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