Окаменелости и молекулярные часы

В эволюционной теории Дарвина и Уоллеса имелся серьезный пробел — они не понимали, какие механизмы лежат в основе наследования. Даже фундаментальные принципы, в соответствии с которыми определенные характеристики передаются из поколения в поколение, были расшифрованы лишь на рубеже столетий, после смерти Дарвина и Уоллеса, хотя фактически эти принципы первым открыл в 1860 году австрийский монах Грегор Мендель (1822 — 1884). Он опубликовал результаты ботанических экспериментов по скрещиванию душистого горошка, однако научная общественность не заметила их. Открытия Менделя были повторены через несколько лет после его смерти. Если бы Дарвин знал о работах Менделя, он бы смог отстаивать свою революционную теорию с большей уверенностью.

Участок молекулы ДНК, представляющей собой двойную спираль. Именно ДНК отвечает за наследование потомками родительских характеристик.

ПОНИМАНИЕ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

На рубеже XIX и XX веков эксперименты по скрещиванию проводили независимо друг от друга британский зоолог Уильям Бейтсон (1861 — 1926) и голландский ботаник Гуго де Фриз (1848—1935). Они обнаружили, что наследственные характеристики, которые они назвали «доминантными» и «рецессивными», распределяются между потомками в строго определенном соотношении. Но ученые еще были далеки от понимания глубинных механизмов, которые вступают в действие при соединении половых клеток, управляют обменом информацией между ними и определяют, каким образом родительские характеристики будут переданы потомству.

РАСШИФРОВКА КОДА

Глубинный механизм наследования, зашифрованный в хромосомах каждой клетки тела, воспроизводится при делении клетки. Это происходит путем удвоения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), имеющей структуру двойной спирали. ДНК — главная составная часть всех хромосом в организме. Генетический код — это последовательность, с которой внутри молекулы ДНК располагаются азотистые основания. Именно этот порядок определяет, белки какого типа и в каком количестве будут синтезироваться в клетке. Этот механизм расшифровали в 1953 году американский ученый Джеймс Уотсон (р. 1928) и англичанин Фрэнсис Крик (р. 1916). Их работа основывалась на трудах многих ученых, работавших в том же направлении.

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ВЗАИМОСВЯЗИ

Подробный генетический код каждой клетки тела определяет уникальность каждого отдельно взятого организма. От сходства клеточных кодов отдельных организмов зависит их способность к скрещиванию. Анализ подробной генетической информации, заключеннои в каждой клетке организма, позволяет оценить, насколько близки между собой те или иные существа в эволюционном плане. Такой анализ подтвердил генетическую близость человека и шимпанзе.

НАШИ БЛИЖАЙШИЕ РОДСТВЕННИКИ

В 1960-х и 1970-х годах молекулярные биологи обнаружили, что гены шимпанзе гораздо ближе к человеческим, чем предполагалось. Летопись ископаемых показывает, что эволюционные пути высших обезьян и шимпанзе разошлись примерно 15 млн. лет назад. Если так оно и было, то генетическое расстояние между человеком и высшими обезьянами должно быть гораздо больше, чем оно есть на самом деле.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

Идея молекулярных часов основывается на скорости генетических мутаций в живых организмах. Для различных биологических молекул эта скорость разная. Поначалу выдвигалась гипотеза, согласно которой мутации происходят с постоянной, неизменной во времени скоростью, однако более широкомасштабные исследования показали, что скорость изменения разных молекул различна. Самые последние исследования показывают, что одни молекулы могут служить весьма надежными «часами», тогда как другие не всегда показывают «точное время». В любом случае заключения о сравнительных скоростях эволюции между различными группами должны проверяться информацией, полученной из летописи окаменелостей.

ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ МЛЕКОПИТАЮЩИМИ

Несмотря на то что ученым известно очень много о биологии различных групп млекопитающих, они до сих пор мало знают о взаимосвязях между этими группами. Например, неизвестно, тесно ли связаны самые примитивные из современных млекопитающих — яйцекладущие однопроходные, к которым относится утконос, и сумчатые (например, кенгуру) с более развитыми плацентарными млекопитающими (живородящими). Традиционное мышление, основанное на оценке их облика и строения, утверждает, что однопроходные гораздо более примитивны. Однако новые молекулярные данные показывают, что однопроходные и сумчатые довольно близки между собой.

ОКАМЕНЕЛОСТИ ПЛЮС МОЛЕКУЛЫ

Молекулярные различия сами по себе не могут сказать, давно ли разошлись эволюционные пути двух биологических групп. Их данные нужно уточнять на основании летописи окаменелостей. Например, палеонтологические данные о древнейших известных нам вымерших предках, стоящих в начале линий развития современных крокодилов и птиц, показывают, что первые различия между этими группами появились около 225 млн. лет назад. Если предположить, что изменения в молекулах накапливались постепенно и с равномерной скоростью, то молекулярные исследования помогут более точно оценить время расхождения между отдельными подгруппами птиц и крокодилов. Иногда современные молекулярные исследования показывают время расхождения, отличающееся от того, которое вычислялось на основе ранее известных ископаемых данных, а затем новые палеонтологические находки подтверждают, что молекулярная оценка более точна. Эти два метода, дополняя друг друга, помогают создать более полную картину взаимосвязей между группами живых существ и установить время, когда их пути развития начали расходиться.

ДРЕВНИЕ ДНК

Главная проблема генетического анализа заключается в том, что, несмотря на фантастические предположения, высказанные в нашумевшей книге Майкла Крайтона «Парк юрского периода», ДНК нельзя извлечь из окаменелостей значительного возраста. Почти все крупные биологические молекулы, такие, как ДНК и белки, после смерти организма очень быстро распадаются. Единственный способ их спасти — сохранить ткани каким-либо экзотическим способом, например, быстрым замораживанием.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ЯНТАРЕМ

Идеальный внешний вид существ, пойманных в каплях янтаря, навел ученых на мысль о том, что в этих организмах могла сохраниться ДНК. Биологи не раз предпринимали попытки извлечь ДНК из насекомых, заключенных в янтаре, и иногда даже объявляли об успехе. Однако все попытки воспроизвести результат анализа закончились неудачей. Это говорит о том, что образцы просто были загрязнены современными ДНК.

ЗАМОРОЖЕННЫЕ НА ВЕКА

В последнюю ледниковую эпоху иногда случалось, что животные, такие, как шерстистый мамонт, попадали в землю, скованную вечной мерзлотой, и тогда ткани вымерших существ быстро замерзали и надолго сохранялись в замороженном грунте. Их ДНК хорошо сохранилась, и ученые проанализировали ее. Однако возраст таких замороженных находок — всего несколько десятков тысяч лет. Теоретически возможно соединить ДНК, полученную из этих обитателей ледниковой эпохи, с ДНК их современных родственников и получить своеобразный «парк ледникового периода», населенный гибридами слонов и мамонтов.

Ученые издавна полагали, что самые примитивные из плацентарных млекопитающих — неполнозубые, такие, как броненосцы (вверху). Однако новые данные, полученные методом молекулярного анализа, показали, что самыми примитивными, скорее всего, являются насекомоядные, например, ежи. Другое важное открытие, утверждает, что зайцеобразные (например, кролики) стоят недалеко от приматов, тогда как прежде их считали близкими родственниками грызунов, таких, как крысы.