Русский информационно-познавательный ресурс "Русколань"

.


Сорок пять тысяч поколений: эволюция под микроскопом


Эволюция.

Источник: Докинз Р. «Самое грандиозное шоу на Земле». М.: Астрель: CORPUS, 2012. Стр. 132-147.

Эта работа — блистательная демонстрация эволюции

“Бактерии E. coli размножаются делением, то есть бесполым путем, и благодаря этому можно быстро и легко создать огромную популяцию генетически идентичных организмов. В 1988 году Ленски взял бактерии из одной такой популяции и поместил их в двенадцать идентичных колб, содержащих одну и ту же среду, основным питательным компонентом которой являлась глюкоза. Колбы с исходными популяциями бактерий помещались в шейкерный инкубатор, в котором подопытным было тепло и хорошо, и взбалтывались, чтобы бактерии были равномерно распределены в питательной среде. Первым бактериям из этих двенадцати колб было суждено основать двенадцать независимо эволюционирующих линий, которым предстояло существовать отдельно друг от друга свыше двадцати лет. Почти как двенадцать колен Израилевых, разве что у тех не было запрета смешиваться друг с другом.

Эти двенадцать «колен» E. coli не жили все время в одной и той же колбе: каждой линии ежедневно доставалась новая (вообразите двенадцать рядов колб, семь тысяч в каждом). Каждый день небольшим количеством жидкости из предыдущей колбы — ровно сотая часть содержимого — заражалась новая, богатой глюкозой среда. Численность популяции бактерий в новой колбе начинала стремительно расти, однако через сутки темп роста всегда выходил на плато, потому что запас пищи иссякал. Другими словами, сначала численность популяции в колбе резко возрастала, затем достигала плато, и в этот момент из популяции отбиралась новая проба, которую пересаживали в новую колбу, и цикл начинался заново. Таким образом, бактерии проходили через каждодневные циклы изобилия, сменяющегося голодом, от которого спасалась счастливая сотая часть, которую, как в стеклянном Ноевом ковчеге, переносили в новый, пусть временный, глюкозный рай. Замечательные, чудесные условия для эволюции. Немаловажно, что эксперимент шел параллельно на двенадцати линиях.

Ленски и его команда продолжали повторять эти операции ежедневно на протяжении двадцати с лишним лет. С начала эксперимента сменилось примерно 7000 «поколений колб» и около 45000 поколений бактерий (в день сменяется шесть-семь поколений). Если бы мы проследили столько же поколений назад в истории человека, то оказались бы примерно за миллион лет до сегодняшнего дня, во времена Homo erectus — что, впрочем, по эволюционным меркам не так уж много. Задумайтесь на секунду — если уж за время, эквивалентное миллиону лет по меркам млекопитающих, Ленски наблюдает эволюционные изменения, сколько изменений должно было произойти за сто миллионов лет реальной эволюции млекопитающих? А ведь сто миллионов лет — это не так уж много с точки зрения геологии.

<...>

У нас есть двенадцать бактериальных «колен», мчащихся сквозь собственное «геологическое время», переживая циклы изобилия и голода. Останутся ли они такими же, как их предки? Или начнут изменяться? А если начнется эволюция, то будут ли все двенадцать «колен» изменяться одинаково? Как я уже говорил, питательная среда содержала глюкозу.

Не будучи единственным источником пищи, она, тем не менее, являлась ограничивающим рост колонии ресурсом. Причиной прекращения взрывного роста и выхода на плато день за днем было именно истощение запасов глюкозы. Другими словами, если бы экспериментаторы клали в колбы чуть больше глюкозы, то плато в конце каждого дня было бы выше. Если экспериментаторы решили бы добавить вторую дозу глюкозы после достижения плато, началась бы следующая стадия быстрого роста популяции — до нового плато.

В таких условиях, согласно дарвиновской теории, следует ожидать, что если произойдет мутация, помогающая отдельной бактерии использовать глюкозу более эффективно, то естественный отбор ее поддержит и мутация распространится в данной колбе, потому что мутантные бактерии будут размножаться быстрее, чем не-мутантные. Поэтому в следующую колбу бактерии-мутанты попадут в повышенной пропорции, а затем, переходя из колбы в колбу, довольно быстро добьются монополии в своем «колене». Именно это и случилось во всех двенадцати «коленах» — со сменой поколений произошло полное замещение предковых популяций бактериями, способными лучше усваивать глюкозу. Но, что самое поразительное, они добились лучшего усвоения глюкозы различными путями. То есть разные линии бактерий выработали различные наборы мутаций.

<...>

Итак, увеличение размеров клетки, похоже, помогает бактериям выжить в условиях постоянного чередования изобилия и голода. Я не буду рассуждать о причинах этого (их может быть много), однако этим путем пошли все двенадцать линий. Правда, существует множество способов стать больше, что предполагает разные наборы мутаций, и, похоже, разные линии выработали в процессе эволюции разные подходы к увеличению размеров клетки. Это очень интересно. Еще интереснее то, что в некоторых случаях способ увеличения размера клетки совпал у двух линий. Ленски и другая группа его сотрудников исследовали это явление, взяв две клеточные линии Ara +1 и Ara –1, которые в течение жизни 20000 поколений шли по одной и той же эволюционной траектории, и проанализировали их ДНК. Результат оказался ошеломляющим: в клетках этих двух линий изменилась активность (уровень экспрессии) 59 генов, и в обеих линиях уровень экспрессии всех 59 генов изменился в одном и том же направлении. Без помощи естественного отбора вероятность такого параллельного, независимого изменения активности 59 генов в двух линиях была бы предельно низка. Именно о таких вещах креационисты любят говорить, что те попросту не могут произойти, поскольку вероятность совпадения ничтожна. Но в действительности это произошло! Объяснение простое: никакой случайности здесь нет. Естественный отбор постепенно отдавал предпочтение одним и тем же полезным изменениям в обеих линиях.

<...>

То, что мы увидели — прекрасный пример эволюции в действии. Эволюции, происходящей прямо перед нашими глазами, эволюции тщательно документированной, описанной сравнением двенадцати независимых линий между собой и с «живыми ископаемыми» — предками, вернувшимися, словно из глубин тысячелетий, из морозильника.

Теперь мы готовы к тому, чтобы познакомиться с еще более интригующими подробностями. До сих пор мы говорили, что все двенадцать «колен» развивались примерно в одном и том же направлении, постепенно приспосабливаясь к условиям роста, и различались только одним: кто-то эволюционировал быстрее, кто-то медленнее. Однако долгий эксперимент породил одно очень важное исключение. Вскоре после поколения № 33000 произошло нечто удивительное: одна из двенадцати линий, Ara -3, внезапно словно взбесилась. Оптическая плотность, или «мутность» раствора, отражает численность бактерий в колбе. Жидкость мутнеет просто потому, что в ней много бактерий; прозрачность жидкости может быть точно измерена, и результат мы можем использовать как показатель плотности популяции.

До поколения № 33000 показатель численности бактерий линии Ara –3 колебался в районе 0,04, мало отличаясь от остальных линий. Затем, сразу после поколения № 33100, плотность популяции Ara –3 начала чрезвычайно быстро расти. Среднее значение выросло почти до 0,25, то есть в шесть раз (!). Для этой популяции наступил «золотой век». Спустя всего несколько дней типичная высота плато, на которой стабилизировалась численность бактерий в популяции, выросла в шесть раз по сравнению с недавно еще таким постоянным значением, которое демонстрировали остальные линии. Возросшая высота плато впоследствии достигалась всеми поколениями линии Ara –3, и никогда — бактериями других линий. Все выглядело так, как будто линии Ara –3 досталась большая, чем другим, порция глюкозы. Однако никто этим бактериям лишней глюкозы не давал: во все колбы помещалось одинаковое, тщательно отмеренное ее количество.

Что же случилось с линией Ara –3? Ленски и двое его коллег потратили некоторое время на выяснение этого, и их усилия окупились сторицей. Произошло нечто замечательное.

Помните, я отметил, что ресурсом, ограничивающим рост популяции, является глюкоза, и линия, которая нашла бы более эффективный способ ее использования, получила бы эволюционное преимущество? Именно это и происходило во всех двенадцати «коленах». Но я говорил также о том, что глюкоза была не единственным питательным веществом в культуральной среде. Кроме глюкозы там был цитрат (лимонная кислота). Цитрата в среде было много, однако бактерия E. coli не способна его усваивать — по крайней мере, не в среде, в которой присутствует растворенный кислород (как это было в колбах Ленски). Но стоило бы хоть одной бактерии научиться усваивать цитрат, перед ней открылось бы настоящее Эльдорадо. Именно это произошло с линией Ara –3. Эта линия, и только она, внезапно обрела способность усваивать не только глюкозу, но и цитрат. Таким образом, количество пищи в колбе резко возросло, и, соответственно, резко вырос уровень плато, на котором стабилизируется популяция в конце каждого суточного цикла.

Выяснив, что случилось с загадочной Ara –3, Ленски и его коллеги продолжили работу, задавшись следующим важным вопросом. Была ли эта неожиданно появившаяся способность вызвана всего одной редкой мутацией (настолько редкой, что из двенадцати линий повезло только одной)? Была ли она, в сущности, такой же мутационной ступенью, как и другие мутации, обеспечившие ступенчатый рост приспособленности на графике выше? Ленски счел это маловероятным. Он предложил следующее объяснение. Зная средний темп мутаций в каждом гене бактерии, он вычислил, что время жизни 30000 поколений — это срок, достаточный для того, чтобы каждый ген мутировал хотя бы раз в каждой из двенадцати клеточных линий. Следовательно, маловероятно, что Ara-3 выделилась из общей массы благодаря редкости мутации. Будь это единичная мутация, ее бы открыли и в других линиях.

Но есть еще одна возможность, по крайней мере, теоретическая. Что если для того, чтобы питаться цитратом, бактериям необходима не одна мутация, а две, три, четыре? Мы не говорим сейчас о простом случае, когда эффекты двух мутаций суммируются. Если бы это было так, бактерии могли бы приобрести эти мутации порознь, в любом порядке. Любая из этих мутаций отдельно приближала бы нас на шажок к цели, предоставляла бы клетке способность частично усваивать цитрат, пусть не так эффективно, как две мутации вместе. Мутации такого типа мы уже обсуждали, когда рассматривали механизм увеличения размера клетки. Однако в данном случае приобретение способности питаться цитратом не было бы такой редкостью, и линия Ara –3 не оказалась бы уникальной. Редкость цитратного метаболизма обязывает нас искать что-то более похожее на столь любимую креационистами «несократимую сложность». Может существовать биохимический путь, состоящий из двух реакций, причем в ходе первой реакции образуется необходимый исходный материал для второй, а для получения конечного продукта необходимы обе реакции. Для создания такого механизма потребовались бы две мутации (назовем их А и Б), катализирующие две реакции. При этом только две мутации вместе дают бактерии преимущество, а по отдельности они бесполезны и потому не могут быть поддержаны отбором. Такое двойное событие, без сомнения, будет достаточно редким для того, чтобы произойти только в одном из двенадцати случаев.

Однако пока это гипотеза. Была ли у группы Ленски возможность экспериментально выяснить, что произошло? Ученые могли бы сделать ряд очень важных шагов в этом направлении, используя размороженные «ископаемые». Повторим основные положения нашей гипотезы. В некоторый момент в геноме Ara –3 произошла мутация А. Она не имела заметного эффекта, поскольку мутация Б, необходимая для цепочки биохимических реакций, отсутствовала. Мутация Б может с одинаковой вероятностью возникнуть в любой линии. Более того, вполне возможно, что она там возникала! Но мутация Б бесполезна — она не дает абсолютно никакого положительного эффекта, если линия предварительно не обзавелась мутацией А. Так получилось, что подготовлена таким образом была только линия Ara –3.

<...>

К этому результату пришел студент Ленски Захария Блаунт. Он провел изматывающую серию экспериментов с сорока триллионами (40.000.000.000.000) клеток E. Coli из разных поколений и получил результат, полностью соответствующий такому предсказанию. Чудо произошло примерно в поколении № 20000. Замороженные бактерии из последующих поколений демонстрировали повышенную вероятность появления способности к усвоению цитрата, чего не показывали бактерии из более ранних поколений. В полном согласии с нашей гипотезой, клоны после поколения № 20000 были подготовлены к восприятию мутации Б. Все «воскрешенные» бактерии, относившиеся к поколениям после № 20000, имели одинаковую вероятность появления способности к усвоению цитрата (прежде эта вероятность не была повышена). До этого момента линия Ara –3 ничем не отличалась от прочих. Бактерии еще не имели мутации А. Однако после поколения № 20000 только линия Ara –3 могла воспользоваться позитивным эффектом мутации Б. В жизни ученого есть моменты, когда он испытывает истинное наслаждение от результата своего труда. Это, безусловно, был один из них.

Работы Ленски демонстрируют нам в масштабе микрокосма и условиях лаборатории многократно ускоренные процессы эволюции путем естественного отбора. Мы наблюдаем: случайную мутацию, за которой следует неслучайный отбор; независимые пути адаптации к одним и тем же внешним условиям у разных популяций; эволюционные изменения за счет добавления успешных мутаций к существующим; зависимость эффектов некоторых генов от присутствия других генов. И все это произошло за время, составляющее ничтожную долю срока, который обычно требуется для эволюционных изменений в природе.

У этой истории триумфа есть комическое продолжение. Креационисты ее ненавидят. Ведь здесь заметна не только эволюция в действии, не только попадание новой информации в геном безо всякого вмешательства разумного «Творца» (эту возможность им сказано было отрицать при любой возможности; я говорю «им было сказано», поскольку большинство креационистов плохо представляет себе, что такое информация), не только мощь естественного отбора, позволяющая ему составлять комбинации генов, которые, исходя из столь любимых креационистами вероятностных вычислений, статистически невозможны. Хуже всего для креационистов то, что эксперимент Ленски не оставляет камня на камне от постулата о «несократимой сложности». Так что нет ничего удивительного в том, что они озабочены исследованиями Ленски.

Эндрю Шлэфли, креационист и редактор «Консервапедии», печально известного аналога «Википедии», написал Ричарду Ленски и потребовал доступа к его исходным данным, высказав сомнение в их достоверности. В принципе, Ленски вовсе не был обязан отвечать, но тем не менее вежливо посоветовал Шлэфли прежде прочитать его статью, а уж затем критиковать работу. Кроме того, он отметил, что основные его данные — это замороженные бактериальные культуры, которые кто угодно может исследовать, чтобы проверить достоверность полученных результатов. Он с радостью готов предоставить эти культуры любому микробиологу, который будет в состоянии с ними работать — поскольку в неопытных руках они могут быть весьма опасными. Ленски подробно перечислил требования, предъявляемые к микробиологу. Любой читатель может представить себе, с каким удовольствием он это сделал, отлично зная, что Шлэфли — адвокат, а не ученый, и поэтому просто не поймет половину сказанного, не говоря уже о том, что не проведет необходимые исследования и статистический анализ результатов. Черту под историей подвел известный ученый и блогер Пи Зет Майерс, комментарий которого начинался словами «В который уже раз Ричард Ленски утер нос недотепам и дуракам из "Консервапедии", и, боже мой, насколько же он круче»”.

Жертвы прошлого

Эволюционные заготовки, полученные нами в наследство от рыб и головастиков, отравляют нашу жизнь икотой, заставляют мучиться грыжей и страдать от других заболеваний

Я приступил к изучению анатомии человека одновременно с началом реконструкции моей лаборатории в университете. И по мере того как процесс продвигался, я понял, что более удачного совпадения и быть не могло. Постижение анатомии человека во многом напоминает непрекращающееся сражение. И это связано не только с необходимостью запомнить чудовищное число названий. При беглом взгляде внутрь человеческого тела обнаруживаются структуры, накопившиеся там за весь период эволюции, часто производящие впечатление беспорядочного переплетения артерий, нервов и прочих образований, случайным образом пронизывающих наше тело и связывающих одну его часть с другой. В то время как я бился над пониманием внутреннего устройства тела человека, университет выделил мне пространство в старом, построенном более ста лет назад доме, помещения которого нуждались в ремонте и переоборудовании в современную лабораторию. Когда мы вскрыли стены, чтобы осмотреть трубы, проводку и прочие коммуникации, нашим глазам предстала ужасающая картина: кабели, провода и трубы изгибались причудливыми петлями, пересекая все здание. Никто в здравом уме не мог спроектировать ничего подобного. Созданная конструкторами в 1896 г. схема коммуникаций была воплощена в жизнь, а затем много раз усовершенствовалась и дополнялась сооруженными из подручных средств надстройками.

Чтобы понять, почему путь этого кабеля или трубы столь извилист, нужно знать его историю и все модификации, которым он подвергался. Примерно так же выглядит и человеческое тело. Рассмотрим, например, строение семенного канатика мужчины. Этот проток, по которому сперма выводится наружу, связывает семенники, расположенные в мошонке, с мочеиспускательным каналом, который заканчивается в пенисе. Мошонка располагается рядом с пенисом, и, казалось бы, более правильно было напрямую связать обе структуры. Но в нашем теле все не так.

Семенной канатик поднимается из мошонки, затем изгибается внутрь лобковой кости, спускается по отверстию под бедренными суставами и в конце концов подходит к уретре внутри пениса. Такой извилистый путь — наше историческое наследие, источник студенческих неприятностей для будущих медиков, пытающихся понять столь прихотливое строение, а также проблем для мужчин, страдающих из-за этого различными видами грыжи.

Рыбье наследие

Чтобы понять, как устроено наше собственное тело, мы должны обратиться к истории, которая объединяет нас с приматами, рыбами и даже червями. В случае семенного канатика стоит взглянуть на наших предков-рыб. Половые органы человека начинают свое развитие примерно так же, как гонады акул, костистых рыб и прочих позвоночных животных. Яичники у самок и семенники у самцов первоначально формируются довольно высоко внутри тела, где-то на уровне печени. Как предполагается, именно здесь происходит первичная дифференцировка тканей, из которых затем развиваются половые органы. У взрослых акул и рыб гонады обычно остаются там же, где сформировались. Скорее всего, это связано с низкой температурой тела рыб, при которой сперма может нормально развиваться только внутри полости тела. У теплокровных млекопитающих, включая человека, процесс протекает несколько иначе. По мере развития зародыша гонады опускаются. У самок яичники продвигаются вниз от поперечной линии брюшной полости и останавливаются возле мочевого пузыря и фаллопиевых труб.

В результате такого перемещения путь, который необходимо пройти яйцеклетке для оплодотворения, сокращается. У самцов гонады опускаются еще ниже, в полость малого таза, а затем выходят в мошонку. Опущение семенников в мошонку очень важно для продуцирования здоровой спермы. Возможно, это обусловлено тем, что при постоянной высокой температуре тела млекопитающих снижается количество и качество спермы, т.к. для ее развития оптимальны в мошонке, семенники должны опуститься, проделав длинный путь, из-за которого семенной канатик закручивается петлей. К сожалению, слабая брюшная стенка в месте изгиба семенного канатика у самцов — следствие такого извилистого пути. Под действием физической нагрузки кишечная петля может продавить брюшную стенку и выпятиться наружу, что приводит к развитию несколько типов грыж. Они могут быть врожденными, и в этом случае некоторые участки кишечника путешествуют вместе с гонадами и опускаются в мошонку, проходя через брюшную стенку, или же грыжи могут образоваться уже после рождения, в месте ослабления стенки. Таким образом, предрасположенность к некоторым видам грыж связана с историей формирования человеческого тела: от рыбы в прошлом до млекопитающего в настоящем.

Почему мы икаем

Тот же способ эволюционного анализа можно применить к целому ряду заболеваний. Возьмем, например, икоту. Всем знакомо это слабое раздражающее недомогание. Обычно оно длится несколько минут, но более низкие температуры. Известно одно исследование, показывающее, что у жокеев, постоянно одетых в тесные бриджи, плотно прижимающие тестикулы к телу, и боксеров, носящих свободные шорты, существует разница в качестве спермы. Соответственно, мошонка млекопитающих представляет собой мускульный мешочек, отделенный от слишком горячего тела и призванный контролировать температуру формирования спермы, по мере надобности растягиваясь или сокращаясь, как от холодного душа.

Такое строение половых органов обеспечивает репродуктивный успех, но одновременно порождает ряд медицинских проблем. Чтобы занять правильное положение в некоторых случаях икота серьезно влияет на жизнь, продолжаясь месяцами, и даже, в редких случаях, годами. Причина — спазм грудной и глоточной мускулатуры. Характерный звук возникает, когда в результате резкого толчка воздуха закрывается надгортанник (вырост мягкой ткани на задней поверхности глотки). Все эти движения полностью непроизвольны. Икоту провоцируют множество факторов: от того, как мы едим (слишком быстро или слишком много), до опухоли в грудной клетке, сдавливающей нервные окончания. Причин, непосредственно вызывающих икоту, две: одна исторически связана с нашими предками рыбами, вторую мы унаследовали от амфибий. Большая часть нервов, отвечающих за дыхание, досталась нам от рыб.

Так, диафрагмальный нерв, управляющий работой легких и диафрагмы, начинается от основания черепа, спускается по шее, проходит через всю грудную полость и спускается ниже. И на протяжении всей его длины (а путь его извилист) он может подвергаться воздействию со стороны различных структур нашего тела, влияя на нашу способность дышать. Раздражение этих нервов может стать причиной икоты. При более рациональном дизайне тела человека нервы, идущие к грудной клетке, отходили бы не от шеи, а от спинного мозга ближе к диафрагме. К сожалению, мы унаследовали подобное строение нашего тела от рыб, жабры которых расположены в районе шеи.

Если странное расположение нервов — следствие нашего происхождения от рыб, то само икающее движение скорее всего досталось нам в наследство от амфибий. Выяснилось, что характерные для икоты паттерны мускульной и нервной активности встречаются в норме у других животных. Например, у головастиков, которые имеют одновременно и жабры, и легкие. При дыхании под водой головастики нагнетают воду в рот и горло, после чего пропускают ее через жабры. При этом возникает проблема — как предотвратить попадание воды в легкие? Решением является резкое закрытие надгортанника в момент «выдоха» воды через жабры. Таким образом, получается, что головастики при дыхании жабрами используют «расширенную версию» икоты. Если вернуться в наше глубокое прошлое, то предки человека жили в древнем океане, мелких ручьях и на просторах саванны, а не в офисных зданиях, на лыжных трассах или футбольных площадках. И это несоответствие между прошлым и настоящим приводит к тому, что приспособления, возникшие в различные исторические периоды и сохранившиеся в теле до сих пор, уже не являются адаптивными. Основные кости колена, спины и запястья (лодыжки) человека происходят от костей водных животных, существовавших сотни миллионов лет назад. Поэтому неудивительно, что, перейдя к хождению на двух ногах, мы часто рвем хрящ в коленном суставе, что если мы слишком много печатаем, пишем или вяжем, то страдаем от боли, т.к. у нас развивается кистевой туннельный синдром. Все верно, наши водоплавающие предки ничем подобным не занимались.

Если взять план строения тела рыбы и модифицировать его, используя все те же гены, унаследованные от червей, затем приукрасить, сделав из полученного существа млекопитающее, а потом скрутить и изогнуть это млекопитающее, заставив его ходить на двух ногах, разговаривать, думать и развивать тонкую моторику пальцев, то в итоге мы получим… что? Рецепт поражения или тело человека? Если бы мир, в котором мы живем, был спроектирован в совершенстве, то мы не страдали бы от геморроя или грыжи. А ремонт старых зданий не был бы столь сложен и дорог.

Шубин Н. «В мире науки» № 4, 2009. Стр. 39-41. Перевод Т.А. Митиной.

Ричард Докинз. Религия как побочный результат инстинктивного дуализма
Как атеисты могут защитить здравый смысл: 15 способов. Незаслуженное уважение
Всегда ли сильный побеждает слабого. Ген альтруизма. Эволюционные корни справедливости
Справедливость произошла от обезьян. Бурые капуцины способны испытывать чувство несправедливости
Христианство против науки. Церковь против инакомыслия, хронология


Эволюция. Мы произошли от животных.

Эволюция в повседневной жизни

Вряд ли Чарлз Дарвин догадывался о том, каким технологическим прорывом обернутся его наблюдения за жизнью птиц и жуков. Успехи науки в понимании истории и механизмов эволюции привели к появлению мощных технологий, вторгающихся во все сферы повседневной жизни людей.

Так, например, работа правоохранительных органов сегодня немыслима без молекулярно-биологических исследований. Знание эволюции различных генов определяет характер информации, которую они могут извлечь из анализа ДНК.

В практике современного здравоохранения широкое распространение получил филогенетический анализ — изучение нуклеотидной последовательности ДНК для оценки эволюционного родства организмов. Филогенетический анализ патогенных микробов (например, вирусов птичьего гриппа или лихорадки Западного Нила) может привести к созданию вакцин против опасных болезней и разработке методов, препятствующих их распространению среди людей. Лабораторная процедура, получившая название направленной эволюции, позволяет быстро улучшать качество вакцин и других белков.

Инженеры и программисты пользуются представлениями о механизмах эволюции для разработки так называемых генетических, или эволюционных, алгоритмов. Такие программы помогают людям решать сложные оптимизационные и конструкторские задачи. А недавно разработанный метагеномный анализ совершил настоящий переворот в микробиологии, сравнимый по значимости разве что с изобретением микроскопа.

Как сказал английский философ и общественный деятель Фрэнсис Бэкон, знание — сила. Справедливость этого афоризма в полной мере подтверждают мощные современные технологии, всецело обязанные своим появлением все более глубокому постижению человеком процесса эволюции.

Эволюция в зале суда

Среди многочисленных положений теории эволюции, нашедших практическое применение, одним из важнейших является концепция молекулярных часов, с помощью которой палеонтологи датируют события далекого прошлого, а судебные эксперты доказывают вину или невиновность подозреваемых в совершении преступлений. Основу молекулярных часов составляют изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК, возникающие с течением времени с более или менее предсказуемой частотой. Но в двух разных участках ДНК частота изменений может быть неодинаковой. В начале 1980-х гг. генетики обнаружили, что некоторые сегменты человеческой ДНК способны эволюционировать с высокой скоростью. Такие сегменты ученые решили использовать в качестве генетических маркеров, позволяющих устанавливать личность человека с большей точностью, чем отпечатки пальцев.

С помощью генетических маркеров судебные медики выявляют возможные связи между подозреваемыми и найденным на месте преступления биологическим материалом (волосами, клетками эпителия губ, оставшимися на пивной банке, слюной на липком клапане конверта или сигаретном окурке, образцами крови, мочи и фекалий). Самый надежный способ доказать невиновность подозреваемого — выявить несоответствие между его генетическими маркерами и образцами биологического материала, найденного на месте преступления. Благодаря данному методу начиная с 1989 г. Было оправдано свыше 220 человек, обвиняемых в изнасилованиях и убийствах.

<...>

Эволюция скорости

Обучение робота ходить с максимальной скоростью, сохраняя при этом равновесие, требует тонкой утомительной подстройки его походки к каждой новой поверхности перемещения. Исследователи из Университета Карнеги-Меллон учили ходить своих четвероногих роботов Sony Aibo с помощью эволюционного алгоритма. Четыре таких робота пробовали ходить разными способами, а затем делились друг с другом данными, полученными во время этих попыток. Затем они выбирали наиболее эффективные варианты походок и разрабатывали мутантные «дочерние» варианты походок с целью их последующей проверки. Примерно через 100 повторений такой «эволюционной» процедуры четвероногие роботы начали ходить на 20% быстрее, чем их предшественники при самой тщательной ручной настройке походки.

Война с микробами

Инфекционные болезни, как и криминал — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Паразитические вирусы, бактерии, грибы и животные эволюционировали одновременно с человеком, оказав сильное влияние на формирование нашей необычайно пластичной иммунной системы. Чем сильнее растет численность населения, тем быстрее размножаются патогенные микробы. Мы ограничиваем распространение одних инфекций и искореняем другие, но на смену им быстро приходят новые.

Понимание эволюционной истории патогенов предполагает знание их генеалогии, а лучший метод для ее выяснения сегодня — филогенетический анализ ДНК. Понимание родственных связей между микробами позволяет ученым строить полезные рабочие гипотезы о механизмах их размножения, путях распространения и предпочтительных средах существования — ведь родственным организмам свойственны и сходные признаки.

Для того чтобы понять механизмы эволюции микробов, необходимо знать причины их мутации и определить роль естественного отбора и случайных событий в возникновении и сохранении тех или иных наследуемых изменений. Ученые выявляют такие изменения, анализируя генотип, морфологию и другие признаки микроорганизмов (вирулентность, способы распространения, скорость размножения и специфичность микробов в отношении хозяев). Так, например, когда биологи узнали, что бактерии, не состоящие друг с другом в близком родстве, способны обмениваться генами, определяющими устойчивость к лекарствам (процесс получил название горизонтального переноса), они начали разрабатывать новые типы антибиотиков, которые подавляли бы способность мобильных генетических элементов к репликации и переносу.
<...>

Биологическое разнообразие

Сегодня, когда численность населения на планете продолжает расти, а окружающая среда изменяется все более быстрыми темпами, сильное беспокойство ученых вызывают вопросы, связанные с сохранением биологического разнообразия и поддержания жизни людей. Только здоровые экосистемы могут обеспечивать нас питьевой водой, плодородными землями и чистым воздухом. От таких экосистем (биогеоценезов) в конечном итоге зависит существование всего человечества, однако мы и по сей день почти ничего не знаем ни об их изменениях, ни о механизмах регуляции. Какую роль в жизни экосистемы играют отдельные виды и сообщества живых существ? Насколько чувствительны природные экосистемы к исчезновению видов и ухудшению внешних условий? Каким образом изменение экосистемы влияет на локальный климат, опыление растений и расселение их семян, разрушение органических остатков и возникновение и распространение болезней? На все эти трудные вопросы ученым помогает ответить понимание эволюционных процессов.

Для управления природными ресурсами прежде всего необходимо тщательно их изучить. А между тем науке еще не известно огромное множество обитающих на Земле живых существ (особенно микроскопических бактерий, вирусов и протистов). Для того чтобы проследить генеалогические связи между всеми населяющими планету жизненными формами, нужно иметь образцы генетического материала каждого вида живых существ. Информация, полученная в результате филогенетического анализа данных образцов, позволит биологам оценить относительные различия между группами организмов и выявить эволюционные единицы (например, отдельные виды или группы видов), спасение которых требует принятия срочных мер.

Филогенетический анализ позволяет выявлять новые, прежде не получавшие признания виды живых существ. Так, анализ ДНК популяций африканских слонов заставил специалистов признать, что на территории Африки существуют два вида этих животных. Африканский саванновый слон (Loxodonta africana) населяет главным образом саванны и кустарниковые заросли, а вновь признанный вид, африканский лесной слон (L. cyclotis), обитает по преимуществу в лесах. Благодаря анализу ДНК новые виды были выявлены также у азиатских мягкотелых черепах, настоящих китов, грифов Старого Света и многих других животных.

Метагеномика

Совокупность всех генов какого-либо вида живых существ называется геномом. Метагеном — это совокупность генов всего сообщества микробов разных видов в каком-либо месте. Сегодня биологи умеют изолировать отдельные гены метагенома, определять их нуклеотидную последовательность и собирать из них новые цепочки ДНК.

С помощью метагеномного анализа ученые обнаружили, что микробы, живущие в человеческом кишечнике, содержат в 100 раз больше различных генов, чем наш собственный геном (он включает примерно 25 тыс. генов, кодирующих белки). Кроме того, они выявили примерно 300 неизвестных до сих пор видов микробных форм. Микробы и их гены принимают важное участие в формировании иммунной системы человека, выработке жирных кислот (необходимых для нормального развития клеток кишечника) и обезвреживании чужеродных веществ, которые иначе могли бы вызвать раковый рост или ухудшить способность человека метаболизировать лекарства. Данные метагеномного анализа наводят на мысль, что изменение количества и взаимодействия микробов — как изученных, так и пока ключевую роль в развитии некоторых болезней (например, воспалительных заболеваний толстой кишки) и патологических состояний (например, тучности) у человека.

Метагеномный анализ микроорганизмов женских половых путей показал, что бактериальный вагиноз — заболевание, связанное с преждевременными родами, воспалительными болезнями тазовых органов и венерическими болезнями (например, СПИДом) — сопровождается кардинальными изменениями видового состава вагинальных сообществ бактерий. Во влагалищных микробиоценозах здоровых и больных женщин ученые обнаружили множество новых групп бактерий. Лечение бактериального вагиноза требует более основательного изучения механизмов изменения вагинальных микробиоценозов и влияния этих изменений на развитие болезни.

Ученые не обошли вниманием и наземные, и водные экосистемы. Метагеномный анализ образцов воды Тихого океана и Саргассова моря в Северной Атлантике показал, что в морских экосистемах обитает множество неизвестных науке вирусов и других микробов. О метаболических способностях и экологических функциях микроорганизмов биологи знают пока очень мало, но поскольку микробные сообщества играют огромную роль в поддержании жизни на Земле, они требуют самого обстоятельного изучения. На долю таких сообществ приходится большая часть планетарной продукции кислорода в результате фотосинтеза; в процессе жизнедеятельности они образуют углерод, азот, кислород и серу, которые могут усваиваться другими живыми существами.

Нам пока неизвестно, какую практическую пользу может дать изучение метагеномики и эволюционной экологии микробов, но, похоже, возможности здесь поистине безграничны. Поскольку микробы вырабатывают и поглощают углекислый газ, метан и другие парниковые газы, их можно использовать в борьбе с глобальным потеплением. Метагеномный анализ позволит контролировать состояние окружающей среды и выявлять патогены — как естественного происхождения, так и привнесенные террористами. С его помощью можно будет выявлять самые разнообразные заболевания людей и домашнего скота, а также лечить их пробиотиками (т.е. лекарственными препаратами или биологическими добавками, содержащими живые полезные микроорганизмы). Вновь открываемые разновидности микробов можно будет использовать для разработки эффективных антибиотиков, выявления ферментов, способных превращать целлюлозу (клетчатку) в глюкозу, и для оздоровления загрязненных почв и источников воды.

Великий учитель, природа не читает нам лекций и не пишет учебных пособий. Но она постоянно взывает к нашему врожденному здравому смыслу, заставляя извлекать пользу из своих уроков. Эволюция предлагает нам универсальный подход к постижению земной жизни. Понимание истории и механизмов изменения живых существ способствует и благополучию самих людей. Теория, когда-то представлявшая интерес лишь для узкого круга избранных, сегодня превратилась в мощный инструмент преобразования мира.

Эволюция в пробирках и компьютерных лабораториях

За несколько миллиардов лет эволюция проявила себя разносторонним, порой даже причудливым изобретателем. Сегодня молекулярные биологи нередко обращаются к ее «творчеству», пытаясь целенаправленно улучшить полезные свойства белков. Ученые искусственно вызывают мутации генов, ответственных за выработку определенных белков, оценивают функциональные способности последних, затем отбирают наиболее удачные варианты, чтобы вновь подвергнуть их мутациям и оценить возникшие свойства. Повторение такой процедуры миллионы раз иногда позволяет исследователям добиваться весьма впечатляющих результатов.

Понимание истории и механизмов эволюционного процесса помогает ученым сделать такую «направленную эволюцию» гораздо более эффективной. Во-первых, выяснение филогенетических связей генов позволяет лучше понять их функции и, следовательно, правильно отбирать их в качестве мишеней направленной эволюции. Близкое родство генов — лучший способ оценки их функций до проведения экспериментов. Если, например, мы экспериментально выяснили функции того или иного гена у мышей, то резонно предположить, что сходными функциями будет обладать и человеческий ген, состоящий с ним в наиболее близком родстве.

Во-вторых, знание эволюции отдельных генов (т.е. понимание механизмов их мутаций и действия на них естественного отбора) помогает установить, каким мутациям их лучше подвергать в процессе направленной эволюции. Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот, последовательность которых в конечном итоге и определяет его функции. Молекулярные биологи могут заменить какую-нибудь аминокислоту в случайно выбранных местах белковой цепочки, в ее определенных участках или даже только в функционально важных, по их мнению, сайтах. Гены, кодирующие белки, состоят из сегментов, которые исследователи «перетасовывают» в том или ином порядке для создания структур с новыми возможностями. Кроме того, они могут «смешивать» структурные сегменты родственных генов близких видов, чтобы конструировать так называемые химерные белки. Рекомбинация и перетасовка генных сегментов обеспечила быструю эволюцию белков в природе — не менее эффективным данный подход оказался и в лабораторных условиях.

В качестве наглядного примера бесспорного успеха направленной эволюции можно отметить создание вакцины против папилломавируса человека и эффективной вакцины против гепатита С. Благодаря перетасовке сегментов 20 различных человеческих интерферонов (семейство белков иммунной системы) ученые создали химерные белки, которые подавляют репликацию вирусов в 250 тыс. раз эффективнее, чем естественные белки. А видоизмененный человеческий белок р53 (мощный опухолевый супрессор) подавлял злокачественный рост в лабораторных экспериментах намного эффективнее, чем его естественный аналог. В настоящее время исследователи собираются испытать этот белок в клинических исследованиях на раковых больных-добровольцах.

В последнее время ученые и инженеры успешно соперничают с эволюцией и с помощью компьютерных программ, получивших название эволюционных, или генетических, алгоритмов. Люди широко используют данный подход для поиска оптимальных решений самых разнообразных задач — составления прогноза погоды и расписаний авиарейсов, поиска оптимальных сочетаний лекарств, а также для конструирования мостов, проектирования электронных схем и создания систем управления роботами. Решения задач, предлагаемые генетическими алгоритмами, нередко отличаются от традиционных человеческих расчетов, но, как правило, значительно превосходят их эффективностью.

Минделл Д. «В мире науки» № 4, 2009. Стр. 58-65. Перевод В.В. Свечникова.

Ученые нашли скелет четырехногой змеи

Источник: "Свободная пресса", 24.07.2015г., svpressa.ru.

Палеонтологи обнаружили в Бразилии скелет змеи с четырьмя лапами. Об этом сообщается в журнале Science.

Four legs too many? Susan Evans
Department of Cell and Developmental Biology, University College London, London, UK.
A classic Gary Larson cartoon shows a robed and bearded figure rolling out clay strips, with the caption: “God makes the snake.” Body elongation was certainly fundamental in the evolution of snakes from lizards, as was the shrinking and ultimately the loss of limb pairs (limb reduction). However, informative early fossils are rare, and many details of the transition remain unresolved. A remarkable fossil described on page 416 of this issue by Martill et al. (1) brings fresh perspective to the debate. The aptly named Tetrapodophis combines a snakelike body with fore- and hindlimbs bearing five well-developed digits (see the illustration).

Возраст змеи под названием Tetrapodophis составляет примерно 110 млн лет. Ее длина около 20 см, длина передних ног около 1 см, а длина ступни не превышает 5 мм.

Ученые полагают, что змея использовала свои ноги не только во время передвижения, но и для того, чтобы цепляться за небольшие предметы.

Эта находка поможет палеонтологам в изучении происхождения и эволюции змей.

По словам палеонтологов, найденная змея — это промежуточное звено между ящерицами и змеями. Это еще раз подтверждает, что змеи произошли от ящериц.

Неприятие научного знания уходит корнями в детскую психологию
Биологические факты, которые следует знать современному человеку, претендующему именоваться Homo sapiens


Распространять науку или искоренять религию?


Если сжать всю историю Земли в один год..


Эволюция. История Земли в одних сутках.

Материалы по теме:
Ватные капли. Зарождение жизни объяснили без участия бога
Божественная многоходовочка. Как самый долгий биологический эксперимент породил новое существо (PDF)
Эволюцию никто не видел: как креационисты отвоёвывают позиции у Дарвина
Почему человеку нелегко понять, что такое эволюция. Кто такой “Брайт”
Доплюнули до бога. Тайна зарождения и развития жизни раскрыта благодаря компьютерным моделям
Что такое наука?
На русском языке издана книга Карла Циммера "Эволюция. Триумф идеи"
Доказательства эволюции

 

К началу страницы
 

РУСКОЛАНЬ