Ирина Лагунина: Долгое время вопрос о том, как в результате случайных изменений (мутаций) в геноме живых существ вдруг появляется новая информация, - это вопрос оставался открытым. Однако ученые все-таки смогли разгадать, как происходит расширение и пополнение генома. Один из самых важных механизмов получения новой информации – это процесс удвоения генов. О нем рассказывает доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков. С ним беседует Ольга Орлова.
Ольга Орлова: Александр, скажите, какие новые открытия в области генетики позволяют понять механизм появления новых генов и новых свойств в организме?
Александр Марков: Один из самых типичных аргументов людей, которые отрицают эволюцию, звучит примерно так, что мы не можем себе представить, как в результате случайных мутаций в геноме может возникать новая информация. Многим кажется интуитивно, что случайные изменения, вносимые, например, в текст какой-то, как они могут создать новую информацию. Они могут вносить только шум, хаос.
Ольга Орлова: Случайное вмешательство в авторский текст не может этот текст как-то улучшить принципиально, осмысленно дополнить. А здесь получается осмысленное расширение текста, генетического в данном случае.
Александр Марков: Да, конечно. Между тем науке на сегодняшний день уже очень хорошо известны механизмы, каким образом в ходе эволюции возникают новая информация в геноме, новые гены, новые функции, новые признаки у организма и так далее. И один из самых важных механизмов возникновения новой генетической информации – это удвоение генов и последующее разделение функций между ними. Идея очень простая: был один ген, стало два в результате случайной мутации.
Ольга Орлова: Два одинаковых, имеется в виду?
Александр Марков: Сначала одинаковых. А потом в результате накопления случайных мутаций в двух копиях этого гена они становятся немножко разными, и возникает шанс, что они разделят между собой функции.
Ольга Орлова: Пример приведите какой-нибудь.
Александр Марков: Сейчас как раз появилось много хороших, хорошо изученных примеров. Вообще сама по себе эта идея достаточно старая, еще в 30 годы 20 века великий биолог, генетик Джон Холдуин предположил, что дупликация, то есть удвоение генов играет важную роль в появлении эволюционных новшеств. А в последние годы в связи с развитием молекулярной генетики, прочтением геномов появилось очень много хороших примеров, хороших иллюстраций того, как на самом деле это происходит. Один из самых ярких, хорошо изученных примеров связан с эволюцией цветного зрения у млекопитающих, точнее, даже шире можно сказать, у наземных позвоночных. Когда наземные позвоночные только появились, вышли на сушу в девонском периоде, у них было еще возникшее на уровне рыб тетрохроматическое зрение так называемое. Что это значит? Цветовое зрение определяется светочувствительными белками сетчатки, есть такие клетки-колбочки, которые отвечают за цветное зрение и в этих колбочках есть светочувствительные белки, они называются апсины. У рыб, от которых произошли позвоночные, и у первых наземных позвоночных было четыре таких апсина. Каждый апсин настроен на определенную длину волны.
Ольга Орлова: То есть четыре цвета.
Александр Марков: Но это не значит, что данный апсин реагирует только на данную волну, это значит данная длина волны сильнее всего возбуждает этот апсин, а чем сильнее отличается длина волны, тем слабее он реагирует. Тетрахроматическая система цветного зрения - это очень хорошая система, это очень четкое различение оттенков всего спектра и у многих современных позвоночных она так и сохранилась, например, у птиц. Птиц прекрасно различают оттенки, по-видимому, лучше, чем мы. Многие видят в ультрафиолетовом диапазоне, у них ультрафиолетовые узоры, оперение и так далее. И возможно птицы, если бы были разумные птицы, им бы показалась очень убогая система передачи цвета наших телевизоров и наших компьютерных мониторов. Потому что у нас используется трихроматическая система, смешение трех цветов и наше зрение устроено так же. А у птицы четыре, а не три.
Ольга Орлова: То есть мы, люди, по сравнению с тем, как видят птицы мир, мы видим его, цвета различаем проще с точки зрения птиц примитивнее.
Александр Марков: С точки зрения птиц мы немножко дальтоники. У человека, как я уже сказал, трихроматическая система, три опсина, настроенные на три разных волны. Один на синий цвет, другой на зеленый и третий, сдвинутый в сторону желтого. Но самое интересное заключается в том, что у других млекопитающих, кроме людей и вообще обезьян, имеют дихроматическое зрение, у них только два опсина. У них нет этого третьего, который ближе всего к красному концу спектра, и они поэтому отличают синий от зеленого, но они не отличают зеленый от красного. Как же это получилось? Во-первых, почему млекопитающие потеряли два опсина. Известно, что у предков было четыре, у млекопитающих осталось два. По всей видимости, утрата двух опсинов была связана с тем, что млекопитающие перешли к ночному образу жизни, еще на заре своей истории. Почему они перешли к ночному образу жизни? Это было связано с перипетиями долгой конкурентной борьбы между двумя основными эволюционными линиями наземных позвоночных. Эти линии, они называются синапсидная и диапсидная. Синапсидная линия – это были зверообразные ящеры, зверообразные рептилии. И эта группа была господствующей среди наземных позвоночных в глубокой древности, в пермском периоде, это более 250 миллионов лет назад. Затем в триасовом периоде у них появились сильные конкуренты, представители другой диапсидной линии. К диапсидной линии относятся у современных животных все рептилии, крокодилы, ящерицы и птицы. В триасовом периоде появились активные хищники, быстро бегающие, в том числе на двух ногах. Диапсидные рептилии, крокодилы те же в то время, соответственно диапсидные рептилии начали теснить наших предков синапсидных или зверозубых рептилий. И завершилась эта конкуренция поначалу не в пользу наших предков. В конце триасового периода появились быстробегающие диапсидные рептилии, они породили новую группу, от них произошла новая группа динозавры, которые стали на очень долгое время господствующими дневными хищниками, травоядными на всей планете. Они заняли все дневные ниши, ниши крупных животных в размерном классе. Синапсидная линия была вынуждена уйти в ночь, в подполье, они измельчали. В пермском периоде были гигантские синапсидные рептилии, к концу триасового периода осталась одна мелочь. В это же время в конце триасового периода завершился процесс так называемой маммализации синапсидных рептилий, то есть, грубо говоря, появились первые млекопитающие. Все остальные синапсидные рептилии вымерли, а одна группа превратилась в млекопитающих, и они выжили. Но выжили они, сделавшись маленькими и ночными. В течение всего юрского и мелового периода млекопитающие вели ночной образ жизни, да, они были похожи на каких-то землероек, мышек. Поскольку они вели ночной образ жизни, цветное зрение стало им практически бесполезно. Потому что ночью колбочки все равно не работают, естественный отбор не мог поддерживать четыре описны, тетрохроматическое зрение, потому что его активность была не нужна. Естественный отбор не может заглядывать в будущее, он работает по принципу как принципу, как пишет в англоязычных книжках, либо пользуешься геном, либо ты его теряешь. Если ген не нужен здесь и сейчас, то мутации, которые возникают и портят его, не отсеиваются отбором, и ген рано или поздно выходит из строя.
Ольга Орлова: Просто это направлено, видимо, на сохранение любых сил в организме, на максимальную экономию, максимальную эффективность, то есть ничто не должно использоваться, работать вхолостую в нашем организме.
Александр Марков: В принципе да, конечно, экономия от этого возникает, лишний белок не синтезируется. Надо сказать, что вообще в организме синтезируется много лишних белков, которые стали ненужными, но еще не успели отмереть, это не так быстро все происходит, но в конце концов происходит. Сначала думали, что оба апсиновых гена были утрачены предками млекопитающих или первыми млекопитающими очень быстро и одновременно практически. Сейчас в геноме утконоса, это представитель самых примитивных млекопитающих, нашелся один из потерянных генов. То есть у утконоса еще три апсина, у более продвинутых млекопитающих только два. Гены терялись таким образом по очереди. Общий предок млекопитающих еще имел три апсина, общий предок всех териевых млекопитающих, плацентарные и сумчатые, исключая яйцекладущих утконоса и ехидну, только два апсина. Таким же образом у наших предков, у обезьян восстановилось трихроматическое зрение. Вот тут как раз сработал механизм удвоения генов. Когда кончилась эра динозавров и млекопитающие снова получили возможность, многие из них стать дневными, они так и остались со своим дихроматическим зрением, потому что потерянные гены взять было неоткуда, замену негде было взять. И так продолжается в большинстве групп млекопитающих, хотя им было бы полезно различить цвета, но негде взять ген. А вот предкам обезьян Старого света повезло. У них один из оставшихся двух апсиновых генов подвергся удвоению, дупликации, и естественный отбор быстро настроил две копии получившегося гена на разные длины волн. Для этого понадобилось всего-навсего три мутации, заменить три аминокислоты в белке, довольно пустяковое изменение. Небольшая операция, за счет которой длина волны, на которую реагирует один из апсинов, сместилась в красную сторону немножко. Этого достаточно, чтобы мы получили возможность отличать красный цвет от зеленого. Это дало возможность предкам, первым обезьянам Старого света перейти к питанию фруктами и свежей листвой в тропических лесах. Там очень важно отличать красное от зеленого, во-первых, спелые фрукты от неспелых и молодые листья от старых листьев.
Ольга Орлова: Почему вы говорите именно об обезьянах, о предках именно Старого света, у американских это иначе работает?
Александр Марков: Вот это счастливое событие, удвоение гена произошло у предков обезьян Старого света уже после того, как Америка отделилась от Африки и уплыла, между ними был Атлантический океан.
Ольга Орлова: Как же так американским обезьянам не повезло?
Александр Марков: Американским обезьянам не повезло и большинство из них осталось с дихроматическим зрением.
Ольга Орлова: До сих пор?
Александр Марков: До сих пор.
Ольга Орлова: Что же, американским обезьянам красные плоды не нужны или сочная молодая листва?
Александр Марков: Нужны, но что же поделаешь, если нет гена.
Ольга Орлова: Так и ошибаются, едят что попало?
Александр Марков: Может быть поэтому обезьяны Старого света стали людьми, обезьяны Нового света не стали.
