Молекулярные часы: общие сведения. Метод "молекулярных часов"

26 июня 2000 года произошло очень знаменательное событие, о котором много писалось в прессе. На пресс-конференции с участием президента США и премьер-министра Великобритании представители двух исследовательских коллективов - международного консорциума Human Genome Project и компании Celera Genomics - торжественно объявили о том, что в результате многолетних усилий большого числа ученых и огромного финансирования закончена расшифровка генома человека (точнее, определена полная структура ДНК). Был успешно реализован не имеющий аналогов по масштабам Проект века. Что же человечество узнало и приобрело в результате этого? Как эти новые знания помогают человеку в решении его многих повседневных проблем? Какие тайны хранит человеческий геном?

Обо всем этом и идет речь в настоящей монографии, написанной в популярной форме и предназначенной для самого широкого круга читателей: для школьников старших классов, школьных учителей, студентов и преподавателей вузов и вообще для всех образованных людей, желающих больше знать о самих себе.

Книга:

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

<<< Назад

Вперед >>>

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

Вы говорите - время идет.

Безумцы - это вы проходите.

Талмуд

Достаточно твердо установлено, что большинство из происходящих точечных мутаций в геноме не представляются ни полезными, ни вредными для человека, то есть являются нейтральными. Скачки скорее всего не свойственны эволюции. Частоты возникновения точечных мутаций невысоки (порядка 10 –8 на генерацию) и относительно постоянны. Расчеты показывают, что при размере диплоидного генома человека около 7х10 9 п. н. в нем происходит в среднем 175 новых мутаций на генерацию (25 лет). Накопление мутаций можно сравнить с перетеканием песчинок в песочных часах, которые служат мерой времени. Но на практике ученые применили не песочные, а «молекулярные часы». Поскольку большинство мутаций никак не сказываются на самом организме, они могут спокойно сохраняться в эволюции на протяжении длительного времени. Именно за эти факты и ухватились ученые, когда создавали новый подход, названный «молекулярными часами».

На первом этапе была проведена «юстировка» этих часов. Для этой цели были использованы данные о скорости изменения ДНК разных видов организмов, для которых время расхождения в эволюции было надежно установлено по палеонтологическим и археологическим данным. И только после этого началось «чтение» разных эволюционных глав Энциклопедии человека.

«Молекулярные часы» довольно строго показывают, как часто за миллион лет (в среднем) в ДНК того или иного гена или генома в целом происходят мутации. На этой основе по различиям в ДНК можно судить о том, как давно два разных вида организмов, время возникновения которых не известно, были одним видом, когда произошла их дивергенция, то есть расхождение на две разные ветви эволюции. Таким же путем можно сравнивать человеческие популяции или даже ДНК отдельных людей и судить об общности их происхождения или родственных связях. В частности, по «молекулярным часам» удалось оценить более точно время отделения человека от обезьян. Согласно молекулярной оценке, это произошло примерно 5 млн. лет назад. Это внесло существенную поправку в данные палеонтологов, которые долгое время полагали, что разделение человека и обезьян произошло около 25 млн. лет назад. Массовый анализ митДНК из разных рас показал, что одни митДНК отличаются от других числом замен одних нуклеотидов другими, то есть числом мутаций. Были определены такие показатели, как количество индивидуальных мутаций, их расположение и тип. Эти получившие широкую известность данные выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Если читатель не прекратит знакомство с книгой в этом месте, то более подробный рассказ об этих интереснейших исследованиях он найдет далее.

Метод «молекулярных часов», применяемый к ДНКовым текстам, очень похож по своему смыслу на метод глоттохронологии, используемый в лингвистике при установлении родства разных языков. Это специальный статистический метод определения возраста родственных языков, т. е. давности их разделения, по количеству слов, имеющих в этих языках одинаковое происхождение. Ведь язык человека, как и геном человека, все время меняется. Если племя или народ, говорящий на одном языке, по какой-то причине разделится на две части, которые потеряют связь между собой, то язык, как и геном, каждого из этих двух новых племен или народов будет меняться по-своему. Чем больше времени пройдет после разделения двух народов, тем меньше общего сохранится в их языках и геномах, но они по-прежнему останутся родственными. По степени сходства можно судить о том, когда произошло разделение. Лингвисты установили, что за 1000 лет в так называемом базовом словаре (он включает те слова, которые есть в любом языке, - «дом», «земля», «небо», названия частей тела и т. д.) сохраняется 86 % слов, т. е. каждый из языков двух народов, обособившихся 1000 лет назад, имеет 86 % общих слов с предковым языком. В результате, друг с другом эти языки имеют 74 % (86 % от 86 %) общих слов. При сопоставлении эволюционного древа популяций человека с лингвистическим анализом выяснилось, что в большинстве случаев языки генетически родственных популяций принадлежат к одной лингвистической группе. Вывод ученых гласит: чем раньше разделились две популяции, тем дольше они эволюционировали независимо и тем больше накопилось замен, как в их ДНК, так и в их языках. Конечно, языки напрямую не зависят от генов, и корреляции генетического и лингвистического родства определяются лишь историческими обстоятельствами. Но для нас важно, что здесь одно исследование довольно часто подтверждает другое.

Событий (расхождений видов или других таксонов), основанный на гипотезе molecular clock hypothesis , согласно которой эволюционно значимые замены мономеров в нуклеиновых кислотах или аминокислот в белках происходят с практически постоянной скоростью.

Скорость мутаций может быть неравномерной и различается для разных видов, из-за чего метод дает лишь приблизительные результаты.

Выдвижение теории и её развитие

Гипотеза молекулярных часов была выдвинута в 1962 году при анализе аминокислотных последовательностей гемоглобина и цитохрома С , Э. Цукеркандлем и Л. Полингом . Они отметили, что количество аминокислотных различий в гемоглобине растет линейно со временем, которое оценивалось по фоссилиям . Они обобщили наблюдение и пришли к выводу, что скорость эволюционного изменения каждого белка приблизительно постоянна.

полезной проверкой важной роли времени как главного фактора в накоплении изменчивости в цитохроме C должно быть сравнение аминокислотных последовательностей гомологичных белков, выделенных из видов, о которых известно, что они на протяжении длительных периодов времени не претерпевали морфологических изменений, и из быстро изменяющихся видов

Работы этих трех ученых привели к постулированию гипотезы в начале 1960-х .

Связь с нейтральной теорией молекулярной эволюции

Критика

Существует критика метода, например «Goodman, 1981, Prog.Byophys.Mol.Evol., V.38.P.105-164.», который обнаружил различный темп часов в разных таксонах. Несмотря на это, теория используется в филогенетике и для оценки давности дивергенции видов.

Это заготовка статьи по биологии. Вы можете помочь проекту, дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным .

См. также

Напишите отзыв о статье "Молекулярные часы"

Примечания

Ссылки

• medbiol.ru/medbiol/molevol/000716b1.htm
• elementy.ru/trefil/molecular_clock?page_design=print
• Лукашов В.В. Нейтральная теория молекулярной эволюции // Молекулярная эволюция и филогенетический анализ: Учебное пособие. - 2009. - P. 35.

Основные понятия Эры и эпохи Календарь (До)Юлианский Григорианский Астрономический Астрономическая хронология Геохронологическая шкала Основные понятия Стандарты Археологические методы Генетические методы Связанные понятия

Отрывок, характеризующий Молекулярные часы

– Эка бестия!.. Ну?..
– Пошел за другим, – продолжал Тихон, – подполоз я таким манером в лес, да и лег. – Тихон неожиданно и гибко лег на брюхо, представляя в лицах, как он это сделал. – Один и навернись, – продолжал он. – Я его таким манером и сграбь. – Тихон быстро, легко вскочил. – Пойдем, говорю, к полковнику. Как загалдит. А их тут четверо. Бросились на меня с шпажками. Я на них таким манером топором: что вы, мол, Христос с вами, – вскрикнул Тихон, размахнув руками и грозно хмурясь, выставляя грудь.
– То то мы с горы видели, как ты стречка задавал через лужи то, – сказал эсаул, суживая свои блестящие глаза.
Пете очень хотелось смеяться, но он видел, что все удерживались от смеха. Он быстро переводил глаза с лица Тихона на лицо эсаула и Денисова, не понимая того, что все это значило.
– Ты дуг"ака то не представляй, – сказал Денисов, сердито покашливая. – Зачем пег"вого не пг"ивел?
Тихон стал чесать одной рукой спину, другой голову, и вдруг вся рожа его растянулась в сияющую глупую улыбку, открывшую недостаток зуба (за что он и прозван Щербатый). Денисов улыбнулся, и Петя залился веселым смехом, к которому присоединился и сам Тихон.
– Да что, совсем несправный, – сказал Тихон. – Одежонка плохенькая на нем, куда же его водить то. Да и грубиян, ваше благородие. Как же, говорит, я сам анаральский сын, не пойду, говорит.
– Экая скотина! – сказал Денисов. – Мне расспросить надо…
– Да я его спрашивал, – сказал Тихон. – Он говорит: плохо зн аком. Наших, говорит, и много, да всё плохие; только, говорит, одна названия. Ахнете, говорит, хорошенько, всех заберете, – заключил Тихон, весело и решительно взглянув в глаза Денисова.
– Вот я те всыплю сотню гог"ячих, ты и будешь дуг"ака то ког"чить, – сказал Денисов строго.
– Да что же серчать то, – сказал Тихон, – что ж, я не видал французов ваших? Вот дай позатемняет, я табе каких хошь, хоть троих приведу.
– Ну, поедем, – сказал Денисов, и до самой караулки он ехал, сердито нахмурившись и молча.
Тихон зашел сзади, и Петя слышал, как смеялись с ним и над ним казаки о каких то сапогах, которые он бросил в куст.
Когда прошел тот овладевший им смех при словах и улыбке Тихона, и Петя понял на мгновенье, что Тихон этот убил человека, ему сделалось неловко. Он оглянулся на пленного барабанщика, и что то кольнуло его в сердце. Но эта неловкость продолжалась только одно мгновенье. Он почувствовал необходимость повыше поднять голову, подбодриться и расспросить эсаула с значительным видом о завтрашнем предприятии, с тем чтобы не быть недостойным того общества, в котором он находился.
Посланный офицер встретил Денисова на дороге с известием, что Долохов сам сейчас приедет и что с его стороны все благополучно.
Денисов вдруг повеселел и подозвал к себе Петю.
– Ну, г"асскажи ты мне пг"о себя, – сказал он.

Петя при выезде из Москвы, оставив своих родных, присоединился к своему полку и скоро после этого был взят ординарцем к генералу, командовавшему большим отрядом. Со времени своего производства в офицеры, и в особенности с поступления в действующую армию, где он участвовал в Вяземском сражении, Петя находился в постоянно счастливо возбужденном состоянии радости на то, что он большой, и в постоянно восторженной поспешности не пропустить какого нибудь случая настоящего геройства. Он был очень счастлив тем, что он видел и испытал в армии, но вместе с тем ему все казалось, что там, где его нет, там то теперь и совершается самое настоящее, геройское. И он торопился поспеть туда, где его не было.
Когда 21 го октября его генерал выразил желание послать кого нибудь в отряд Денисова, Петя так жалостно просил, чтобы послать его, что генерал не мог отказать. Но, отправляя его, генерал, поминая безумный поступок Пети в Вяземском сражении, где Петя, вместо того чтобы ехать дорогой туда, куда он был послан, поскакал в цепь под огонь французов и выстрелил там два раза из своего пистолета, – отправляя его, генерал именно запретил Пете участвовать в каких бы то ни было действиях Денисова. От этого то Петя покраснел и смешался, когда Денисов спросил, можно ли ему остаться. До выезда на опушку леса Петя считал, что ему надобно, строго исполняя свой долг, сейчас же вернуться. Но когда он увидал французов, увидал Тихона, узнал, что в ночь непременно атакуют, он, с быстротою переходов молодых людей от одного взгляда к другому, решил сам с собою, что генерал его, которого он до сих пор очень уважал, – дрянь, немец, что Денисов герой, и эсаул герой, и что Тихон герой, и что ему было бы стыдно уехать от них в трудную минуту.

Билет № 19 Разновидности мутаций. Мутации – материал эволюции.

Мута́ция (лат. mutatio - изменение) - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки илиорганизма ) изменение генотипа , происходящее под влиянием внешней или внутренней среды. Термин предложен Гуго де Фризом . Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза .

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные . Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около - на нуклеотид за клеточную генерацию .

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома , возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды .

Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций - репликация ДНК , нарушениярепарации ДНК и генетическая рекомбинация .

Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. Мёллер предложил делить мутации по характеру изменения функционирования гена на гипоморфные (измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллели дикого типа; синтезируется лишь меньше белкового продукта), аморфные (мутация выглядит, как полная потеря функции гена, например, мутация white у Drosophila ), антиморфные (мутантный признак изменяется, например, окраска зерна кукурузы меняется с пурпурной на бурую) инеоморфные .

В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:

геномные ;

хромосомные ;

генные .

Геномные : - полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3n, 4n, 6n и т. д.) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) - изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (см. Инге-Вечтомов, 1989). В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n.

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция ) или удвоение части (дупликация ) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия ), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация ) (крайний случай - объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация , которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях . Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов - пурины и пиримидины, все точковые мутации с заменой оснований разделяют на два класса: транзиции (замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин) и трансверсии (замена пурина на пиримидин или наоборот). Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер - UAG, охр - UAA и опал - UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов - например амбер-мутация), 4) обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).

По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории: мутации типа замен пар оснований и типа сдвига рамки считывания (frameshift) . Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трём, что связано с триплетностью генетического кода.

Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией , а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, - обратной мутацией, или реверсией. Возврат к исходномуфенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.

Почковые мутации - стойкие внезапно возникшие генетические изменения в отдельных почках растений. При вегетативном размножении сохраняются. Многие сорта культурных растений являются почковыми мутациями.

Билет № 20 Молекулярные часы эволюции. Геном человека

Согласно центральной догме молекулярной биологии , химическая индивидуальность каждого живого организма определяется последовательностью пар оснований в ДНК этого организма. Теория эволюции утверждает, что виды развиваются в течение времени, и параллельно этому развитию изменяются их ДНК. К изменению ДНК могут привести различные события. Например, медленное накапливание мутаций, массовые ошибки при копировании или проникновение последовательности вирусных нуклеиновых кислот. Но одно можно утверждать смело - чем больше прошло времени с тех пор, как жил общий предок двух видов, тем длиннее период, в течение которого происходили эти изменения, и, следовательно, тем сильнее отличаются последовательности ДНК этих двух видов.

Следует отметить несколько моментов, касающихся этого утверждения. Во-первых, подсчитав различия между последовательностями ДНК, мы можем построить генеалогическое древо всех живых организмов. Например, у человека и шимпанзе совпадают 98% ДНК. Это означает, что наш общий предок жил совсем недавно. В то же время у человека и лягушек совпадающая часть ДНК значительно меньше, следовательно наша ветвь отделилась от ветви, занимаемой земноводными, значительно раньше. Теория эволюции предсказывает, что построенное таким образом генеалогическое древо должно быть сходно с древом, построенным в прошлом веке на основании изучения окаменелостей. По моему мнению, совпадение двух генеалогических древ является одним из самых убедительных доказательств эволюции. Оно также показывает, что теория эволюции может быть подвергнута проверке (как уже говорилось во Введении , это одно из важнейших требований любой научной теории), поскольку могло оказаться, что люди генетически более близки к лягушкам, чем к шимпанзе.Метод молекулярных часов использует данные ДНК более фундаментально. Если изменения ДНК происходят с некоторой средней скоростью - если молекулярные часы тикают равномерно - то, подсчитывая количество различающихся пар оснований в последовательностях двух видов, мы можем получить представление о времени жизни их последнего общего предка. Если частота изменений ДНК постоянна, анализ современной ДНК может рассказать нам о шкалах времени на разных этапах развития генеалогического древа.В 1980-е годы, когда впервые была предложена концепция молекулярных часов, от исследователей ожидали услышать, что изменения во всех ДНК происходят с одинаковой скоростью - что все часы тикают с одним и тем же интервалом. Однако оказалось, что существует много разных молекулярных часов, и все они идут с разной скоростью. Например, пары оснований в последовательности важного гена не могут сильно измениться без ущерба для организма в целом, поэтому часы, показывающие время для пар оснований в таких генах, идут относительно медленно. С другой стороны, большинство сегментов ДНК не влияют на химические процессы в организме, поэтому для этих сегментов часы могут идти быстрее.Пожалуй, больше всего привлекает в методе молекулярных часов перспектива его применения к недавней эволюции человека. Чтобы лучше все это понять, вам нужно знать, что внутри каждой клетки высокоразвитых организмов имеются крохотные органеллы - митохондрии . В них сгорает топливо клетки - то есть осуществляется важнейшая функция обмена веществ. Считается, что митохондрии впервые проникли в более сложно организованные клетки миллионы лет назад в процессе симбиоза . Две клетки, эволюционировавшие независимо друг от друга, обнаружили, что им пойдут на пользу партнерские отношения, при которых одна клетка будет жить внутри другой. Тот факт, что в митохондрии содержится собственная небольшая петлевидная ДНК (в митохондриальной ДНК человека 26 генов), говорит о том, что это событие произошло очень давно.

В сперматозоидах нет митохондрий, поэтому вся митохондриальная ДНК в вашем организме получена вами из яйцеклетки матери. Другими словами, митохондриальная ДНК передается по материнской линии. Установлено, что молекулярные часы митохондриальной ДНК тикают почти в 10 раз быстрее, чем часы ДНК, содержащейся в клеточном ядре. Поэтому для анализа и была выбрана митохондриальная ДНК - ведь за определенный промежуток времени в ней произойдет значительно больше изменений, чем в ядерной ДНК.Митохондриальная ДНК впервые привлекла к себе всеобщее внимание после того, как в 1987 году группа американских исследователей получила митохондриальные ДНК от 147 представителей различных рас из разных уголков мира и установила количество мутаций, их различающих. По результатам первого анализа складывалось впечатление, что все современные люди ведут свою родословную от одной и той же женщины, которая жила в Африке около 200 000 лет назад. Эту женщину немедленно нарекли Евой (или, для большей наукообразности, Митохондриальной Евой) и даже поместили ее на обложку крупного общественно-политического журнала.К сожалению, этот сногсшибательный результат не выдержал испытания более полным анализом, и ученые больше не вспоминают Еву (она пала жертвой критического анализа ДНК, сделанного компьютерной программой). Согласно последним научным веяниям, данные ДНК указывают на то, что все современные люди произошли от довольно небольшой популяции - около 5–10 тысяч человек, - жившей в Африке 100–200 тысяч лет назад.

Билет № 21 Прокариоты и эукариоты. Автотрофы и гетеротрофы

Прокариоты и эукариоты

Структурно каждая живая клетка состоит, как минимум, из трех частей: ядра, цитоплазмы (внутренней среда клетки) и ее оболочки (или мембраны).Если ядро клетки ярко не выражено, ДНК практически равномерно заполняет весь внутренний объем клетки (первая стадия клеточной жизни), а сами клетки практически ничем не отличаются друг от друга, организмы называются прокариотами .

При большей выраженности клеточных ядер и наличии в них нескольких хромосом (ДНК с окружающими их РНК и белками), организмы называются эукариотами .

Под влиянием внешних условий некоторые признаки отдельных ДНК в одной или нескольких хромосомах могут немного изменяться. В конце концов, эти различия приводят к образованию организмов одного биологического вида, но различающихся по полу (см. Эволюция ).

У эукариотов большая гибкость клеточных оболочек, а, значит, - и их подвижность (поэтому большинство из них - все-таки, животные). Эта гибкость и податливость доходит до того, что некоторые их них способны не только всасывать простые вещества и органические молекулы, но и поглощать целые другие клетки меньшего размера. (Они и стали первыми хищниками).Из двух последних подразделов вытекает, что все хищники - гетеротрофы и эукариоты.Эукариоты есть и среди растительного, и среди животного мира, хотя среди одноклеточных между теми и другими бывает очень трудно провести четкую границу.

Типичным порговым (находящимся между растениями и животными) одноклеточным организмом является эвглена зеленая (см. левый фрейм). Она, как растение, содержит хлорофил и при дневном свете способна к фотосинтезу, что определяет ееавтотрофный тип питания в этих условиях. Однако, в темноте эвглена питается только осмотическим путем (всасывая полезные вещества из окружающей стреды через оболочку клетки). Это относит ее к организмам с гетеротрофным типом питания (обычно такие организмы бывают животными).

Автотрофы и гетеротрофы

Клетки с относительно жесткими и мало проницамыми оболочками малоподвижны и должны вырабатывать необходимые для себя продукты питания и энергетические запасы самостоятельно, из неживой природы, используя ультрафиолетовое излучение Солнца или энергию некоторых химических реакций. Они называются автотрофами . Это почти все представители растительного мира. Даже на уровне одноклеточных. Повышенная гибкость и хорошая проницаемость оболочек других клеток способствуют появлению возможности получения части питания (например, фрагментов белков или целых небольших белковых структур) для них уже в готовом виде, путем "всасывания" их через хорошо проницаемую оболочку клетки. Те, кто питаются таким образом, называются гетеротрофами . По такому же типу, кроме многих одноклеточных, питаются все животные, грибы, большинство бактерий и некоторые растения. Согласно современным научным представлениям, 600 млн. лет назад вся флора и фауна Земли состояла исключительно из одноклеточных. Как утверждают специалисты, на сегодня их существует около 25 тыс. видов.

Билет № 22 Проблема теории эволюции. Системы Аристотеля, Линнея, Ламарка

Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни. Она явл. фундаментом для всего естествознания. Применительно к живым организмам эволюцию можно определить, как постепенное развитие сложных организмов из предсуществующих более простых с течением времени. Представление об эволюции берет свое начало от Аристотеля(384-322 до н. э.) Именно он первым сформулировал теорию непрерывного развития живого из неживой материи, создав представление о «лестнице природы» применительно к миру животных. Во всех орг. телах он различал две стороны: материю, обладающую различными возможностями и форму – душу. Аристотель различал три вида души: растительная, присущая растениям; чувствующая, свойственная животным и разумная, которой наделён только человек. Большой вклад в создание сист. взглядов о теории эволюции внес Карл Линней (1707-1778). Он предложил систему: класс àотряд àрод àвид. Под последним он понимал группу организмов, происходящих от общих предков и дающих при скрещивании плодовитое потомство. Всех животных Линней разделил на 6 классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые и черви) поместив Человека рядом с обезьянами, оговорившись что близость в системе не говорит о кровном родстве. Вопроса о происхождении видов для Линнея не существовало. Он полагал, что все виды созданы «всемогущим творцом». Выдающаяся заслуга в создании первого эволюционного учения принадлежит франц. естествоиспытателю Ламарку (1744-1829).Он изложил историю развития органич. мира, отвергая идею постоянства видов и противопоставляя ей их изменяемость. Ламарк не сомневался, что живое происходит от неживого. Он считал, что природа создает простейшие животные существа, а сложные организмы возникают путем их медленного и постепенного усложнения. Такое процесс Ламарк назвал градацией. По его мнению все живые существа как бы поднимаются по ступенькам лестницы, Однако Ламарк допустил серьезные ошибки прежде всего в понимании факторов эволюционного процесса, выводя их из якобы присущего всему живому стремления к совершенству. Также неверно он понимал причины приспособленности, прямо связывая их с влиянием окружающей среды. Это породило очень распространенные, но научно необоснованные представления о наследовании признаков, приобретаемых организмами под непосредственным воздействием среды. Но при всех крупных недочетах идеи Ламарка легли в основу первой эволюционной теории.

Билет № 23 Теория Дарвина. Синтетическая теория эволюции

Весь ход развития XIX века неудержимо вел к формированию нового взгляда на природу и эволюцию. Естественные науки к этому времени накопили огромное количество фактов, которые нельзя было совместить с метафизическими представлениями о неизменяемости природы. Следствием всего этого явилось возникновение навой теории, разработчиком которой стал Ч. Дарвин. Основные принципы своего эволюционного учения он свел к следующим положениям: 1.Каждый вид способен к неограниченному размножению.2.Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности размножения. (Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства). 3.Гибель или успех в борьбе за существование носят избирательный характер. Организмы одного вида отличаются друг от друга совокупностью признаков. В природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. Такое избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных организмов Ч. Дарвин назвал естественным отбором.4.Под действием естественного отбора, происходящего в разных условиях, группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки. Они приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды. Крупнейшие ученые в разных странах способствовали распространению эволюционной теории Дарвина, защищали ее от нападок и сами вносили вклад в ее дальнейшее развитие. Дарвинизм оказал сильнейшее влияние не только на биологию, но и на общечеловеческую культуру, способствуя развитию естественнонаучных взглядов о появлении и развитие живой природы и самого человека. Современная генетика привела к новым представлениям об эволюции, которые получили названиесинтетической теории эволюции (Неодарвинизма). Ее можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Такой взглад, не только подтвердил теорию Дарвина, но и объяснил ее на качественно новом уровне. Механизм эволюции стал рассматриваться, как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспосбления к окружающей среде мутаций, т.к. их носители выживают и оставляют потомство.

Билет № 24 Системная теория эволюции, понятие эволюции в синергетике

Системная теория эволюции связывает развитие любой биологической системы с эволюцией систем более высокого порядка, в который она входит в качестве элемента. «Рассмотрение «сверху вниз», от биосферы к отдельным экосистемам, сообществам, популяциям, организмам, генам выявляет причинные связи между событиями, которые традиционный взгляд «снизу вверх» воспринимает как случайные. В принципе, системный подход может дать достаточно полное объяснение эволюционного процесса и поставить вопрос о его целях» (Красилов, 1992, с. 27).

До недавнего времени представление о целенаправленности в природе относили к области метафизики, а не позитивной науки. Ситуация изменилась с развитием теории неравновесных процессов. Дело в том, что в закрытых (изолированных) системах развитие происходит в соответствии с законом роста энтропии (вторым началом термодинамики), а в открытых (живых) системах стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. Высшие организмы отличаются от низших в первую очередь меньшим производством энтропии – омер­твением живого вещества – в их популяциях.Систем. теория эволюции, понятие эв-ции в синергетике

Развитие любой биологической системы связано с эволюцией систем более высокого ранга, в которые она входит в качестве элемента. Эта теория получила названиеСистемной теории эволюции. Она предполагает рассмотрение взаимодействий «сверху -вниз»: от биосферы к экосистеме ðсообществам ðорганизмам и т.д. Такой подход позволяет выделить первичные связи, которые традиционный взгляд «снизу-вверх» воспринимает как случайные и незначительные. В мире, как мы знаем, постоянно идет процесс возникновения нового, эволюции и развития разного рода систем. Согласно эволюционной теории Дарвина, живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения всё новых видов растений и жи­вотных. Причем гибель или успех в ходе этого процесса борьбе за существование носят избирательный характер и в природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. («Выживает сильнейший» - принцип естественного отбора). Спрашивается, как исходя из этого объяснить эти явления с позиций синергетики. И возможно ли это? Оказывается возможно! Возникновение нового всегда кажется невероятным чудом. Ответить на вопрос, как это происодит синергетика решила совместно с новой неравновесной термодинамикой, теорией открытых систем. В частности в открытых неравновесных системах согласно теории Ильи Пригожина стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. А процесс эволюции связан с процессом накопления свободной энергии и уменьшением энтропии. Кибернетическая система обладает устойчивостью при достаточном внутреннем разнообразии. Разный уровень порядка рождает новый, более высокий уровень в органическом мире и мы видим, как биологическое разнообразие организмов проявляется на молекулярно-кинетическом, популяционном, видовом и биоценотических уровнях. Эволюция - это вечная самоорганизация, поиск структурами своих оптимумов в меняющихся условиях. Сущность ее в синергетике - это вечная борьба хаоса и порядка, структурного и безструктурного во Вселенной. В этой борьбе может работать бифуркационный принцип (пример с волосатым слоном). Возникающие случайности могут привести систему к повышенной неравновесности - флуктуации, т.е. отклонениям от среднего значения - и как следствие могут возникать мутации, поддержанные окружающей средой. Возврат назад практически не возможен и мутации становятся материалом эволюции, двигая ее вперет в постоянное развитие.

Билет № 25 Концепция коэволюции, Гея-Земля. (по Горелову)

Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. Как химическая эволюция - результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и стало быть устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у животных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстрации «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т. п.

Гипотеза Гея-Земли .

Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее системный подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи.

Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.

Как научиться определять время, сравнивая молекулы? В настоящее время развитие молекулярной биологии, биоинформатики и геномики позволяет находить новые подходы к изучению центрального вопроса всей биологической науки - проблемы эволюции живых систем. Одним из весомых вкладов этих относительно молодых дисциплин в развитие данной области является метод оценки времени эволюционного расхождения таксонов - так называемый метод «молекулярных часов».

Развитие молекулярной систематики

Идея использовать биомолекулы для определения степени родства между видами, как и многие другие важные идеи в биохимии прошлого века, пришла в голову Лайнусу Полингу (Linus Pauling ). Предложенная им и его коллегой Эмилем Цукеркандлем (Emil Zuckerkandl ) в 1965 году концепция была достаточно проста и основывалась примерно на тех же принципах, на которых основана систематика морфологическая. Ученые рассудили, что чем больше сходство между биомолекулами, синтезируемыми организмами, тем более филогенетически близки сами организмы, и наоборот. В первых экспериментах, посвященных изучению данного вопроса, Полинг и его коллеги исследовали некоторые биохимические характеристики (такие, например, как молекулярная масса и электрофоретическая подвижность) гемоглобина, выделенного из крови представителей разных таксонов. В результате оказалось, что гемоглобины человека и гориллы отличаются заметно меньше, чем они вместе отличаются от гемоглобинов лошади. Еще дальше от этой группы стояли гемоглобины курицы, ну а самые сильные отличия наблюдались в белках, выделенных из крови рыбы . Несложно заметить, что выводы зарождающейся молекулярной систематики в этом случае полностью совпали с устоявшимися представлениями морфологов. Разумеется, подобный результат вполне удовлетворил исследователей.

Собственно, время расхождения таксонов при таком подходе определяется исходя из двух параметров: примерной скорости накопления изменений в неких биомолекулах и непосредственного количества этих изменений (различий между биомолекулами таксонов, время расхождения которых пытается определить исследователь). Чем раньше виды разошлись, тем больше отличий в последовательностях биополимеров они накопили. Зная количество различий и скорость их появления можно рассчитать время, за которое они образовались. Однако это только теория, а на практике оба этих показателя довольно трудно поддаются точной оценке.

Рисунок 1. Филогенетическое дерево трёх гипотетических видов A, B и C. Эти виды имеют общего предка X. Виды B и C имеют более позднего предка Y.

Одна из первых попыток осуществить калибровку молекулярных часов была предпринята в конце 60-х годов работах Винсента Сэрича (Vincent Sarich ) и Алана Уилсона (Alan Wilson ), изучавших реципрокное сродство иммуноглобулинов разных родов и видов приматов . Как и Полинг, эти исследователи работали с белками. Сначала выделялись белки из трех разных таксонов. Для простоты назовем их A , B и C (рис. 1). Причем известно, что B и C эволюционно ближе друг к другу, чем к A . К каждому белку были получены антитела, после чего проверялось сродство этих антител к «чужим» белкам. Сначала антитела к белку А тестировались на сродство к белкам В и С , после чего антитела к белкам В и С тестировались на сродство к более эволюционно удаленному белку А . Их целью было выяснить правильность гипотезы о том, что скорость накопления изменений в белковых молекулах является постоянной для изучаемых видов. Данные исследования эту гипотезу не опровергли, поскольку показали, что скорость накопления изменений в линии “В ” оказалась такой же, как и скорость накопления изменений в линии “С ” с момента их расхождения. После этого ученые предположили, что, зная время расхождения линий “В ” и “С ” из палеонтологических данных, можно откалибровать получившиеся молекулярные часы и впоследствии датировать время расхождения таксонов, изучая только их биомолекулы. Впрочем, очень быстро выяснилось, что это не так просто, поскольку их попытки осуществить подобные операции не увенчались успехом - молекулярные оценки сильно расходились с данными палеонтологии.

Однако, несмотря ни на что, методика молекулярных часов находила широкое применение на ранних этапах молекулярно-филогенетических исследований. В частности, ее использовали для оценки времени расхождения крупных таксонов. Например, Дикерсон изучал эволюционные изменения гемоглобина и определил, что растения, животные и грибы дивергировали порядка 1-1,2 млрд. лет назад. Используя последовательности тРНК и 5S РНК МакЛафлин и Дэйхофф , а также Кимура и Ота оценили время расхождения про- и эукариот, получив результат порядка 2-2,6 млрд. лет назад. Как уже говорилось, все эти оценки характеризуются большими погрешностями, однако они не расходятся принципиально с оценками более точных современных исследований.

Несколько отличный подход к определению степени родства видов молекулярными методами применили Бриттен и Кон в 1968 году . Суть их метода заключалась в сравнении сразу всей ДНК исследуемых видов. Это делалось таким образом: сначала молекулы геномной ДНК подвергались денатурации, после чего одноцепочечные молекулы отжигались друг с другом. Далее исследовался полученный гетеродуплекс. Логика была такова: чем больше энергии придется затратить для того, чтобы осуществить денатурацию полученного дуплекса (чем дуплекс более прочен), тем ближе виды между собой, поскольку очевидно, что стабильность такой гибридной ДНК напрямую зависит от того, насколько похожи две частично комплементарные цепи.

Результаты этих исследований не были очень впечатляющими, поскольку тогда еще не было четкого понимания того, что геном состоит далеко не только из уникальной ДНК. Картину портили всевозможные геномные повторы, количество и размер которых, как оказалось, плохо коррелирует со степенью различия между видами (кстати, данная работа сделала серьезный вклад в их изучение) . Возникновение и исчезновение повторов - это непредсказуемый процесс, который может быть вызван огромным числом самых разных причин. К тому же, предполагать, что число повторов изменяется с постоянной скоростью у всех видов в любой исторический момент, довольно наивно.

К 70-м годам прошлого века стало ясно, что если имевшиеся тогда методы молекулярной систематики и подходят для того, чтобы классифицировать эволюционно далекие объекты, то когда речь заходит о близких видах, сопоставление белков и полных геномов обнаруживает явные неточности и дает ненадежные результаты. Например, оказалось, что биохимические различия между шимпанзе и человеком настолько малы, что, судя только по ним, невозможно будет отделить один вид от другого. Становилось понятно, что для более точных результатов надо искать и сравнивать конкретные последовательности ДНК

ДНК: какие куски лучше сравнивать?

Как уже говорилось, одним из самых тонких мест в методике молекулярных часов является определение скорости накопления изменений, которую довольно проблематично точно оценить. К тому же, в большинстве случаев эта скорость для удобства считается постоянной на всем времени с момента расхождения изучаемых видов, а говорить об этом не всегда правомерно. Классическим эволюционистам идея постоянства скорости накопления мутаций была непонятна совершенно. Ведь согласно общепризнанной в то время синтетической теории эволюции, скорость эволюционного изменения видов определяется факторами среды и интенсивностью естественного отбора, а, следовательно, она просто обязана колебаться, поскольку условия среды меняются с переменной скоростью.

Первые идеи по разрешению сложившегося противоречия были предложены японским биологом Моту Кимура (Motoo Kimura ), который сформулировал так называемую «нейтральную теорию» молекулярной эволюции . Предположение заключалось в том, что большинство изменений в последовательности геномной ДНК никак не отражается на фенотипе особей, а, следовательно, не попадает под действие естественного отбора. Интересно, что по этой причине, концепцию Кимуры некоторое время считали противоречащей классическому дарвинизму. Однако сейчас очевидно, что никакого противоречия нет.

Дело в том, что отбор преимущественно действует на уровне строения белковых молекул. Ведь для того, чтобы организм нормально существовал, его белки должны правильно работать, а это невозможно в случае, если белковые молекулы накопят слишком много структурных изменений. Следовательно, организмы, синтезирующие дефектные белки, погибают, а выживают только те, чьи белковые молекулы нормально функционируют и не содержат критического количества перестроек. Но, как оказывается, отсутствие различий в белковых молекулах видов вовсе не говорит о том, что этих различий нет в последовательностях ДНК.

Генетический аппарат клетки устроен таким образом, что непосредственно на структуру белков (а, следовательно, на фенотипические проявления признаков, подвергающиеся действию отбора) влияют далеко не все последовательности ДНК. Сейчас хорошо известно, что в среднем у эукариотических организмов количество структурных генов может колебаться от 10% до 40% от всего генома. Остальные последовательности представлены межгенными спейсерами, регуляторными участками, мобильными элементами и гетерохроматиновыми повторами, мутации в которых далеко не всегда отражаются на фенотипе особи и в массе своей оказываются именно нейтральными.

Разумеется, эти представления появились не сразу. В 30-е годы XX века считалось, что в хромосомах нет ничего, кроме генов, линейно соединенных между собой наподобие бусин на нити. Эти соображения были особенно популярны в период активного изучения политенных хромосом дрозофилы, которым присуща характерная поперечная исчерченность. Поперечные полоски на таких хромосомах, как раз и считали некоторое время генами, наблюдаемыми непосредственно в световой микроскоп. К 60-м годам становится ясно, что между генами содержится множество нуклеотидных последовательностей, которые тогда считались «мусорными», ну а к середине 70-х годов стало ясно, что и сама тонкая структура гена такова, что не все его участки непосредственно влияют на фенотипическое проявление признака (рис. 2). Ведь гены содержат экзоны (кодирующие участки) и интроны (участки, удаляющиеся в ходе процессинга пре-мРНК). Вполне естественно, что скорости изменения функционально разных последовательностей должны отличаться, поскольку важные для нормального существования организма регионы генома естественным образом окажутся более консервативными, а менее значимые участки будут накапливать изменения интенсивнее.

Рисунок 2. Эволюция представлений о строении гена. а - 30-е годы. Хромосомы - это цепочки из генов. б - 60-е годы. Гены в хромосомах разделены спейсерами и гетерохроматиновыми участками. в - Наши дни. Гены содержат интроны, которые удаляются из пре-мРНК в результате сплайсинга.

Молекулярные часы: множество стрелок и все идут с разной скоростью!

В 80-е годы c накоплением данных о ДНК-последовательностях геномов разных организмов число противоречий относительно методики молекулярных часов возросло. В 1986 году в своей работе Бриттен заключил, что разные группы живых организмов могут накапливать молекулярные изменения с разной скоростью . В частности, он пришел к выводу, что грызуны, а именно мыши и крысы, эволюционировали заметно быстрее, чем прочие группы млекопитающих, а, например, человекообразные обезьяны, наоборот, характеризовались низкой скоростью молекулярной эволюции (нейтральные замены накапливались медленнее). Сам Бриттен склонен был объяснять это тем, что у данных групп могли быть различия в системе репарации ДНК, что и привело к расхождению в скорости накопления нейтральных мутаций. Однако эти исследования показывали, что скорость нуклеотидных замен пропорциональна скорее количеству поколений, сменившихся с момента дивергенции исследуемых таксонов, чем абсолютному времени, прошедшему с тех пор, что усложняло применение метода молекулярных часов в исследованиях, поскольку вносило дополнительные неточности.

Примерно в это же время ученые с короткими фамилиями Ву и Ли сделали предположение о том, что в линиях грызунов и человекообразных обезьян могут по каким-то причинам различаться количества синонимичных (не приводящих к замене аминокислоты и, следовательно, не отражающихся на фенотипе) и несинонимичных нуклеотидных замен . Им даже удалось подтвердить это в своей работе, в которой они показали, что число синонимичных замен у грызунов в два раза больше, чем в линии наших предков. Эти данные подтверждали необходимость сравнивать не абсолютные промежутки времени, а количество поколений, прошедших с момента дивергенции.

Однако эти заключения были подвергнуты сомнению в работе Эстила , в которой утверждалось, что причиной расхождений в скоростях накопления мутаций была неверная оценка времени дивергенции общих предков линии грызунов и человекоподобных обезьян. Впрочем, в последующих работах Ли было показано, что есть разница в скорости накопления замен в интронах некоторых генов у обезьян Старого света и их человекоподобных родственников .

Сравнение скоростей молекулярной эволюции различных локусов проводилось и на других объектах. В частности, было показано, что ген алкогольдегидрогеназы у гавайских представителей рода Drosophila изменялся заметно быстрее в сравнении с таким же геном у D. pseudoobscura . Или, например, известно, что структурные гены митохондрий по каким-то причинам изменяются заметно медленнее у рыб, чем у млекопитающих . А недавно с помощью молекулярно-филогенитического анализа удалось не только оценить время, прошедшее с момента дивергенции опсинов, отвечающих за зрение в различных таксонах животного мира, но и доказать сам факт возникновения зрения , насолив тем самым противникам идеи биологической эволюции, считающим, что возникновение новых функций в процессе естественного отбора невозможно по причине нежизнеспособности переходных форм.