Данные молекулярной биологии подтвердили и уточнили выводы об эволюции, полученные в других областях науки.

Данные молекулярной биологии подтвердили и уточнили выводы об эволюции, полученные в других областях науки.

Чарльз Дарвин и другие биологи XIX века пришли к своим выводам об эволюции несмотря на то, что им почти ничего не было известно о молекулярных основах жизни. Открытые с тех пор возможности детального исследования биологических молекул предоставили науке данные совершенно нового рода, свидетельствующие о механизмах и путях эволюции. Новые данные полностью подтвердили общие выводы, сделанные на основании изучения ископаемых, географического распространения видов и других наблюдений. Кроме того, молекулярные данные стали источником множества новых сведений об эволюционных отношениях видов и о механизмах эволюции.

ДНК передается из поколения в поколения либо напрямую от родительской особи к детям (у организмов, размножающихся бесполым путем), либо в результате слияния содержащих ДНК сперматозоида и яйцеклетки (у организмов, размножающихся половым путем). Последовательность нуклеотидов в ДНК, как уже было сказано, может меняться при передаче от одного поколения другому в ходе мутаций. Если эти изменения приводят к появлению полезных признаков, то новая последовательность нуклеотидов получает повышенные шансы распространиться в пределах популяции на протяжении ряда поколений. В результате в молекулах ДНК оказываются «записаны» последствия происходивших в прошлом наследственных изменений, в том числе ответственных за возникающие в ходе эволюции приспособления.

Человеческий ген, мутации в котором вызывают болезнь муковисцидоз, очень похож на соответствующий ген шимпанзе, но сильнее отличается от соответствующих генов у видов, которые состоят в более далеком эволюционном родстве с человеком. Высота столбцов на приведенной схеме показывает степень сходства последовательности нуклеотидов в этом гене у разных организмов и человека на определенном участке из 10 000 нуклеотидов.

Сравнение последовательностей ДНК двух организмов разных видов позволяет биологам выявить наследственные изменения, произошедшие с тех пор, как эволюционные ветви, ведущие к этим видам, отделились от их единого общего предка. Если общий предок этих двух видов существовал сравнительно недавно, то последовательности их ДНК будут больше похожи друг на друга, чем если их последний общий предок жил очень давно. Например, последовательность нуклеотидов в ДНК человека, в небольшой степени изменчивая в пределах нашего вида в зависимости от популяции и индивидуума, в среднем отличается от последовательности нуклеотидов в ДНК шимпанзе лишь на несколько процентов, что отражает наше сравнительно близкое эволюционное родство с шимпанзе. Но ДНК человека уже больше отличается от ДНК павиана, еще больше — от ДНК мыши, еще больше — от ДНК курицы, еще больше — от ДНК рыбы фугу. Этот ряд отражает степень нашего эволюционного родства со всеми этими видами. Еще большая разница наблюдается, если сравнивать ДНК человека с ДНК мух, червей, растений. Но у всех живых организмов можно выявить сходные черты в последовательности нуклеотидов в ДНК, несмотря на то что с тех пор, как жил последний общий предок всего живого, прошло уже очень много времени. Даже у людей и бактерий последовательности ДНК обладают некоторыми чертами сходства в пределах отдельных генов, причем сходные участки последовательностей отвечают за синтез молекулярных систем, имеющих сходные функции. Так представления о биологической эволюции дают ответ на вопрос, почему для успешного изучения важнейших для жизнедеятельности человека биологических процессов во многих случаях можно исследовать другие организмы. В связи с этим значительная часть современных биомедицинских исследований основана на изучении общих биологических свойств разных живых организмов.

Эволюция конечностей у древнейших наземных позвоночных

Молекулярно-биологические исследования позволили выявить участки ДНК, отвечающие за образование различных частей тела в ходе развития зародыша. Некоторые из наиболее важных таких участков называют гомеотическими генами (или хокс-генами).

У людей и других млекопитающих гомеотических генов 39. Каждый гомеотический ген управляет функциями других генов, причем в разных частях организма один и тот же гомеотический ген может управлять разными наборами других генов.

Гомеотические гены принимают участие в развитии многих черт строения, в том числе конечностей, позвоночника, пищеварительной и половой систем у самых разных видов беспозвоночных и позвоночных животных. К примеру, как показано на иллюстрации (справа), те же гены, что управляют развитием определенных частей тела у мушки-дрозофилы, управляют развитием соответствующих частей тела и у мышей и других млекопитающих. Каждый цвет соответствует участкам работы определенного гомеотического гена у зародышей дрозофилы и мыши.

Гомеотические гены также непосредственно управляют развитием плавников у рыб и конечностей у наземных позвоночных. Характер работы этих генов определяет черты строения конечностей, в частности обеспечивает образование пальцев. Изменения характера их работы, по всей видимости, играли заметную роль в эволюции древнейших наземных позвоночных, в частности в происхождении тиктаалика.

Сравнение гена человека и шимпанзе, управляющего синтезом лептина (гормона, принимающего участие в обмене жиров), позволяет обнаружить только пять отличий на участке из 250 нуклеотидов. В тех местах, где последовательности человека и шимпанзе отличаются, можно определить вероятную последовательность нуклеотидов общего предка человека, шимпанзе и гориллы, сравнивая ген человека и шимпанзе с геном гориллы. В двух случаях нуклеотиды, занимающие определенное место, разные у человека и шимпанзе, совпадают у человека и гориллы, а в остальных трех случаях — совпадают у гориллы и шимпанзе. Общий предок гориллы, шимпанзе и человека, скорее всего, имел на этом месте тот нуклеотид, который совпадает у двух из трех рассматриваемых современных видов, потому что такое отличие могло возникнуть в результате единственного изменения нуклеотида, находящегося в данной точке, а другие возможные случаи требовали бы по крайней мере двух изменений.

Изучение биологических молекул позволяет выявлять не только характер и степень эволюционного родства организмов, но также и характер изменений признаков, происходящих в ходе эволюции в результате изменений генов. В частности, молекулярно-биологические исследования позволили изучить функции белков-регуляторов, которые включают и выключают гены в клетках в процессе развития организма из оплодотворенной яйцеклетки. Небольшие изменения в этих белках, в участках ДНК, к которым эти белки прикрепляются, осуществляя регуляцию, а также, как недавно выяснилось, в небольших молекулах РНК могут оказывать сильнейший эффект на черты строения и функций организма. Такого рода изменения, видимо, играли большую роль во многих возникших в ходе эволюции новшествах, в частности в формировании конечностей наземных позвоночных из плавников рыб. Кроме того, биологи выяснили, что очень похожие наборы регуляторных белков имеются у таких разных организмов, как мухи, мыши и люди, несмотря на то что от общего предка их отделяют многие миллионы лет. Данные исследований ДНК говорят о том, что фундаментальные механизмы, лежащие в основе формирования особенностей строения организмов, возникли раньше, чем многоклеточность, или на заре эволюции многоклеточных организмов и с тех пор изменялись лишь очень слабо.

Ископаемые остатки древнего китообразного из рода дорудон (Dorudon), обнаруженные в Египте и относящиеся ко времени около 40 миллионов лет назад, являют собой пример важного переходного звена в эволюции китообразных. Предками этого животного были наземные млекопитающие, и оно еще сохраняло остатки скелетной основы задних ног со ступнями и пальцами (маленькие косточки у основания хвоста), несмотря на то что уже обитало в воде и плавало при помощи длинного и мощного хвоста.

Эволюция китов и дельфинов

Объединение результатов палеонтологических и молекулярно-биологических исследований позволяет биологам создавать намного более подробные схемы эволюционной истории живых организмов, чем было возможно до внедрения молекулярных методов. К примеру, недавние палеонтологические открытия, сделанные в Азии и Северной Африке, демонстрируют начавшийся около 50 миллионов лет назад ряд организмов, первоначально копытных хищников, живущих на суше, затем наземных хищников, охотящихся в воде, затем превратившихся в постоянных обитателей водной среды. Эти палеонтологические данные соответствуют недавним открытиям, сделанным генетиками, говорящим о происхождении китов и дельфинов от парнокопытных наземных млекопитающих, представленных в наши дни такими животными, как свиньи, овцы, козы и жирафы. Новейшие исследования регуляторных систем генов у современной морской свиньи (китообразного, близкого к дельфинам) позволили выявить те молекулярные изменения, благодаря которым предки этих животных утратили задние конечности и приобрели обтекаемую форму тела. Все эти данные согласуются друг с другом и добавляют интереснейшие подробности к нашим представлениям об эволюции.

Биологическая эволюция объясняет происхождение и историю нашего вида.

Изучение разного рода свидетельств, о которых мы говорили выше, привело ученых к выводу, что человек произошел в ходе эволюции от приматов. Для людей XIX века идея, что у человека и современных обезьян общие предки, была внове, и она стала предметом бурных обсуждений среди ученых при жизни Дарвина и в последующие годы.

Более 3,5 миллиона лет назад двое гоминид (представителей семейства Hominidae, или людей) прошли на двух ногах по полю недавно выпавшего вулканического пепла в восточной части Африки. Эти следы впоследствии покрывались новыми слоями пепла, пока в 1978 году не были раскопаны палеонтологами. Следы из Летоли (называемые так по месту, где они были обнаружены) представляют собой одно из ранних свидетельств прямохождения, важнейшего приобретения эволюционной ветви, которая привела к возникновению современного человека.

Но в наши дни у ученых уже нет сомнений в близком эволюционном родстве человека и всех остальных приматов. Используя те же данные и методы, что применяются для изучения эволюции других видов, исследователи накопили множество палеонтологических данных об эволюции человека, а в последнее время получили также убедительнейшие молекулярно-биологические данные, однозначно свидетельствующие о том, что биологическая эволюция человеческого вида протекала сходным образом и под действием тех же факторов, что и эволюция всех остальных форм жизни на Земле.

Согласно данным подробнейшего сравнения ДНК, общий предок человека и шимпанзе жил приблизительно 6–7 миллионов лет назад в Африке. Ветвь эволюционного древа, ведущая от этого древнего вида к современным людям, дала начало нескольким боковым ветвям, соответствующих популяциям и видам, которые в конечном итоге вымерли. В разные периоды прошлого на Земле могли сосуществовать несколько человекоподобных видов.

Около 4,1 миллиона лет назад в Африке возник вид, который палеонтологи относят к роду австралопитеков. (Название Australopithecus означает «южная обезьяна»: ископаемые остатки первого известного науке вида этого рода были обнаружены на юге Африки, хотя другие находки, в том числе почти полный скелет трехлетней самки, были впоследствии сделаны в восточной части Африки.) Мозг взрослого представителя этого рода, судя по ископаемым черепам, был сравним по размеру с мозгом современных человекообразных обезьян. По-видимому, австралопитеки проводили часть жизни на деревьях, о чем свидетельствуют их короткие ноги и черты строения рук. Но австралопитеки умели также ходить на двух ногах, как люди. Известны прекрасно сохранившиеся окаменевшие следы ног одного из древнейших видов австралопитека, отпечатанные на вулканическом пепле.

Около 2,3 миллиона лет назад в Африке возник древнейший вид рода Homo, к которому принадлежат все современные люди. Этот вид получил научное название Homo habilis, что означает «человек умелый». Средний размер его мозга, судя по ископаемым черепам, был, по-видимому, примерно на 50% больше, чем размер мозга ранних австралопитеков. Первые каменные орудия, изготовленные древними гоминидами, появились уже 2,6 миллиона лет назад.

Около 1,8 миллиона лет назад возник более продвинутый вид, Homo erectus («человек прямоходящий»). Этот вид проник из Африки в Евразию. Более поздние находки свидетельствуют и о существовании нескольких других видов рода Homo.

Скелет (справа) взрослой представительницы вида Australopithecus afarensis (австралопитек афарский), получивший имя Люси. (Закрашенные кости соответствуют раскопанным, остальные реконструированы.) Этот скелет относится к тому же геологическому времени, что и следы из Летоли. Для сравнения рядом показан скелет современного человека.

Мозг более поздних видов в среднем превосходил по размерам мозг их предшественников.

Ряд данных свидетельствует о том, что первые современные по строению тела люди, представители вида Homo sapiens («человек разумный»), возникли в Африке из более ранних форм рода Homo. Древнейшим известным ископаемым остаткам современного человека немногим менее 200 000 лет. Современные люди распространились по всей Африке, а позже проникли в Азию, Австралию, Европу и Америку, вытеснив при этом обитавших в некоторых частях света древних людей.

Современные люди связаны с общим предком человека и шимпанзе (обыкновенного и карликового, или бонобо) эволюционной ветвью, из предполагаемых промежуточных звеньев которой на схеме показаны австралопитек афарский, человек умелый и человек прямоходящий. По ископаемым остаткам известны и другие виды, отделившиеся от человеческой ветви эволюционного древа. Парантропы и неандертальцы представляют собой вымершие формы гоминид, сохранившиеся в наши дни только в виде ископаемых.