Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни - Ричард Докинз

Увы, нет никакой надежды, что длина ног, размер мозга или число усиков будут эволюционировать с неизменной скоростью. Эти признаки важны для выживания, и скорость их эволюции наверняка очень непостоянна. Скорость эволюции предопределена принципами самой эволюции. Как бы то ни было, трудно представить себе единую методику измерения скорости видимой эволюции. Как измерять эволюцию длины ног: в миллиметрах на миллион лет, в процентах на миллион лет, как-либо иначе? Дж. Б. С. Холдейн предложил единицу измерения скорости эволюции – дарвин, на основе пропорционального изменения в течение жизни одного поколения. Однако когда “дарвин” попробовали применить к ископаемым, оказалось, что результаты варьируют от миллидарвинов до килодарвинов и мегадарвинов. Впрочем, это никого особенно не удивило.

Гораздо лучше на роль “часов” подходят молекулярные изменения. Во-первых, не возникает вопросов, что измерять. Поскольку ДНК – это “текст”, записанный в четырехбуквенном формате, у нас появляется естественный способ измерения скорости эволюции. Нужно просто подсчитать буквенные различия. Или можно, если вам больше нравится, взять белковые продукты ДНК и подсчитать число аминокислотных замен. С высокой долей вероятности большинство эволюционных изменений на молекулярном уровне будут нейтральными, не подпадающими под действие естественного отбора. Нейтральность в данном случае не означает бесполезности или нефункциональности: это значит лишь, что разные версии гена одинаково хороши, и поэтому переход от одного к другому естественный отбор не замечает. И это очень полезно для наших “часов”.

Вопреки своей репутации ультрадарвиниста (это не совсем так, и я протестовал бы энергичнее, если бы эта клевета не звучала как комплимент), я не считаю, что естественный отбор благоприятствует большинству эволюционных изменений на молекулярном уровне. Напротив, мне очень нравится так называемая нейтральная теория, связанная с именем японского генетика Кимура Мотоо, или ее расширенный вариант, “почти нейтральная” теория его коллеги Ота Томоко. Миру, конечно, нет дела до человеческих пристрастий, однако мне бы хотелось, чтобы эти теории оказались верны: они предоставляют нам независимую хронику эволюции, не связанную с видимыми признаками, и позволяют надеяться, что та или иная модель “молекулярных часов” действительно работает.

Хочу подчеркнуть, что нейтральная теория не лишает важности отбора в природе. Естественный отбор – это мощнейшая сила, когда дело касается видимых изменений, влияющих на выживание и размножение. Это единственное объяснение функциональной красоты и будто бы “спроектированной” сложности организмов. Но изменения, не имеющие видимого эффекта и не заметные для естественного отбора, могут накапливаться в генофонде. Именно они предоставляют нам данные, необходимые для эволюционных “часов”.

Чарльз Дарвин опередил свое время и в том, что касалось нейтральных изменений. В первом издании “Происхождения видов” (гл. 4) он писал:

Сохранение благоприятных индивидуальных различий и уничтожение вредных я назвал естественным отбором, или выживанием наиболее приспособленного. Вариации бесполезные и безвредные не подвергаются действию естественного отбора; они сохраняются как колеблющийся элемент, как это наблюдается у некоторых полиморфных видов.

В шестом, последнем издании предложение звучало совсем современно:

…как это наблюдается у некоторых полиморфных видов, либо же, в конце концов, закрепляются.

“Закрепляются” – генетический термин, и Дарвин, конечно, не мог использовать его в современном смысле. Но это подводит нас к следующему вопросу. Новая мутация, частота которой в популяции сначала близка к нулю, считается “закрепившейся”, если распространится на 100 % популяции. Скорость эволюции, которую мы хотим измерить с помощью “молекулярных часов”, – это скорость, с которой закрепляется в популяции ряд мутаций в одном генетическом локусе. Очевидный путь закрепления – действие естественного отбора, который благоприятствует новой мутации по сравнению с исходным аллелем “дикого типа” и так ведет к ее закреплению. В результате мутация становится нормой. Но новая мутация может закрепиться и в случае, если она ничуть не лучше предшественницы – то есть в случае нейтральности. Это не имеет ничего общего с отбором и происходит случайно. Как только нейтральная мутация достигла охвата 100 %, она становится нормой, так называемым “диким типом” для данного локуса, – пока другая мутация не повторит ее успех.

При наличии достаточного компонента нейтральности мы потенциально могли бы иметь замечательные “часы”. Кимура не особенно интересовался “молекулярными часами”, однако считал – судя по последним данным, справедливо, – что большинство мутаций в ДНК в самом деле нейтральны, то есть не полезны и не вредны. С помощью удивительно изящных и простых вычислений, которые я здесь не привожу, Кимура показал: если это так, то скорость закрепления нейтральных генов будет точно равна скорости возникновения вариаций – то есть скорости мутаций.

Как видите, этот факт удобен для нас, если мы желаем датировать точки ветвления (рандеву) при помощи “молекулярных часов”. При условии, что скорость мутаций в нейтральном генетическом локусе постоянна, скорость закрепления также будет постоянной. Теперь мы можем сравнить один и тот же ген у двух разных животных – например у панголина и морской звезды, которых объединяет сопредок № 25. Для начала подсчитаем нуклеотиды, которые различаются у гена морской звезды и гена панголина. Предположим, что одна половина различий накопилась в линии, ведущей от сопредка к морской звезде, а вторая – в линии панголина. Так мы узнаем, сколько раз “часы” щелкнули со времени рандеву № 25.

На самом деле все не так просто. Во-первых, если мы прислушаемся к тиканью “молекулярных часов”, то поймем, что оно не размеренное. Скорее оно будет звучать как счетчик Гейгера у источника радиации. То есть оно будет неупорядоченным. Каждый “щелчок” – закрепление одной мутации. Согласно нейтральной теории, интервал между “щелчками” может быть длинным или коротким (так называемый генетический дрейф). В счетчике Гейгера время следующего “щелчка” непредсказуемо. Но (это важно) предсказуем средний интервал для большого количества “щелчков”. Остается лишь надеяться, что “молекулярные часы” предсказуемы, как и счетчик Гейгера. В целом это так.

Во-вторых, скорость часов варьирует от гена к гену в пределах генома. Это генетики заметили давно, еще когда они умели изучать лишь белковые продукты ДНК, а не ее саму. Скорость эволюции цитохрома c выше, чем гистонов, но ниже, чем глобинов, а скорость эволюции глобинов, в свою очередь, ниже, чем фибринопептидов. Точно так же, если сравнить поведение счетчика Гейгера при воздействии слабого источника радиации, например куска гранита, и сильного источника, например куска радия, то интервал между “щелчками” всегда будет непредсказуем, однако средняя скорость хода окажется предсказуемой и кардинально различной для радия и гранита. Гистоны, как гранит, “тикают” с очень малой скоростью, а фибринопептиды, как радий, “жужжат” словно обезумевшая пчела. Другие белки, например цитохром c (или, скорее, гены, которые их кодируют), “находятся” где-то посередине. Существует целый спектр генных “часов”: у всех собственная скорость, и ими можно воспользоваться для различных целей датирования и его перепроверки.

Почему гены мутируют с разной скоростью? Что отличает “гранитные” гены от “радиевых”? Не забывайте, что “нейтральный” не значит “бесполезный” – это значит “равнополезный”. Полезны и “гранитные”, и “радиевые” гены. Просто “радиевые” могут меняться во многих местах и при этом оставаться полезными. Из-за особенностей работы гена некоторые его участки могут безнаказанно изменяться, не влияя на функциональность всего гена. Другие участки того же гена чувствительнее к мутациям, и их функциональность в результате мутаций нарушается. Возможно, у всех генов есть “гранитные” участки, которые для сохранения функциональности гена не должны сильно изменяться, и “радиевые” участки, которые могут беспрепятственно изменяться до тех пор, пока эти изменения не затронут “гранитный” участок. Возможно, ген цитохрома c представляет собой сочетание “гранитных” и “радиевых” участков, гены фибринопептида имеют больше “радиевых” отрезков, а гены гистонов, наоборот, состоят в основном из “гранитных” участков. Это объяснение разницы в скорости мутирования генов несовершенно. Однако нам достаточно знать, что скорость мутирования генов действительно разная, а скорость мутирования конкретного гена довольно постоянна и у очень отдаленных видов.

Однако “довольно постоянна” не значит “постоянна”, и это ставит перед нами довольно серьезную проблему. Ход часов не просто нестабилен. Скорость мутирования одного и того же гена у одних существ может быть выше, чем у других. У бактерий система репарации ДНК менее эффективна, чем наша “вычитка текста”, и поэтому их гены мутируют с более высокой скоростью и “молекулярные часы” идут быстрее. У грызунов репаративные ферменты тоже работают довольно неряшливо, и это объясняет, почему молекулярная эволюция у грызунов идет быстрее, чем у других млекопитающих. Крупнейшие изменения в эволюции, например переход к теплокровности, могут изменять скорость мутаций, а это, в свою очередь, вносит путаницу в оценки дат ветвления. Сейчас разрабатываются сложные методы, которые позволят учесть варьирующие скорости мутирования в разных линиях.