Чотири старі новини про генетику та філогенію

Побачити минуле
Сьогодення — наслідок і, якщо хочете, заручник минулого. Оглядаючись навколо, ми бачимо факти, але не розуміємо їхніх причин, що ховаються в минулому. На жаль, минуле неможливо спостерігати — його можна лише реконструювати. Ще добре, якщо сліди колишніх фактів лише спотворилися, побувавши під п'ятою руйнівного часу. Переважна частина подій минулого просто-напросто стерта без сліду.
Всезнаючий демон Лапласа, вираз класичної віри в силу науки, за положенням і характеристиками руху всіх існуючих частинок міг повністю обчислити передісторію та постісторію Всесвіту. Тепер ми усвідомили лякаючу невизначеність майбутнього, що ховається за термінами «детермінований хаос», «дивний атрактор», «невизначеність Гейзенберга» та іншими заклинаннями. З минулим не легше. Оскільки сьогодення не однозначно визначається своєю передісторією, спостережуваному сьогоденню може відповідати нескінченна множина потенційних минулих, що визначають його своїми властивостями!
Будь-який розвиток — це конфлікт між пам'яттю (збереженням властивостей системи) і зміною (адаптацією цієї системи або її руйнуванням). Той, хто багато чого набув, багато чого й забув…
Вибачте, я затягнув звернення до прикладу реконструкції минулого, про який розповім. Йдеться про вихід хребетних на сушу. Важко усвідомити, наскільки різні умови для життя великих тварин у воді та на суші. Як наші предки перейшли через цю межу? Щасливий випадок? Напевно, ні. Такий перехід, мабуть, відбувався незалежно в декількох еволюційних гілках риб, що дали початок кільком групам перших чотириногих! Пристосування риб до життя в мілководних водоймах девонського періоду виявилися ключем до освоєння суші. Не вдаючись у подробиці, зазначу, що кінцівки виникли як орган відштовхування від дна на мілководді, а легені — як орган дихання повітрям, коли голова знаходиться над поверхнею води. Добре, що ми маємо свідчення будови кінцівок у кількох напівриб-напівчотириногих. А як перебудовувалися інші системи?
Зазирнути в минуле можна за допомогою моделей. Дослідники зі Швейцарського федерального політехнічного інституту в Лозанні (EPFL) побудували модель перших чотириногих. Тіло — ланцюжок із дев'яти рухомих блоків; на другому та шостому — ніжки1. «Нервова система» влаштована за аналогією з нервовою системою міноги2. Така конструкція, незважаючи на примітивність нервової системи, може не тільки плавати, але й повзати. Цікаво, тільки шкода, що ці експерименти практично не мають відношення до реального минулого.
Інша робота використовує засоби генетики. Nature опублікувала статтю Маркуса Девіса (Marcus Davis) та співавторів з університету Чикаго (University of Chicago). Автори досліджували Hox-гени — перемикачі, що відповідають за формування плану будови тіла. Експресія Hox-генів, що відповідають за формування кінцівок у чотириногих, проходить дві фази. Перша пов'язана з формуванням самої кінцівки або плавника, друга — з утворенням пальців. У чотириногих реєструються обидві фази, у даніо реріо (акваріумної рибки) — лише перша. Автори роботи досліджували веслоноса, американського представника осетрових, і виявили у нього і першу, і другу фазу експресії таких генів. Ну що ж, цікавий факт. А ось висновок з нього сумнівний: вчені вважають, що розвиток кінцівок у древніх риб був зумовлений, заздалегідь «вшитий» у їхні гени.
Веслонос знаходиться з чотириногими приблизно в такому ж спорідненні, як і даніо, — чотириногі походять від іншої групи риб, лопастеперих. Наявність схожих генних послідовностей зовсім не говорить про схожість функцій: вони можуть бути переозначені. Аналогія: кістки, що знаходяться в середньому вусі людини та інших ссавців (молоточок і ковадло), походять від кісток, які формували щелепний суглоб у наших рептильних предків. Чи означає це, що в щелепах рептилій «зашитий» план середнього вуха ссавців? Ні! Коли колишні функції цих кісток виявилися втраченими, вони набули нових. А чи можна тоді стверджувати, що гени, які виконували одні функції у древніх риб, містили план тих функцій, які вони почали виконувати у чотириногих?
Виходить, визначеності в освоєнні суші не було? Хто знає… Те, що вона не доведена в роботі Девіса, не означає, що її не існувало. Один приклад. Є така риба, мулистий стрибун (до речі, скоріше родич даніо, ніж веслоноса, і, найімовірніше, позбавлений другої фази експресії Hox-генів кінцівок). У 1934 році Дж. Хармс (J. W. Harms) показав, що при введенні гормону тироксину3 грудні плавники мулистого стрибуна перетворюються на щось на зразок кінцівок, такі собі тонкі лапи. Чи стосувалася визначеність шляхів перебудови онтогенезу?

А чи можна взагалі реконструювати минуле, вивчаючи сучасні живі системи, які стали тими, чим вони є, лише тому, що забули значну частину свого минулого? Хоч ми й заручники минулого, нам не дано точно знати, що й як визначає нашу долю. Тож висловлюємо лише припущення…

1 Зовсім не схожі на ноги перших чотириногих… Назад до тексту

2 Чому саме міноги? Вона що, у спорідненні з першими чотириногими? Ну, в якомусь сенсі ми всі родичі, але мінога далі від модельованих тварин, ніж, наприклад, риби… Назад до тексту

3 Гормон, який запускає дозрівання і вихід на сушу у личинок земноводних. Назад до тексту
Сумчастий інтерес
Кілька новин останнього часу мають пряме відношення до сумчастих ссавців. Розшифровано геном першого сумчастого — домового голохвостого опосума Monodelphis domestica. У Бразилії ця тваринка живе в приміщеннях, як миша, але харчується не людськими запасами, а гризунами та комахами (хижак, як-не-як). Один із перших висновків вивчення геному цієї тварини полягає в тому, що еволюція плацентарних («нашої» групи ссавців) була пов’язана не з появою нових білків, а зі зміною механізмів регуляції розвитку (комусь без спеціальних досліджень це було незрозуміло). Вивчений вид цікавий і для медицини. У нього, як і у людини, ультрафіолет може викликати меланому, а крім того, його дитинчата дивують медиків здатністю відновлюватися після важких травм спинного мозку.

Взагалі, дитинчата сумчастих — одне з чудес природи. Скільки поколінь біологів дивувалися тому, як крихітний, недорозвинений ембріон одразу після народження здатний подолати шлях до материнського соска! Одним із цікавих наслідків ранніх пологів є потужні захисні властивості материнського молока. Імунна система новонародженого ще не сформована, і він був би ідеальним живильним середовищем для бактерій, якби не антибіотики молока. Австралійські біологи зараз вивчають захисні речовини в молоці філандера Євгенії (кенгуру такого виду) — Macropus eugenii. Одну з цих речовин уже синтезовано, і вона довела високу здатність знищувати бактерії (а не просто зупиняти їх ріст, як більшість антибіотиків).
А ви знаєте, що у самок сумчастих дві піхви й два роги матки, а у самців, відповідно, парні або роздвоєні статеві органи? Це, звичайно, архаїчна ознака. А ось те, що маса дитинчати не перевищує 0,2% маси тіла матері, не так вже й погано. Порівняйте пологи кенгуру, наприклад, з подвигом п'ятдесятикілограмової породіллі, яка народжує новонародженого вагою в три з половиною кілограми! Але є й одна сумна для сумчастих обставина. Їхній мозок повинен дуже рано почати керувати життєдіяльністю дитинча: треба доповзти до соска, утримуватися на ньому, перетравлювати доступну їжу… У мозку сумчастих немає такого розкішного проміжку ембріонального росту «на майбутнє», який є у плацентарних, і це серйозний недолік.
Романтики досі шукають у важкопрохідних лісах Тасманії сумчастого вовка. Найбільший із видів сумчастих, що дожили до приходу людини, знищений не тільки мисливцями, але й здичавілими собаками. За технічними характеристиками сумчастий вовк перевершував собаку дінго в усіх відношеннях, крім одного — гнучкості поведінки. Собаки здатні узгоджувати дії в зграї та прогнозувати поведінку своїх жертв. Оскільки їхніми жертвами були сумчасті, а всі сумчасті, на жаль, тупі порівняно з плацентарними, у собак усе виходило добре. А ось тасманійські вовки залишилися без їжі й зникли.
…Ні, те, що з двох паралельних гілок еволюції до нас привела саме лінія плацентарних, а не сумчастих — не випадково. Але це не привід ставитися до сумчастих без поваги!
Еволюційна колія
В останні роки все більше підтверджень отримує гіпотеза про паралельність ключових еволюційних подій. Становлення нової групи відбувається в багатьох еволюційних гілках, що проходять через схожі етапи. Цей процес умовно називається «-ацією» (ссавці виникли в результаті маммалізації звіроподібних рептилій, птахи — в результаті орнітизації динозаврів та їхніх родичів, чотириногі — тетраподизації лопастеперих риб, квіткові рослини — ангіоспермізації голонасінних тощо). Як експериментально вивчити основи цього процесу? Модельної біосфери з прискореним часом у нас немає, і доводиться задовольнятися біохімічною еволюцією бактерій. Крім теоретичного, бактеріальні моделі мають і практичне значення, дозволяючи, наприклад, вивчати динаміку розвитку стійкості до антибіотиків.
У таких експериментах використовується жорсткий відбір бактерій на стійкість до впливу, що вимагає зміни декількох генів. Як ми нещодавно писали (див. «КТ» № 637), одночасний відбір за багатьма генами неефективний, тому генетичні зміни бактерій вибудовуються «у ланцюжок». Спочатку відбувається одна мутація, що підвищує стійкість. Після її поширення по популяції стає ймовірним закріплення другої мутації, і так триває до досягнення кінцевого стану. Звісно, для цього необхідно, щоб послідовність мутацій могла вибудуватися в ланцюжок, де на кожному наступному етапі бактерії краще пристосовані до середовища, що змінилося.
У Гарвардському університеті вивчали розвиток стійкості бактерій до антибіотика цефотаксиму. Щоб захиститися від нього, бактеріям потрібні п'ять замін у гені ферменту бета-лактамази. Поява п'яти мутацій відразу неймовірна, і бактерії, що еволюціонують, повинні пройти як мінімум через чотири проміжні стани (перша мутація з п'яти, друга і т. д.). Кількість траєкторій, що не передбачають зворотного руху, 5!=120, а можливих проміжних станів — тридцять. За допомогою генної інженерії було сконструйовано всі тридцять проміжних ферментів. Для кожного з ферментів було виміряно стійкість до антибіотика бактерій, що їх мають. Із ста двадцяти траєкторій сто дві вимагають зниження пристосованості й відкидаються. Найбільш вдалі два можливі шляхи. Згідно з розрахунками, цими шляхами мають пройти 50% усіх еволюціонуючих ліній бактерій. Ще 49% використовують вісім менш вдалих траєкторій, а рештою восьми біохімічних стежок пройде лише 1% груп бактерій.
Дослідники з Університету Райса в Х'юстоні спробували відстежити процес перетворення «наживо» і вибрали бактерії з гарячих джерел. Дикий тип Geobacillus stearothermophilus живе при 73 °С. Експериментатори використовували мутантну лінію, яка втратила термостійкість, і вирощували її у все гарячішій воді, так що бактеріям доводилося відновлювати пошкоджений ген. Першим кроком стала мутація, що дозволяє витримувати температуру в 62 °С, після неї з'явилося п'ять модифікацій, з яких дві виявилися стійкішими за інші. На жаль, відновити дикий тип так і не вдалося. Але, повторивши експеримент, дослідники отримали ті самі етапи еволюції експериментальної популяції.
Здається, вдалося довести, що біохімічна еволюція бактерій йде налагодженим шляхом. Але зверніть увагу: в обох випадках моделювався розвиток вже існуючої ознаки. Це стосується і широко поширеної (в результаті нашої діяльності) стійкості до антибіотиків, і природної термофільності мешканців гарячих джерел. А ось у випадках «-ацій», з яких ми почали, виникає щось принципово інше, що не можна пояснити точковими мутаціями, вишикуваними в ланцюжок. Тим цікавіше дізнатися, що каналізованість зумовлюється ще на молекулярному рівні.
Про довжину морди
У міру розширення знань про функціонування геному все ясніше стає, що еволюційні зміни організму пов'язані не з появою або знищенням нових генів, а зі зміною активності вже існуючих регуляторних механізмів. Часто еволюційні зміни проявляються лише у збільшенні або зменшенні відносної швидкості росту тієї чи іншої частини тіла.
Візьмемо, наприклад, підборідний виступ. У міру становлення сучасної людини підборіддя у неї ставало все більшим і виразнішим. Навіщо ж потрібен цей орган? Природно припустити, що він якось пов'язаний з мовою. Однак дослідження артикуляції у людей, у яких на підборіддя можна повісити чайник, як і тих, хто має скошену назад нижню щелепу, показали, що на володіння мовою ці особливості не впливають. Все стає зрозумілішим, якщо врахувати, як відбувався розвиток людини. Наш череп складається з двох частин: лицьової та мозкової. Щоб розмістити великий мозок, довелося прискорити розвиток мозкової частини і загальмувати розвиток лицьової. Нижня щелепа складається з двох відносно незалежних блоків: зубного і несучого. Зростання зубної частини виявилося загальмованим сильніше, і частина, що росла швидше, «висунулася» вперед, утворивши підборіддя. Виходить, що підборіддя не є органом (частиною тіла, що виконує певну функцію), а побічним продуктом, що відображає наші еволюційні недоробки.
А які модифікації геному забезпечують такі зміни? Відповісти на це питання допоможуть результати, отримані в UT Southwestern Medical Center у Далласі. Тут вивчалися характерні генетичні послідовності у різних порід собак. Дослідники відзначили кореляцію між довжиною морди собак і характером так званих тандемних повторів (множинних копій однакових послідовностей, розташованих одна за одною й орієнтованих, на відміну від паліндромних послідовностей, в одному напрямку). Різноманітність тандемних повторів зареєстровано і у диких представників родини собачих, але вона набагато менша, ніж у домашніх. Мабуть, швидку еволюцію порід вдалося забезпечити завдяки перебудовам високозмінної частини геному, до якої належать тандемні послідовності.
Повідомлення про отримані результати, що пройшли по новинних агентствах, як і звіти самих дослідників, відображають одну й ту саму ілюзію. Автори відкриття вирішили, що описали не механізм, а причину еволюційних змін. (Це свідчить про небажання фахівців-молекуляристів, «біологічної еліти», витрачати сили на ознайомлення з сучасним станом еволюційного вчення; їх влаштовує синтетична теорія еволюції, що з'явилася в 40-х роках минулого століття.)
Як з'являлися породи собак? Людина зберігала тих плідників, які володіли цікавими для неї якостями. Наприклад, довгоногі-довгоморді собаки хороші для полювання на зайців. При відборі таких особин переважно зберігалися всі особливості генотипу, що підвищують ймовірність розвитку в бажаному напрямку; перебудови тандемних повторів були серед них. Чи пов'язане з ними, наприклад, подовження морди? Підстав, щоб це стверджувати, немає. До речі, експерименти з відбору в певному напрямку показують, що один і той самий зовнішній ефект може досягатися завдяки різним генетичним змінам. Чи можна вважати подібні зміни причиною спостережуваних ознак? Ні, це всього лише один із механізмів їх прояву. Наприклад, те, що целюлозні волокна паперу змочуються друкарською фарбою, — механізм, що дозволяє вам читати ці слова, але аж ніяк не їхня причина.
До речі, основні відмінності геномів людини та шимпанзе також стосуються високоповторних послідовностей. Ну що ж, у нас теж вкорочувалася морда…
Д. Шабанов. Побачити минуле // Комп'ютерра, М., 2007. – № 24 (692)
Д. Шабанов. Сумчастий інтерес // Комп'ютерра, М., 2007. – № 19 (687)
Д. Шабанов. Еволюційна колія // Компьютерра, М., 2006. – № 22 (642)
Д. Шабанов. Про довжину морди // Компьютерра, М., 2005. – № 4 (576). – С. 14–15