Данные молекулярной биологии подтвердили и уточнили выводы об эволюции, полученные в других областях науки

Чарльз Дарвин и другие биологи XIX века пришли к своим выводам об эволюции несмотря на то, что им почти ничего не было известно о молекулярных основах жизни. Открытые с тех пор возможности детального исследования биологических молекул предоставили науке данные совершенно нового рода, свидетельствующие о механизмах и путях эволюции. Новые данные полностью подтвердили общие выводы, сделанные на основании изучения ископаемых, географического распространения видов и других наблюдений. Кроме того, молекулярные данные стали источником множества новых сведений об эволюционных отношениях видов и о механизмах эволюции.

ДНК передается из поколения в поколения либо напрямую от родительской особи к детям (у организмов, размножающихся бесполым путем), либо в результате слияния содержащих ДНК сперматозоида и яйцеклетки (у организмов, размножающихся половым путем). Последовательность нуклеотидов в ДНК, как уже было сказано, может меняться при передаче от одного поколения другому в ходе мутаций. Если эти изменения приводят к появлению полезных признаков, то новая последовательность нуклеотидов получает повышенные шансы распространиться в пределах популяции на протяжении ряда поколений. В результате в молекулах ДНК оказываются «записаны» последствия происходивших в прошлом наследственных изменений, в том числе ответственных за возникающие в ходе эволюции приспособления.

Человеческий ген, мутации в котором вызывают болезнь муковисцидоз, очень похож на соответствующий ген шимпанзе, но сильнее отличается от соответствующих генов у видов, которые состоят в более далеком эволюционном родстве с человеком. Высота столбцов на приведенной схеме показывает степень сходства последовательности нуклеотидов в этом гене у разных организмов и человека на определенном участке из 10 000 нуклеотидов.

Сравнение последовательностей ДНК двух организмов разных видов позволяет биологам выявить наследственные изменения, произошедшие с тех пор, как эволюционные ветви, ведущие к этим видам, отделились от их единого общего предка. Если общий предок этих двух видов существовал сравнительно недавно, то последовательности их ДНК будут больше похожи друг на друга, чем если их последний общий предок жил очень давно. Например, последовательность нуклеотидов в ДНК человека, в небольшой степени изменчивая в пределах нашего вида в зависимости от популяции и индивидуума, в среднем отличается от последовательности нуклеотидов в ДНК шимпанзе лишь на несколько процентов, что отражает наше сравнительно близкое эволюционное родство с шимпанзе. Но ДНК человека уже больше отличается от ДНК павиана, еще больше — от ДНК мыши, еще больше — от ДНК курицы, еще больше — от ДНК рыбы фугу. Этот ряд отражает степень нашего эволюционного родства со всеми этими видами. Еще большая разница наблюдается, если сравнивать ДНК человека с ДНК мух, червей, растений. Но у всех живых организмов можно выявить сходные черты в последовательности нуклеотидов в ДНК, несмотря на то что с тех пор, как жил последний общий предок всего живого, прошло уже очень много времени. Даже у людей и бактерий последовательности ДНК обладают некоторыми чертами сходства в пределах отдельных генов, причем сходные участки последовательностей отвечают за синтез молекулярных систем, имеющих сходные функции. Так представления о биологической эволюции дают ответ на вопрос, почему для успешного изучения важнейших для жизнедеятельности человека биологических процессов во многих случаях можно исследовать другие организмы. В связи с этим значительная часть современных биомедицинских исследований основана на изучении общих биологических свойств разных живых организмов.

Эволюция конечностей у древнейших наземных позвоночных

Молекулярно-биологические исследования позволили выявить участки ДНК, отвечающие за образование различных частей тела в ходе развития зародыша. Некоторые из наиболее важных таких участков называют гомеотическими генами (или хокс-генами).

У людей и других млекопитающих гомеотических генов 39. Каждый гомеотический ген управляет функциями других генов, причем в разных частях организма один и тот же гомеотический ген может управлять разными наборами других генов.

Гомеотические гены принимают участие в развитии многих черт строения, в том числе конечностей, позвоночника, пищеварительной и половой систем у самых разных видов беспозвоночных и позвоночных животных. К примеру, как показано на иллюстрации (справа), те же гены, что управляют развитием определенных частей тела у мушки-дрозофилы, управляют развитием соответствующих частей тела и у мышей и других млекопитающих. Каждый цвет соответствует участкам работы определенного гомеотического гена у зародышей дрозофилы и мыши.

Гомеотические гены также непосредственно управляют развитием плавников у рыб и конечностей у наземных позвоночных. Характер работы этих генов определяет черты строения конечностей, в частности обеспечивает образование пальцев. Изменения характера их работы, по всей видимости, играли заметную роль в эволюции древнейших наземных позвоночных, в частности в происхождении тиктаалика.

Сравнение гена человека и шимпанзе, управляющего синтезом лептина (гормона, принимающего участие в обмене жиров), позволяет обнаружить только пять отличий на участке из 250 нуклеотидов. В тех местах, где последовательности человека и шимпанзе отличаются, можно определить вероятную последовательность нуклеотидов общего предка человека, шимпанзе и гориллы, сравнивая ген человека и шимпанзе с геном гориллы. В двух случаях нуклеотиды, занимающие определенное место, разные у человека и шимпанзе, совпадают у человека и гориллы, а в остальных трех случаях — совпадают у гориллы и шимпанзе. Общий предок гориллы, шимпанзе и человека, скорее всего, имел на этом месте тот нуклеотид, который совпадает у двух из трех рассматриваемых современных видов, потому что такое отличие могло возникнуть в результате единственного изменения нуклеотида, находящегося в данной точке, а другие возможные случаи требовали бы по крайней мере двух изменений.

Изучение биологических молекул позволяет выявлять не только характер и степень эволюционного родства организмов, но также и характер изменений признаков, происходящих в ходе эволюции в результате изменений генов. В частности, молекулярно-биологические исследования позволили изучить функции белков-регуляторов, которые включают и выключают гены в клетках в процессе развития организма из оплодотворенной яйцеклетки. Небольшие изменения в этих белках, в участках ДНК, к которым эти белки прикрепляются, осуществляя регуляцию, а также, как недавно выяснилось, в небольших молекулах РНК могут оказывать сильнейший эффект на черты строения и функций организма. Такого рода изменения, видимо, играли большую роль во многих возникших в ходе эволюции новшествах, в частности в формировании конечностей наземных позвоночных из плавников рыб. Кроме того, биологи выяснили, что очень похожие наборы регуляторных белков имеются у таких разных организмов, как мухи, мыши и люди, несмотря на то что от общего предка их отделяют многие миллионы лет. Данные исследований ДНК говорят о том, что фундаментальные механизмы, лежащие в основе формирования особенностей строения организмов, возникли раньше, чем многоклеточность, или на заре эволюции многоклеточных организмов и с тех пор изменялись лишь очень слабо.

Ископаемые остатки древнего китообразного из рода дорудон (Dorudon), обнаруженные в Египте и относящиеся ко времени около 40 миллионов лет назад, являют собой пример важного переходного звена в эволюции китообразных. Предками этого животного были наземные млекопитающие, и оно еще сохраняло остатки скелетной основы задних ног со ступнями и пальцами (маленькие косточки у основания хвоста), несмотря на то что уже обитало в воде и плавало при помощи длинного и мощного хвоста.