Приспособиться и выжить! ДНК как летопись эволюции - Шон Кэрролл

Ревун — прекрасный пример распространенного в природе явления, называемого конвергентной эволюцией. У представителей самых разных систематических групп можно найти сходные признаки, возникшие независимым путем. Например, ласты пингвинов, тюленей и дельфинов служат одной и той же цели при плавании, но все эти животные произошли от разных предков, у которых ластов не было. Крылья птерозавров, птиц и летучих мышей также служат примером конвергентной эволюции, как и форма тела ихтиозавров и дельфинов, змей и безногих ящериц. И это лишь некоторые из множества известных примеров. Широкое распространение этого явления показывает, что в одинаковых условиях виды часто находят одинаковый путь адаптации.

Однако в деталях процессы эволюции многих конвергентных структур у разных видов могут различаться. Крылья птиц, летучих мышей и птерозавров различаются по своему строению: в этих трех случаях максимальная поверхность крыла образована разными частями передней конечности. На уровне ДНК за эти различия в структурной организации отвечают разные гены. В случае ревуна и других обезьян (а также во многих других примерах, которые я приведу ниже) замечательно то, что похожие события в эволюции различных видов сопровождаются изменением одних и тех же генов, часто даже одних и тех же оснований в последовательности ДНК. В четвертой главе мы уже видели пример такого точного повторения: у птиц, способных видеть в ультрафиолетовом свете, одно и то же изменение коротковолнового опсина происходило не менее четырех раз. А в пятой главе мы познакомились с пятью группами организмов, у которых ген того же самого опсина был инактивирован в результате мутаций и стал ископаемым геном. Смысл этих примеров в том, что они являются фактическим доказательством повторения эволюционных событий на самом глубоком и основополагающем уровне.

Но это лишь вершина айсберга.

Ниже я приведу много других примеров того, как эволюция воспроизводит саму себя. Некоторые повторяющиеся адаптации вам уже знакомы из предыдущих глав: эволюция нового панкреатического фермента у жвачных животных, появление антифриза у ледяных рыб, а также потеря генов, ответственных за расщепление галактозы, у дрожжей. Далее мы рассмотрим несколько новых признаков, таких как темная или светлая окраска тела, которая не раз возникала одним и тем же способом у совершенно непохожих организмов. Наблюдая, как одинаково развиваются неродственные виды, мы получаем исчерпывающее доказательство того, как естественный отбор, действуя на уровне вариаций ДНК, влияет на их эволюцию.

Способность естественной истории к самовоспроизводству вызывает резонный вопрос — как и почему это происходит. Как я покажу далее, для ответа на этот вопрос нужно учесть такие факторы, как вероятность, время и отбор, а также арифметику больших чисел, определяющую частоту событий в ДНК и в природе вообще. Повторяемость природных событий и лежащая в основе этого явления арифметика составляют главное содержание этой главы и объясняют основные идеи всей книги.

Чтобы лучше понять конвергентную эволюцию, давайте сначала подробнее поговорим об обезьянах ревунах и о том, почему мы полностью уверены в том, что их способности эволюционировали независимо от таких же способностей обезьян Старого Света.

Наличие полноценного цветового зрения у ревунов, обнаруженное во время масштабного исследования обезьян Нового Света, оказалось для ученых неожиданностью. Эта способность у ревунов, как и у приматов Старого Света, могла возникнуть в результате реализации одного из двух альтернативных эволюционных сценариев. В первом случае ревуны могли унаследовать цветовое зрение от своего общего предшественника с обезьянами Старого Света. Во втором, который, как я уже говорил, и имел место, ревуны должны были обзавестись цветовым зрением в результате последовательности событий, не связанной с эволюцией обезьян Старого Света.

Откуда мы знаем, какой сценарий правильный?

Допустим, какие-либо два вида организмов имеют общие признаки. Чтобы установить, унаследованы ли они от общего предшественника или появились независимо, нужно посмотреть, как связаны эти виды на эволюционном древе. Отмечая наличие или отсутствие признака на эволюционном древе, можно проследить историю возникновения этого признака. Каждая точка ветвления на древе соответствует общему предку исходящих из этой точки ветвей. Если у всех видов, произошедших от данного предка, этот признак есть, то, скорее всего, предок также обладал этим признаком (рис. 6.1 а). Однако если две ветви, обладающие данным признаком, соединяются с другими ветвями, в которых этого признака нет, то, вероятнее всего, в двух ветвях этот признак появился независимым образом (рис. 6.1 б).

Рис. 6.1. Альтернативные варианты появления общих признаков у разных видов. Разные виды организмов могут обладать общим признаком (звездочка), если они унаследовали его от общего предка (A) или в результате независимой эволюции этого признака у данных видов после их отделения от общего предка (Б). Рисунок Лианн Олдс.

Теперь давайте взглянем на эволюционное древо приматов Старого и Нового Света (построенное на основании наследования SINE, LINE и других последовательностей ДНК), изображенное на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Полноценное цветовое зрение возникало у приматов дважды. На основании распределения способности к цветовому восприятию и эволюционных связей между приматами, представленных на этой диаграмме, можно сделать вывод о том, что полноценное цветовое зрение возникало у приматов дважды (стрелки): один раз у общего предка человекообразных и других обезьян Старого Света, второй раз — у ревунов. Из статьи Giladet at., 2004, PloSBiology 2 (1): e5 (с изм.).

Из рисунка следует, что ближайшими родственниками ревунов являются другие обезьяны Нового Света, но ни один из этих видов не обладает полноценным цветовым зрением. Теоретически возможно, что у предшественника обезьян Нового Света цветовое зрение было, но все потомки, кроме ревуна, эту способность потеряли. Однако такой сценарий предполагает лишь одно приобретение и слишком много потерь. Более простое объяснение, подразумевающее гораздо меньшее количество эволюционных изменений, заключается в том, что ревун произошел от предшественника с дихроматическим зрением и самостоятельно приобрел способность различать цвета.

К счастью, чтобы докопаться до истины, мы не обязаны полагаться лишь на информацию, заключенную в эволюционном древе. Удвоение генов оставляет в ДНК свои следы. Анализ последовательности и организации современных генов опсинов в ДНК приматов Старого Света, а также ревунов и других обезьян Нового Света проливает свет на их историю. Из текста ДНК однозначно следует, что удвоение гена опсина у приматов Старого Света и у ревуна — несвязанные события. Мы можем это утверждать, поскольку в этих двух случаях размеры удвоенных фрагментов ДНК разные. У приматов Старого Света вне кодирующей последовательности каждого из двух генов имеются одинаковые последовательности длиной по 236 пар оснований. Это означает, что при создании гена средневолнового опсина была удвоена еще и прилежащая последовательность из 236 пар оснований. А у ревуна к удвоенным генам опсина примыкают гораздо более протяженные некодирующие участки. Такое могло произойти лишь в том случае, если удвоение гена опсина у ревуна произошло независимо от удвоения гена опсина у нашего с вами предка.