13.02.2014 Как от одного предка могло произойти разнообразие жизни, включающее бактерий, людей и жирафа?

Отвечает заведующий лабораторией генетики и эволюции бобовых растений ИЦИГ СО РАН кандидат биологических наук Олег Энгельсович Костерин.

Как известно, естественный отбор может отсеивать ненужные гены. В частности, есть удачный пример с галапагосскими вьюрками, популяция которых во время засухи в 1980-х уменьшилась с 2000 до 300 особей. Выжили лишь сравнительно крупные представители с более длинным клювом, а значит, потомству передались гены, которые отражают именно такой фенотип. Первоначальные измерения клюва показали разброс от 2-х до 4-х сантиметров. Как образуются другие породы вьюрков, скажем, с клювом в 5 или 6 сантиметров, если такого гена раньше просто не существовало? Так же, как у первоначальной бактерии-прародительницы жизни не было гена, отвечающего за длинную шею жирафа, который позднее появится. Я знаю, что объяснением этого феномена является случайная мутация генов и именно она, по мнению биологов, движет эволюцию. Но может ли случайность быть столь удачливой, чтобы позволять всем живым существам занимать все природные ниши именно так, как это наиболее эффективно? Как могла случайно появиться длинная шея жирафа, если опыт животного не влияет на структуру генов? Обратной связи нет, есть лишь отсеивание ненужных генов и "случайное" появление новых. Чувствуют ли биологи эту странность или же дело лишь в моем недопонимании?

Биологи эту «странность» чувствуют и, зачастую, умеют хорошо рассчитывать.

Гена длинной шеи не только не существовало, его нет и сейчас. Жираф наделен таким признаком потому, что многие из его генов представлены у него в вариантах, способствующих удлинению шеи в процессе развития. Не могу сказать сколько, но, как правило, речь идет о количестве около десятка. Другие парнокопытные (а, скорее всего, и мы с вами) имеют те же самые гены, также участвующие в развитии организма, но в других вариантах. При удлинении шеи жирафа новых генов, скорее всего, не появлялось, а изменялись уже имеющиеся. Это магистральный путь эволюции. Новые гены вообще образуются очень редко — путем удвоения старого с последующим расхождением. Они, как все живые существа, способны «размножаться» и умирать, выключаться, деградировать. В целом, число генов ограничено — у животных их порядка 20-30 тысяч, у растений — несколько больше — до 50 тысяч.

Действительно, случайность в основном неудачлива, в силу простейшего принципа: ломать — не строить. Вероятность благоприятных мутаций много меньше вероятности неблагоприятных и нейтральных (которые не влияют ни на что). Однако абсолютно случайно может возникнуть и нечто, повышающее приспособленность (она складывается из трех параметров: жизнеспособности, плодовитости и скорости индивидуального развития) — это приводит к увеличению частоты появления носителей такой случайности и закреплению их в эволюции.

Все нынеживущие организмы возникли от одного общего предка — естественно, одноклеточного. Когда он существовал, он, конечно же, не был единственным, однако, потомков всех остальных на планете не осталось. Поскольку все современные организмы ныне живы, а остальные — нет, можно сказать, что все они примерно одинаково успешны, и нельзя утверждать, что кто-то из них «лучше». Например, бактерии по-своему совершеннее людей — они многочисленны и имеют большую общую биомассу. В других отношениях выигрывает человек, но все эти оценки субъективны. Вопрос стоит — как от одного предка произошло разнообразие жизни, включающее бактерий, людей и жирафа с его шеей. Ответ: путем случайных мутаций, причем именно тех наиболее редких из них, которые не были вредными или нейтральными, а приводили к изменениям, совместимым с жизнью или даже улучшавшими приспособленность.

Вас смущает низкая вероятность таких мутаций. Это неудивительно — люди редко в состоянии интуитивно ощутить разницу более чем в сто раз, а в данном случае мы должны мыслить огромными масштабами. Во-первых, о частоте мутаций: ДНК как носитель наследственности имеет свои химические характеристики, в том числе и точность своего копирования. Белки, которые исправляют ошибки, также имеют свои параметры эффективности. Без всяких мутагенных воздействий, исключительно в силу своей биохимической природы каждый человек является носителем около сотни новых уникальных мутаций, возникших в тех клетках зародышевого пути отца и матери, из которых образовались яйцеклетка и сперматозоид, давшие начало конкретному человеку. Большинство из них — это нуклеотидные замены, около десятка — вставки и выпадения участков ДНК. Но в среднем только одна мутация из всей сотни оказывает какое-либо влияние на какие-либо признаки, и чаще всего — это почти незаметное количественное изменение. Очень редко она оказывает значительное воздействие (так, например, считается, что «королевская гемофилия» возникла в виде мутации, первым носителем которой была лично королева Виктории).

Тем не менее, одна ненейтральная мутация на одну особь — очень важная цифра. И она, по сути, огромна. Это совместимо с жизнью всей популяции, соответственно, под этот минимум подогнана активность ферментов, исправляющих ДНК. Тратить ресурсы на большее — эволюционно невыгодно.

По имеющимся оценкам, общий предок всех живых организмов жил около 3,5-3,8 миллиардов лет назад. Сколько поколений отделяет нас от него? У человека поколение считается за 25 лет, у одноклеточных — оно может быть один день, а мы эволюционировали от одноклеточного до человека. Примем для простоты поколение за один год (в среднем). Тогда от общего предка нас отделяет около 4 миллиардов мутаций, которые на что-то влияют! Среди них нет вредных изменений, поскольку их носители вымерли. Но для того, чтобы узнать, сколько всего мутаций возникло у представителей нашей ветви, мы должны умножить эту цифру (4 миллиарда) на общее количество особей нашего вида в каждый момент эволюции. Сейчас на земле 6 миллиардов людей, поголовье крупных животных — от сотен тысяч до миллионов особей, численность одноклеточных — астрономическая. У каждого — в среднем, одна своя собственная ненейтральная мутация. И получается, что в любой момент имеется чудовищно огромный выбор.

Реальная проблема как раз обратна той, что поставлена в вопросе: времени у эволюции было слишком много. Есть хороший пример. Далекие предки лошадей питались нежными листьями, лошади — грубой травой, и во время перехода происходило соответствующее увеличение длины зубов. Ученые рассчитали, с какой скоростью шел этот процесс, и она оказалась чрезвычайно мала. Это означает, что если бы дело было в адаптации к более жесткой пище, то в каждый момент времени выигрыш от удлинения зубов был бы ничтожен. Но в эволюции есть простая закономерность, которую легко вывести — чем меньше выигрыш, тем больше должен быть размер популяции, чтобы он был заметен. Выигрыш в случае с зубами лошади оказался столь маленьким, что основанная на нем адаптивная эволюция потребовала бы нереально огромных популяций, которым не было места на планете. Это заставило ученых предположить, что размер зубов изменялся не адаптивно, а скорее случайно, пока какая-то из популяций не получала возможность переходить на более грубый корм и осваивать новую нишу. Таких случайных переходов было три или четыре.

Фото анонса: Miroslav Duchacek (from Czech Republic) - wikipedia.org, лицензия: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

21.01.2014 Есть ли материалы с отрицательным показателем преломления света, и, если нет, то каким образом его можно создать?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

Да, такие материалы существуют, и на данный момент их изготовление и изучение по праву считается передовым краем физики. Исторически обсуждение подобных материалов и их свойств приписывается Виктору Георгиевичу Веселаго, который в июне 1967 года, сорок шесть лет назад,  опубликовал в журнале Успехи физических наук статью «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными ε и μ», она есть и на английском языке. К сегодняшнему дню на нее сослались примерно 3,4 тысячи раз.

ε и μ — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, а коэффициент преломления в квадрате равен их произведению: n^2= ε*μ . В своей достаточно популярной статье Виктор Георгиевич продемонстрировал, что распространение электромагнитной волны в подобном веществе идёт по таким правилам, будто бы коэффициент преломления имеет отрицательное значение.

В самом конце XX века эти материалы научились создавать на основе техники изготовления композитов и метаматериалов. А точнее, в 2000 году Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета продемонстрировал метаматериал с отрицательным показателем преломления.

Одним из возможных интересных приложений веществ с отрицательным преломлением является потенциальная возможность создания суперлинзы, которая позволяет преодолеть дифракционный предел (возможность восстановить детали предмета, имеющие меньший размер, чем длина освещающей его электромагнитной волны). Суперлинза в микроволновом диапазоне была продемонстрирована в 2004 году. В видимом свете создать суперлинз пока не удалось, хотя в 2007 году было заявлено о создании  метаматериала с отрицательным коэффициентом преломлением для видимого света.
 

Рисунки: wikipedia.org (Лицензия: GNU Free Documentation License)

13.12.2013 Возможно ли остановить время?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

Возможно ли остановить время или же перемещаться в нем?

Мы постоянно движемся во времени, правда, в одну сторону и с одной скоростью. Вероятно, под замедлением времени вы имеете в виду «Парадокс близнецов»: если взять одного из них, посадить его на ракету и разогнать её до релятивистских скоростей, а через какое-то время вернуть, то этот близнец из-за релятивистского замедления времени будет моложе второго, который остался на Земле во время проведения эксперимента. Если разобраться с механикой этого вопроса, то с точки зрения специальной теории относительности, такое поведение возможно из-за этапов ускорения и замедления ракеты, которые необходимы для перехода из системы отсчёта Земли в движущуюся от неё, затем обратно и для синхронизации с ней.

Также под замедлением времени можно понимать замедления скорости протекания тех или иных физических процессов, например, можно замедлить скорость прохождения света через специально подготовленное вещество в миллионы раз по сравнению со скоростью света в вакууме. Кроме этого, разного рода тепловые явления замедляются при понижении температуры.
 

18.11.2013 Всегда ли виды с разным числом хромосом дают бесплодное потомство?

Отвечает заведующий лабораторией генетики и эволюции бобовых растений ИЦИГ СО РАН кандидат биологических наук Олег Энгельсович Костерин.

В ходе моих споров в интернете с  противниками теории эволюции (дарвинизм + СТЭ) с их стороны был высказан следующий аргумент: у шимпанзе 24 пары хромосом, а у человека — 23. Виды с разным числом хромосом не скрещиваются, либо скрещиваются, но дают бесплодное потомство (например, мулы, лошаки и т.д.), поэтому эволюция никак не могла «перешагнуть» этот межвидовой барьер и произвести виды с разным числом хромосом от одного предка. Что можно на это ответить? Для начала — действительно ли всегда скрещивание видов с разным числом хромосом даёт бесплодное потомство? Быть может, есть примеры успешного скрещивания? Какие ещё сведения Вы можете сообщить по данному вопросу?

То, что разные виды неспособны скрещиваться, практически никогда не связано с числом хромосом. Чаще всего это обусловлено нестыковкой генетических программы разных видов,  оказывающихся в одном организме при гибридизации.  От отца и матери мы получаем по полному набору генов с заложенными в них программами индивидуального развития, которые, если родители принадлежат к одному виду, практически дублируют друг друга, если же они происходят от разных — начинают друг с другом конфликтовать. Это все равно, что направить в производство смесь чертежей двух разных марок автомобиля — на выходе не получится ни одной работоспособной.

Различия в числе хромосом не стоит переоценивать — речь идет фактически о том, во сколько чемоданов расфасован полный геном. Однако при образовании половых клеток хромосомы, полученные от отца и от матери, должны попарно найти друг друга — спариться — и затем разойтись в разные клетки (независимо для каждой пары). Если родители имели разное число хромосом, то этот процесс идет с нарушениями, что действительно обычно приводит к снижению плодовитости особи.

Но следует заметить, что человек и шимпанзе отличаются по так называемой робертсоновской транслокации: одной хромосоме человека, имеющей два плеча, соединенных центромерой, у шимпанзе соответствуют две отдельные хромосомы, представленные каждая одним плечом и центромерой. У гибридной особи одна хромосома с двумя плечами спаривается с двумя родственными ей хромосомами, имеющими по одному плечу, и затем они более или менее успешно расходятся в разные клетки одна против двух.

 У многих видов млекопитающих, например, грызунов, для которых робертсоновские транслокации особенно характерны, существует значительная внутривидовая изменчивость по числу хромосом, без каких-либо последствий для спаривания (и самих зверей, и их хромосом) и плодовитости потомства.