Молекулярный механизм эволюции

Информация о наследственности живых существ приписывается гигантским цепочкам молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Язык, в котором заключена это информация, открыт современной молекулярной биологией, так что сегодня ДНК, как говорится, можно «считывать» — не так, как в книге, конечно, но специальный ген может быть расшифрован в лабораторных условиях за сравнительно короткий период времени (в течение нескольких недель или месяцев). Тем самым становится возможным исследовать эволюционные механизмы на молекулярном уровне. Нам хотелось бы сделать наглядной информацию о наследственности и затем заняться рассмотрением возможностей изменения целенаправленного или случайного.

Основные элементы ДНК называются нуклеотидами . Имеются четыре различные формы и, по крайней мере, две из них комплементарны друг другу. Это означает, что они подходят один к другому как ключ к замку. Три следующие друг за другом пары можно сравнить со словом (как с единицей языкового текста), равным по значению со специальной аминокислотой. Такая группа, состоящая из трех элементов, называется триплет или кодон . Различные слова составляют предложение, наполненное смыслом целое. Точно так же, если «считывать информацию», заключенную в клетке, то можно найти определенный смысл и в последовательности расположения триплетов, будь их несколько десятков или несколько сотен (см. рис. 4.1 и 4.2). При этом последовательность нуклеотидов ДНК переводятся при участии специальных промежуточных молекул (так называемых транспортных или т- РНК ) в цепочку аминокислот ( протеины ). Этот перевод ( трансляция ) происходит в очень сложных «машинах», производящих «сборку» молекул белка в рибосомах. Этот механизм еще до конца не понят и для нашего изучения не имеет далее большого значения. Как изложено в главе 5, не существует реалистического представления о том, как подобный механизм мог возникнуть случайно.

Наряду с цепочками ДНК, кодирующими протеин, имеются еще цепочки, не принимающие участия в биосинтезе, но исполняющие функцию регуляции, и цепочки, функции которых пока еще неизвестны.

Последовательность нескольких триплетов, которые в результате трансляции образуют протеин, называют геном . В клетке бактерий их насчитывается до 1000, в клетке млекопитающих от 100 000 до миллиона (точное число пока еще неизвестно). Гены содержат, в числе прочего, информацию о строении ферментов — белков, отвечающих за расщепление с получением энергии высококалорийных (богатых энергией) соединений, таких как сахар, или за то, чтобы растения с помощью фотосинтезирующего аппарата могли из СО 2 и Н 2 0 создавать органические молекулы. Ферменты несут ответственность за процессы передачи сигналов в нервных клетках и, конечно же, делают возможной мыслительную деятельность человека. В противовес сторонникам эволюции мы не хотим сказать, что мышление является чистой функцией материи! Молекулы являются, конечно, необходимыми, но отнюдь не достаточными условиями мыслительного процесса. На рисунке 4.3 воссоздается структура протеина, который играет большую роль в фотосинтезе бактерий. Схематически изображенная аминокислотная цепь специально создана так, что молекулы бактериохлорофилла могут наилучшим образом улавливать свет и в ходе сложного процесса его перерабатывать. К тому же отдельные аминокислоты соединяются друг с другом так, что длинная цепочка занимает определенную пространственную форму. В ходе лабораторных экспериментов было выявлено, что это происходит во многих случаях абсолютно самостоятельно. Информация о пространственной структуре протеина всегда определяется последовательностью аминокислот в цепочке — первичной структурой . Благодаря этому в некоторых местах создается такая химическая среда, в которой необходимые реакции происходят гораздо легче, чем обычно. Этот принцип называется катализом . В нашем примере посредством определенного расположения аминокислот в семи местах протеиновой цепочки создается химическая среда, способствующая появлению строго определенного соединения — молекулы бактериохлорофилла. Молекула бактериохлорофилла образует совместно с аминокислотами, фиксирующими ее в пространстве, активный центр. Он катализирует прием и преобразование световой энергии в энергию химических связей.

В нашем организме имеются тысячи ферментов, но о многих из них мы не знаем или не знаем пока еще точно, для чего они служат. Известно лишь одно: все это множество протеинов в клетке самым тесным образом «подогнано» друг к другу для того, чтобы весь организм мог функционировать как единое целое.

Но протеины служат не только для катализа реакций обмена веществ. Некоторые из них участвуют в создании таких биологических структур, как коллаген в наших волосах. Другие же устроены так, что вступают в реакцию с ферментами и контролируют катализируемые ими реакции. Весьма важная группа протеинов может соединяться с цепочками нуклеотидов ДНК и, тем самым, регулировать дупликацию (удвоение) ДНК и передачу генетической информации.

Ошибается тот, кто думает, что функцию фермента можно понять, если расшифровать непосредственно или при помощи нуклеотидной цепочки последовательность расположения в них аминокислот и точно указать, какую реакцию они катализируют. Это неверно. Имеются сотни ферментов с известной последовательностью аминокислот, о которых, однако, очень мало известно, какой вклад определенная аминокислота вносит в функции фермента, и что последует, если заменить ее в ходе мутации. Сегодня пока еще не представляется возможным предсказать точную пространственную структуру протеина на основании первичной структуры.

Итак, гены, несущие информацию о протеине (в этом случае говорят: они кодируют протеин), распределены по всей цепочке ДНК непроизвольно. Часто они составлены так, что протеины, которые по своему биологическому предназначению должны взаимодействовать, кодируются последовательно в ДНК и часто даже совместно регулируются. Подобная последовательность генов называется оперон . Такой вид генетической регуляции сначала был обнаружен у бактерий. У более высокоразвитых живых существ, имеющих ядерные клетки, имеется, напротив, другой вид генетической организации. Старая гипотеза молекулярной биологии гласит: один ген соответствует одному протеину. Эту гипотезу называли также «один ген — один протеин». Для бактериальных протеинов это верно, но у более развитых организмов многие гены делятся на части (рис. 4.4). Цепочки ДНК подразделяют на экзоны и нитроны . Последовательности экзонов транслируются в последовательности аминокислот, а последовательности интронов не транслируются. Происходит следующее: во время транскрипции информация с ДНК переписывается на информационную РНК (и-РНК). И-РНК разделяются специальным ферментом на экзоны и интроны. Потом все относящиеся к протеину экзоны опять соединяются вместе — в зрелые и-РНК и могут, наконец, быть переведены в протеины ( трансляция ). Наследственная информация о протеине разделяется, таким образом, между многими «генами». До настоящего времени точно не известно, какую функцию выполняют интроны. Некоторые эволюционисты предполагают, что они являются «отходами» эволюции, другие считают это «эгоистичной» или «паразитарной» ДНК. Многие биологи придерживаются мнения, что функция их пока неизвестна и подобные «интроны» выполняют, возможно, важные регуляторные функции Возможного потенциала изменчивости этих структур мы коснемся ниже.

Сразу же после того, как была пересмотрена гипотеза «один ген — один протеин», фальшивым было признано также и другое представление о ДНК. Существовало предположение о том, что молекула наследственности является чем-то жестким и застывшим В действительности ДНК является динамичной молекулой — некоторые биологи называют ее «свободной» И опять-таки по было сначала открыто у бактерий. Наряду с основной кольцевой ДНК у бактерии имеются в цитоплазме так называемые плазмиды . Эти кольца ДНК имеют значительно меньшие размеры и располагаются в определенном месте вне бактериального генома. В таких плазмидах закодированы, например, факторы иммунитета против антибиотиков (см. раздел 3.3.4.) Бактерии могут перенимать плазмиды у особей других видов. (Этот процесс стал известен под названием » горизонтальный перенос «). Подобные феномены встречаются и у более высокоразвитых растений (предположительно также и у животных), речь идет о » прыгающих » генах, за открытие которых была присуждена Нобелевская премия. Такие генные фрагменты могут «прыгать» по различным местам ДНК в пределах одного поколения организма и тем самым оказывать существенное влияние на транскрипцию, особенно если они встраиваются в регуляторные зоны ДНК. Генетический материал клетки перестраивается, таким образом, по ходу дела, изменяясь и образуя новые сочетания. Эволюционно-теоречическое значение «тих процессов мы обсудим позднее.

Предстоящий короткий экскурс в молекулярную генетику и краткое изложение ее основных положений необходимы были для того, чтобы мы могли лучше понять последующие рассуждения о «молекулярных механизмах эволюции» Кроме того, должна быть прояснена степень сложности поставленных вопросов, поскольку после шумных успехов молекулярной биологии многие из них остаются все еще открытыми и появляются все новые. Поэтому рассмотрение молекулярных основ эволюции вынуждено оставаться умозрительным и носить предварительный характер. По сути дела, многие попытки найти ответ терпят неудачу из-за недостатка знаний жизненно важных процессов, особенно на молекулярном уровне В этом сторонники эволюционной теории, как и сторонники теории сотворения, находятся на равных. И все же это не должно стать для нас препятствием к тому, чтобы наиболее объективным образом оценить известные в настоящее время данные научных выводов молекулярной биологии относительно их значения для исследования причинности эволюции.

Рис. 4.1. Четыре различных основания ДНК лежат в основе триплетов (кодонов), при этом каждый триплет соответствует определенной аминокислоте. В процессе транскрипции (перевода информации на РНК) и трансляции (перевода на язык протеинов) в соответствующих рибосомах аминокислоты соединяются в протеины. Этот схематически изображенный процесс в действительности очень сложен и становится возможным только благодаря строго упорядоченному взаимодействию сотен компонентов. У бактерий этот процесс в общих чертах является таким же, как и у человека.

Рис. 4.2. Транскрипция и перевод информации ДНК в протеины еще раз схематически изображен на этом рисунке. Можно сравнить этот процесс с информационным центром огромного предприятия ( = ядро клетки с геномом; геном — совокупность генов только ДНК ядра), в котором вся собранная информация размещена в книгах или магнитофонных записях ( = ДНК). Тогда, в зависимости от необходимости, отдельные страницы одноразово или многократно копируются информационной РНК (u-PHK) и переносятся из центра в фабричные цеха (цитоплазма с рибосомами) для реализации (синтез протеина), откуда уже продукты достигают места назначения в клетке.

Рис. 4.3. Пространственное изображение аминокислотной цепи протеина хлоропластов некой бактерии. С и N обозначают концы аминокислотной цепи, цифры относятся к семи молекулам хлорофилла бактерии, которые абсорбируют свет и, в конечном итоге, делают доступным обмен веществ. Ясности ради многие побочные цепи опущены. Структура протеина настолько сложна, что даже при сегодняшнем уровне знании последовательность аминокислот нельзя точно расшифровать, так как цепочка нелинейна. (Из J. Mo/. Biol., 131, 159-285, /1979/, с разрешения издательства.)

Рис. 4.4. Для транскрипции двойная спираль ДНК должна раскрутиться на отдельные нити. После того, как одна цепочка переписывается на молекулу и-РНК, специальные ферменты делят ч-РНК на отдельные части («экзоны») и образуют чч них более короткие и-РНК, которые служат матрицей для синтеза протеина на рибосоме. Пунктирно обозначенные части РНК /»интроны j распадаются опять на нуклеотиды. Недавно было установлено, что эти интроны частично обладают ферментной активностью. Можно легко себе представить, что с помощью этих механизмов различные фрагменты ДНК могли бы комбинироваться друг с другом по-разному,

Молекулярный механизм эволюции

Молекулярная эволюция

Рентгеноструктурные исследования дали неожиданный выход в увлекательную область эволюции. Близость строения миоглобина и субъединиц гемоглобина не случайна. Установление пространственных структур некоторых белков, имеющих различное происхождение, а также установление последовательности расположения аминокислот в них явилось мощным средством, позволяющим заглянуть внутрь процесса эволюции. Во всех ферментах, структура которых установлена до настоящего времени, активные центры располагаются в углублениях или впадинах, формы которых весьма близки. Почему? Как возникло такое глобулярное пространственное образование?

Как мы видели в гл. 4, живые организмы хранят генетическую информацию в матрице ДНК. Установлено также, что под действием излучения (УФ-, рентгеновского и т. д.) или некоторых химических агентов в молекуле ДНК происходят мутации. Вследствие таких мутаций угасают жизненно важные биологические функции, изменяется последовательность аминокислот при биосинтезе белков и других природных соединений или даже возникают совершенно новые биологические системы. Все зависит от количества измененных генов и характера изменений в них.

С некоторой уверенностью можно утверждать, что большинство мутаций не ведет к улучшению организма. Во многих случаях мутации оказываются нежизнеспособными и мутант погибает. Число полезных мутаций невелико, и их сохранению способствует то, что аналогичные аминокислоты способны замещать друг друга в последовательности, образующей белок. Очевидно, появление таких мутаций в процессе эволюции создает механизм, способствующий адаптации организма к изменяющимся условиям. Например, бактерии, обладающие устойчивостью к антибиотикам, приобрели ее в результате появления множества мутантов. Короткокрылые мушки, выживающие в условиях жестоких ветров на некоторых островах Тихого океана, возникли путем мутаций. Существовавшие прежде разновидности с длинными крыльями не выдержали естественного отбора, поскольку их сносило ветром в море, где они тонули. От бактерий и до человека — всюду мутации были и остаются средством изменения биологических особей на молекулярном уровне.

Гемоглобин и цитохром с представляют собой белки, характерные для животных разных видов. Рентгенографическое исследование и изучение аминокислотных последовательностей этих белков для различных организмов позволяют проследить пути их эволюции.

У млекопитающих гемоглобин выполняет функцию активного компонента эритроцитов, переносящих кислород, тогда как весьма близкий к нему по строению миоглобин служит переносчиком кислорода в мышцах. Кроме молекулярной структуры гемоглобинов человека и лошади, в настоящее время установлены молекулярные структуры и аминокислотные последовательности гемоглобинов различного происхождения, в частности гемоглобина личинки комара, морского кольчатого червя и миноги. Хотя аминокислотные последовательности этих гемоглобинов отличаются друг от друга и от молекул гемоглобина млекопитающих, все виды гемоглобинов имеют на поверхности молекулы впадину, свойственную миоглобину. Напрашивается вопрос, не произошли ли все они от одного общего предшественника, какого-то белка, служившего переносчиком кислорода.

Биологи показали, что иногда гемоглобин встречается у беспозвоночных. Поэтому возможно, что белки, могущие связываться с кислородом, неоднократно и независимо возникали в ходе эволюции. Каждый раз природа использовала для этого весьма похожие и эффективные гем-содержащие белки, имеющие впадины или складки. На поверхности своей молекулы эти углубления защищали гем и создавали подходящий гидрофобный центр для связывания кислорода и (или) двуокиси углерода. У тех беспозвоночных, которые не имеют гемоглобина, имеются другие системы переноса кислорода.

Если сравнить аминокислотные последовательности миоглобина (кита) и гемоглобина (лошади и человека), кажется очевидным, что и тот и другой произошли от общего глобулярного белка. На рис. 10.27 изображена предполагаемая картина такой дифференциации в ходе эволюции.

Рис. 10.27. Эволюция глобинов [1]. На основании сходства аминокислотных последовательностей и пространственной структуры субъединиц гемоглобина и миоглобина предполагают, что они произошли из одного общего глобина. 1 — кит; 2 — человек; 3 — лошадь

В имеющейся коллекции образцов человеческой крови, собранной со всего мира, обнаружено около сотни различных мутантных гемоглобинов. В результате выяснилась картина патологии в молекулярном строении. Оказалось, что легко происходят мутации находящихся на поверхности гемоглобина молекул аминокислот, что обычно не влияет на биологические функции гемоглобина. Мутации вблизи гема, во внутренних неполярных областях белка и (или) в местах соединения субъединиц чрезвычайно сильно нарушают биологические функции гемоглобина.

Перутц и Леман классифицировали многие мутации и установили корреляцию между этими мутациями и изменениями конформаций, а также вызываемыми ими клиническими последствиями. Они обнаружили, например, что замещение находящегося рядом с гемом фенилаланина валином приводит к тому, что гем «вываливается» из белка. Такой аномальный гемоглобин известен под названием «гемоглобина Торино», а его образование приводит к возникновению анемии * . В другом случае, при образовании так называемого гемоглобина Бостона, гистидин, связанный с атомом железа, замещается тирозином. Образование этого мутанта приводит к таким болезням, как цианоз ** и метгемоглобинанемия *** . На основании рентгеноструктурных исследований было высказано предположение, что при образовании гемоглобина Бостона гем каким-то образом вытесняется из молекулы гемоглобина.

* ( Анемия — это заболевание крови, при котором понижена способность эритроцитов переносить кислород и (или) двуокись углерода. Одна из форм анемия связана с образованием твердых частиц железа, или телец включения. Когда железо «вываливается» из мутантного гемоглобина, оно агрегируется. При этом блокируется процесс переноса кислорода, и в результате возникает тяжелая анемия.)

** ( Цианозом называется болезнь, при которой кожа и слизистые оболочки синеют, особенно в области конечностей. Это связано с недостаточным снабжением крови кислородом. Часто тяжесть болезни прямо пропорциональна концентрации восстановленного гемоглобина. Эта болезнь может возникать также и из-за появления других форм гемоглобина, приводящих к тому, что транспорт гемоглобина блокируется или ингибируется.)

*** ( Метгемоглобин образуется при окислении гема гемоглобина. Это соединение не может осуществлять транспорт кислорода, и поэтому его образование приводит к возникновению болезни, называемой метгемоглобинанемией. Одним из самых явных клинических симптомов этого недуга является цианоз.)

Перутц и Леман рассмотрели также мутации, при которых изменены связи между субъединицами. Гемоглобин Канзаса — это мутант гемоглобина, в молекулах которого аспарагин заменен треонином. В окси-форме этот белок диссоциирует, образуя αβ-димеры (вместо обычного α₂β₂-тетрамера), что приводит к цианозу. Вероятно, наиболее известной и изученной мутацией гемоглобина является гемоглобин S, обнаруживаемый у больных наследственной болезнью, называемой серповидноклеточной анемией. У этой формы гемоглобина валин замещен глутаминовой кислотой во внешней части белковой молекулы. Генетические признаки рецессивны. Поэтому клинические симптомы появляются только в гомозиготах * . Появление серповидных клеток обусловлено пониженной растворимостью дезоксигемоглобина S. Неполярная боковая цепь валина вызывает агрегацию волокон дезоксипротеина, что приводит к серповидной деформации красных кровяных клеток и к смерти в раннем возрасте ** .

* ( Гомозигота для данного признака имеет идентичные гены в положении, контролирующем этот признак в обеих хромосомах родителей.)

** ( Серповидноклеточная анемия наблюдается в первую, очередь в тех странах, где распространены болезни крови, например малярия. Ген серповидноклеточности в гетерозиготном состоянии обусловливает избирательную защиту против малярии. В Америке этот признак обнаружен почти исключительно у негров.)

Рентгенографическое исследование оксигенированного гемоглобина S показывает, что по структуре он в основном аналогичен обычному оксигенированному гемоглобину. Причина нерастворимости дезоксигемоглобина не может заключаться в изменениях конформации, скорее это обусловлено ассоциацией неполярной поверхности молекулы, происходящей за счет валиновых боковых цепей.

В литературе описаны многие другие мутантные формы гемоглобина; ни одна из них по способности служить переносчиком кислорода не превышает обычный гемоглобин. В лучшем случае мутация оказывается безвредной. Во многих случаях их появление вызывает патологию. В настоящее время нет способов лечения людей, имеющих генетические дефекты, приводящие к появлению нарушений в молекуле гемоглобина. Осуществимость проекта пересадки здоровых генов пока остается делом далекого будущего. Другим белком, для которого изучалась эволюция на молекулярном уровне, является цитохром с. Этот белок сравнительно небольшого молекулярного веса (около 12000) содержит железо и гем (этим он похож на гемоглобин). Цитохром с служит переносчиком электронов при энергетических превращениях (гл. 2). Обнаружен он во всех живых организмах.

Марголиаш и его сотрудники провели сравнение аминокислотных последовательностей цитохрома с, выделенного из 35 различных организмов. Небольшие отличия в последовательностях аминокислот наблюдаются на поверхностных участках белка. Некоторые же последовательности аминокислот характерны для всех образцов цитохрома с. Это показывает, что мутации, затрагивающие эти участки, всегда летальны. Цитохром с, выделенный из одного источника, после очистки можно применять для проведения экспериментов in vitro с цитохромными ферментами, полученными из совершенно другого источника (например, один из дрожжей, другой от лошади). Это показывает, что в основном функция цитохрома с осталась практически неизменной в процессе эволюции, продолжавшейся миллиарды лет.

Рентгеноструктурные исследования цитохрома с начались с препаратов, полученных из сердца лошади, скумбрии и голубого тунца. Гем расположен в углублении под прямым углом к поверхности. В. миоглобине и гемоглобине гемы расположены параллельно поверхности. Гем в цитохроме с прочно прикреплен к белковой цепи посредством двух цистеиновых остатков и одного гистидинового. Кроме того, гем соединен с гистидином и метионином, которые являются лигандами, расположенными между плоскостями. Такая «закрытая» структура не может комплексоваться с молекулами малых размеров. Роль этого белка заключается в окислении или восстановлении других молекул в системах, обеспечивающих перенос энергии.

Опубликованы данные исследований сравнения белковой последовательности для образцов цитохрома с, выделенных из различных объектов, и предложено изображение генеалогического дерева, отражающего процесс эволюции этого белка. Из этих данных следует, что если рассматривать только различия в последовательности аминокислот, то грибы различаются между собой больше, чем насекомые и позвоночные. Таким образом, оказывается неясным, что же считать вершиной антропоцентрической шкалы ценностей, если основывать эту шкалу на цитохроме с. Представляет ли человек венец творения?

Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне

На примере приспособления бактерий к антибиотикам удалось показать, что дарвиновская эволюция может использовать лишь очень малую часть из множества теоретически возможных путей достижения цели. Каждая отдельная мутация должна повышать приспособленность, иначе она будет отсеяна отбором. При этом положительный или отрицательный эффект многих мутаций зависит от того, какие мутации уже успели зафиксироваться ранее. Ограниченность числа допустимых «мутационных траекторий» делает эволюцию предопределенным и предсказуемым процессом.

Раньше эволюционисты уделяли много внимания проблеме параллелизмов, то есть независимого появления сходных признаков в разных группах. Сформулированный Н. И. Вавиловым «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости» позволил связать это явление с закономерностями внутривидовой изменчивости (у близких видов встречаются одинаковые вариации — например, у большинства злаков есть остистые и безостые формы). Палеонтология дает много ярких примеров схожести путей эволюции в разных группах, развивавшихся параллельно.

В наши дни подобные «эмпирические обобщения» вышли из моды. Бурное развитие молекулярной биологии привело к тому, что многие важные биологические закономерности, изучавшиеся учеными прошлых поколений, оказались как бы за рамками «настоящей серьезной науки» просто потому, что их пока не удается объяснить на молекулярном уровне.

Поэтому предпринятая учеными из Гарвардского университета попытка найти молекулярные основы канализированности (ограниченности возможных путей) и повторяемости эволюции имеет большое теоретическое значение. В качестве модели исследователи выбрали адаптацию бактерий к антибиотикам — сравнительно простой эволюционный процесс, высоко детерминированный и повторяемый и к тому же имеющий большое практическое значение.

Как известно, бактерии приспосабливаются к антибиотикам из группы бета-лактамов (к ним относится, в частности, пенициллин) благодаря изменениям (мутациям) гена, кодирующего фермент бета-лактамазу. Предполагается, что мутации возникают случайно, причем вредные мутации отсеиваются отбором, а полезные закрепляются.

В ходе адаптации бактерий к цефотаксиму — антибиотику третьего поколения из группы бета-лактамов — в исходный вариант гена бета-лактамазы («дикий тип») вносится пять вполне конкретных мутаций, в результате чего устойчивость к антибиотику возрастает в 100 000 раз. Но такой эффект дают только все пять мутаций вместе. Понятно, что одновременное появление сразу пяти «нужных» мутаций невероятно: они должны появляться и фиксироваться последовательно, одна за другой. Значит, на пути к конечной цели организм должен пройти через четыре промежуточных состояния. Если хотя бы одно из них окажется менее выгодным, чем предыдущее, оно просто не будет закреплено отбором, и конечная цель не будет достигнута.

Теоретически существует 5! = 120 различных траекторий движения от исходного состояния («дикий тип», – – – – –) к конечному (высокая устойчивость к цефотаксиму, + + + + +). Число возможных промежуточных состояний равно тридцати (– – – – +, – – – + –, – – – + + и т. д.). Исследователи сконструировали все тридцать промежуточных вариантов гена бета-лактамазы, ввели их в кишечную палочку (Escherichia coli) и измерили устойчивость к цефотаксиму. Картина получилась довольно сложная.

Совокупный эффект комплекса из 2, 3 или 4 мутаций, как выяснилось, ничего общего не имеет с простым суммированием эффектов тех же мутаций, взятых по отдельности. В некоторых случаях природу взаимодействия мутаций друг с другом удалось расшифровать. Например, одна из пяти мутаций сама по себе не увеличивает, а снижает устойчивость к антибиотику (гидролиз цефотаксима происходит медленнее), однако она повышает термодинамическую стабильность фермента. Другая мутация ускоряет гидролиз цефотаксима, но снижает термодинамическую стабильность, и поэтому в целом лишь незначительно повышает устойчивость к антибиотику. Однако двойной мутант имеет резко повышенную устойчивость, поскольку его бета-лактамаза за счет второй мутации эффективно гидролизует цефотаксим, а за счет первой — не теряет термодинамическую стабильность. Понятно, что в ходе адаптации (в условиях жесткого отбора на устойчивость к цефотаксиму) первая из этих мутаций может быть зафиксирована лишь после второй.

Оказалось, что из 120 теоретически возможных путей последовательного приобретения пяти мутаций большинство (102) вообще не могут реализоваться, так как требуют на каком-то этапе временного снижения приспособленности (авторы рассматривали упрощенную теоретическую модель, в которой единственным критерием приспособленности является устойчивость к цефотаксиму). Оставшиеся 18 путей очень сильно различаются по вероятности своей реализации. Расчеты показали, что в 99% случаев эволюция «выберет» один из 10, а в 50% случаев — один из двух наиболее вероятных путей.

Таким образом, природа может реализовать лишь очень небольшую часть из общего числа теоретически существующих путей «из точки А в точку Б». Авторы полагают, что обнаруженное ими правило должно распространяться и на эволюцию других белков. Это означает, что молекулярной эволюции свойственна высокая повторяемость: разные организмы должны независимо друг от друга двигаться по одним и тем же «разрешенным» эволюционным траекториям. Авторы не исключают, что аналогичные ограничения (в том числе связанные с меж- и внутримолекулярными взаимодействиями) могут направлять и «канализировать» дарвиновскую эволюцию и на более высоких уровнях организации живого.

Источник: Daniel M. Weinreich, Nigel F. Delaney, Mark A. DePristo, Daniel L. Hartl. Darwinian Evolution Can Follow Only Very Few Mutational Paths to Fitter Proteins // Science. 2006. V. 312. P. 111-114.
Полный текст статьи см. здесь (PDF, 186 Кб).

Молекулярный механизм эволюции (Р.Нудельман)

Открытие, о котором я хочу рассказать, стало достоянием научной общественности, когда в журнале “Nature” была опубликована статья под названием “HSP-90 как пособник морфологической эволюции”. Непосвященным людям это название, конечно, не говорит ничего, но специалисты тотчас распознали под этой сугубо академической шапкой сенсационное содержание. Впрочем, точнее всего сформулировали сущность нового открытия сами его авторы – американские исследовательницы Сюзанна Резерфорд и Сюзэн Лундквист, которые открыли раздел “Обсуждение результатов” знаменательной фразой: “Мы впервые, насколько нам известно, нашли свидетельства существования специального молекулярного механизма, который способствует процессу эволюционных изменений в ответ на изменения окружающих условий”. Еще более просто то же самое было сказано в комментарии британской радиостанции “Би-би-си”: “Открыт молекулярный механизм эволюции!”

Даже самый беглый взгляд на эволюцию биологических видов убеждает в том, что она ускоряется в условиях стресса, то есть ситуации, возникающей в результате резкого и неблагоприятного изменения внешних условий. Это хорошо известно, например, по отношению к бактериям. Попадая в ситуацию физиологического стресса, вызванную, например, голоданием или появлением в окружающей среде антибиотиков, они очень быстро отвечают на эту угрозу появлением множества новых мутантных разновидностей, среди которых обнаруживаются особи, успешно выживающие в новых условиях… Трудно представить себе, что именно в этих условиях мутации, которые и ведут в конечном счете к появлению новых разновидностей бактерий, почему-то резко учащаются, ведь мутации – явления случайные, не приурочены же они именно к нужному моменту! Но еще труднее представить, что бактерии каким-то чудом “целенаправленно отвечают” на возникшую потребность приспособиться и выжить. Несомненно, должен существовать какой-то скрытый молекулярный механизм, который сам собою включается в условиях стресса, и – что увеличивает частоту мутаций? Каким образом? Загадка.

а почему,собственно, трудно представить реакцию бактерий на изменение воздействия со стороны внешней среды ускорением процесса мутаций. Это – вполне закономерный признак гибкости реагирования, присущий живой природе в целом…

Сегодня многие палеоантропологи считают, что аналогичным образом произошел один из важнейших этапов в эволюции дальних предшественников человека – от так называемых австралопитеков к собственно гоминидам. Те из австралопитеков, которые от чисто растительного рациона перешли к мясной пище, должны были выходить из лесов в открытые африканские саванны, чтобы найти себе там такую пищу… и в ходе таких поисков порой забредали в изолированные от окружающего мира долины или ущелья. Там, оказавшись в трудных условиях, угрожавших их выживанию, они, по мнению палеоантропологов, эволюционировали (адаптировались) быстрее, чем те группы австралопитеков, которые оставались в привычных условиях леса и не нуждались в такой адаптации.

Знаменитый “Кембрийский взрыв” свидетельствует, что подобные явления могут происходить и в более громадных масштабах. Напомним, что “Кембрийским взрывом” называется в биологии краткий (около миллиона лет) период быстрого (в геологических масштабах времени, разумеется) появления огромного числа новых биологических видов, отличавшихся радикально измененными телесными формами и структурами, например, именно тогда впервые возникли позвоночные, к которым принадлежит и человек… Между прочим, не менее знаменитая катастрофа – исчезновение динозавров, произошедшая около 65 миллионов лет назад, скорее всего, в результате столкновения Земли с огромным метеоритом, – тоже сопровождалось ускоренным появлением множества новых видов (например, нынешних млекопитающих), причем, как показал американский исследователь Д.Яблонский, именно в ближайших окрестностях места падения метеорита, в районе нынешнего Мексиканского залива, новые виды появились раньше всего, уже через миллион лет после катастрофы, а ведь именно там стресс должен был быть сильнее всего.

Открытие Сюзанны Резерфорд и Сюзэн Лундквист… как раз и наметило контуры возможного ответа на все эти вопросы. Эти исследовательницы выбрали в качестве объекта изучения некий специфический белок, функции которого в организме связаны, с одной стороны, со стрессом, а с другой – с развитием и изменением клеток. Эта его двойственная роль, по мнению исследовательниц, должна была позволить проследить связь между стрессом и клеточными (а в конечном счете – и организменными) изменениями на самом глубоком, молекулярном уровне. Белок этот называется HSP-90, что и обусловило название статьи в “Nature”. Он относится к широкой и важной группе так называемых белков теплового шока, назначение которых, как видно из их определения, состоит в защите клеточных белков от теплового воздействия, то есть от “шока”, который может быть вызван резким повышением температуры окружающей среды.

Исследования последних лет показали, что те же белки теплового шока способны защищать клеточные белки и от многих других опасностей и стрессов, например кислородного голодания, химических повреждений и даже от атак и некоторых патогенов. Более того, проникая в клетку, они защищают ее белки даже в отсутствие стресса, когда эти белковые молекулы только образуются внутри клетки, идо тех пор, пока они не свернутся надлежащим образом. Таким образом, белки теплового шока впору назвать просто “защитными”.

Среди всех этих общезащитных белков HSP-90 выделяется одной уникальной особенностью. Он не занимается защитой образующихся белковых молекул. Подавляющее большинство его “подопечных” белков относится к классу так называемых передатчиков сигнала (signal transducers). Типичным примером таких передатчиков являются рецепторы клетки. Рецепторы – это белки, назначение которых состоит в распознавании специфических молекул, плавающих в межклеточном пространстве, и соединении с теми из них, которые определенным образом “соответствуют” данному рецептору. Белок-рецептор имеет удлиненную форму: его “головка”, как грибок, торчит над поверхностью клетки, “тельце” пронизывает ее клеточную мембрану, а “хвост” находится внутри клетки. Рецепторы – “передатчики сигналов” рассчитаны на соединение с теми специфическими молекулами (гормонами, феромонами, нейротрансмиттерами, факторамироста и т.д.), которые циркулируют в межклеточной среде, перенося химические сигналы от одних клеток к другим.

Как это происходит? Когда сигнальная молекула садится на торчащую из клетки “чашечку” рецептора, это вызывает в рецепторе изменение его формы – как говорят, “конформационное изменение”. Такое изменение продвигается вдоль тела рецептора и достигает его “хвоста”, находящегося внутри клетки. Окружающие этот “хвост” специальные белки, киназы, под воздействием такого конформационного изменения понуждаются вступать в специфические биохимические реакции, что влечет за собой целый каскад последовательных химических превращений, достигающих в конечном счете наследственных молекул, укрытых в ядре клетки. Это и есть процесс передачи “сигнала” из окружающей клетку среды к ее наследственным молекулам. Упомянутый каскад внутриклеточных реакций, вызванный таким сигналом, может, например, привести к тому, что на какой-то ген наследственной молекулы сядет молекула белка, блокирующая или, наоборот, усиливающая его работу. А это уже, в свою очередь, влияет на темп роста клетки, характер метаболизма в ней, процессе деления или даже ее специализацию в ходе эмбрионального развития.

Оказывается, сигнальные рецепторы очень неустойчивы. Грубо говоря, та цепь звеньев-аминокислот, которая составляет их “хвост”, “тельце” и наружную “чашечку”, имеет тенденцию менять свою форму под воздействием даже небольших изменений, например, в результате мельчайших изменений в составе этой цепи вроде случайной (в результате “точечной” мутации) замены одной аминокислоты на другую. Понятно, что такое изменение формы “чашечки” влияет на ее способность узнавать нужную “сигнальную молекулу” и соединяться с ней. В результате сигнал либо вообще не поступает в клетку, либо поступает “искаженным” и вызывает иные последствия в наследственных молекулах. Развитие клетки (а порой и организма в целом) может пойти по “аномальному” пути. Для того чтобы этого не произошло, природа и “придумала” защитный белок HSP-90. Вторая его функция (кроме защиты от теплового шока) состоит как раз в том, чтобы удерживать рецепторы – передатчики сигналов в той конформации, которая необходима для нормального приема и передачи сигнала. Упрощенно действие этого белка можно представить себе как чисто механическое (на самом деле, оно химическое)удерживание “чашечки” рецептора в нужной форме до момента прихода сигнальной молекулы.

…при любом – чисто химическом или тепловом – уменьшении числа молекул HSP-90, обслуживающих сигнальные рецепторы, происходит то или иное нарушение нормальных сигнальных путей.

…вероятная картина молекулярного механизма ускоренной эволюции под стрессом: стресс отвлекает часть молекул HSP-90 от задачи стабилизации сигнальных рецепторов, это позволяет “проявиться” сразу всем тем скрытым мутациям, которые накоплены в сигнальных рецепторах за предшествующие поколения, а проявление сразу большого числа ранее накопленных мутаций как раз и обеспечивает то ускоренное возникновение многочисленных разновидностей, которое никак нельзя было объяснить одновременным появлением всего этого множества мутаций как раз в процессе стресса. Иными словами, загадка ускоренной эволюции под стрессом решалась бы именно тем, что эта быстрота обусловлена неодновременным появлением множества новых мутаций, а одновременным проявлением множества мутаций, накопленных ранее, но до поры до времени (стресса) скрытых. …последующие эксперименты Резерфорд и Лундквист подтвердили именно эту… возможность.

Попутно выявилось еще одно интереснейшее обстоятельство. Оказалось, что если скрещивать дефектных мушек [дрозофил, на которых и проводились исследования] до шестого-седьмого поколения, то проявление некоторых дефектов перестает зависеть от наличия или отсутствия HSP-90. Как это понимать? Резерфорд и Лундквист объяснили это тем, что существует, видимо, какой-то порог проявления скрытых мутаций: если их число в молекуле рецептора ниже определенного, “порогового” значения, они могут влиять на форму рецептора только при полном отсутствии HSP-90, но если их число выше этого порога, они проявляются (то есть влияют на рецептор и меняют сигнальные пути, что приводит к появлению дефектных эмбрионов) независимо от стабилизирующего действия защитного белка. Грубо говоря, способность скрытых мутаций влиять на аминокислотную цепь рецептора становится больше способности HSP-90 удерживать эту цепь от таких влияний. Иначе говоря, с увеличением числа поколений происходит накопление скрытых мутаций, ведущее в конце концов к их проявлению даже вопреки действию HSP-90… Подставьте на место слова “дефект” более широкое словосочетание “новый признак” (ведь появление дефекта есть частный случай появления нового признака),и вся описанная выше картина тотчас окажется картиной эволюции в естественных условиях.

Подсчеты показывают, что достаточно понизить этот порог даже на пару десятков процентов, чтобы количество особей с “надпороговым” числом скрытых мутаций оказалось вполне заметным (несколько процентов от общего числа особей в коллективе). Потомство этих особей обретет новый признак, станет новой разновидностью внутри данного вида. Дальше уже вступит в действие естественный отбор. Если этот новый признак будет давать “дефектным” особям хотя бы небольшое преимущество в адаптации, естественный отбор начнет увеличивать частоту его появления в коллективе (иными словами, потомство этих особей будет выживать лучше, чем потомство других, и их доля в коллективе будет неуклонно возрастать). По мере продолжения их скрещиваний друг с другом среди этих особей будут все чаще появляться те, у которых число скрытых мутаций больше порога даже в присутствии HSP-90. Если теперь стрессовые условия кончатся, настанут “спокойные времена”, HSP-90 вернется к исполнению своих обязанностей по надзору за сигнальными рецепторами, и порог проявления скрытых мутаций поднимется опять до своего нормального значения, это уже не сможет изменить ситуацию: в коллективе уже накопилось достаточно особей, способных преодолеть и этот порог. Новый признак будет сохраняться и далее.

По мнению Резерфорд и Лундквист, проявление скрытых мутаций, ведущее к устойчивым эволюционным изменениям, является, видимо, главным или, во всяком случае, одним из важнейших молекулярных механизмов эволюции. Способы этого проявления, возможно, могут быть различны, на это как будто указывают исследования некоторых других экспериментаторов, но среди этих способов проявление скрытых генетических вариаций посредством нарушения функций HSP-90 явно занимает особое место, выделяясь как разнообразием, так и масштабом проявляющихся телесных изменений. Дает ли это основание считать этот конкретный способ проявления скрытых мутаций “главным” молекулярным механизмом эволюции – другой вопрос.

“ЗНАНИЕ-СИЛА” N 4, 2000г.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Молекулярный механизм эволюции

Молекулярные часы: в гомологичных белках разных организмов количество различий в аминокислотах пропорционально времени их расхождения от общего предка. Зная количество различий по аминокислотам, можно вычислить время возникновения таксона. Этот же принцип справедлив и для различий по генам нуклеиновых кислот.

Рис. 1. Филогенетические связи между 8 группами позвоночных животных (верхняя схема) и различия по числу аминокислотных замен (Каа) у тех же видов (нижний график) по α -цепям гемоглобинов (черные точки) и β -цепям (светлые точки). Из Кимура, 1985)
i

Концепция «молекулярных часов» была выдвинута Цукеркандлом и Полингом в 1965 г. «Давней мечтой специалистов по генетике популяций было определение скорости замещения генов в процессе эволюции видов. Эта величина должна более однозначно характеризовать темпы эволюции, чем любая другая мера скорости, основан-ная на сравнении фенотипов» (Кимура, 1985). Экспериментальные данные по-казывают, что замены аминокислот в белке происходят более-менее регуляр-но, хотя для каждого конкретного типа белка характерны свои темпы эволюции: например, вероятность замены произвольной аминокислоты в α -цепи гемоглобина — 1,2·10 -9 в год, а в инсулине — 0,44·10 -9 в год. Поскольку (на первый взгляд) аминокислотные замены происходят регулярно, как взмахи маятника, постольку они могут быть использованы для отсчета времени эволюции. Первые проверки этой гипотезы дали неплохие результаты (см. рис. 1), которые подтверждали концепцию молекулярных часов, но еще не имели никакой ценности для эволюционистов — перед нами грубая оценка времени расхождения таксонов, которое более точно определяется палеонтологическими методами. Однако в тех случаях, когда ископаемых остатков интересующих нас организмов нет, молекулярные часы являются единственным источником данных о родстве таксонов и времени их расхождения.

Рис. 2. Аддитивное дерево, построенное по различиям в транспортных РНК. Из Омельянчук, Колчанов, 1987.

На следующем рисунке — построение филогенетического дерева по различиям в нуклеотидных последовательностях тРНК. Дерево, построенное с помощью приме-нения довольно сложного математичес-кого аппарата теории графов, аддитивно («суммативно»): каждая ветвь (ребро графа) определяется числом нуклеотид-ных замен, и число замен между двумя точками на дереве равно сумме замен вветвях, соединяющих эти точки. Напри-мер, количество различий (нуклеотидных замен) между тРНК эубактерии и хлоропласта равно 125 + 121 = 246, поскольку точки «эубактерия» и «хлоропласт» соединены двумя ветвями — 125 и 121 замен, соответствено (см. рис. 2). Обратите внимание на следующие особенности дерева:

— подтверждение теории молекулярных часов: в сестринских ветвях «эубактерия» — «хлоропласт» и «архебактерия» — «эукариот» количество нуклеотидных замен приблизительно равно;

— локальное нарушение теории молекулярных часов: количество замен в митохондрии много больше (309), чем в сестринской ветви (в ветвлении “общий с митохондрией предок”- эубактерии замен 125+131=256 и “общий с митохондрией предок”- хлоропласты 121+131=252). Известно, что практически все гены в митохондриях мутируют значительно чаще, чем ядерные гены и гены прокариот. Известно также, что молекулярная эволюция у симбионтов и паразитов зачастую идет гораздо быстрее, чем у свободноживущих организмов.

Как определялось время расхождения таксонов? Зная время расхождения однодольных и двудольных растений (125 млн. лет) и время расхождения хордовых и ближайших к ним беспозвоночных (около 680 млн. лет) и количество различий в тРНК между членами этих пар, рассчитывалась скорость замен в тРНК хлоропластов и тРНК эукариот. Предполагая близкую скорость молекулярной эволюции у их предков, авторы рассматриваемой работы определяют время для каждой точки ветвления.

Наряду с признаками, подверженными естественному отбору, можно выявить признаки, изменение которых не влияет на приспособленность организмов — нейтральные признаки. Именно нейтральные замены в молекулах определяют правильный ход «молекулярных часов».

Кимура провел тщательный математический анализ закрепления нейтральных мутаций и доказал, что на скорость изменения нейтральных признаков не влияет ни размер популяций, ни частота смены поколений и что она выражается удивительно простой формулой:

где k, — скорость эволюции, выраженная через число мутационных замен, а v — скорость мутирования на гамету в поколение. Однако эта закономерность резко меняется в случае отбора.

Истинно нейтральные мутации определить трудно. Нейтральные замены лучше искать в нуклеиновых кислотах. Более подробный анализ показал, что аминокислотные замены в белках далеко не равнозначны. Разумеется, речь не идет об активном центре фермента — здесь любая замена резко влияет на приспособленность организма. Однако замены в периферической части молекулы влияют на ее трехмерную конфигурацию. Некоторые амнокислотные радикалы притягиваются друг к другу, а некоторые — отталкиваются; размеры соседних аминокислот влияют на распределение водородных связей и т.д. Некоторые мутации вообще не сказываются на строении белка: многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами и возникновение «синонимичных замен» в ДНК при анализе белка выявить невозможно. Технически проще и надежнее сосредоточиться именно на анализе «точковых мутаций» нуклеиновых кислот. Однако и на этом уровне возникают сложности: замена пурина на пурин более нейтральна, чем замена пурина на пиримидин; замена нуклеотида в третьей позиции триплета чаще всего оказывается синонимичной (считывается та же аминокислота), а замена первого нуклеотида меняет аминокислоту. Однако здесь легче ввести компенсационные поправки (различные, но фиксрованные «веса» замен), чем при анализе замен аминокислот.

Рибосомная РНК есть у всех организмов. Она изменяется исключительно медленно. рРНК полностью или частично расшифрована у многих тысяч организмов, такой полноты данных нет ни по какой иной молекуле. В настоящее время молекулярная эволюция оценивается в основном по рРНК. Каждая рибосома содержит 3 или 4 молекулы РНК и белки — несколько десятков (у эукариот белков больше, чем у прокариот). Рибосомная РНК прокариот и эукариот различна (см. табл. #.) Помимо того, что она состоит из неодинакового числа молекул, кодирующие эти молекулы участки ДНКу прокариот и эукариот организованы тоже неодинаково.

Таблица 1. Приблизительные характеристики рРНК прокариот и эукариот.

База знаний

Методы молекулярной биологии. Уже Ч. Дарвин сделал успешные попытки использовать биохимические показатели для установления систематической принадлежности тех или иных форм. Однако только начиная с середины XX в. биохимические и молекулярно-биологические методы вышли, пожалуй, на передовые рубежи в изучении эволюционного процесса. По аналогии с изучением эволюции органов и онтогенеза в XIX – начале XX в. возникло целое направление изучения «молекулярной эволюции» (М. Кимура, В.А. Ратнер и др.). Здесь мы рассмотрим лишь некоторые из методов молекулярной биологии, широко применяющихся ныне для изучения эволюционного процесса.

Выяснение строения нуклеиновых кислот и белков. На молекулярном уровне процесс эволюции связан с изменением состава нуклеотидов (в ДНК и РНК) и аминокислот (в белках). На современном этапе развития молекулярной биологии можно анализировать число различий в последовательностях элементов нуклеиновой кислоты или белка разных видов, судить по этому показателю о степени их отличий. Поскольку каждая замена аминокислоты в белке может быть связана с изменением одного, двух или трех нуклеотидов в молекуле ДНК, компьютерными методами можно вычислить максимальное и минимальное число нуклеотидных замен, необходимых для замещения аминокислот в белке.

Рис. 6.29. Филогенетические дистанции между разными организмами, построенные на основании количественных изменений молекулярной структуры белка цитохрома C. Цифры – число мутаций (по А.Ф. Айяла, 1981)

Получаемая таким образом информация поддается дальнейшей количественной оценке: при сравнении ряда организмов можно установить и степень различий (меру эволюционной дивергенции) макромолекул. Другое важное преимущество изучения эволюции методами молекулярной биологии – возможность сравнения сколь угодно далеких организмов – растений и животных, грибов и микроорганизмов. На рис. 6.29 показан результат изучения филогенетических отношений 20 разных организмов на основе определения минимального числа возможных нуклеотидных различий между генами, кодирующими синтез белка цитохрома C. Можно видеть, что в общем эти данные хорошо совпадают с выводами классической систематики. Сейчас построены многие сотни филогенетических деревьев макромолекул. При общем принципиальном совпадении с классическими эволюционными схемами эволюции крупных групп, молекулярными методами оказалось возможным вскрыть немало важных особенностей. Так, при анализе РНК, кодируемой не только ядерными генами, но и клеточными органеллами у растений, выяснилось, например (К. Вууз), что ядерная фракция p-РНК кукурузы (Zea mays) относится к ветви эукариот, а фракции из митохондрий и хлоропластов – к ветви эубактерий. Этот факт является мощным аргументом в пользу симбиотического происхождения эукариот: возникновения митохондрий от пурпурных бактерий, а хлоропластов – от цианобактерий (см. рис. 5.3). При реконструкции древа глобинов (В.А. Ратнер) удалось показать, что средняя скорость эволюции этих белков у животных заметно возрастала 400–500 млн. лет назад (период выхода позвоночных на сушу), когда глобин позвоночных приобрел тетрамерную структуру. Построение филогенетического древа генов, кодирующих синтез гемагглютининов H3 вируса гриппа показало, что скорость эволюции эпидемических вариантов этого вируса (испанка 1918–1919 гг., гонконгский грипп в середине – второй половине XX в. и др.) в несколько раз выше скорости эволюции неэпидемических штаммов. Аналогичные построения для вируса ВИЧ показали, что этот вирус очень близок к одному из вирусов обезьян. Он существовал в Центральной Африке до 1960 г., появился на о. Гаити в середине 70-х гг. и в США к 1978 г. Он распространяется ныне благодаря способности изменяться с невероятной скоростью – увеличивает агрессивность даже в теле одного человека на протяжении 1,5–2 лет.

Молекулярный филогенетический анализ сегодня стал одним из главнейших методов выяснения филогенетических взаимоотношений самых разных групп живых существ и помогает решать немало спорных вопросов макроэволюции.

Другим методом изучения эволюционного процесса на молекулярном уровне является оценка эволюционных изменений по степени сходства первичной структуры нуклеиновых кислот у различных групп организмов посредством гибридизации ДНК. Хотя около 90% ДНК не кодирует белков, тем не менее изучение ДНК позволяет оценивать филогению генов. Нуклеотидные последовательности позволяют судить об эволюции генов точнее, чем другие методы молекулярной биологии. Расщепленная на отдельные нити ДНК одного организма «гибридизируется» с молекулами ДНК другого вида и в зависимости от того, насколько различаются последовательности нуклеотидов, гибридизация захватывает большие или меньшие участки нитей ДНК. Этим достигается количественная оценка эволюционных изменений, происшедших со сравниваемыми видами. ДНК человека оказывается гомологичной ДНК макаки на 66%, быка – на 28, крысы – на 17, лосося – на 8, бактерии кишечной палочки – на 2%.

Изучение особенностей эволюции на молекулярном уровне привело к идее молекулярных часов, не только отражающих, но и регулирующих эволюционный процесс. Такие расчеты основаны на предположениях о накоплении изменений в информационных макромолекулах с постоянной скоростью. Однако оказалось, что для растений, отличающихся в целом исключительно высокой скоростью эволюции первичной структуры ДНК, концепция молекулярных часов неприемлема: ДНК растений из разных семейств отличается в такой же степени, как ДНК животных разных классов. У растений в ходе эволюции очень быстро могут меняться и повторяющиеся, и уникальные последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Скорость эволюции макромолекул в разных филогенетических линиях растений оказывается далеко не одинаковой. Так, темпы накопления изменений в нуклеотидных последовательностях у линий, ведущих к цветковым, более чем в 10 раз выше, чем в линии высших нецветковых. При изучении генов актинов было выявлено, что различия между близкими видами у растений превышают таковые разных классов у животных. Поэтому скорость хода молекулярных часов оказывается резко различной в разных группах, а также, по-видимому, в разные геологические эпохи (см. также гл. 15, 20).