Молекулярные часы

Теперь, когда мы заговорили о молекулах, у нас осталось незавершенное дело из главы про эволюционные часы.

Там мы рассмотрели годичные кольца и различные виды радиоактивных часов, но мы отсрочили рассмотрение так называемых молекулярных часов, пока не узнаем о некоторых других аспектах молекулярной генетики.

Время пришло.

Думайте об этом разделе как о приложении к главе про часы.

Молекулярные часы исходят из того, что эволюция истинна, и что она продолжается с довольно постоянной скоростью в течение геологического времени, чтобы использоваться сама по себе как часы, при условии, что она может быть откалибрована, используя окаменелости, которые в свою очередь калиброваны радиоактивными часами.

Так же, как свечные часы предполагают, что свечи сгорают с постоянной и известной скоростью, а водяные часы предполагают, что вода вытекает из ведра со скоростью, которая может быть откалибрована, а высокие напольные часы с маятником предполагают, что маятник качается с постоянной скоростью, так же молекулярные часы предполагают, что существуют определенные аспекты самой эволюции, которые происходят с постоянной скоростью.

Эта постоянная скорость может быть откалибрована по тем частям эволюционной летописи, которая хорошо задокументирована (доступными датированию по радиоактивности) ископаемыми.

После калибровки молекулярные часы могут использоваться для других частей эволюции, которые не задокументированы ископаемыми.

Например, они могут использоваться для животных, которые не имеют твердых скелетов и редко фоссилизируются.

Хорошая идея, но что дает нам право надеяться, что мы найдем эволюционные процессы, которые бы шли с постоянной скоростью? Действительно, многие свидетельства предполагают, что скорости эволюции очень различаются.

Задолго до современной эры молекулярной биологии Дж. Б.С.Холдейн предложил «дарвин» в качестве меры эволюционной скорости.

Предположим, что за эволюционное время некоторая измеряемая черта животного изменяется в устойчивом направлении.

Например, предположим, что средняя длина ног увеличивается.

Если в течение миллиона лет длина ног увеличивается в e раз (2.718…, число, выбранное по причинам математического удобства, во что нам вникать не нужно), то говорят, что скорость эволюционного изменения равна одному дарвину.

Сам Холдейн оценил скорость эволюции лошади приблизительно в 40 милидарвинов, в то время как эволюция домашних животных при искусственном отборе предположительно измеряется килодарвинами.

Скорость эволюции гуппи, пересаженных в ручей без хищников, как описано в Главе 5, была оценена в 45 килодарвинов.

Эволюция «живых ископаемых», таких как Lingula (страница 140), должна, вероятно, измеряться в микродарвинах.

Вы поняли: скорости эволюции того, что можно увидеть и измерить, вроде ног и клювов, весьма изменчивы.

Если скорости эволюции настолько изменчивы, каким образом мы можем надеяться использовать их в качестве часов? Здесь приходит на помощь молекулярная генетика.

На первый взгляд не ясно, как такое может быть.

Когда измеряемые черты, такие как длина ноги, эволюционируют, то, что мы видим, является внешним и явным проявлением лежащего в их основе генетического изменения.

Как тогда может быть, что скорости изменений на молекулярном уровне обеспечивают хорошие часы, в то время как скорость эволюции ноги или крыла — нет? Если ноги и клювы подвергаются изменению со скоростью в пределах от микродарвинов до килодарвинов, почему молекулы должны быть более надежными в качестве часов? Ответ в том, что генетические изменения, проявляющиеся во внешней и видимой эволюции — такие как ноги и руки — являются очень маленькой верхушкой айсберга, и они — верхушка, подверженная существенному влиянию переменчивого естественного отбора.

Большинство генетических изменений на молекулярном уровне нейтрально и, можно поэтому ожидать, происходит со скоростью, не зависящей от полезности, и может даже быть приблизительно постоянной в пределах отдельно взятого гена.

Нейтральное генетическое изменение не оказывает никакого воздействия на выживание животного, а это — полезная верительная грамота для часов.

Ведь гены, которые влияют на выживание, положительно или отрицательно, как ожидается, эволюционируют с измененной скоростью, отражающей это.

Когда нейтральная теория молекулярной эволюции была впервые предложена, среди прочих, великим японским генетиком Моту Кимурой, она была спорной.

Один ее вариант теперь получил широкое признание и, не вдаваясь здесь в подробные доказательства, я собираюсь принять его в этой книге.

Поскольку я имею репутацию архи-«адаптациониста» (предположительно помешанного на естественном отборе как главной или даже единственной движущей силой эволюции), Вы можете быть уверены, что, если даже я поддерживаю нейтральную теорию, маловероятно, что многие другие биологи выступят против нее!

Нейтральная мутация — мутация, которая, хотя и легко измерима молекулярно-генетическими методами, не подлежит естественному отбору, ни положительному, ни отрицательному.

«Псевдогены» нейтральны по одной причине.

Они являются генами, которые когда-то делали что-то полезное, но теперь отодвинуты в сторону и никогда не транскрибируются или не транслируются.

Для благополучия животного их с таким же успехом могло бы не существовать вообще.

Но с точки зрения ученых, они очень даже существуют, и они — именно то, что нам нужно для эволюционных часов.

Псевдогены — только один класс тех генов, которые никогда не транслируются в эмбриологии.

Существуют и другие классы, которым ученые отдают предпочтение для молекулярных часов, но я не буду вдаваться в подробности.

Для чего полезны псевдогены — так это чтобы ставить в неловкое положение креационистов.

Они испытывают даже их креативную изобретательность, чтобы придумать убедительную причину, почему разумный проектировщик должен был создать псевдоген — ген, который абсолютно ничего не делает и всячески создает видимость того, что он — устаревшая версия гена, который некогда что-то делал — разве что, если только он нарочно не задался целью нас одурачить.

Оставляя в стороне псевдогены, существует замечательный факт, что с тем же успехом можно было бы обойтись без большей части генома (95 процентов в случае людей).

Нейтральная теория применима даже ко многим из генов из оставшихся 5 процентов — генам, которые читаются и используются.

Она применима даже к генам, жизненно важным для выживания.

Здесь я должен выразиться яснее.

Мы не говорим, что ген, к которому применима нейтральная теория, не оказывает никакого эффекта на тело.

Мы лишь говорим, что мутантная версия гена имеет точно такой же эффект, как и немутировавшая версия.

Независимо от того, насколько важным или неважным будет сам ген, мутировавшая версия имеет такой же эффект, как немутировавшая версия.

В отличие от псевдогенов, где сам ген может должным образом быть описан как нейтральный, мы сейчас говорим о случаях, когда только мутации (то есть изменения в генах) могут строго быть описаны как нейтральные, но не сами гены.

Мутации могут быть нейтральными по различным причинам.

Код ДНК — «вырожденный код».

Это технический термин, означающий, что некоторые кодовые «слова» являются точными синонимами друг друга.

Когда ген мутирует в один из его синонимов, Вы можете с тем же успехом не утруждаться называть это мутацией вообще.

Действительно, это не мутация, насколько это касается последствий для тела.

И по той же причине это не мутация вообще, насколько это касается естественного отбора.

Но это является мутацией, насколько это касается молекулярных генетиков, так как они могут увидеть ее, используя свои методы.

Это как если бы я должен был изменить шрифт, в котором я пишу слово, скажем, кенгуру на кенгуру.

Вы все еще можете прочитать слово, и оно все еще означает то же самое австралийское прыгающее животное.

Изменение шрифта с Minion на Helvetica обнаружимо, но не связано со значением.

Не все нейтральные мутации столь же нейтральны как эта.

Иногда новый ген транслирует другой белок, но «активный центр» (вспомните точные формы «впадин», которые мы встретили в Главе 8) нового белка остается тем же, что и у старого.

Следовательно, нет буквально никакого эффекта на эмбриональное развитие тела.

Немутировавшая и мутировавшая форма гена все еще являются синонимами, насколько это касается их эффектов на тела.

Также возможно (хотя такие «ультрадарвинисты» как я склонны противиться этой идее), что некоторые мутации действительно изменяют тело, но таким образом, что это так или иначе не оказывает никакого эффекта на выживание.

Итак, подводя итог нейтральной теории, сказать, что ген или мутация «нейтральны», не обязательно означает, что сам ген бесполезен.

Он может быть жизненно важным для выживания животного.

Это лишь означает, что мутантная форма гена, который может быть, а может и не быть важным для выживания, не отличается от исходной формы по производимым ею эффектам (которые могут быть очень важными) на выживание.

Ситуация такова, что, вероятно, не будет неправдой сказать, что большинство мутаций нейтральны.

Они необнаружимы естественным отбором, но обнаружимы молекулярными генетиками; и это — идеальное сочетание для эволюционных часов.

Ничто из этого не должно принижать крайне важной верхушки айсберга — меньшинство мутаций, которые не нейтральны.

Именно они отбираются, положительно или отрицательно, в эволюции усовершенствования.

Это те мутации, эффекты которых мы фактически видим — и естественный отбор их «видит» тоже.

Это те мутации, отбор которых придает живым существам их поразительную иллюзию дизайна.

Но, когда мы говорим о молекулярных часах, нас интересует остальная часть айсберга — нейтральные мутации, которых большинство.

С течением геологического времени геном подвергается ливню износа в форме мутаций.

В той небольшой части генома, где мутации действительно имеют значение для выживания, естественный отбор скоро избавляется от плохих и благоприятствует хорошим.

С другой стороны, нейтральные мутации просто накапливаются, безнаказанно и незаметно для всех, кроме молекулярных генетиков.

И теперь мы нуждаемся в новом техническом термине: закрепление [или фиксация].

У новой мутации, если она по-настоящему новая, будет низкая частота в генофонде.

Если вы вновь вернетесь к генофонду миллион лет спустя, возможно, что мутация увеличится в частоте до 100 процентов или близко к этому.

Если это происходит, мутация, как говорят, «закрепилась».

Мы больше не будем думать ней как о мутации.

Она стала нормой.

Очевидный путь для мутации, чтобы закрепиться — чтобы естественный отбор ей благоприятствовал.

Но есть и другой способ.

Она может закрепиться случайно.

Так же, как, как благородная фамилия может однажды угаснуть из-за отсутствия наследников, так же и альтернативные варианты той мутации, о которой мы говорим, могут просто случайно исчезнуть из генофонда.

Сама мутация может стать частой в генофонде благодаря той же самой удаче, которая заставила Смит стать самой распространенной фамилией в Англии.

Конечно, намного более интересно, если ген закрепляется по серьезной причине — а именно благодаря естественному отбору — но это может также произойти и случайно, на достаточно большом числе поколений.

И геологического времени вполне достаточно для нейтральных мутаций, чтобы закрепляться с предсказуемой скоростью.

Скорость, с которой они это делают, варьируется, но она характерна для конкретных генов, и при условии, что большинство мутаций нейтрально, это именно то, что делает возможными молекулярные часы.

Закрепление имеет значение для молекулярных часов, потому что «закрепившиеся» гены — это гены, на которые мы смотрим, когда сравниваем двух современных животных, чтобы попытаться оценить, когда произошел раскол между их предками.

Закрепившиеся гены — это гены, характеризующие вид.

Это гены, которые едва ли не универсальны в генофонде.

И мы можем сравнить гены, закрепившиеся у одного вида, с генами, закрепившимися у другого, чтобы оценить, насколько недавно разделились два вида.

Есть осложнения, в которые я не буду вдаваться, потому что мы с Иеном Вонгом в полной мере обсуждали их в эпилоге к «Рассказу Бархатного Червя».

С оговорками и с различными важными корректирующими факторами, молекулярные часы работают.

Так же, как радиоактивные часы тикают с весьма различными скоростями, с периодами полураспада в пределах от долей секунды до десятков миллиардов лет, так же различные гены обеспечивают удивительный диапазон молекулярных часов, подходящих для определения времени эволюционных изменений в масштабах от миллиона до миллиарда лет и всех промежуточных периодов.

Так же, как у каждого радиоактивного изотопа есть свой характерный период полураспада, так же у каждого гена есть характерная скорость обновления — скорость, с которой новые мутации обычно фиксируются благодаря случайности.

Для генов гистонов характерно обновление со скоростью одной мутации в миллиард лет.

Для генов фибринопептида в тысячу раз быстрее, со скоростью обновления в одну новую мутацию, закрепляющуюся за миллион лет.

Цитохром-C и набор генов гемоглобина имеют промежуточные скорости обновления, со временем фиксации, измеряемой в пределах от миллионов до десятков миллионов лет.

Ни радиоактивные, ни молекулярные часы не тикают размеренно, как маятниковые или ручные часы.

Если бы Вы могли слышать их тиканье, они бы звучали как счетчик Гейгера, собственно для радиоактивных часов счетчик Гейгера — именно то, что Вы бы использовали, чтобы их услышать.

Счетчик Гейгера не тикает размеренно, как часы; он тикает беспорядочно, странными, запинающимися порывами.

Так звучали бы мутации и фиксации, если мы могли бы услышать их в очень большом геологическом масштабе времени.

Но независимо от того, запинается ли он как счетчик Гейгера или тикает метрономом как часы, важная особенность хранителя времени в том, что он должен тикать с известной средней скоростью.

Так действуют радиоактивные часы, и так действуют молекулярные часы.

Я представил молекулярные часы, сказав, что они исходят из факта эволюции и поэтому не могут использоваться в качестве ее доказательства.

Но теперь, поняв, как работают эти часы, мы можем видеть, что я был слишком пессимистичным.

Само существование псевдогенов — бесполезных, нетранскрибируемых генов, которые имеют заметное сходство с используемыми генами — является прекрасным примером способа, которым животные и растения носят в себе свою историю, написанную повсюду в них.

Но это — тема, которая должна подождать до следующей главы.

Дата добавления: 2015-11-14