«Молекулярные часы»
Эволюцией движут генетические мутации. Они же – главная причина изменчивости, которую определяет естественный отбор. «Молекулярные часы» по степени мутации определяют, когда у организмов были общие предки.
«Молекулярные часы» отсчитывают время, ориентируясь по мутациям, накопившимся в определенных генах, общих для большого числа организмов. Мутации возникают случайным образом у отдельных особей и в основном представляют собой химические изменения в ДНК. Они не влияют на выживаемость организма, но тем не менее свидетельствуют о связях – организмы с данной мутацией связаны ближе, чем организмы с другим геном. В 1970-х гг. биолог Мотоо Кимура предположил, что мутации накапливаются с определенной скоростью. Исходя из этой скорости можно примерно определить период, когда два ряда поколений имели общего предка. Скорость мутаций меняется, и «часы» не очень точны, но генетики могут калибровать их для конкретных групп организмов и намечать периоды крупных эволюционных событий, отсутствующих в палеонтологических летописях.
С помощью «молекулярных часов» можно сравнить, как в разных генах накапливались мутации, и определить, когда один вид отделился от другого.
Массовое вымирание
При массовом вымирании аномально большие количества видов растений и животных исчезают за относительно короткий промежуток времени.
Самое известное массовое вымирание подвело черту под эрой динозавров около 66 млн лет назад. Его называют мел-палеогеновым, или мел-третичным, вымиранием, так как оно имело место в конце мелового – начале палеогенового периода. Считается, что, кроме исчезновения преобладавших некогда динозавров, вымерло примерно три четверти видов, в том числе последние из летающих птерозавров, а также аммониты и многие цветущие растения.
О причинах вымирания давно спорят. В 1980 г. группа исследователей во главе с лауреатом Нобелевской премии физиком Луисом Альваресом, его сыном, геологом Уолтером Альваресом, и химиками Франком Асаро и Хелен Вон Мишель сделали удивительное открытие. По всему миру в слоях осадочных пород на границе упомянутых периодов концентрация иридия в сотни раз выше, чем в других местах. Иридий – очень редкий элемент, поэтому Альваресы сделали смелое заключение о том, что тот попал на планету вследствие падения астероида. При столкновении, утверждали они, поднялось огромное облако пыли, закрывшей солнечный свет и лишившей растения возможности осуществлять фотосинтез. Так началась долгая зима. Следовательно, сократилось количество пищи, доступной животным.
Десятилетием позже геологи подтвердили существование огромного кратера на побережье мексиканского полуострова Юкатан. Размеры кратера свидетельствовали о падении объекта, достигавшего в диаметре 10 км. Очевидно, что последствия должны были быть разрушительными, как и прогнозировал Альварес. Также есть основания полагать, что период повсеместной вулканической активности, породивший огромную базальтовую плиту в Южной Индии – известную как Деканские траппы, – также препятствовал доступу солнечного света на границе периодов.
Удар, вследствие которого образовался кратер Чиксулуб, по некоторым оценкам, был в миллиард раз сильнее взрыва атомных бомб, сброшенных на Нагасаки и Хиросиму. Поднявшиеся облака пыли, вероятно, заслонили Солнце на многие месяцы.
Великое умирание
Сколько бы видов ни затронуло мел-палеогеновое вымирание, оно было не самым крупным. Около 250 млн лет назад, в конце пермского периода, когда большинство живых существ Земли обитали в океане, погибли, по некоторым оценкам, около 96 % всех морских видов. Кроме того, вымерли 70 % видов наземных животных и растений. О биологическом разнообразии больше не было речи, и потребовались миллионы лет, чтобы жизнь вновь заявила о себе. В числе возможных причин – столкновение с астероидом, сильная вулканическая активность, сформировавшая Сибирские траппы, катастрофический выброс метана с морского дна, смещение океанических течений или сочетание всех упомянутых факторов.
Другие вымирания
Третье по охвату массовое вымирание произошло в конце ордовикского периода, 455–430 млн лет назад. Считается, что в результате резкого похолодания площадь ледников выросла, а уровень моря упал. Подобные изменения повлияли бы на сухопутные организмы, но еще сильнее – на морские. Больше других пострадали трилобиты, плеченогие и граптолиты. Противоречия вызывает исчезновение из палеонтологической летописи многих видов в конце девонского периода, то есть 375–360 млн лет назад. Возможно, это результат серии вымираний, а не одного массового вымирания. Катастрофически пострадали живые существа в мелких морях, а кораллам потребовались многие миллионы лет, чтобы восстановить разнообразие и численность. Морские обитатели, в том чиле брюхоногие, плеченогие, двустворчатые моллюски и головоногие, исчезли в конце триасового периода, около 200 млн лет назад. Вымерли многие земные позвоночные, а их место заняли динозавры.
Цианобактерии в океане, вероятно, были первыми организмами, которые произвели кислород при помощи фотосинтеза. Миллионы лет выделяемый ими кислород соединялся с растворенным в океане железом и формировал окиси этого металла. Это видно по железистым отложениям в древних породах. Около 2,4 млрд лет назад накопился избыточный объем кислорода, и он стал поступать в атмосферу, что имело глубокие последствия. Кислород не могли переносить анаэробные организмы (в основном крошечные, как бактерии). Они были чрезвычайно многочисленны в те времена, а потому, вероятно, случилось одно из величайших массовых вымираний.
Слои железистых отложений заметны в докембрийских породах, относящихся ко времени кислородной катастрофы, то есть сформировавшихся около 2,4 млрд лет назад.
Трилобиты, многочисленные водные беспозвоночные, подверглись трем массовым вымираниям и наконец исчезли в конце пермского периода, около 251 млн лет назад.
Полимеразная цепная реакция
Этот недорогой и надежный метод используется для восстановления сегментов ДНК. С его помощью генетики диагностируют и наблюдают течение наследственных заболеваний, а также проводят ДНК-типирование.
Полимеразы – это ферменты, которые копируют ДНК при делении клеток. Методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), изобретенным Кэри Муллисом в 1983 г., обычно дублируют последовательности из 100–10 000 пар оснований ДНК. Так как часть реакции происходит при высоких температурах, ДНК-полимераза берется у термофильных, то есть теплолюбивых, бактерий. Сначала секция двойной спирали ДНК подогревается до 96 °C, чтобы разделить нити. Затем температуру снижают и размещают так называемые праймеры, отмечающие начало и конец последовательности для копирования. Наконец ДНК-полимераза воспроизводит недостающие основы в этой последовательности. Процесс многократно повторяется, и за четыре часа можно произвести миллиард копий.
Подготовка образцов ДНК для копирования в лаборатории ПЦР. Метод используется для диагностирования заболеваний, идентификации вирусов и бактерий, сопоставления образцов, найденных на месте преступления, и во многих других случаях.
Гомеозисные гены
Гомеобокс – это последовательность ДНК примерно из 180 пар оснований, задействованная в анатомическом развитии животных и растений.
В 1983 г. группы исследователей из Базельского университета в Швейцарии и Индианского университета в США, работавшие независимо, обнаружили, что гомеозисные гены играют важную роль в формировании тела. Гены кодируют белки, которые регулируют другие гены в процессе раннего развития эмбриона. Если в генах присутствуют мутации, части тела могут быть расположены неправильно. Например, у некоторых мутировавших фруктовых мушек есть лишняя пара крыльев, а у некоторых пара ног расположена на голове вместо антенн. Это происходит, если ген инструктирует клетки, формирующие антенны, сформировать вместо этого ноги. Австралийские ученые обнаружили мутацию гомеобокса, вызывающую умственную отсталость у людей. Теперь, желая исправить проблему, они пытаются выяснить, как мутации влияют на развитие.
Как у всех насекомых, у фруктовой мушки дрозофилы восемь гомеозисных генов.
ДНК-типирование
ДНК-типирование – это метод, который используется для идентификации индивида по образцу генетического материала. Он основан на уникальности строения ДНК. Сегодня это важный инструмент судебной медицины.
Британский генетик Алек Джеффрис экспериментировал у себя в лаборатории при Лестерском университете в 1984 г. Он заметил, что рентгеновские снимки образцов ДНК членов одной семьи (это была семья его лаборанта) демонстрируют множество сходств, хотя отмечены и определенными различиями. Он сразу увидел потенциальную пользу этого открытия для расследования преступлений. Хотя 99,9 % последовательностей ДНК у всех людей одинаковы, различий все же достаточно, а потому вполне возможно отличить одного человека от другого, если только они не однояйцевые близнецы. Например, если образец ДНК из крови или других тканей, взятый на месте преступления, сравнить с образцом, взятым из слюны или крови подозреваемого, можно определить, принадлежат ли они одному человеку.
Генетический профиль, или паспорт, показывает секции ДНК, в которых многократно повторяется одно и то же оснвание. Такие тандемные повторы обрабатывают и превращают в уникальный код, который, впрочем, схож с кодом близкого родственника.
Джеффрис и его команда начали разрабатывать метод генетической дактилоскопии, при помощи которого отслеживают чередования секций ДНК, называемые минисателлитами. Выделив несколько минисателлитов, уникальных для человека, генетическая дактилоскопия позволила с легкостью анализировать оцифрованные базы генетических данных. Сегодня используются даже более короткие секции ДНК, микросателлиты, или простые короткие тандемные повторы. В 1987 г. полиция, прибегнув к этому методу, смогла предъявить мужчине обвинение в убийстве двух девушек. Сегодня этот способ анализа ДНК используется во всем мире для установления отцовства и в работе криминалистов.