Книга: Самое грандиозное шоу на Земле

Молекулярные «часы»

Молекулярные «часы»

Беседуя о молекулах, мы не должны забывать неоконченную историю из главы об эволюционных часах. Там мы обсуждали годичные кольца, разные виды радиоактивных «часов», но отложили обсуждение так называемых молекулярных «часов». Теперь время пришло.

Принцип действия молекулярных «часов» основан на том, что эволюция действительно происходит, причем идет с постоянной скоростью относительно геологического времени, калиброванного ископаемыми останками, возраст которых в свою очередь установлен радиоуглеродным анализом. Так же, как работа водных часов основана на предположении о постоянной скорости вытекания из сосуда воды, а механических — на постоянстве периода колебаний маятника, молекулярные часы предполагают, что некоторые эволюционные процессы протекают с постоянной скоростью. Для калибровки этой скорости можно использовать любые хорошо документированные свидетельства эволюции, например, ископаемые находки, датированные радиоуглеродным методом. После калибровки молекулярные «часы» можно применять для датирования других, не столь хорошо документированных частей эволюционной истории. Например, их можно использовать для животных, у которых нет твердого скелета и которые редко оставляют записи в палеонтологической летописи.

Идея заманчивая. Но что дает нам основание считать эволюционные процессы протекающими с постоянной скоростью? Множество фактов свидетельствует о высокой изменчивости ее скорости. Когда-то Холдейн предложил измерять скорость эволюции в дарвинах. Пусть какая-то измеряемая характеристика организма за время эволюции устойчиво изменяется: например, растет средняя длина ноги. Если за миллион лет нога выросла в е раз (2,71828… — число, выбранное исходя из математического удобства, но сейчас это не важно)[157], скорость эволюционных изменений равна одному дарвину. По оценке Холдейна, скорость эволюции лошади составляет 40 миллидарвинов, а скорость эволюции домашних животных, подвергающихся искусственному отбору, оценивается в килодарвинах. Скорость эволюции гуппи, пересаженных в водоем без хищников (см. главу 5), составляет около 45 килодарвинов. Эволюция «живых ископаемых», таких как брахиоподы Lingula, протекает со скоростью микродарвинов. Итак, скорость эволюции признаков, которые можно увидеть и измерить, таких как ноги или клювы, весьма изменчива.

Почему же мы рассчитываем использовать скорость эволюции в качестве часов? На помощь спешит молекулярная генетика. На первый взгляд не очень понятно, чем она может помочь. Когда измеряемый признак меняется (например, растущая нога), мы видим в этом внешнее проявление генетических изменений. Как же может случиться, что скорость изменений на генетическом уровне достаточно устойчива для того, чтобы служить часами, а скорость изменений их проявлений переменна? Генетические изменения, проявляющиеся в видимых изменениях, — лишь верхушка айсберга, на которую сильно влияет естественный отбор. Большая часть изменений на молекулярном уровне нейтральна к отбору и не сказывается на способности организма к выживанию, так что мы можем ожидать постоянства скорости этих изменений для каждого гена и, следовательно, их пригодности в роли часов.

Когда нейтральная теория молекулярной эволюции была предложена великим японским генетиком Кимура Мотоо и другими учеными, она была весьма противоречивой. Сейчас общепринятой является ее версия, которой я, не вдаваясь в детали, и буду придерживаться. Поскольку у меня репутация архиадаптациониста (якобы упорствующего в том, что естественный отбор — это основная, даже единственная движущая сила эволюции), можете быть уверены, что если я поддерживаю эту теорию, с ней вряд ли кто-то еще не согласен[158].

Нейтральной считается измеримая методами молекулярной генетики мутация, которая не подвержена ни негативному, ни позитивному естественному отбору. «Псевдогены» нейтральны по вполне понятной причине: это гены, когда-то выполнявшие определенные функции, а после ставшие невостребованными, оттесненные на периферию и больше не участвующие ни в транскрипции, ни в трансляции. С точки зрения благополучия организма они не существуют. Однако для ученого они еще как существуют: именно они нужны для эволюционных «часов». В эмбриологии «псевдогены» — не единственный нетранслируемый класс генов. Есть и другие классы, подходящие для молекулярных «часов». Для чего «псевдогены» подходят лучше всего, так это для того, чтобы смущать креационистов: даже необузданной фантазии этих людей недостаточно для объяснения того, зачем, если не для того, чтобы дурачить нас, Творец создал «псевдоген», который ничего не делает, но очень похож на престарелую версию когда-то активного гена.

Большая часть генома (у людей — около 95 %) вроде бы ни для чего не нужна. Но нейтральная теория применима даже к большей части оставшихся 5 % генов, которые считываются и используются. То же самое относится к генам, наличие которых критически важно для выживания. Здесь требуется пояснение. Я не утверждаю, что гены, к которым приложима нейтральная теория, не оказывают никакого действия на организм. Нет, просто их мутировавшая версия оказывает на организм такое же воздействие, что и немутировавшая. И не важно, насколько важен сам ген: важно только, чтобы обе версии выдавали сходный результат. В отличие от псевдогенов, которые с полным основанием могут быть сами по себе названы нейтральными, здесь мы говорим о случаях, когда аккуратность требует называть нейтральными только мутации, а не сами гены.

Мутация может оказаться нейтральной по многим причинам. Код ДНК — «вырожденный» в том смысле, что некоторые «слова» в коде являются точными синонимами других[159]. Если мутация превращает ген в его «синоним», можно считать, что ее не было: с точки зрения организма это — не мутация. Но для молекулярной генетики это все-таки мутация, поскольку она наблюдаема и измерима. Представьте себе, что я изменю шрифт, которым набрано слово «кенгуру», с миньона на гельветику. Вы по-прежнему можете прочесть слово, и оно по-прежнему означает прыгающее австралийское сумчатое. Изменение шрифта заметно, но оно не меняет смысл.

Впрочем, не все нейтральные мутации нейтральны. Иногда новый ген транслируется в другой белок, но активный центр (помните аккуратные «зубцы» из главы 8?) остается прежним, и влияние мутации на эмбриональное развитие оказывается нулевым. С точки зрения развития мутировавшая и исходная версии гена синонимичны. Может оказаться (хотя ультрадарвинисты вроде меня не разделяют это мнение), что некоторые мутации изменяют организм, но это не сказывается на выживании.

Подведем итог. Нейтральность гена или мутации не означает бесполезности гена — напротив, он может быть жизненно важен для организма. Это значит только, что исходный и мутировавший гены неотличимы с точки зрения развития организма или его способности к выживанию. В этом смысле большинство мутаций нейтрально. Они незаметны для естественного отбора, но видны молекулярной генетике: идеальное сочетание для эволюционных «часов».

Конечно, эти аргументы не ставят под сомнение важность верхушки айсберга — меньшинства мутаций, не являющихся нейтральными. Именно они подвергаются негативной или позитивной селекции в ходе эволюционного усовершенствования. Именно они заметны и нам, и естественному отбору. Отбор именно таких мутаций придал живым существам захватывающую иллюзию проекта. Однако когда мы говорим о молекулярных «часах», нас все же интересует невидимая часть айсберга.

С течением геологического времени геном постепенно размывается «дождем» мутаций. В небольшой его части, которая действительно сказывается на выживании вида, неудачные гены быстро выбраковываются и заменяются более удачными. Нейтральные мутации, напротив, просто накапливаются, безнаказанные и не видимые никому, кроме генетиков. Теперь нам нужен новый термин: фиксация. Новая мутация, если она действительно новая, обладает невысокой частотой. Через миллион лет ее частота вырастет, может быть, вдвое. Если это случилось, будем говорить, что мутация начала фиксироваться. Мы больше не будем считать ее мутацией — она стала нормой. Естественный способ фиксации — позитивный отбор соответствующей мутации. Но есть и другой способ. Мутация может зафиксироваться случайно. Как славный род может прерваться из-за отсутствия наследников мужского пола, так и альтернативы этой мутации могут просто исчезнуть из генома. Мутация может стать частой в геноме по той же счастливой случайности, по которой фамилия Смит стала самой распространенной в Англии. Конечно, фиксация в результате отбора куда интереснее, но и случайная фиксация вполне возможна на длительных промежутках времени, а геологическое время достаточно продолжительно для того, чтобы нейтральные мутации фиксировались с некоторой предсказуемой частотой. Эта частота меняется, но остается постоянной для каждого гена. Это в сочетании с нейтральностью большинства мутаций делает работу молекулярных «часов» возможной.

В молекулярных «часах» важны именно зафиксированные гены. Поэтому на них-то мы и смотрим, сравнивая два вида животных и определяя, когда они отделились друг от друга. Зафиксированные гены определяют вид. Именно они выделяются в геноме. Сравнивая зафиксированные гены двух видов, мы можем судить, как давно произошло разделение. На этом пути немало трудностей (их Вон Янь и я подробно разобрали в нашей работе «Эпилог к повести об онихофоре»)[160], но с оговорками молекулярные «часы» все же работают.

Как и радиоактивные «часы», скорость которых (то есть время полураспада) варьируется от долей секунды до десятков миллиардов лет, разные гены образуют ободряюще широкий спектр молекулярных «часов», позволяющих измерять эволюционные изменения в масштабе от миллионов до миллиардов лет. Так же, как у каждого изотопа собственное время полураспада, у каждого гена собственная характерная частота обращения, с которой новые мутации случайно фиксируются. Гены гистонов обычно фиксируются с частотой одна мутация за миллиард лет, гены фибринопептида — в тысячу раз быстрее (одна мутация примерно за миллион лет). Для цитохрома С и генов, связанных с гемоглобином, характерный период фиксации длится от миллионов до нескольких десятков миллионов лет.

Ни радиоактивные, ни молекулярные «часы» не идут с точностью настенных или наручных. Если бы мы могли услышать их, они звучали бы как счетчик Гейгера (который предназначен для того, чтобы мы слышали ход радиоактивных «часов»). Счетчик Гейгера щелкает не регулярно, а неравномерно, с характерными всплесками активности. Именно так звучали бы мутации и их фиксации, если бы мы могли слушать их в течение достаточно долгого периода геологического времени. Пусть наши часы запинаются, подобно счетчику Гейгера, или идут размеренно, как метроном, но наш счетчик времени обязан сохранять постоянную среднюю скорость. Именно так ведут себя радиоактивные «часы». Эта черта присуща и молекулярным «часам».

Начиная разговор о молекулярных «часах», я сказал, что они основаны на ходе эволюции и не могут служить ее доказательством. Однако теперь мы видим, что это было слишком пессимистическое заключение. Само существование «псевдогенов» — бесполезных нетранскрибируемых, но очень похожих на работающие, генов — прекрасный пример того, что история эволюции животных и растений сохранена в них самих. Однако это тема следующей главы.