Долгое время вопрос о том, как в результате случайных изменений (мутаций) в геноме живых существ появляется новая информация, оставался открытым. Однако ученые все-таки смогли разгадать, как происходит расширение и пополнение генома. Один из самых важных механизмов получения новой информации – это процесс удвоения генов.
О нем рассказывает доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков.
– Как новые открытия в области генетики позволяют понять механизм появления новых генов и новых свойств в организме?
– Один из самых типичных аргументов людей, которые отрицают эволюцию, звучит примерно так: мы не можем себе представить, как в результате случайных мутаций в геноме может возникать новая информация. Многим интуитивно кажется, что случайные изменения, вносимые, например, в некоторый текст, не могут создать новую информацию. Они могут вносить только шум или хаос. Между тем науке на сегодня уже очень хорошо известно, каким образом в ходе эволюции возникает новая информация в геноме, новые гены, новые функции, новые признаки у организма и так далее. И один из самых важных механизмов возникновения новой генетической информации – это удвоение генов и последующее разделение функций между ними. Идея очень простая: был один ген, стало два в результате случайной мутации. Сначала гены одинаковые. А потом в результате накопления случайных мутаций в двух копиях этого гена они становятся немножко разными, и возникает шанс, что они разделят между собой функции.
– Приведите пример, возникновения нового гена.
– Сейчас появилось много хорошо изученных примеров. Вообще сама по себе эта идея достаточно старая, еще в 1930 годы великий биолог, генетик Джон Холдуин предположил, что дупликация, то есть удвоение генов играет важную роль в появлении эволюционных новшеств. А в последние годы в связи с развитием молекулярной генетики, прочтением геномов появилось очень много убедительных примеров, хороших иллюстраций того, как на самом деле это происходит. Один из самых ярких, связан с эволюцией цветного зрения у млекопитающих, точнее, даже шире можно сказать – у наземных позвоночных. Когда наземные позвоночные только появились, вышли на сушу в девонском периоде, у них было еще возникшее на уровне рыб так называемое тетрохроматическое зрение. Что это значит? Цветовое зрение определяется светочувствительными белками сетчатки – есть такие клетки-колбочки, которые отвечают за цветное зрение и в этих колбочках есть светочувствительные белки, они называются опсины. У рыб, от которых произошли позвоночные, и у первых наземных позвоночных было четыре таких опсина. Каждый опсин настроен на определенную длину волны.
– Можно ли сказать, что рыбы видят ровно четыре цвета?
– Это не значит, что данный опсин реагирует только на данную волну, это значит данная длина волны сильнее всего возбуждает этот опсин, а чем сильнее отличается длина волны, тем слабее он реагирует. Тетрахроматическая система цветного зрения – это очень хорошая система, она дает очень четкое различение оттенков всего спектра и у многих современных позвоночных она так и сохранилась, например, у птиц. Птицы прекрасно различают оттенки, по-видимому, лучше, чем мы. Многие видят в ультрафиолетовом диапазоне, у некоторых видов есть ультрафиолетовые узоры на оперенье. И возможно птицам показалась крайней убогой система передачи цвета нашими телевизорами и мониторами. Потому что у нас используется трихроматическая система, смешение трех цветов – наше зрение устроено так же. У птицы четыре, а не три.
– То есть люди по сравнению с птицами видят мир примитивнее.
– С точки зрения птиц мы немножко дальтоники. У человека, как я уже сказал, трихроматическая система – три опсина, настроенные на три разных волны. Один на синий цвет, другой на зеленый и третий, сдвинут в сторону желтого. Но самое интересное заключается в том, что другие млекопитающие, кроме людей и обезьян, имеют дихроматическое зрение, у них только два опсина. У них нет третьего, который ближе всего к красному концу спектра, и они поэтому отличают синий от зеленого, но они не отличают зеленый от красного. Как же это получилось? Почему млекопитающие потеряли два опсина?
Известно, что у предков было четыре, а у млекопитающих осталось два опсина. По всей видимости, утрата двух опсинов была связана с тем, что млекопитающие перешли к ночному образу жизни, еще на заре своей истории. Почему они перешли к ночному образу жизни? Это было связано с перипетиями долгой конкурентной борьбы между двумя основными эволюционными линиями наземных позвоночных. Эти линии, они называются синапсидная и диапсидная. Синапсидная линия – это зверообразные ящеры, зверообразные рептилии. И эта группа была господствующей среди наземных позвоночных в глубокой древности, в пермском периоде, это более 250 миллионов лет назад. Затем в триасовом периоде у них появились сильные конкуренты, представители диапсидной линии. К диапсидной линии относятся у современных животных все рептилии, крокодилы, ящерицы и птицы. В триасовом периоде появились активные хищники, быстро бегающие, в том числе на двух ногах. Диапсидные рептилии, крокодилы начали теснить наших предков синапсидных или зверозубых рептилий. И завершилась эта конкуренция поначалу не в пользу наших предков. В конце триасового периода появились быстробегающие диапсидные рептилии, они породили новую группу, от них произошла новая группа – динозавры, которые стали на очень долгое время господствующими дневными хищниками и травоядными на всей планете. Они заняли все дневные ниши, ниши животных в крупном размерном классе.
Синапсидная линия была вынуждена уйти в ночь, в подполье, они измельчали. В пермском периоде были гигантские синапсидные рептилии, к концу триасового периода осталась одна мелочь. В это же время в конце триасового периода завершился процесс так называемой маммализации синапсидных рептилий, то есть, грубо говоря, появились первые млекопитающие. Все остальные синапсидные рептилии вымерли, а одна группа превратилась в млекопитающих, и они выжили. Но выжили они, сделавшись маленькими и ночными. В течение всего юрского и мелового периода млекопитающие вели ночной образ жизни – они были похожи на каких-то землероек, мышек. Поскольку они вели ночной образ жизни, цветное зрение стало для них практически бесполезно. Потому что ночью колбочки все равно не работают, естественный отбор не мог поддерживать четыре описна, тетрохроматическое зрение, потому что такое зрение было не нужно.
Естественный отбор не может заглядывать в будущее, он работает так: либо ты пользуешься геном, либо его теряешь. Если ген не нужен здесь и сейчас, то мутации, которые возникают и портят его, не отсеиваются отбором, и ген рано или поздно выходит из строя.
– Потеря генов, вероятно, направлена на сохранение любых сил в организме, на максимальную экономию, максимальную эффективность, то есть ничто не должно работать вхолостую в нашем организме.
– В принципе да, конечно, это экономия – лишний белок не синтезируется. Надо сказать, что вообще в организме синтезируется много лишних белков, которые стали ненужными, но еще не успели отмереть, это не так быстро происходит, но в конце концов происходит. Сначала думали, что оба опсиновых гена были утрачены предками млекопитающих или первыми млекопитающими очень быстро и одновременно практически. Сейчас в геноме утконоса – а это представитель самых примитивных млекопитающих, нашелся один из потерянных генов. То есть у утконоса еще три опсина, у более продвинутых млекопитающих только два. Гены терялись, таким образом по очереди. Общий предок млекопитающих еще имел три опсина, а плацентарные и сумчатые, исключая яйцекладущих утконоса и ехидну, только два опсина.
Каким же образом у наших предков, у обезьян восстановилось трихроматическое зрение? А вот тут как раз сработал механизм удвоения генов. Когда кончилась эра динозавров и млекопитающие снова получили возможность стать дневными, они так и остались со своим дихроматическим зрением, потому что потерянные гены взять было неоткуда.
И так продолжается в большинстве групп млекопитающих, хотя им было бы полезно различить цвета, но негде взять ген. А вот предкам обезьян Старого света повезло. У них один из оставшихся двух опсиновых генов подвергся удвоению, дупликации, и естественный отбор быстро настроил две копии получившегося гена на разные длины волн. Для этого понадобилось всего-навсего три мутации – заменить три аминокислоты в белке, довольно пустяковое изменение. Небольшая операция, за счет которой длина волны, на которую реагирует один из опсинов, сместилась в красную сторону. Этого достаточно, чтобы мы получили возможность отличать красный цвет от зеленого. Это дало возможность предкам первых обезьян Старого света перейти к питанию фруктами и свежей листвой в тропических лесах: при этом очень важно отличать красное от зеленого, спелые фрукты от неспелых и молодые листья от старых листьев.
Но это случилось только с обезьянами Старого света. Это счастливое событие – удвоение гена произошло у предков обезьян Старого света уже после того, как Америка отделилась от Африки и уплыла, между ними был Атлантический океан. Американским обезьянам не повезло и большинство из них осталось с дихроматическим зрением. И они так и живут до сих пор. Конечно, им бы тоже было полезно отличать красные плоды от зеленых, но что же поделаешь, если нет гена.
– Получается, что обезьяны Нового света не различают красное и зеленое, ошибаются, едят что попало?
– Получается так. Может быть, поэтому обезьяны Старого света стали людьми, а обезьяны Нового света не стали.