Станислав Дремов

Введение

С древних времен предпринимались различные попытки классификации окружающих нас животных и растений. Изначально классификации были чисто прагматическими, разделяя организмы по важным для человека свойствам, в основном по съедобности или опасности. Первую научную классификацию создал Аристотель. Он пользовался уже "собственными" признаками животных: "Животных можно характеризовать по их образу жизни, поведению, привычкам и по строению частей их тела". Однако его классификация, как и многие более поздние, была во многом искусственной, основываясь на произвольно выбранных (чаще всего - наиболее очевидных) отдельных внешних признаках. Такая методика позволяет выявить некоторые естественные группы, например, птиц; однако создает гораздо больше гетерогенных сборных групп. К примеру, все членистоногие оказываются "насекомыми", а все мягкотелые беспозвоночные - "червями". Чисто количественное увеличение числа рассматриваемых признаков позволяет сделать такую классификацию более адекватной, но не лишает ее принципиального несовершенства. Основа такого подхода - идея о существовании "плана творения", выраженного в "естественной системе", не позволяет обоснованно отделить важные для классификации признаки от не важных.

Только публикация "Происхождения видов" позволила создать действительно обоснованный и последовательный подход к изучению разнообразия организмов. Работа Дарвина совершила прорыв, установив общность происхождения всех живых организмов. Стали ясны причины существования обособленных групп живых организмов: дело не в "плане творения" и не в "отражении" метафизической "сущности", а в происхождении от общего предка. Именно происхождение от общего предка, то есть монофилия, стало главным критерием естественности таксона. Это определило и относительные веса признаков, используемых при классификации: для нее не важны признаки, сильно изменяющиеся при различных адаптациях, сильно чувствительные к изменениям условий и образа жизни животного. Ведь адаптированные в разных направлениях родственники будут отличаться по ним друг от друга больше, чем от неродственных видов, адаптированных в сходном направлении. Это называется конвергентной эволюцией, и иногда ведет к поразительному внешнему сходству экологически близких животных, разделенных тысячами километров и миллионами лет независимой эволюции. Примером являются сумчатые млекопитающие Австралии. До прихода человека там не было плацентарных млекопитающих, и среди сумчатых возникли экологические аналоги евразиатских и африканских форм, не связанные с ними непосредственным родством: сумчатые "волки", "куницы", "кроты" и многие другие. Кроме того, в природе встречается такое явление, как мимикрия, когда отбор благоприятствует накоплению поверхностного сходства с обитающим по соседству опасным животным, лучше защищенным от хищников.

В свете всего этого для классификации и определения родства важны относительно нейтральные и "фундаментальные" признаки, мало зависящие от адаптивной радиации. В качестве таких признаков использовались некоторые черты строения скелета, строение половых органов, особенности эмбрионального развития, общие черты организации. Однако, даже эти признаки, как и все черты фенотипа, подвержены различным адаптивным изменениям; или же наоборот, в некоторых случаях слишком постоянны. Определенную ясность помогают внести сохранившиеся до сих пор свидетельства прошлых эволюционных событий в виде палеонтологических находок; но истории формирования большинства групп недостаточно документированы в палеонтологической летописи. Однако они сыграли немалую роль на ранних этапах становления эволюционного учения и первичного накопления доказательств. На момент публикации сочинения Дарвина не было известно ископаемых форм, устанавливающих связь между разными таксонами животных. Но последовавшая вскоре находка археоптерикса, сочетающего в себе черты рептилий и птиц, предсказанная эволюционной теорией, убедила многих в ее истинности.

Объективные методы установления взаимного родства организмов

Наиболее объективные и полные методы установления взаимного родства организмов появились лишь в последние десятилетия и основаны на изучении молекулярно-генетических и хромосомных признаков.

Хромосомные перестройки происходят случайно, независимое возникновение одной и той же перестройки практически невероятно. Поэтому изучение истории хромосомных перестроек в ходе эволюционной истории видов помогает выяснить родственные взаимоотношения между ними.

Известны несколько типов хромосомных перестроек: инверсии, делеции, дупликации и транслокации. Инверсией называют "переворачивание" участка хромосомы. Различают перицентрические инверсии, когда в перевернутый участок включена центромера, и парацентрические инверсии, когда перевернутый участок находится по одну сторону от центромеры. Делеции и дупликации - это выпадение и удвоение фрагментов. Транслокация - перенос участка хромосомы в другое место на той же или другой хромосоме. Взаимный обмен участками называют реципрокной транслокацией; объединение двух хромосом в одну - робертсоновской транслокацией.

Отслеживание эволюционных событий обычно производят, изучая именно различные транслокации. Разработанные в последнее время методы дифференциальной окраски хромосом, а также флуоресцентного мечения, позволяют идентифицировать гомологичные участки в хромосомах разных видов. Первыми из них появились методы дифференциальной окраски. Они позволяют выявить на хромосомах темные и светлые полосы. Несмотря на то, что природа дифференциального окрашивания не всегда ясна, сравнение чередования и относительной толщины полос позволяет судить об эволюции кариотипов в разных группах. Более продвинутые методики основаны на так называемой флуоресцентной in situ гибридизации. Ее суть состоит в комплементарном связывании меченого ДНК-зонда с хромосомами (обычно -метафазной пластинкой), распластанными на стекле. В качестве зонда, гибридизуемого с хромосомами изучаемого вида, может быть использована целая хромосома другого вида или ее фрагмент. Это называется "сравнительной хромосомной живописью". Изоляция отдельной хромосомы осуществляется двумя основными способами: механическим соскабливанием с препарата (микродиссекция) или автоматическим распределением хромосом из суспензии в специальном приборе (сортинг).

Хромосомные методы позволили выявить ранее неизвестные эволюционные события, а также дополнить новой информацией наши знания об уже известных. Так, плечи 2-й хромосомы человека гомологичны 13-й и 16-й хромосомам шимпанзе: очевидно, в какой-то момент антропогенеза произошло их слияние. На основании изучения транслокаций у обыкновенной бурозубки удалось восстановить историю ее расселения из рефугиумов после окончания последнего оледенения. Но наиболее поразительные и фундаментальные выводы были получены путем сравнения кариотипов разных отрядов и классов позвоночных. Удалось приблизительно восстановить хромосомную историю, а значит и филогению млекопитающих; причем "новая" филогения разительно отличается от традиционной, основанной на внешней морфологии. Также выявилась глубокая гомология кластеров генов, участков и даже целых хромосом у совершенно различных, далеко отстоящих друг от друга животных. К примеру, большие участки хромосом черепах показали высокий уровень гомологии с хромосомами птиц. Более того, консервативные участки обнаружились даже между кариотипами рыб и млекопитающих.

Однако применимость и хромосомных методов ограничена: существуют группы с консервативными кариотипами, в которых перестройки происходят редко и отражают лишь немногие ветвления. С другой стороны, далекие группы отличает подчас слишком большое число изменений кариотипов, чтобы их можно было сравнивать. А у одноклеточных никаких хромосом просто нет. Выход из этой ситуации дает непосредственное сравнение первичных последовательностей нуклеотидов в ДНК.

Эволюция нуклеотидной последовательности

Чтобы понять, каким образом можно установить родство организмов, зная первичную последовательность ДНК, расммотрим следующий пример ­

эволюцию пятинуклеотидной молекулы ДНК: CTTAC. При репликации данной молекулы возможны два варианта: репликация без ошибок и с ошибками. Если на протяжении определенного времени (которое может измеряться единицами времени или числом реплицаций) не произошло ни одной мутации, то дочерние молекулы ДНК будут идентичны родительской, но если ошибки есть, то появляется очень похожая, но все же новая и не идентичная последовательность. Эта последовательность находится на определенной генетической дистанции от родительской. Благодаря аналогичным процессам последовательности расходятся на большее и большее расстояние друг от друга.

Нельзя не упомянуть о таких явлениях, как обратная замена, множественные замены, делеции и инсерции. Обратная замена - это мутация, которая приводит к совпадению нуклеотида с предковым. Множественные замены происходят в вариабильных позициях, то есть мутации на этих позициях происходят достаточно часто. Делеции и инсерции - соотвественно, удаление и добавление в последовательности нуклеотидов. Как правило, триплетов, если речь идет о гене белка, чтобы не было сдвига рамки считывания.

Соответственно, секвенирование ДНК различных организмов и построение затем филогенетического дерева есть ни что иное, как решение обратной задачи. Тем не менее конвергенция белков на молекулярном уровне не сводится только к гомологии последовательности аминокислот, так как функциональное сходство может достигаться схожестью их третичной и четвертичной структуры.

Вообще, сам факт того, что основой генома всех известных клеточных организмов является ДНК, а не ДНК у одних и какой-либо другой полимер, уже доказывает взаимное родство организмов. Ведь ничто не помешало бы творцу, существуй он, снабдить некоторые виды РНК или даже белком в качестве основного носителя информации. Кроме того, универсален не только носитель генетической информации, но и сам способ кодирования аминокислот, генетический код. В ядерном геноме у всех эукариот один и тот же набор кодонов кодирует одну и ту же аминокислоту; у прокариот имеются лишь некоторые исключения из этого правила.

Геном эукариот включает несколько классов последовательностей. Во-первых, это функциональные гены, кодирующие различные белки и РНК. Во-вторых, это регуляторные некодирующие участки (сайты связывания транс­факторов; структурных белков, обеспечивающих упаковку ДНК в хромосомах; белков, связывающихся с микротрубочками в митозе и мейозе). Но наибольший объем генома занимают нефункциональные повторенные последовательности: транспозоны, ретротранспозоны, псевдогены, просто бессмысленный мусор. Также существует отдельный митохондриальный геном, включающий гены, кодирующие ферменты дыхательной цепи, митохондриальные рРНК и тРНК.

Все эти классы последовательностей можно использовать как для доказательства взаимного родства организмов, так и для воссоздания филогенетических структур отдельных групп. Например, некоторые гены, кодирующие продукты, необходимые для жизни любого организма, имеют большую степень гомологии первичных последовательностей нуклеотидов у разных существ, вплоть до млекопитающих и бактерий. Также в геномах большинства организмов обнаружены псевдогены - некодирующие последовательности, гомологичные функциональным генам других организмов. Их происхождение можно объяснить только с позиций эволюционизма - раньше эти гены кодировали белки, затем эти белки стали не нужны; но гены остались, постепенно "портясь" накоплением мутаций, не отсеиваемых отбором. Например, человек имеет псевдоген, гомологичный функциональному гену крысы, кодирующему у нее фермент из цепи синтеза аскорбиновой кислоты, а также гены, чьи гомологи у рептилий участвуют в формировании желтка. Еще одним доказательством можно считать наличие одинаковых вирусных инсерций на гомологичных участках хромосом человека и шимпанзе. Очевидно, они появились еще у нашего общего предка.

Для выяснения филогенетических отношений на разных систематических уровнях применяются различные последовательности. При исследовании филогении на уровне царств и типов берутся высококонсервативные последовательности, кодирующие белки с небольшим числом "рабочих" вариантов сборки. С продвижением на более мелкий уровень используют все более изменчивые участки генома. Например, гены, чьи продукты функциональны при очень большом числе разных вариантов строения. На уровне родов и семейств, где применение морфологических методов уже сильно ограничивается конвергенцией, сейчас используется в основном митохондриальный геном. Как правило, он отличается более высоким уровнем изменчивости и скоростью эволюции, чем ядерный, и позволяет работать на более мелком уровне, создавая более высокое разрешение.

Когда речь идет уже о выяснении взаимоотношений между популяциами одного вида, или о внутренней структуре популяций, используется сравнение микросателлитной ДНК. Она относится к ничего не кодирующим и не регулирующим "мусорным" последовательностям, представляя собой тандемные повторы 2-10 нуклеотидов, например: CTTGCTTGCTTGCTTG...CTTGCTTG. Длина массива повторов может различаться, и анализируется именно этот крайне изменчивый полиморфизм по длине массива.

Вывод

Таким образом, проникновение в глубокие генетические и молекулярные механизмы наследственности и изменчивости, которые, по Дарвину, являются одними из основных факторов, позволивших примитивному общему предку всех организмов дать наблюдаемое в наши дни разнообразие животных, растений, грибов и одноклеточных, подтверждает его идею о взаимном родстве всех живых существ. Сходство, простирающееся вплоть до не имеющих адаптивного значения бессмысленных повторов в ДНК, при всем желании нельзя объяснить "общим планом творения".

Более того, использование этих знаний на практике позволяет нам подтвердить, или же иногда сильно пересмотреть и уточнить данные о филогении, полученные при использовании традиционных морфологических методов.

Список литературы

• Чарлз Дарвин, «Происхождение видов», изд.: Просвещение, 1987

• В.В. Лукашов, «Молекулярный и филогенетический анализ», изд.: Бином,

2009

• И. Ф. Жимулёв, «Общая и молекулярная генетика», НГУ, 2002

• J. W. IJdo, A. Baldini, D. C. Ward, S. T. Reeders, and R. A. Wells, Origin of human chromosome 2: An ancestral telomere-telomere fusion, Proc. Natl. Acad. Sci. USA

88, 1991