English Deutsch
Новости
Эксперты отвечают

Странноcти в геноме легко объясняются, если предположить эволюцию

Антон (письмо в Редакцию): Могли бы вы привести какие-нибудь доказательства эволюции из области генетики. Про ретровирусы уже много писали. А еще?

Как проверяют теории в физике? Получают из некоей теории какое-нибудь количественное следствие, которое можно проверить экспериментально. Если эксперимент противоречит этому предсказанию, то теории конец - а если соответствует, то теория выжила - и после многих такого рода тестов переходит в разряд общепринятых фактов. Движения планет по небу описываются гелиоцентрической теорией (а не геоцентрической), смещение перигелия Меркурия предсказываются Эйнштейновской гравитацией (а не Ньютоновой), рентгенограммы ДНК соответствуют двойной спирали (а не тройной) и т. д.

Но эволюция жизни настолько сложна, что делать такого рода количественные предсказания мы почти не умеем. Поэтому доказательства эволюции в основном основаны на очень общих, качественных закономерностях, вызванных, прежде всего, медленностью и постепенностью эволюции (сохранение неадаптивных общих признаков у разных видов, иерархические распределения признаков, неадаптивная общность ареалов сходных видов).

К счастью, есть и исключения - простейшие аспекты эволюции жизни можно описать количественными теориями. Это прежде всего относится к нейтральной эволюции последовательностей. Нейтральная теория, разработанная великим Мотоо Кимурой и другими, предсказывает, что, на больших временах, эволюция последовательности, на которую не действует отбор, происходит со скоростью, равной скорости возникновения мутаций. Оно и понятно - без отбора новый, мутантный аллель не лучше и не хуже старого - и каждая его копия имеет ту же вероятность быть в конце концов зафиксированной, как и каждая копия старого аллеля.

Это предсказание легко проверить:

1) Измеряем относительные скорости возникновения, в настоящее время, разных мутаций - замен (которые можно подразделить на транзиции - замены пурин-пурин или пиримидин-пиримидин - и трансверсии - замены пурин-пиримидин или пиримидин-пурин), делеций, вставок и других. Сейчас это совсем просто - секвенируешь и сравниваешь генотипы мамы, папы и потомка (а раньше надо было анализировать сломанные аллели у больных Менделевскими болезнями). Получается, к примеру, что у современных людей замен примерно в 25 раз больше, чем выпадений.

2) Сравниваем геномы человека, шимпанзе и орангутана - и видим, что отличия между человеком и шимпанзе в виде замененной буквы встречаются примерно в 25 раз чаще, чем отличия в виде выпавшей буквы (орангутан нужен, чтобы можно было отличить выпадение от вставки).

3) Задаемся вопросом - с какой стати мутационный процесс внутри вида и сходство между геномами разных видов имеют одни и те же количественные свойства?

4) Даем ответ - поскольку человек и шимпанзе произошли от общего предка - и бОльшая часть генома нейтральна. Заведомо функциональные куски, такие как кодирующие экзоны, следует из анализа исключить - поскольку на них нейтральная теория не распространяется. Сравнивая белок-кодирующие гены человека и шимпанзе, мы почти не увидим вставок и делеций длины, некратной трем - так как они сбивают рамку считывания и отметаются отбором. Впрочем, это некритично - кодирует белки лишь около 1% генома приматов.

Таким образом, сопоставление параметров мутационного процесса и межвидовых различий между в основном нефункционирующими последовательностями (скажем, интронами) соответствует предсказаниям нейтральной теории эволюции, если предположить, что сравниваемые виды произошли от общего предка.

Процессированные псевдогены - пример доказательств эволюции, основанных не на количественной теории, но на детальных, хотя и качественных, сценариях. Попросту говоря, мы видим что-то странное - но, оказывается, что это странное легко объясняется, если предположить эволюцию в прошлом. Конкретно, процессированный псевдоген - это сегмент генома, похожий на какой-нибудь нормальный, работающий ген, но при этом обладающий следующими свойствами: 1) он испорчен, то есть кодировать белок не может, обычно из-за одной или нескольких мутаций, создающих преждевременные стоп-кодоны или же сбивающих рамку считывания, 2) из него аккуратно вырезаны интроны (которые обычно есть у похожего работающего гена) и 3) к нему сзади часто присобачен длинный хвост, состоящий в основном из буквы А (которого никогда нет у похожего работающего гена).

Откуда может взяться в геноме такая странная вещь? Процессированный псевдоген очень похож на зрелую мРНК, считанную с работающего гена-"прототипа" - интроны вырезаны, сзади приделан полиА-хвост. Однако, если просто вставить в геном обратно-транскрибированную зрелую мРНК, процессированного псевдогена не получится - ее надо еще немного испортить - так, что появляются инактивирующие отличия и полиА хвост делается не 100% полиА. Поэтому все, что мы видим, объясняется обратной транскрипцией зрелой мРНК и вставкой соответствующего сегмента ДНК в геном - с его последующей нейтральной (предполагаем, что этот сегмент с самого начала не работает) эволюцией - которая превращает ААААААААААААААААААААААА в, к примеру, АААААГАААААЦААААААААААА и разрушает рамку считывания белка. Рано или поздно эволюция процессированного псевдогена делает его неузнаваемым. Но и узнаваемых псевдогенов в геноме человека - многие тысячи (вот даже база данных по процессированным псевдогенам человека: http://www.pseudogene.org/human-all/ ). Таким образом, мы видим результат длительных изменений генома.

Единственное неэволюционное объяснение существования процессированных псевдогенов в геномах самых различных видов - что Бог (или может быть сатана?) их туда нарочно вставил - дабы грешники поверили в эволюцию и пошли в ад. Точно также можно объяснить и сходство параметров мутационного процесса внутри отдельных видов и межвидовых различий в нефункционирующих сегментах геномов...

Редактор портала АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ: богослов А.И.Осипов говорит в одной из публикаций следующее:

"А в отношении уже дальнейшего развития, что, в частности, связано с генетикой, ситуация несколько сложнее, – отметил богослов. – Здесь имеет место утверждение о том, что изменения могли бы происходить с помощью мутации". Чтобы понять, чем является каждая мутация, А.Осипов предложил представить себе хорошо построенное из кубиков архитектурное сооружение, в которое вдруг какой-то мальчишка берет и запускает камнем. "Можно ли ожидать положительных изменений в этой конструкции? Очевидно, что нет", – уверен ученый". 

Могли бы Вы прокомментировать это утверждение?

Сама по себе метафора богослова А. И. Осипова хороша, хотя и не нова. Кто-то из отцов-основателей генетики (Мёллер? Стертевант? Бриджес? - не помню, и не могу найти цитату), сказал, что улучшать генотип за счет мутаций - это все равно что улучшать статую, обстреливая ее издали из пулемета. Действительно: есть работающий геном, мутация его случайным образом меняет - как он может от этого стать лучше? Совершенно законный вопрос. 

Но вывод богослова А. И. Осипова обнаруживает незнание научных результатов нескольких последних десятилетий. Оказалось, что все не так трагично, и полезные мутации вполне возможны. Примеров тому на сегодняшний день - многие тысячи. Вирус гриппа до сих пор вызывает грипп только потому, что в его геноме постоянно происходят полезные (для вируса!) мутации, позволяющие заражать уже переболевших гриппом людей, выработавших иммунитет к старым штаммам. После того, как человек одомашнил корову, в двух популяциях людей - в Северной Европе и в Северной Африке - независимо возникли и распространились мутации, предотвращающие отключение гена лактазы в раннем возрасте и, таким образом, позволяющие взрослым пить молоко (см. здесь). Применение антибиотиков, гербицидов и пестицидов неизменно приводит к распространению мутаций, обеспечивающих устойчивость к ним у патогенных бактерий, сорняков и вредителей. Любознательный читатель легко может продолжить этот список. Конечно, вредных мутаций гораздо больше, чем полезных (ломать - не строить) - но и полезные - вовсе не редкость. 

Более того, экспериментально показано, что, последовательно заменив в белке несколько аминокислот, можно получить новый белок, со свойствами, далекими от исходных - при том, что все промежуточные белки тоже работоспособны.

Почему это так - и, более широко, почему в пространстве генотипов существуют непрерывные "мостики", состоящие из работоспособных генотипов и соединяющие, скажем, генотипы человека и дрозофилы - мы не понимаем. Это неудивительно - мы вообще очень плохо понимаем, как генотипы работают. Но наличие таких мостиков сомнений не вызывает - поскольку человек и дрозофила (и все прочие современные формы жизни) эволюционировали из одного и того же общего предка. 

Если какой-нибудь профессор эволюционной биологии заявит, что для него "очевидно", что Святой дух исходит только от Бога-отца (как утверждают православные) - или, напротив, и от Бога-отца и от Бога-сына (как утверждают католики) - то такой профессор выставит себя дураком. Я бы порекомендовал и богослову А. И. Осипову не высказываться безапелляционно о предметах, в которых он не разбирается.

Игорь Дзеверин (Группа тех, у кого креационизм вызывает большие сомнения): Прокомментирую еще ответ на мой собственный вопрос. Да, действительно, мы получим равновесную смесь из последовательностей, доля исходного аллеля в этой смеси будет очень мала. Но замена любой из этих последовательностей на любую другую, как правило, не отразится на приспособленности (ведь мы обсуждаем ситуацию, когда интенсивность отбора невелика). То есть, замены, о которых идет речь, несинонимические (поскольку мутантный белок имеет иную аминокислотную последовательность и, вероятно, несколько отличается своими функциями), но, как правило, нейтральные (в смысле влияния на выживаемость и плодовитость). Некоторые из замещений не будут нейтральными, но тогда они станут объектом действия отбора. Непонятно, поэтому, почему накопление мутаций и увеличение изменчивости должно привести на фенотипическом уровне к регрессивным изменениям (наверное, надо было подчеркнуть этот аспект в моем вопросе). В любом случае в человеческой истории будет идти соревнование между медициной и отбором: с чем не справится медицина, то станет причиной отбора. Это, собственно, один из важнейших показателей прогресса общества: возможность жить полноценной жизнью для тех, кто погиб бы в более примитивном обществе. Соответственно, мутации, которые были бы вредными в примитивном обществе, окажутся нейтральными (или даже условно полезными) в условиях высокоразвитой цивилизации. 

Конечно, если в каком-то сегменте генома все мутации нейтральны, то их можно накапливать безнаказанно. Но нейтральность должна быть практически абсолютной. Ведь в геноме человека более 3 миллиардов букв - поэтому, если каждая замена "правильной" буквы снижает приспособленность всего на одну миллионную, то в равновесии, когда правильных букв всего 25%, сумма коэффициентов отбора против неправильных букв окажется порядка 1000 - что может быть несовместимо с жизнью.

Что касается соревнования медицины и отбора, то точного ответа сегодня никто не знает. Мое личное мнение пессимистично. В последние 2-3 года оказалось, что непосредственной причиной примерно половины случаев шизофрении, умственной отсталости и аутизма являются новые вредные мутации, которых еще не было в генотипах родителей больного (например). Лечение такого рода болезней, связанных с нарушениями работы мозга, пока что малоэффективно - и не факт, что это положение дел радикально изменится. Более того, мутации с четкими индивидуальными эффектами - лишь вершина айсберга. По некоторым данным, показатели, характеризующие умственные способности, у детей пожилых отцов снижены в среднем примерно на 5% (ссылка). Если это правда, и если эффект вызван в основном накоплением новых мутаций, то за каждое поколение без отбора эти показатели будут снижаться в популяции на 10%, если среда не меняется (сейчас улучшение условий жизни маскирует этот процесс). Если человек плохо соображает, поскольку несет слишком много индивидуально слабовредных аллелей, влияющих на работу мозга, никакая медицина не сможет полностью скомпенсировать вред от этих аллелей. Рад был бы ошибиться, но данные, по моему мнению, говорят о том, что ослабленный отбор приведет к катастрофическим последствиям уже через несколько поколений. Данные накапливаются с огромной скоростью - и лет через 10 ситуация прояснится.


Вопросы Экспертам можно задать на форуме paleo.ru, или прислать в Редакцию

Назад: О генетическом мономорфизме и слиянии хромосом

28 января - АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ в Санкт-Петербурге

Интересно

Восхищенные исследователи Древнего Египта приписали египтянам изобретение множества интересных и полезных вещей, но никто никогда не воздал им должное за изобретение пагубной привычки писать на стенах туристских достопримечательностей. Привычка эта, должно быть, возникла из некоего базового человеческого стремления, ибо она сохранилась до сего дня.

Барбара Мертц. Древний Египет. Храмы, гробницы, иероглифы // Москва, «Центрполиграф», 2007.

Catalog gominid Antropogenez.RU