Изучение молекул позволяет распутать эволюционный клубок

Изучение молекул позволяет распутать эволюционный клубок

Метод гибридизации ДНК

Стараясь установить, насколько тесно родство между отдельными видами, ученые разработали для достижения этой цели три основных метода, опирающихся на измерение степени различий в ДНК исследуемых видов, а также в молекулах их белков. Метод гибридизации ДНК основан на исследовании генетического материала — дезоксирибонуклеиновой кислоты — и использует то счастливое обстоятельство, что ее молекулы состоят из двух цепочек, слагающихся из простых соединений. Цепочки закручены одна вокруг другой двойной спиралью и удерживаются в этом положении прочными связями. Методы лабораторных исследований позволяют разорвать связи между цепочками — разделить их, развернув двойную спираль. Если проделать это с ДНК человека и гориллы, а потом соединить одну цепочку ДНК человека с одной цепочкой ДНК гориллы, все химические связи между ними восстановятся, кроме тех мест, где звенья химически различаются. (На рисунке — два пробела там, где связи направлены в противоположные стороны.) Поскольку эти различия отражают мутации (генетические изменения, которые приводят к эволюции), близость родства между человеком и гориллой определяется по числу невосстанавливающихся химических связей. Именно эти различия в ДНК и делают человека человеком, а гориллу гориллой.

Метод сравнения аминокислотной последовательности белков

Второй способ определения эволюционного "расстояния" между двумя видами строится на сравнении белковых молекул, например молекул белков крови. Все белковые молекулы слагаются из одних и тех же кирпичиков — из 20 разных аминокислот, соединяющихся в длинные цепи в разном порядке. Белки человека, мыши и гориллы состоят из одних и тех же аминокислот, но различно расположенных, что и определяет, кто есть кто.

Сложные лабораторные методы позволяют теперь исследовать белковую молекулу от одного ее конца до другого и определять для каждого белка точное расположение 20 аминокислот, повторяющихся вновь и вновь в различных сочетаниях. Например, гемоглобин — белок красных кровяных телец — состоит из цепи, включающей 287 единиц аминокислот, последовательное расположение которых уже установлено для многих животных. Чем больше похожи эти последовательности, тем ближе родство данных животных, чем менее они похожи, тем родство отдаленнее.

У человека и шимпанзе последовательность расположения аминокислот гемоглобина совпадает полностью. Человек и горилла состоят в близком родстве — их гемоглобин имеет только два различия. А вот между гемоглобином человека и лошади имеются 43 различия. На упрощенном рисунке символами обозначено только шесть аминокислот, а не двадцать. Стрелки указывают на точки, где имеются различия.

Иммунологический метод

Анализ аминокислотной последовательности белков при всей его точности трудоемок, поскольку 20 аминокислот дают в белках сотни различных сочетаний. Иммунологический метод позволяет избежать кропотливого определения всей последовательности аминокислот. Он опирается на способность организма вырабатывать антитела для защиты от чужеродных белков, попадающих в кровь. Антитела, реагирующие с белками одного животного, будут реагировать и с белками близкородственных ему видов.

Если взять у человека альбумин, белок кровяной сыворотки, и впрыснуть его кроликам, в их крови начнут вырабатываться антитела, чтобы защитить организм от чужеродного вещества. На рисунке антитела обозначены оранжевым цветом. Сыворотку, содержащую антитела против альбумина человека, можно теперь использовать для измерения степени родства между человеком и различными животными. Смешанная с человеческим сывороточным альбумином, эта сыворотка (справа вверху) даст бурную реакцию, так как кролик выработал ее специально для борьбы с человеческим альбумином (пробирка доверху закрашена голубым цветом).

Альбумин кровяной сыворотки шимпанзе, лишь чуть-чуть отличающийся от человеческого, вызывает почти столь же бурную реакцию. Но сывороточный альбумин лошади очень отличается от человеческого и оказывает на такую кроличью сыворотку очень слабое воздействие.

Эта таблица выявляет несколько поразительных фактов. Она не только подтверждает результаты, полученные другими методами, показывая, что человек очень близок к горилле (только 8 различий), уже не так близок к гиббону (14 различий) и довольно далек от низших обезьян (32 различия), но и показывает, что низшие обезьяны равно удалены от остальных трех сравниваемых приматов. Эта равноудаленность позволяет сделать вывод, что низшие обезьяны разошлись с предком всех этих человекообразных обезьян одновременно и с тех пор темп эволюции альбумина кровяной сыворотки у них всех оставался удивительно постоянным. Другими словами, все они эволюционировали почти с одинаковой скоростью.

Для проверки этого важнейшего момента — скорости эволюции — Сарич и Уилсон вышли за пределы генеалогического древа приматов и сравнили приматов с хищниками. Результаты приведены в правой таблице. Число изменений альбумина кровяной сыворотки тут много выше, что указывает на гораздо большую древность разделения приматов и хищников, чем разделения самих приматов. Удивительно же в этих новых цифрах следующее: если не считать некоторого отклонения у долгопята, они практически совпадают, вновь доказывая, что все эти животные эволюционировали с одной скоростью.

Теперь нужно определить, какова же эта скорость. Ведь если мы сумеем количественно измерить степень эволюционных изменений и скорость, с которой они происходят, мы вернемся к знакомым задачам на время, расстояние и скорость из наших школьных учебников по арифметике. Зная две величины, мы можем вычислить третью. Наконец-то у нас появилась возможность точно измерять время эволюции тех или иных видов и с достаточной уверенностью отмечать места развилок на генеалогическом древе.

Таблица показывает различия в сывороточном альбумине приматов

Таблица показывает приматов и хищников

Чем меньше различий — как, например, между человеком и человекообразными обезьянами, — тем ближе эволюционное родство.

Для решения этой задачи Сарич и Уилсон собрали огромное количество молекулярно-биологических данных. Постоянно сопоставляя и перепроверяя эти данные, они получили предположительные скорости эволюции не только для ДНК, но и для нескольких белков крови. Затем они выбрали исходную дату для построения своего генеалогического древа — происшедшее 36 миллионов лет назад разделение обезьян Нового и Старого Света (хотя далеко не все палеонтологи согласны с этой датой). От этой вехи они с помощью своих молекулярных часов начали вести отсчет времени, отмечая развилки — сначала низших и человекообразных обезьян, затем, наконец, гоминидов и шимпанзе.

Метод измерения Сарича — Уилсона показал разделение гоминидов и шимпанзе менее чем четыре миллиона лет назад, и антропологический мир пришел в ярость. Все сторонники палеонтологического подхода встретили эту дату в штыки. "А как же Омо? — кричат они. — Вспомните Канапои, Лотегем. Ведь там обнаружены гоминиды, имеющие возраст в три, четыре, пять миллионов лет, и внешне они не похожи на человекообразных обезьян. Вы просите, чтобы мы ради ваших драгоценных молекул полностью отбросили свидетельства окаменелостей. Вы просите нас принять постоянные скорости эволюции, а мы их не принимаем. И вы просите нас начать отсчет с момента во времени, относительно которого мы все еще спорим между собой".