. (Приложение 1)
Дифференциальное окрашивание. Метод основан на том, что хромосома способна окрашиваться неравномерно по своей длине. Процесс состоит из предобработки, от которой зависит характер раскраски хромосом, и окрашивания, который всегда осуществляют раствором Гимза. Есть несколько способов дифференциального окрашивания. При G-окраске хромосомы предварительно обрабатывают трипсином.
FISH-окрашивание. В этом методе используют способность нуклеиновых кислот образовывать двуцепочечные молекулы, как ДНК-ДНК или РНК-ДНК. Исследуемую ДНК распаривают и добавляют к ней одноцепочечные модифицированные участки ДНК, которые связываются с исследуемой ДНК. Затем полученный материал обрабатывают и визуализируют. Для каждой хромосомы человека были получены библиотеки. С помощью флуорохромов и CCD-камеры каждой хромосоме присвоили свой цвет. Используя это окрашивание для разных организмов можно исследовать хромосомные перестройки, которыми они отличаются. На этом же методе основана технология многоцветного бэндинга. После того как были получены библиотеки для фрагментов отдельных хромосом, проводят те же манипуляции. Получается хромосома окрашенная в разные цвета. Это называется «хромосомным штрихкодом».
Окрашивая генетический материал представителей разных групп организмов, и сравнивая полученные результаты, можно сделать вывод о ходе эволюции, о том, как давно существовал последний общий предок по отношению к другим организмам.
Но не только по внешнему виду хромосом оценивают родство организмов, но и по заменам в геномной последовательности. Секвинирование генома, дает нам ценную информацию о последовательности ветвления эволюционного древа. С помощью этого было доказано, что последний общий предок лошади и коровы существовал раньше, чем последний общий предок коровы и кита. Была даже выделена клада китопарнокопытных. (Приложение2)
В пользу родства всех организмов свидетельствует так же те процессы, которые протекают в клетке. Синтез белка во всех клетках осуществляется по типу ДНК->РНК->белок. Это центральная догма молекулярной биологии. Причем что важно, в клетках всех организмов используется одинаковый универсальный генетический код. Каждая аминокислота закодирована триплетом нуклеиновых кислот, и каждая аминокислота транспортируется к месту сборки своей тРНК. Но не только общность процесса синтеза белка, но и другие биохимические процессы в клетках многих организмов схожи. Так в клетках и мушки дрозофилы и человека есть цикл Кребса. Сюда же можно записать сигнальные пути, которыми пользуются клетки, чтобы влиять друг на друга.
Вывод.
Взаимное родство организмов можно наблюдать на каждом уровне организации живого существа. Начиная от субклеточного и заканчивая организменным. В пользу родства указывает так же схожие этапы, которые проходят организмы в процессе онтогенеза. И хотя внутри одной группы её представители могут достаточно сильно отличаются друг от друга, всё это результат приспособления к условиям существования.
Взаимное родство организмов отражается в современной классификации, и методы используемые для её составления, используются в качестве доказательства общности происхождения.
Список литературы.
1. Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.
2. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003.
3. Лекции по цитологии. Слайды. Высоцкая Л.В.
4. Лекции по теории эволюции. Слайды. Бородин П.М.
Ч.Дарвин. Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь. Санкт-Петербург «Наука». С.-Петербургское отделение, 1991