Чим займалися біологи-еволюціоністи в 2012 році
Сучасне вчення про еволюцію являє собою складний сплав найрізноманітніших біологічних дисциплін, від старих і шанованих систематик тварин і рослин до новітньої молекулярної біології. Що б не з`являлося нового в сенсі концепцій, теорій і методів, еволюційне вчення спробує це застосувати до свого предмету. А предмет еволюційного вчення складний надзвичайно, адже теорія еволюції вивчає саме життя в її найбільш універсальних проявах, в розвитку і взаєминах з неживою природою. (Хоча ми допускаємо, що з наукової точки зору таке визначення предмета теорії еволюції буде не цілком суворим.) У цьому сенсі можна сказати, використовуючи вже досить подзатёртое порівняння, що теорія еволюції - це цариця біології.
І, зрозуміло, не проходить і року, щоб біологи-еволюціоністи не придумали, що не підправили, не спростували котрусь із еволюційно-екологічних закономірностей. Минулий рік, не став винятком, і тут, мабуть, слід почати з концепцій і гіпотез, що стосуються походження життя - вічної теми, що хвилює розуми не тільки вчених мужів, а й вельми далеких від науки представників роду людського. (Знову-таки в дужках зауважимо, що питання походження життя, можливо, в теорію еволюції не входять, але ми їх сюди на свій страх і ризик включили, виходячи з, може бути, досить наївного міркування: адже повинна ж еволюція життя з чого- то починатися!) Будь-яка гіпотеза про походження життя повинна пояснювати кілька важливих моментів: по-перше, живий організм повинен копіювати і передавати спадкову інформацію- по-друге, він повинен бути відділений від навколишнього середовища мембраною або чимось подобним- по-третє, у нього повинен бути такий-сякий метаболізм, щоб будувати біомолекули і самого себе з цих біомолекул.
Схема молекули рибозима. З схожих молекул могла початися життя на Землі (малюнок Laguna Design).
Як відомо, однією з найпопулярніших гіпотез, що пояснюють появу механізму збереження і передачі інформації в живих системах, стала гіпотеза світу РНК. Спадковою інформацією у нас заправляють нуклеїнові кислоти, але - тільки за допомогою білків. Однак після відкриття рибозимов стало зрозуміло, що іноді нуклеїнові кислоти можуть обходитися і без допомоги білків. Це і підштовхнуло створення гіпотези світу РНК. Відповідно до неї, першими молекулами на Землі були РНК, які самі себе копіювали, а вже потім до них приєдналися ДНК і білки, інформація про яких вже могла записуватися на нуклеїнових носіях. І в цьому році групі дослідників з декількох наукових центрів в США вдалося поставити цікавий експеримент, який показав, як в такому РНК-супі могла початися еволюція. Виявилося, що в суміші рибозимов перевагу отримують ті молекули, які копіюють інших, а не себе. Тобто запуск еволюції, процес передачі інформації зовсім не обов`язково повинен починатися з самокопірованія (це, до речі, з рибозимами нікому не вдавалося досягти). Важливо, щоб молекули-прабатьки могли працювати не тільки зі своєю послідовністю, а й з чужої. Тут, звичайно, можна сказати про молекулярної взаємодопомоги, але це вже буде чистої води антропоморфізм.
Добре, нехай у нас існують молекули РНК, які можуть зберігати і копіювати інформацію. Питання: як вони зустрічаються в безкрайньому первинному океані? Якщо припустити, що вони плавали в мембранних бульбашках, то виходить, що, крім одних складних біомолекул, РНК, на зорі життя існували і інші, які організовували мембрани, наприклад, ті ж ліпіди. Однак, як показали експерименти вчених з Пенсільванського університету (США), молекули РНК могли групуватися і без участі Складносурядні мембран. Виявилося, РНК люблять концентруватися в суміші досить простих речовин, декстрану та поліетиленгліколю, - їх поява в видному розчині збирає РНК в обмеженій зоні. Існування на зорі часів таких простих речовин, як декстран і поліетиленгліколь, цілком ймовірно. І з їх допомогою світ РНК міг обходитися без мембран.
Однак далеко не всі згодні віддавати лаври засновників життя одним лише РНК. Вчені з Університету Іллінойсу (США) вважають, що білки і РНК виникли і якийсь час існували пліч-о-пліч, і лише через якийсь час РНК покликали поліпептидні ланцюги на допомогу. Дослідники спробували відновити генеалогію і вік різних фрагментів рибосоми, складної Нуклеопротеїдні машини, яка і переводить мову нуклеїнових підстав в амінокислотну послідовність. Виявилося, що білки, що утворюють рибосому, нітрохи не молодше відповідних фрагментів РНК. Більш того, найважливіший реакційний центр рибосоми виявився молодше інших її частин. Але навіть якщо білки існували до того, як об`єдналися з РНК, залишається питання, як вони підтримували свою структуру? Як вони зберігали інформацію про самих себе?
Молекулярна модель великий частки рибосоми дрожжей- різними кольорами виділені різні білки. (Малюнок Laguna Design.)
Відео: Костянтин Северинов про те, чому цікаво займатися наукою
Що ж до походження метаболізму, то фахівцям з Інституту Санта-Фе (США) вдалося начебто цілком переконливо показати, що хімічні реакції, за допомогою яких живі організми маніпулюють вуглецем, існували в найдавнішої геохімії, хоча і були досить неефективними. Тобто живі організми підібрали з неживої природи щось неочевидне і погано працює і за допомогою мільйонів років еволюції зробили з цього цілком дієвий метаболічний апарат. Інше питання, де живі організми цим займалися. Загальновизнаного думку про те, що «життя виникла в океані», в році, що минає пред`явили контраргументи. Група дослідників, серед яких є і наші співвітчизники з МГУ, вельми небезпідставно припустила, що перші організми не змогли б вижити в тих сольових пропорціях, які існували в доісторичному океані. А тому перші еволюційні кроки життя повинна була робити не в океанських глибинах і просторах, а на суші, в грязьових калюжах, чий склад був більш Щадно до перших живих істот.
Наступне еволюційне подія, яка в році, що минає користувалося особливою увагою дослідників, це поява багатоклітинних організмів. Епізод цей відноситься, якщо можна так сказати, до проблем підвищеної фундаментальності, а ніж фундаментальні проблема, тим важче знайти для неї несуперечливу теорію. Многоклеточность має очевидні плюси, але що змусило древніх одноклітинних перейти до такого стану? Тим більше що в сучасному світі одноклітинні не така вже забита і гаснуча група, досить згадати бактерії і океанічний одноклітинний планктон. Дотепне пояснення запропонували дослідники з Каліфорнійського університету в Берклі (США), що працювали з хоанофлагеллятамі, які, як вважається, стоять на межі між одно- і багатоклітинних. На думку вчених, предки багатоклітинних об`єдналися завдяки бактеріям, точніше, завдяки деяким речовинам, які містять бактерії. Одноклітинні харчувалися бактеріями, а то речовина, яке в бактеріях містилося, склеювати багатоклітинних разом, в колонію. Чи не занадто апетитна гіпотеза, якщо вдуматися.
Хоанофлагеляти поодинокі (зліва) і утворюють колонії після харчування бактеріями (праворуч). (Фото Rosanna A. Alegado / University of California, Berkeley.)
Ще один дивовижний результат отримали вчені з Університету Міннесоти (США), у яких дріжджі перетворилися з одноклітинних в багатоклітинні освіти всього за&hellip- 60 днів. Рушійною силою тут стала гравітація: щоб швидше осісти на дно, клітини дріжджів об`єднувалися зі своїми родичами, причому в одержані кластерах різні клітини поводилися по-різному, тобто демонстрували основні ознаки зароджується багатоклітинного «самосвідомості». Але найдивніше тут, звичайно ж, сверхсжатиеводні терміни, за які це сталося. Ну і сама, мабуть, дивовижна гіпотеза про походження многоклеточности вийшла з-під пера Стюарта Ньюмана з Медичного коледжу Нью-Йорка (США). Шановний професор порівняв базові структурні блоки, які є у самих різних тварин, з в`язкопружного хімічними речовинами і прийшов до висновку, що перші багатоклітинні сформувалися під дією фізико-хімічних сил, які не впливають на поодинокі клітини, але неминуче вступають в свої права, якщо клітинам заманеться об`єднатися.
Взагалі, еволюційне вчення останнім часом стало надзвичайно широко користуватися експериментальними методами, хоча, здавалося б, з еволюцією асоціюються мільйони і мільйони років, про яких експериментах тут може йти мова? Проте дослідники раптом зрозуміли, хто їм допоможе повірити експериментом таємниці еволюції. Помічниками виявилися бактерії і дріжджі: завдяки високій швидкості розмноження вони можуть проявити еволюційні закономірності за цілком розумний час, потрібно лише правильно спланувати експеримент. І за допомогою цих мікроскопічних помічників в минулому році вдалося перевірити ряд найважливіших еволюційних концепцій, які до сих пір існували тільки у вигляді умоглядних міркувань. Так, дослідники з університету Мічігану (США) зуміли зіставити генетичну поняття мутації і фенотипическое поняття ознаки. У вірусу новий ознака формувався за чотири мутації, бактеріям для цього було потрібно більше півсотні. В даному випадку важлива не стільки абсолютна цифра (зрозуміло, що для різних організмів і для різних ознак вона буде різною), скільки сам спосіб, що дозволяє оцінити взаємодію генів при формуванні ознаки і число мутацій, які повинні в них потрапити. І знову ж таки за допомогою бактерій вдалося спостерігати побачити цілий еволюційний цикл: 56 тисяч поколінь бактерій і 20 років експерименту дозволили вченим побачити три стадії формування ознаки і зіставити їх з фенотипическими змінами.
У свою чергу, дріжджі допомогли дослідникам з Університету Окленда (Нова Зеландія) підтвердити експериментально одну з головних концепцій в біології: статеве розмноження з еволюційної точки зору краще, ніж безстатеве. Однак можна заперечити, що всі ці експерименти ставляться на досить специфічних об`єктах, бактеріях і одноклітинних грибах, а у них еволюція може йти іншими шляхами. Але, як виявилося, принаймні у бактерій нові види утворюються так само, як у тварин: за рахунок генетичної різноманітності всередині популяції, яке проявляється при зміні екологічних умов. Тобто немає необхідності придумувати для бактерій якусь свою, окрему еволюцію.
Відео: Кирило Єськов. Походження життя на Землі (травень 2016)
Пекарські дріжджі - одні з головних «робочих конячок» сучасної біології (Dennis Kunkel Microscopy.)
Безумовно, не можна не згадати експеримент дослідників з Університету Род-Айленда (США), які зуміли побачити еволюцію не в пробірці, що не серед бактерій, а серед ящірок. Вчені задумали перевірити, чи існує насправді еволюційно-генетичний ефект, який називається ефектом засновника, коли розселяються маленькі популяції виявляються між молотом і ковадлом - між природним відбором і власним небагатим (через розселення) генофондом. Так ось, протягом декількох років учені на власні очі спостерігали боротьбу між двома еволюційним факторами, які раніше існували тільки в теорії. Правда, не можна не визнати, що з умовами експерименту зоологам пощастило: в їх розпорядженні опинилися острова, очищені від більшої частини фауни найсильнішим ураганом.
Ящірки з роду анолисов стали учасниками унікального еволюційного експерименту. (Фото Jim Merli.)
З інших новин на тему общееволюціонних законів слід відзначити два повідомлення про молекулярні механізми еволюції. У Стенфорді (США) на прикладі Колюшкі була підтверджена відома гіпотезу про те, що велика частина еволюційних змін полягає в перетасування вже наявних генів, ніж у створенні нових. Тобто у виду створюється кілька генетичних сценаріїв для життя, з яких один працює, а інші сплять. Якщо ж виникає потреба, відбувається перемикання між цими генетичними наборами, завдяки мутаціям в декількох керуючих послідовностей ДНК. Саме так, за словами вчених, колючка вдалося швидко перейти з морів в солоні водойми. І саме так, до речі кажучи, міг виникнути людина: на думку деяких дослідників, ми відрізняємося від мавп в першу чергу способом управління генами.
Відео: Барбоскіни - 141 серія. П`ятірка з фізкультури (нові серії)
В іншій роботі, опублікованій вченими з Массачусетського технологічного інституту (США), говориться про те, що головним молекулярним інструментом еволюції, головним молекулярним механізмом, що забезпечує пристосування виду до середовища, може бути альтернативний сплайсинг РНК. У всякому разі, згідно з результатами цієї наукової групи, різні види відрізняються один від одного не стільки активністю генів, скільки способами альтернативного сплайсингу.
З більш приватних еволюційних досліджень, які стосуються розвитку окремих груп тварин, можна нагадати про роботу дослідників зі Смітсонівського інституту вивчення тропіків (США) і Університету Вагенінген (Нідерланди), які прийшли до висновку, що дрібні гризуни завдяки своїм злодійським звичкам врятували доісторичні ліси від вимирання . А дослідники з Університету Монаша в Австралії спробували порахувати, скільки часу потрібно еволюції, щоб перетворити миша в слона і назад - і тут еволюція вразила своєю повільністю. І, звичайно, окрема тема - це походження людини і еволюція самої людини. Про перехід від мавп до людини і його еволюційно-генетичні причини можна дізнатися в сусідньому матеріалі. Тут же варто згадати про експерименти дослідників з Трініті-коледжу (Ірландія), які за допомогою симулятора еволюції показали, що складна суспільне життя йде рука об руку з розвитком великих нейронних систем. Тобто, грубо кажучи, розвиток мозку краще відбувається в суспільстві.
Однак, відокремившись від мавп і сформувавши перші цивілізації, людина аж ніяк не вийшов з-під влади еволюції і природного відбору. Так, вчені з Університету Шеффілда (Велика Британія) показали вплив природного добору на людину на прикладі популяційної динаміки в декількох фінських селах. Виявилося, що навіть в моногамному суспільстві є еволюційні зміни ознак, які можна спостерігати на протязі декількох сотень років. Можна припустити, що в сучасному світі, з розвитком медицини, засобів контрацепції, і т. Д. І т. П. Не знайдеться місця не тільки для старих традиційних спільнот, а й для еволюції. Проте дослідники з Університету Гронінгена (Нідерланди) стверджують, що природний відбір донині діє навіть на такий важливий з точки зору естетики і моди параметр, як зростання: хоча сучасні чоловіки і жінки віддають перевагу високим партнерів, еволюція сприяє високорослим чоловікам, але низькорослим жінкам.
У доісторичні часи саме турбота літніх жінок про чужих дітей подовжила термін людського життя. (Фото Barry Lewis.)
Довгий час феномен менопаузи не міг знайти пояснення у вчених. Людина - одне з рідкісних винятків серед тварин, наші особини жіночої статі з якогось віку втрачають здатність давати потомство. Ця дивна і еволюційно нераціональна стратегія, здається, знайшла своє пояснення в теорії: менопауза потрібна, щоб бабусі змогли піклуватися про потомство своїх дітей, тим самим підвищуючи його виживання. Саме завдяки менопаузі, на думку дослідників з Університету Турку (Фінляндія), літня жінка може віддати свій час і сили дитині своєї дочки або невістки, не відволікаючись на власних малюків. Ця гіпотеза і раніше існувала, але на цей раз її перевірили на людській популяції. Турбота бабусь принесла свої плоди - антропологи з Університету Юти і Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (обидва - США) підтвердили, що завдяки бабусям людина стала жити довше.
Вище ми назвали еволюційне вчення царицею біології. Злі язики могли б сказати, що це в повному розумінні цариця: користуючись результатами і методами інших областей, вона нічого не дає натомість в сенсі практичної користі, що користі від неї як від козла молока (еволюційно абсолютно непредставімо річ, хоча і можлива з точки зору генної інженерії). Це не зовсім так - висновки, зроблені в рамках еволюційного вчення, можуть стати в нагоді іншим, більш практичним областям. Ось примітний приклад: вчені з онкоцентру імені Х. Лі Моффіта (США) опублікували роботу, в якій саме з допомогою еволюційної теорії пояснюють дивовижну здатність ракових клітин протистояти хіміотерапії. Власне, дослідники розглядають пухлина як популяцію, яка підпорядковується відповідним еволюційно-екологічним законам. Якщо гіпотеза вірна, то онкологів, щоб впоратися з раком, потрібно докорінно переглянути підходи до лікування. І, можливо, що саме завдяки еволюційної теорії ми коли-небудь переможемо рак. (Зауважимо, що уподібнення раку популяції ще не настільки радикальний крок - в порівнянні з торішньою роботою, в якій рак уподібнювався єдиного організму і пропонувався чи не на роль нашого предка.)
Відео: порівняння 7 і 11 класів
Чи можна вилікувати рак за допомогою теорії Дарвіна? (Фото Moredun Animal Health.)
З інших результатів еволюційних досліджень, які можуть стати в нагоді з практичної точки зору, можна згадати про те, як кліматичні зміни грають на руку паразитам, а також про генеалогію зловісних лихоманок Ебола і Ласса, які виявилися набагато старше, ніж про них думали. І те, і інше в нагоді б для епідеміологів і взагалі лікарів, які багато б дали за те, щоб знати, чого можна чекати від інфекції в майбутньому.
Насправді, як легко помітити, сучасна теорія еволюції найбільше нагадує якийсь привид, невловиму сутність, яка виникає на стику найрізноманітніших дисциплін, від психології до імунології. Так що має сенс говорити не стільки про окрему дисципліну, скільки про еволюційний підхід, який може стати могутньою зброєю в пізнанні живого світу - все одно, чи йде мова про абстрактно-високою загадки походження життя або про «низинних», повсякденно-медичних імунологічних питаннях .
Златокрот (фото Inspector Lewis)
Однак, незважаючи на всю велич і міць еволюційного підходу, спрацьовує він не завжди. І рік, що минає дав нам два цікавих прикладу, коли біологам-еволюціоністів залишалося тільки розвести руками. Перший приклад - це бактерії з печери Лечугія, що в американському штаті Нью-Мексико. Місцеві мікроби зуміли придбати стійкість до більшості сучасних антибіотиків, хоча були ізольовані від навколишнього середовища протягом останніх тисячоліть, - феномен, який не можна пояснити з еволюційно-генетичної точки зору. Другим номером йде златокрот: поява у цієї надзвичайної тварини переливається золотистого хутра неможливо пояснити ніякою еволюційної потребою, і вченим доводиться говорити, що в даному випадку ми маємо справу з «побічним і марним продуктом якихось інших еволюційних перетворень».
