Страница 9 из 11
Рисунок 1. Эволюционная «генеалогия» двух родственных белковых молекул, отображающая накапливающиеся изменения в их последовательностях
Разумеется, Цукеркандль и Полинг понимали, что не белки — источник генетической изменчивости. Эта честь принадлежит ДНК — молекуле, формирующей наши гены. Если ДНК кодирует белки (что она и делает), то самая подходящая молекула для изучения — сама ДНК. Но проблема состояла в том, что с ДНК чрезвычайно трудно работать, и распознавание ее последовательности занимало много времени. Тем не менее в середине 1970-х годов Уолтер Гилберт и Фред Сэнгер независимо друг от друга разработали методы быстрого определения нуклеотидной последовательности (секвенирования) ДНК, за что в 1980 году получили Нобелевскую премию. Возможность секвенировать ДНК произвела революцию в биологии, которая продолжается и по сей день, достигнув кульминации в 2000 году завершением проекта по расшифровке генома человека. Исследования ДНК революционным образом изменили наше представление о биологии, так что неудивительно, что это оказало значительное влияние и на антропологию.
Густонаселенный Эдем
Итак, мы в 1980-х годах и имеем в своем распоряжении только что разработанные методы молекулярной биологии, теорию о том, как полиморфизмы ведут себя в популяциях, способ датировки на основе секвенирования молекул и жгучий интерес к тому, как генетика может ответить не извечный вопрос о происхождении человека. Для ответа на него было необходимо счастливое озарение и немного дерзости. И то, и другое нашлось в начале 1980-х годов в районе залива Сан-Франциско, в Северной Калифорнии.
Алан Уилсон, австралийский биохимик, работал в Калифорнийском университете над методами эволюционного анализа с использованием молекулярной биологии — нового научного направления, сфокусированного на изучении ДНК и белков. Используя методы Цукеркандля и Полинга, он и его студенты применили молекулярные подходы для установления времени расхождения человека и человекообразных обезьян, а также расшифровали некоторые сложные детали сложного процесса, как естественный отбор приспосабливает организм к окружающей среде через изменение белков. Уилсон был новаторски мыслящим человеком и с воодушевлением воспринял методы молекулярной биологии.
Одна из проблем, с которой столкнулись молекулярные биологи при изучении последовательностей ДНК, была связана с дублированием заключенной в ней информации. В каждой клетке нашего организма то, что мы называем нашим геномом — то есть полная последовательность ДНК, кодирующая все белки нашего тела, а также большое количество другой ДНК, функция которой нам неизвестна, — действительно существует в двух копиях. ДНК упакована в аккуратную линейную структуру, называемую хромосомой — у нас их 23 пары. Хромосомы находятся в клеточной структуре под названием ядро. Одной из главных особенностей нашего генома является его поразительная упорядоченность — подобно тому, как одни компьютерные папки находятся внутри других папок, а те — в следующих и так далее. Человеческий геном состоит из 3 000 000 000 (трех миллиардов) строительных блоков, называемых нуклеотидами (их четыре вида — А, Ц, Г и Т), и нам необходимо каким-то образом получать заключенную в нем информацию в целости и сохранности. Вот почему мы имеем хромосомы, и вот почему они хранятся в ядре, отдельно от остальных частей клетки.
Причина, по которой мы имеем по две копии каждой хромосомы, более сложна, но сводится к вопросу пола. При оплодотворении сперматозоидом яйцеклетки суть происходящего в том, что часть отцовского и часть материнского геномов объединяются в пропорции 50:50, создавая геном ребенка. Говоря биологическим языком, одна из целей существования полов — создание новых геномов. Возникают новые комбинации, и не только в момент оплодотворения при смешивании отцовского и материнского геномов в соотношении 50:50, но даже раньше, когда формируются сами сперматозоиды и яйцеклетки. Это предшествующая оплодотворению перетасовка ДНК, называемая генетической рекомбинацией, возможна благодаря линейной природе хромосом — хромосомы относительно легко ломаются посередине и обмениваются частями со своей парой, формируя новые химерные хромосомы. Причина, по которой это происходит, как и в случае смешивания материнской и отцовской ДНК, заключается в том, что это, говоря эволюционным языком, хороший способ создать разнообразие в каждом поколении. Если изменится окружающая среда, следующие генерации ваших потомков будут готовы отреагировать на это.
«Но подождите, — скажете вы, — да разве эти сломанные и соединенные вновь хромосомы не такие, какими были прежние? Предполагалось, что они должны быть копиями!» Дело в том, что они не точные копии друг друга, а имеют отличия во многих местах по всей длине. Это копии копий, сделанные недобросовестным копировальным аппаратом, постоянно допускающим некоторое количество случайных ошибок при копировании хромосом. Эти ошибки и есть мутации, о которых мы уже упоминали ранее, а различия между парными хромосомами и есть полиморфизмы. Полиморфизмы обнаруживаются приблизительно через каждые 1000 нуклеотидов хромосомы. Таким образом, когда происходит рекомбинация, новые хромосомы отличаются от родительских.
Эволюционный смысл рекомбинации заключается в том, чтобы разрушить наборы полиморфизмов, соединенных друг с другом на одном участке ДНК. И хотя этот механизм, создающий разнообразие, в эволюционном плане отличная штука, он очень усложняет жизнь молекулярным биологам, желающим прочитать книгу об истории человеческого генома. Рекомбинация позволяет каждому полиморфизму на хромосоме вести себя независимо от других. Со временем полиморфизмы рекомбинируют много раз, и после сотен или тысяч поколений тип полиморфизмов, существовавший у общего предка, полностью утрачивается. Хромосомы потомков полностью перетасованы, и от первоначальной «колоды» не остается и следа. И это плохо для эволюционных исследований, так как, не имея возможности сказать что-либо о предке, мы не можем применять к полиморфизмам принцип «бритвы Оккама» и, следовательно, не представляем, сколько изменений претерпели в действительности перетасованные хромосомы. В настоящее время все наши расчеты молекулярных часов базируются на скорости появления новых полиморфизмов посредством мутаций. Из-за рекомбинации кажется, будто произошли мутации, в то время как их на самом деле не было, и из-за этого мы можем переоценить время, прошедшее с момента отделения от общего предка.
В начале 1980-х годов Уилсона и некоторых других генетиков посетила научная догадка, что если взглянуть на маленькие клеточные структуры, называемые митохондриями, то можно найти способ перехитрить перетасовку хромосом. Интересно, что митохондрия имеет свой собственный геном, и кроме ядра это единственная клеточная структура, у которой он есть. Дело в том, что по существу это эволюционный след, оставшийся с того времени, когда миллиарды лет назад образовались сложные клетки. Митохондрия — это то, что осталось от древней бактерии, проглоченной одним из наших одноклеточных предшественников. Позднее она оказалась пригодной для генерирования энергии в клетке, и теперь служит в качестве внутриклеточной силовой станции, хотя и начала свою жизнь как паразит. К счастью, митохондриальный геном существует всего в одной копии (как и бактериальный геном), а это означает, что он не может рекомбинировать. Кроме того, оказывается, что вместо одного полиморфизма приблизительно на 1000 нуклеотидов, он имеет один на 100. Чтобы провести эволюционное сравнение, мы хотели бы иметь в распоряжении столько полиморфизмов, сколько возможно, так как каждый полиморфизм увеличивает нашу способность различать индивидуумов. Вдумайтесь: если бы мы взяли только один полиморфизм с двумя различающимися формами А и Б, мы могли бы рассортировать всех на две группы — вариант А и вариант Б. С другой стороны, если взять 10 полиморфизмов, каждый из которых имеет два варианта, можно добиться лучшей разрешающей способности, так как вероятность того, что множество индивидуумов будет иметь одинаковый набор вариантов, намного меньше. Другими словами, чем больше полиморфизмов мы имеем, тем выше наши шансы сделать правильные выводы о родственных отношениях между исследуемыми людьми. Поскольку полиморфизмов митохондриальной ДНК (мтДНК) в десять раз больше, чем в остальной части нашего генома, к ней стоит приглядеться получше.