Дина Малькеева

Взаимное родство организмов

С давних времён человечество стремилось систематизировать окружающие живые организмы. Разрабатывались самые разнообразные способы их классификации. На сегодняшний день нам известно, что главным принципом классификации всего живого должно быть взаимное родство организмов. Ранее оно определялось изучением морфологических признаков, эмбриологических сходств, палеонтологических находок, но сейчас достижения генетики и молекулярной биологии позволяют определить это родство и составить единую родословную систему всех живых организмов с гораздо большей точностью.

Морфологические свидетельства родства организмов.

Пожалуй, самыми явными доказательствами взаимного родства организмов являются сходства в их строении: скелеты позвоночных очень похожи по набору составляющих их костей; в крыле птицы, ноге лошади, ласте кита и руке человека мы видим одни и те же, правда, видоизменённые, кости, расположение которых относительно друг друга одинаково. Конечно, некоторые из них могли утратиться в ходе эволюции (например, отсутствие у лошадей первого и пятого пальцев конечности и рудименты второго и четвёртого), но гомология этих органов явно видна.

То, каким образом передняя конечность птицы приобрела такое необычное строение, видно при изучении переходных форм к ним от динозавров – птицеобразных динозавров, имевших удлинённые пальцы на передних конечностях и покрытых перьями.

Если рассматривать млекопитающих, то количество шейных позвонков у всех них одинаковое, что также говорит об их родстве. Удлинение шеи жирафа происходило за счёт увеличения величины позвонков. Даже у китов их всегда семь, хотя и укороченных, и если бы у них не было общего предка с другими млекопитающими, маловероятно, что шейных позвонков было бы именно столько.

Рудиментарные органы также многое говорят о наличии общих предковых форм у современных организмов. В качестве примеров можно привести рудименты задних конечностей, не прикреплённых к позвоночнику и лежащих в толще мышц, у усатых китов, грифельки на IX стерните брюшка самца у тараканов, кузнечиков и некоторых других прямокрылообразных, являющиеся, по-видимому, остатками брюшных ходильных ног.

Ещё одним свидетельством взаимного родства организмов являются атавизмы – результат действия рецессивных генов, иногда имеющих фенотипическое проявление. Например, появление задних конечностей у змей показывает их вторичную утрату и родство змей с ящерицами.

Палеонтологические свидетельства родства организмов.

Изучая ископаемые останки древних организмов, мы также можем убедиться в родстве ныне существующих. Изучение фоссилий, а также ДНК вымерших организмов помогает обнаружить общих предков современных форм, а также переходные формы.

Известный пример – развитие птичьего крыла из передней конечности птицеобразного динозавра. О том, что крыло образовалось из когтистой лапы, свидетельствует наличие у птенцов гоацинов когтей на первом и втором пальцах передней конечности, а также находки множества переходных форм. При этом можно заметить, что происхождение прообраза крыла является полифилетичным.

Также хорошо прослеживается постепенное удлинение конечностей и утрата пальцев в эволюции копытных от общего предка – кондиляртра (древнее пятипалое копытное), а также приспособление их зубов к растительной пище (предок был всеяден, смена рациона питания произошла благодаря освобождению соответствующей экологической ниши после вымирания крупных травоядных динозавров).

Что касается переходных форм, то недавно стали известны подробные детали происхождения полых ядопроводящих зубов у змей. По останкам рептилий рода Uatchitodon эпохи триаса (сохранились в основном именно зубы) было установлено, что у образцов вида Uatchitodon kroehleri на зубах явно присутствуют канавки, а у их потомков, принадлежащих к виду Uatchitodon schneideri, бороздки уже закрыты, а на месте канавок еще различим шов. Впоследствии у змей сформировался развитый впрыскивающий аппарат.

В последние годы быстрыми темпами развивается молекулярная палеонтология (палеогенетика). Она изучает молекулярные следы жизнедеятельности древних организмов, выясняя по ним характер их эволюции, а также биосферы в целом. При этом исследуются хемофоссилии и биологические маркёры органических молекул. Например, были изучены последовательности ДНК, выделенной из костей и мягких тканей четырёх видов новозеландских моа, вымерших около тысячи лет назад. Оказалось, что эти птицы гораздо древнее современных нелетающих киви. Вероятно, киви попали на острова значительно позже, чем вымершие моа, жившие там уже 80 млн. лет тому назад. В то же время показано близкое родство киви с австралийскими эму. Также генетические исследования показали, что виды мамонтов отличались рядом генетических маркёров. Генетически мамонт отличается от каждого из родов современных слонов примерно одинаково, хотя морфологические исследования показывают более близкое родство мамонтов с индийскими слонами, чем с африканскими. Возможно, это указывает на несоответствие темпов эволюции на молекулярном и морфологическом уровнях.

Огромный вклад в развитие изучения древней ДНК внесли новые технологии массивного параллельного секвенирования. Стоимость таких методов гораздо ниже обычного секвенирования по методу Сэнгера, а скорость выше на порядки. К примеру, при массивном параллельном пиросеквенировании за один раз анализируется до 25 млн. нуклеотидов. Недостатком является то, что при этом читается последовательность небольшой длины (обычно менее 250–400 п.н.). Но в применении к древней ДНК это не является ограничением, т.к. приходится анализировать множество фрагментов именно такого размера. Ещё одним ограничением применения новых платформ является 10-кратное снижение точности секвенирования по сравнению с методами, основанными на принципе Сэнгера. Однако эти технологии весьма перспективны, и можно ожидать, что они будут усовершенствованы в ближайшем будущем.

Эмбриологические свидетельства родства организмов.

На ранних этапах онтогенеза эмбрионы всех позвоночных поразительно схожи между собой. Это обусловлено тем, что у них на этих стадиях работают одни и те же гены. Эти гомеозисные гены – Hox-гены (ранее они назывались у беспозвоночных HOM-генами, а у позвоночных – Hox-генами, но согласно последним правилам молекулярной номенклатуры, все они стали называться Hox-генами). Впервые они были обнаружены у D. melanogaster, позже – у мышей и других позвоночных. В последние годы гомеозисные домены обнаруживают у таких беспозвоночных как гребневики, книдарии, кольчатые черви,… Причём, чем дальше идёт дивергенция, тем большее количество Hox-генов имеется у организмов – результат дупликаций. На практике в ряде опытов была произведена трансплантация регуляторных генов между двумя видами, и, что примечательно, процесс развития происходил без неблагоприятных эффектов. В других экспериментах манипуляции этими генами привели к появлению таких существ как насекомые с ногой на месте антенны (Antennapedia).

Благодаря наличию общих генов развития у столь разных организмов можно с уверенностью утверждать о едином происхождении этих организмов.

На более поздних этапах развитие идёт разными путями, т.к. в генах, ответственных за них, происходили мутации (видимо, организмы с отклонениями в генах раннего развития погибали).

Если вернуться к более очевидным, морфологическим, отличиям, можно привести следующие примеры: известно, что у всех эмбрионов сухопутных позвоночных обязательно прорезываются жаберные щели, которые позднее зарастают. Значит, их общий предок обитал в воде. В эмбриональном состоянии у всех китов имеются зубы, но у усатых китов они атрофируются, не прорезываясь, и заменяются бахромчатыми роговыми пластинами – китовым усом.

Всё это говорит о происхождении от одного предка.

Молекулярно-генетические свидетельства родства организмов.

Сегодня все внешние сходства организмов могут быть объяснены с точки зрения их генетических последовательностей. Наиболее распространёнными методами установления родства между организмами являются кариотипирование и секвенирование. Есть и другие методы, такие как гибридизация ДНК и реакция антиген-антитело, но они не настолько точны и позволяют определить лишь общее родство.

При кариотипировании легко обнаруживаются делеции, дупликации, инверсии, транслокации. К примеру, кариотипирование хромосомных наборов человека и шимпанзе выявляет почти полное сходство восемнадцати хромосом, различающиеся участки в четырёх (пятая, шестая, девятая и двенадцатая), а также тот факт, что хромосомы 2А и 2В, имеющиеся у шимпанзе, соединены в одну, вторую, хромосому у человека.

Секвенирование даёт возможность сравнивать строение генов организмов. Вывод о близком родстве исследуемых живых существ можно сделать следующим образом: если после выравнивания генетических последовательностей ДНК они оказываются гомологичными, то это говорит о происхождении их от одной предковой последовательности. С помощью секвенирования было выяснено, например, что геномы человека и шимпанзе отличаются примерно на 1,5%, а люди между собой – на 0,1%.

Существующие ныне организмы обладают фактически одинаково устроенным генетическим кодом. Носителями генетической информации являются ДНК или РНК, причём в последнее время распространяется гипотеза о том, что вначале возникла именно РНК. Есть большая вероятность того, что возникновение «жизни» было множественным. Предлагаются различные модели репликаторов, такие как т.н. ПНК, где сахарофосфатный остов заменён на амидные связи, и пиранозная форма РНК. При этом структура пиранозной РНК более стабильна, чем фуранозная форма, а ПНК уже сама по себе кажется более удобной и просто устроенной. Таким образом, о родстве живых организмов говорит отсутствие форм жизни с указанными выше вариантами носителей генетической информации. Возможно, организмы, обладавшие именно такими репликаторами, какие существуют сегодня, имели преимущество в условиях «первичного бульона».

Что касается генетического кода, он идентичен у большинства существующих организмов. Некоторые живые существа имеют отступления от универсального кода (что ограничивает взаимодействия их геномов с геномами обладателей универсального кода). Также классическим примером такого отклонения являются митохондрии, имеющие идеальный генетический код. Это, скорее всего, свидетельствует о том, что возникновение кода не было единичным событием.

Но чем же обусловлено такое генетическое разнообразие современных организмов? С ходом эволюции геномы живых организмов усложнялись: увеличивалось количество в них генов. Появление новых генов может происходить благодаря следующим событиям: дупликациям генов внутри генома, приобретению генов других организмов.

Дупликация генов может происходить тремя способами:

1) дупликация всего генома;

2) дупликация одной хромосомы или её части;

3) дупликация гена или группы генов.

Первый случай обусловлен нарушениями в мейозе: нерасхождением всех хромосом, протеканием первой стадии мейоза как в митозе (если организм диплоидный, то в результате получаются две идентичные диплоидные клетки с однохроматидными хромосомами, теряющие способность к делению и дающие начало гаметам; такие нарушения встречаются, например, у гибридов, если невозможно образование бивалентов), остановкой второго деления мейоза на стадии метафазы II (в результате каждая хромосома расщепляется на две хроматиды, эти хроматиды не расходятся, и диплоидное число хромосом восстанавливается, в итоге образуются две различающиеся наборами хромосом диплоидные гаметы). В случае встречи двух таких гамет получаются автополиплоиды. Такие организмы при скрещивании с родственными формами с нормальным набором хромосом не могут давать способное к половому размножению потомство, т.к. у их потомков слияние гамет будет давать зиготу с нечётным количеством хромосомных наборов, один из которых не будет находить гомолога в мейозе. Такие гаметы очень нестабильны за счёт нарушения нормальной сегрегации в мейозе. У полиплоидов с чётным количеством наборов хромосом фертильность зачастую снижена из-за возможного образования гамет с разными количествами хромосомных наборов (например, у тетраплоидов могут образовываться гаметы с соотношением наборов 3:1, 4:0; вероятность образования диплоидных гамет снижена). Автополиплоидия является распространённым явлением среди растений, т.к. они способны к вегетативному размножению, за счёт чего особей с нечётными количествами хромосомных наборов становится, таким образом, больше, и вероятность их взаимного скрещивания возрастает.

Второе явление почти во всех случаях приводит или к летальному исходу, или к возникновению генетических заболеваний. Поэтому, скорее всего, оно не внесло большого вклада в процесс приобретения новых генов.

Третий же случай широко распространён в живом мире. Именно благодаря такого рода дупликациям чаще всего и происходило накопление новых генов. Это подтверждается данными секвенирования ДНК, показывающими наличие мультигенных семейств во всех геномах. Дупликации генов и их групп могут происходить в результате неравного кроссинговера, неравного сестринского хроматидного обмена, смещении репликативного комплекса относительно материнской цепи ДНК при её репликации, в результате амплификации ДНК. Неравный кроссинговер случается при наличии в рекомбинирующих хромосомах идентичных генетических последовательностей, располагающихся в различных их участках. При формировании синаптонемного комплекса рекомбинация может произойти между двумя разными копиями этих последовательностей, тогда в одной хроматиде, участвовавшей в рекомбинации, остаются два экземпляра данной генетической последовательности, а в другой – ни одной. При сестринском обмене происходит то же, что и при неравном кроссинговере, но между двумя сестринскими хроматидами одной хромосомы, а не двух гомологичных. Смещение репликативного комплекса может происходить в участках генома, содержащих несколько повторяющихся последовательностей (микросателлиты); результатом является наличие в дочерней цепи большего количества повторов. Амплификация ДНК: внутри репликативной вилки между двумя образовавшимися дочерними молекулами может произойти обмен участками, ограниченными идентичными последовательностями с обеих сторон. Последовательность, расположенная перед обмениваемым участком в одной дочерней молекуле, может конъюгировать с расположенной после такого же участка в другой, в результате чего одна из молекул приобретает копию этого участка, а вторая не несёт его вообще. Начальным итогом таких событий является приобретение двух копий одного и того же гена или группы генов. Затем, с течением времени геном накапливает мутации, и два экземпляра начинают отличаться друг от друга, причём зачастую один из них сохраняет первоначальную структуру (или близкую к ней), а другой видоизменяется так, что продукты его экспрессии начинают выполнять новую функцию. Ярким примером такого способа приобретения новых генов является семейство HOX-генов (число которых достигает 38 у некоторых позвоночных), произошедших от одного гена HOM-C, присутствующего у дрозофилы. Так же, по-видимому, образовывались и семейства глобинов человека. По результатам секвенирования было установлено, что около 800 млн. лет назад произошла дупликация общего для глобинов предкового гена. В результате из первоначального гена образовался миоглобин, а дуплицированные гены претерпевали мутации и дополнительные дупликации, в результате чего образовались современные семейства α-глобинов, включающее α1-, α2- и ξ2-глобины, и β-глобинов, в которое входят глобины ε, Gγ, Aγ, δ и β.

От других организмов гены могут быть получены путём горизонтального переноса (т.е. не от родителя потомку). Этот процесс осуществляется мобильными элементами, такими как транспозоны, плазмиды, профаги. У прокариот он происходит в результате передачи плазмид при конъюгации; таким образом, например, среди бактерий распространяется устойчивость к антибиотикам (ампициллин, стрептомицин). Плазмиды одного вида прокариот могут встраиваться не только в геномы представителей того же вида, но и других прокариот и даже эукариот. Так организмы с этой новой встройкой приобретают новые свойства (способность к синтезу новых белков,…). Транспозоны могут перемещаться не только между геномами, но и внутри одного генома за счёт кодируемого ими фермента транспозазы (ДНК-транспозоны), вырезающего их из одного участка генома и встраивающего в другой, или путём обратной транскрипции с помощью закодированной в них обратной транскриптазы (ретротранспозоны). Встройка мобильных элементов может стать очень полезной. К примеру, у D. melanogaster имеются транспозоны, кодирующие пиРНК, которая в комплексе с определёнными белками уничтожает в эмбрионах во время «материнско-зиготического перехода» материнские мРНК, и эмбрион начинает производить свои мРНК и синтезировать на их основе белки, закодированные в его собственных генах. В экспериментах при «выключении» этого механизма наблюдались нарушения развития эмбрионов. Таким образом, присутствие данных мобильных элементов жизненно необходимо для приобретших их организмов. Но встраивание мобильных элементов может привести и к негативным последствиям: встройка внутрь гена ведёт к нарушению его функции. Транспозоны могут вызывать рекомбинацию между хромосомами или различными участками одной хромосомы.

Построение единого филогенетического древа.

На сей день одной из самых главных задач учёных является построение единого эволюционного древа всех живых организмов. С помощью молекулярно-генетических методов это можно осуществить с большой точностью.

Построение филогенетического древа включает несколько этапов.

Первый этап – выравнивание друг относительно друга гомологичных генетических последовательностей. Для этого существует множество компьютерных программ. После выравнивания становится возможным сравнение нужных генетических последовательностей, причём сразу можно сравнивать больше одной.

Второй этап – реконструкция филогенетического древа по полученным данным. После сравнения последовательностей становится ясной степень близости изучаемых организмов.

Третий этап – оценка достоверности построенного древа.

Четвёртый этап – установление времени дивергенции предковых последовательностей генов. На этом этапе используется метод молекулярных часов, основанный на утверждении, что нуклеотидные замены в одном локусе возникают всегда с одинаковой частотой, и поэтому скорость фиксации мутаций постоянна. Таким образом, по количеству различающихся нуклеотидов в гомологичных последовательностях можно судить о времени их расхождения.

Полученное в результате филогенетическое древо чётко соответствует истории развития многообразия живых организмов, наблюдаемое сегодня. При этом часто генетическое древо не всегда соответствует древу, основанному на событиях видообразования ( например, в популяции изначально присутствует один предковый ген, затем в результате мутации появляется его аллель, но оба они существуют в одной популяции; позже популяция разделяется, в одной части исчезает один аллель, в другой – другой; в результате мутация предшествует событию видообразования, два варианта генеалогического древа не совпадают по времени ветвления; при этом сегодня учитывается именно разветвление в момент возникновения мутации).

Заключение.

На сей день родство всех существующих организмов не вызывает сомнений. На основе гомологии молекулярно-генетическими методами строятся филогенетические деревья. Но взаимное родство организмов также и затрудняет их разграничение на таксоны. Так, например, для живых организмов с кольцевыми ареалами сложно установить границы видов на протяжении ареала, где одни формы плавно переходят в другие, тогда как на самых крайних точках кольцевого ареала различия между представителями одного «конца» и другого разительны. Также вызывает смущение геологическая летопись. Как было бы возможно разделение на виды всех переходных форм, если бы они сохранились? Все живые организмы связаны взаимным родством, и поэтому понятие «вид» очень расплывчато. Но для того чтобы систематизировать представителей живого мира, придумываются какие-либо критерии их разнесения по таксонам.

Все живые организмы взаимосвязаны и представляют единую сложную взаимодействующую систему, имеющую общее происхождение от единого предка.