От чего зависит процесс эволюции и можно ли его ускорить?
Генетика – сложная штука. Все живые существа на нашей планете являются своего рода «машинами для выживания и передачи генов», – такое мнение выразил в своей книге «Эгоистичный ген» английский биолог Ричард Докинз. С этим утверждением сложно не согласиться, поскольку гены передаются от родителей к потомству, постепенно изменяясь и трансформируясь в результате небольших «ошибок» при копировании самих себя. Эти ошибки или мутации иногда приводят к возникновению новых полезных (а иногда и не очень) черт. Однако именно тип наследуемых мутаций имеет решающее значение для понимания того, как эволюционируют виды. При этом до недавнего времени были известны скорости мутации лишь для небольшой группы видов. Эта ситуация, однако изменилась после публикации результатов масштабного исследования 68 различных видов позвоночных, от ящериц и пингвинов до людей и китов. Работа позволила провести первое крупномасштабное сравнение скорости мутации видов, что является первым шагом к пониманию того, как быстро они могут эволюционировать.
Содержание
1. Естественный отбор
2. Какие факторы способствуют эволюции?
3. От чего зависит частота генетических мутаций?
4. Что дальше?
Теория естественного отбора впервые была опубликована в 1859 году, став результатом упорного труда Чарльза Дарвина и его коллеги Альфреда Рассела Уоллеса. В те годы большинство ученых считало, что организмы слишком сложны, чтобы иметь естественное происхождение, а значит, являются результатом божественного творения. Однако, согласно эволюционной теории, даже самые сложные организмы возникают в результате совершенно естественных процессов.
Естественный отбор – это механизм эволюции. Организмы, которые более приспособлены к окружающей среде, с большей вероятностью выживут и передадут по наследству гены, которые способствовали их успеху. Этот процесс приводит к изменению видов и их расхождению с течением времени.
В ходе естественного отбора генетические мутации, полезные для выживания особи, передаются следующим поколениям, увеличивая их шансы выжить и оставить потомство. Огромную роль в эволюции видов играют различные условия и факторы окружающей среды.
Перед вами наглядный ход эволюции клюва вьюрков Дарвина
Так, понять столь сложный процесс, как эволюция, Дарвину помог вид вьюрков, обитающих на Галапагосских островах. Работая над теорий естественного отбора британский натуралист заметил, что у разных видов вьюрков клювы разной формы – для обработки определенных видов пищи. Он также пришел к выводу, что все они произошли от одного общего предка.
Еще одним свидетельством торжества естественного отбора является длинная шея жирафа, которая позволила этим удивительным животным питаться листьями, до которых другие не могут дотянуться и обзавестись конкурентным преимуществом. Благодаря лучшему источнику пищи те, у кого шея была длиннее, смогли выжить, размножиться и таким образом передать эту особенность следующему поколению.
Современные люди, как известно, также обязаны своим существованием коллекции более ранних, ныне вымерших видов, таких как Homo neanderthalensis, чей череп похож, но не совсем идентичен черепам Homo sapiens. Ископаемые останки наших далеких предков позволяют археологам разобраться в том, как они эволюционировали ища изменения в различных характеристиках, например в размере мозга, форме черепа и размере челюсти.
Несмотря на череду последних открытий, эволюция нашего собственного вида по-прежнему содержит больше вопросов, чем ответов.
Какие факторы способствуют эволюции?
Результаты масштабного анализа, недавно опубликованного в журнале Nature, стали первым шагом к пониманию того, с какой скоростью эти виды могут эволюционировать. Анализ включает в себя 68 различных видов позвоночных, включая пингвинов, китов, ящериц и людей. Работа позволила ученым наглядно продемонстрировать как может изменяться темп мутаций и что именно этот темп задает.
Теперь, располагая массивным набором данных биологи могут определить ключевые признаки, оказывающие влияние на частоту мутаций и темпы эволюции. Необходимо отметить, что факторы, которые определяют частоту и темп мутаций, сами подчиняются естественному отбору.
Вот что пишет об этом ведущий автор нового исследования Люси Бержерон: «Мутация зародышевой линии, как и любой другой признак, подвергается естественному отбору».
Естественный отбор начинается на генетическом уровне
Несмотря на то, что технологии секвенирования генома существуют уже довольно давно, никто ранее не проводил масштабного многовидового сравнения частоты мутаций. По этой причине Бержерон и ее коллеги начали со сбора образцов крови и тканей у «семейных троек» — матери, отца и одного из их отпрысков — из зоопарков, ферм, научно-исследовательских институтов и музеев по всему миру. Затем они сравнили ДНК родителей и потомства в каждой тройке, чтобы точно определить генетические различия между поколениями.
Если мутация обнаруживалась примерно в 50% ДНК потомства, то она, вероятнее всего, являлась зародышевой, то есть унаследованной либо через яйцеклетку матери, либо через сперматозоид отца. Менее частые мутации, поо мнению ученых, происходили спонтанно в тканях вне зародышевой линии, а значит были не так важны для эволюции ведь не передавались по наследству.
В итоге у исследователей получилась 151 пригодная для использования тройка разнообразных видов, включая касаток, техасских гекконов, сиамских бойцовых рыбок и людей. Сравнив частоту мутаций отобранных видов с тем, что известно об их поведении и характеристиках, исследователи рассмотрели статистический показатель для каждого вида (эффективную численность популяции), который примерно соответствует тому, сколько особей необходимо для представления генетического разнообразия.
Естественный отбор может воздействовать непосредственно на зародышевые мутации.
Самым удивительным открытием, сделанным на основе полученных данных, стал широкий диапазон частот мутаций зародышевой линии. Когда биологи измерили, как часто происходили мутации в каждом поколении, оказалось, что виды различались всего примерно в 40 раз, что, по мнению Бержерон, казалось довольно незначительным по сравнению с различиями в размерах тела, продолжительности жизни и других признаках.
Однако, частота мутаций в год, а не на поколение, возросла примерно в 120 раз, а это намного больше, чем предполагалось в предыдущих исследованиях. Авторы работы пришли к выводу, что чем выше средняя эффективная численность популяции вида, тем ниже частота его мутаций.
От чего зависит частота генетических мутаций?
Выводы, к которым пришли авторы анализа, соответствуют гипотезе «дрейфового барьера», выдвинутой генетиком Майклом Линчем, который был сторонником геномной архитектуры эволюции, основанной на влиянии размеров популяции в разных линиях.
Гипотеза дрейфового барьера гласит, что "естественный отбор неустанно пытается снизить частоту мутаций, так как большинство мутаций вредны". Однако у видов с меньшими эффективными размерами популяции естественный отбор ослабевает, потому что генетический дрейф — влияние чистой случайности на распространение мутации — становится сильнее, позволяя увеличить частоту мутаций.
Интересно, что в своих классических трудах Чарльз Дарвин называл эволюцию медленным процессом, происходящим в геологических масштабах времени. Сегодня все больше данных свидетельствуют о том, что это не так.
Полученные результаты также подтверждают другую идею, изложенную в научной литературе – гипотезу эволюции, управляемой самцами. Согласно ей, самцы могут вносить больший вклад в эволюцию некоторых видов мутаций, чем самки. Бержерон и ее коллеги обнаружили, что частота мутаций зародышевой линии, как правило, выше у мужских особей, чем у женских — по крайней мере, у млекопитающих и птиц, но не у рептилий и рыб.
Авторы анализа отметили возможную причину этих различий: поскольку самцы всех видов постоянно копируют свою ДНК для производства сперматозоидов, они сталкиваются с бесконечными возможностями для возникновения мутаций.
Самки рыб и рептилий тоже откладывают яйца на протяжении всей своей жизни, поэтому подвергаются аналогичному риску генетической ошибки. Но самки млекопитающих и птиц, по сути, рождаются со всеми яйцеклетками, которые они когда-либо произведут, поэтому их зародышевые линии более защищены, – говорится в работе.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, позволили получить удивительное представление о том, как может изменяться темп генетических мутаций.
Самый большой эффект, как удалось выяснить ученым, связан со средним возрастом, в котором размножается тот или иной вид: частота мутаций зависит от возраста родителей – чем они старше, тем мутаций больше.
Интересно, что у некоторых позвоночных основополагающими факторами мутаций являются возраст и количества потомства. И это – вопреки ожиданиям – ученые не обнаружили никакого эффекта, связанного с размером тела. Поясним: существует давняя гипотеза о том, что существа с большими размерами тела должны иметь больше мутаций, так как у них больше клеток и, следовательно, больше возможностей для механизма копирования ДНК совершать ошибки.
Результаты нового исследования сложно переоценить, так как в будущем они помогут ответить на вопросы о том, какие движущие факторы эволюции определяют частоту мутаций и, следовательно, саму эволюцию. Кроме того, анализ намекает на то, насколько велико биологическое разнообразие, существующее в природе.
Стоит ли вмешиваться в процесс эволюции? Или же это — плохая идея?
Только представьте, какие изменения могут произойти в науке, если ученые, наконец, смогут ускорить процесс эволюции некоторых видов, включая и нас с вами? Безусловно, это поднимает множество этических вопросов, однако лучшее понимание такого сложного и многогранного процесса как естественный отбор дарит нам более глубокое понимание окружающего мира и нас самих.