Шон Кэрролл - Приспособиться и выжить!

Всего в последовательностях двух новых копий рибонуклеазы обнаружено соответственно десять и тринадцать аминокислотных замен по сравнению с традиционной версией фермента. Одно из наиболее важных отличительных свойств новых белков состоит в том, что они обладают повышенной активностью в более кислой среде. Эта особенность согласуется с различиями в устройстве системы пищеварения колобусов и других приматов.

Но это открытие — не единственное доказательство участия естественного отбора в эволюции рибонуклеазы. Еще более весомые доказательства получены в результате анализа последовательности генов и белков новых рибонуклеаз. Вспомните, в предыдущей главе мы говорили о том, что большинство изменений в ДНК являются синонимичными. Однако в двух новых версиях гена рибонуклеазы соотношение несинонимичных и синонимичных изменений очень высокое (примерно 4:1, тогда как для других белков это соотношение составляет 1:5). Это является прекрасным доказательством того, что специфические изменения белка были поддержаны естественным отбором.

Изобретаем и адаптируемся

Эволюция цветового зрения и пищеварительных ферментов — лишь два из огромного числа примеров увеличения объема генетической информации и ее настройки в ходе приспособления видов к новым экологическим нишам. Удвоение генов и их тонкая настройка под действием естественного отбора происходят повсеместно. Большинство наших генов относятся к семействам генов, расширившимся в ходе эволюции. Случайное удвоение генов или групп генов происходит достаточно часто. Многие люди различаются между собой по количеству копий генов.

Поскольку в момент своего появления новые копии генов являются избыточными, ненужными, со временем лишь часть их сохраняется и подвергается функциональным изменениям, о которых я рассказывал на примере опсинов и рибонуклеазы. Сохранение и настройка генов — это видоспецифический процесс, который зависит от вероятности, отбора и времени. Разная судьба генов приводит к разнице в количестве генов у разных видов, а также, что еще более важно, к физиологическим и другим различиям между видами. Мы увидели, что смена образа жизни, например освоение океанских глубин или переход на лиственную диету, сопровождается характерными изменениями генов, задействованных в этих процессах.

Однако приобретение и тонкая настройка генов — лишь одна сторона эволюционной адаптации. У этого процесса есть вторая сторона, которая также отражена в ДНК. Когда образ жизни вида изменяется по сравнению с образом жизни его предков, какие-то функции генов становятся ненужными, и такие гены начинают разрушаться. Если мы застаем ген в таком состоянии, он может многое рассказать об эволюционном изменении вида. Об этом мы и поговорим в следующей главе.

Латимерия. Фотография сделана с помощью глубоководного аппарата IAGO, сконструированного Юргеном Шоером и Хансом Фрике.

Глава 5

Ископаемые гены. Осколки прошлой жизни

Природа, вообще говоря, это единственная книга, которая сообщает нечто важное на каждой странице.

Это был великолепный рождественский подарок.

В первой половине дня 22 декабря 1938 г. Марджори Куртене-Латимер получила от руководства местной флотилии сообщение о том, что «Нерин» пришвартовался и, возможно, она сможет найти новых рыб для своей коллекции. Мисс Латимер была первым куратором Ист-Лондонского музея естественной истории в Капской провинции Южной Африки. В этот день она была занята тем, что пыталась собрать выкопанный ею скелет динозавра, а также готовилась к предстоящим праздникам.

Однако из порта звонили нечасто, так что она решила отложить работу и заглянуть на корабль. Подобрав подол, она поднялась на борт траулера и стала осматривать лежащих на солнце вонючих акул, губок и других знакомых существ. Мисс Латимер уже собралась было вернуться в музей, когда вдруг увидела это. Под тушами других рыб она обнаружила «самую прекрасную рыбу, какую видела в жизни. Она была пяти футов в длину и имела бледную синевато-лиловую окраску с радужными отметинами».

Кроме того, это существо не было похоже ни на одну рыбу, виденную ею прежде. Оно было покрыто твердой чешуей, имело четыре похожих на лапы плавника и странный хвост, как у щенка. Мисс Латимер поняла, что этот экземпляр необходимо сохранить. Рыбина весила 127 фунтов[12], так что перевезти разлагающуюся тушу в музей было непростой задачей. Водителя такси пришлось долго уговаривать, чтобы он позволил погрузить ее в багажник.

Вернувшись в музей, мисс Латимер показала свою находку директору. Он быстро идентифицировал рыбу как каменного окуня. Мисс Латимер, которая была самоучкой в области естественной истории, думала иначе, однако ни один из справочников не помог ей определить рыбу, чья туша разлагалась на ее лабораторном столе. Мисс Латимер решила искать помощи на стороне — в лице профессора химии и ихтиолога-любителя Дж. Л. Б. Смита, работавшего в Университете Родоса, в 150 км от Ист-Лондона. Она не смогла до него дозвониться и поэтому на следующий день отправила ему по почте письмо с описанием и рисунком рыбы.

Смит получил письмо только после Нового года. В это время он поправлялся после болезни и, когда смог наконец прочесть письмо, поначалу пришел в недоумение. «И вдруг словно бомба взорвалась в моей голове: из наброска и письма проступили образы рыбоподобных существ, проплывавшие один за другим, словно на экране, — это были древние рыбы, которые жили в незапамятные времена и от которых остались лишь разрозненные отпечатки на камне».

Смит немедленно отправил мисс Латимер телеграмму:

НЕОБХОДИМО СОХРАНИТЬ СКЕЛЕТ И ЖАБРЫ ОПИСАННОЙ РЫБЫ.

Мисс Латимер между тем уже попросила таксидермиста сохранить рыбу, насколько это возможно.

Смита мучила не дававшая ему покоя безумная мысль. Дело в том, что и рисунок, и полученные им позднее чешуи говорили о том, что эта рыба — целакант, представитель группы рыб с парными плавниками, которые, как считалось, являлись близкими родственниками первых четвероногих позвоночных и вымерли в конце мелового периода, 65 млн лет назад.

Наконец Смиту довелось увидеть рыбу собственными глазами, что лишило его всех сомнений — и дара речи. Он писал: «Я забыл обо всем на свете и только смотрел и смотрел, а потом, почти трепеща, подошел, потрогал и погладил [ее]».

Смит назвал рыбу латимерией (Latimeria chalumnae) — в честь мисс Латимер и в честь реки[13], вблизи которой рыба была поймана. Прошло 14 лет, прежде чем Смит или кто-либо еще снова увидел латимерию (когда это случилось, Смит разрыдался). После этого было поймано много латимерий, в частности у берегов Индонезии был обнаружен другой вид этих рыб.

Латимерия занимает в естественной истории особое место. Это единственный сохранившийся представитель древней группы, строение тела которого роднит его с далекими предками, жившими 360 млн лет назад. Поэтому латимерию называют живым ископаемым.

В этой главе мы с вами откроем для себя новый тип ископаемых, который сохранился в ныне живущих организмах и связывает нас с очень далекими предками и самыми ранними формами жизни. Речь пойдет об ископаемых генах.

Мы уже видели, что переход к новому образу жизни (от жизни на суши к жизни в воде, от восприятия видимого света к ультрафиолетовому зрению или от питания фруктами и насекомыми к лиственной диете) сопровождается образованием и тонкой настройкой новых генов. Теперь мы увидим, что подобные изменения, кроме того, оставляют в ДНК следы в виде генов с утраченной или нарушенной функцией. Ископаемые гены хранятся в ДНК примерно так же, как окаменелости среди осадочных пород, а содержащаяся в этих генах информация со временем эродирует и разрушается. Для информации, заключенной в ДНК, существует железное правило: используй, или потеряешь. Распад текста ископаемых генов служит доказательством бездействия естественного отбора и является строго специфичным по отношению к конкретным генам и видам. Давайте посмотрим, каким образом эти обломки древнего кода отражают историю адаптации видов, включая человека, к новым условиям существования. Начнем с рассказа о ДНК латимерии и о некоторых теперь хорошо известных ископаемых генах, а потом рассмотрим несколько примеров массового превращения генов в ископаемые.

Смена места жительства и ископаемые гены опсинов

На волне огромного интереса к латимерии к местам ее естественного обитания были направлены экспедиции. Спускаясь на глубину, ученые наблюдали этих рыб в подводных пещерах вблизи Коморских островов и у берегов Южной Африки. Днем рыбы прячутся в пещерах, а ночью медленно перемещаются вблизи дна в поисках пищи. На глубину 100 м и более, где обитают латимерии, проникает лишь очень слабый синий свет.