Молекулярная машина времени

Если вы хотите узнать, как выглядели мамонты, могли ли пингвины видеть динозавров, когда именно люди расселились по Земле, - вам надо заняться изучением молекулярной биологии. В первую очередь, освоить работу с ДНК. Как связаны крошечные молекулы с внешностью и историей гигантских зверей из прошлого или перемещениями наших предков? Оказывается, связь здесь самая непосредственная.

В июне в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences вышла статья, авторы которой установила, что мамонты, жившие в ледниковом периоде на территории Сибири, не принадлежали к одному виду, а делились на две группы. В своей работе ученые анализировали митохондриальную ДНК, полученную из образцов шерсти мамонта. Сравнив последовательность ДНК из 13 образцов и присовокупив к полученным данным информацию о возрасте и месте обнаружения образцов, ученые пришли к выводу, что в Евразии обитало две группы мамонтов.

Однако исследователи не смогли точно установить, образовывали ли мамонты отдельные виды, подвиды или же все они являлись представителями одного вида. Для того чтобы ответить на этот вопрос, исследователям необходимо проанализировать другую ДНК – ядерную. Длинные молекулы ДНК помогают проследить историю давно исчезнувших животных, установить степень их родства с другими организмами, выяснить, когда именно они стали самостоятельными видами. Как именно ученым удается связать последовательность химических соединений с прошлым?

Хозяин и помощник

Чтобы понять всю важность ДНК для палеонтологов, необходимо вспомнить, что представляет собой эта молекула. ДНК – это последовательность четырех химических соединений, связанных между собой в длинные нити. В клетках ядерных организмов – птиц, рыб, амфибий, млекопитающих – ДНК находится в двух местах: в ядре и в митохондриях. Ядерная ДНК содержит информацию обо всех признаках данного организма. Соответственно, она отличается большим размером: чтобы поместиться в крошечном клеточном ядре, ее длинные молекулы очень плотно упакованы. Ядерная ДНК содержит гены – последовательности, кодирующие белки или особые молекулы РНК. Изменение различных признаков организма в ходе эволюции соответствует изменению последовательности ДНК, в частности, в генах.

Митохондрии являются "энергетическими станциями" клеток. Согласно общепринятой теории, они произошли из бактерий-симбионтов, которые постепенно утратили свою автономность. Бактерии обладают собственным геномом, однако "прародители" митохондрий передали своим хозяевам часть генов, которые обеспечивали их жизнедеятельность. В митохондриях сохранились гены, кодирующие ферменты, которые отвечают за энергетическое обеспечение клетки, и гены, отвечающие за размножение "бывших" бактерий: эти органеллы воспроизводят себя независимо от клетки-хозяина.

Фактически, их геном и его эволюция не связаны с эволюцией генома хозяйской клетки. Так как митохондрии находятся вне ядра во всех клетках, в том числе, и в яйцеклетке, они передаются только от матери к дочери. Таким образом, все изменения, произошедшие в геноме митохондрии, будут наследоваться только по этой линии.

Исследуя ядерную ДНК, ученые могут понять, как изменялись гены и, соответственно, белки. Анализируя количество мутаций в тех или иных генах, ученые могут сказать, как давно разошлись две группы организмов. Чем больше мутаций "отделяет" один организм от другого, тем больше времени прошло с момента их разделения. Кроме того, о времени расхождения свидетельствует число общих или сходных генов.

Чем больше степень несходства генов и чем больше в геномах организмов различных генов, тем дальше они находятся друг от друга на эволюционном дереве. С того момента, как биологи научились определять последовательность ДНК, именно она стала единственным и однозначным критерием того, принадлежат ли организмы к одному виду или к разным.

Митохондриальная ДНК мало изменяется со временем, так как на нее не действует отбор. В ДНК митохондрий накапливаются, в основном, случайные мутации. Анализируя их, можно определить, как давно разошлись виды, а также степень их родства. Кроме того, митохондриальная ДНК позволяет установить примерный возраст организмов. Метод определения времени жизни организма с помощью анализа митохондриальной ДНК получил название метода "молекулярных часов".

Теоретически в качестве "молекулярных часов" можно использовать и ядерную ДНК, однако по многим причинам ДНК митохондрий оказывается более предпочтительной. Во-первых, она намного меньше ядерной. Соответственно, ученым легче расшифровать ее последовательность. Во-вторых, на мутации в геномной ДНК могут действовать силы отбора: если мутация приведет к нарушению работы важного гена, организм окажется менее приспособленным к окружающим условиям, и вероятность того, что он передаст свои гены потомству, сильно уменьшается. В-третьих, ядерная ДНК существенно хуже сохраняется в ископаемых образцах, так как ее длинные молекулы рвутся.

Таким образом, и ядерную, и митохондриальную ДНК можно использовать в качестве источника информации о древних жителях Земли. Безусловно, максимальная информация будет получена в том случае, когда у исследователей есть возможность проанализировать как ядерную ДНК, так и ДНК митохондрий. Однако во многих случая это невозможно, и тогда приходится использовать иные подходы. Например, сравнивать ДНК из ископаемых образцов с ДНК современных организмов. Или наряду с анализом ДНК использовать морфологические данные или данные радиоуглеродного анализа. Радиоуглеродный анализ позволяет установить возраст образцов на основании соотношения в них изотопов углерода. Многие из этих комплексных подходов уже принесли свои плоды.

Мамонты, пингвины и Homo sapiens

Так, в 2007 году команда российских ученых провела анализ митохондриальной ДНК, выделенной из ноги мамонта, а также азиатского и африканского слонов. Они определили, когда именно каждый из этих трех видов отделился от общего эволюционного дерева. Раньше всех – около шести миллионов лет назад - обособились африканские слоны. Спустя два миллиона лет в отдельный вид выделились мамонты.

В 2006 году исследователи из Германии установили, что среди древних гигантов были блондины, брюнеты и рыжие. К этому выводу ученые пришли, анализируя последовательности геномной ДНК из нескольких ископаемых образцов мамонта, найденных в зоне вечной мерзлоты. Родственники азиатских слонов, жившие в ледниковом периоде, скорее всего, были носителями двух разновидностей гена Mc1r, который отвечает за пигментацию волос (или шерсти) у некоторых млекопитающих и человека. Одна из разновидностей Mc1r определяет темный цвет волос, вторая – более светлый.

Отвлечемся от мамонтов. ДНК рассказала многое и о других видах. Например, о пингвинах. В нескольких исследованиях было показано, что пингвины существовали вместе с динозаврами как минимум пять миллионов лет и пережили катастрофу, уничтожившую гигантских ящеров. В 2006 году исследователи из Новой Зеландии, анализировавшие митохондриальную ДНК древнейших известных останков пингвинов и современных обитателей Антарктиды, установили, что они практически не отличались друг от друга. Кроме того, с помощью все той же ДНК митохондрий ученые установили эволюционные взаимоотношения между пингвинами, альбатросами, гагарами, буревестниками и другими птицами.

C помощью анализа ДНК ученые уточняют информацию и о человеке. Например, в 2008 году дата заселения американского континента была передвинута на тысячу лет назад благодаря ДНК, сохранившейся в окаменевших экскрементах древних людей. C помощью радиоуглеродного анализа был установлен возраст "копролитов" – окаменевших фекалий, а анализ выделенной из них ДНК подтвердил, что они принадлежат именно людям.

Благодаря генетическому анализу ученые выяснили, что около 70 тысяч лет назад – к началу каменного века - человечество оказалось на грани вымирания. Палеонтологи анализировали митохондриальную ДНК, полученную из останков древних жителей Земли. Параллельно они исследовали палеоклиматические данные, относящиеся к периоду между 135 и 90 тысячами лет назад. Результаты исследования показали, что изменения климата, в частности, постоянные засухи привели к тому, что число людей резко сократилось. Согласно оценкам ученых, на Земле в то время жило около двух тысяч наших предков.

Сочетание генетического анализа и сравнительного анализа черепов 28 популяций современного и доисторического человека показало, что древние люди мигрировали из Африки в остальные части света в два этапа. Первая "порция" людей покинула Африку около 100 тысяч лет назад. Мигранты этой волны заселили Австралию и Азию. Спустя 50 тысяч лет начался второй этап миграции. Эти переселенцы осели на территории современной Европы. Возможно, две популяции, мигрировавшие из Африки в разное время, могли представлять разные подвиды человека. В частности, мигранты "первой волны" являлись дальними родственниками неандертальцев.

ДНК помогает ученым заглядывать и в совсем недалекое прошлое. В 2006 году австралийский профессор молекулярной биологии Иэн Финдлэй решил раскрыть тайну Джека Потрошителя – маньяка, жестоко убивавшего лондонских проституток в конце XIX века. Финдлэй разработал новый метод анализа ДНК, который позволяет использовать малое количество исходного материала. В данном случае ученый обнаружил пригодные для анализа образцы на конверте с одним из писем Потрошителя. Из-за плохого качества ДНК и ее малого количества Финдлэю не удалось добыть много информации. Однако один факт он выяснил: скорее всего, кровавый убийца был женщиной.

Все усложняется

Очевидно, ДНК еще не раз поможет ученым "увидеть" события, имевшие место в далеком – или недалеком – прошлом. Исследователи постоянно совершенствуют методы анализа и обработки образцов. Сейчас для проведения анализа достаточно одной клетки и всего нескольких молекул ДНК. Восстанавливая прошлое, ученые убеждаются, что оно оказывается гораздо сложнее – и интереснее, - чем предполагалось раньше. Старые теории приходится перекраивать или даже совсем отказываться от них. Но зато можно надеяться, что рано или поздно у людей будет такая картина развития животного мира, которую хотя бы с натяжкой можно будет назвать достоверной.