Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни - Ричард Докинз

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:

В шестом, последнем издании предложение звучало совсем современно:

“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.

Еще один тревожный факт: период размножения предоставляет максимум возможностей для мутаций. Поэтому виды с коротким жизненным циклом, например дрозофилы, накапливают мутации быстрее, чем, например, слоны. Вот почему появилось предположение о том, что щелчки “молекулярных часов” соответствуют скорее поколениям, чем единицам реального времени. Однако когда молекулярные биологи изучили скорости мутирования, используя линии с хорошо сохранившейся палеонтологической летописью, они этого не обнаружили. Оказалось, “молекулярные часы” все-таки отсчитывают время скорее в годах, чем в поколениях.