4

Новые границы для эволюции

МИСИМА – Последние достижения в нашем понимании молекулярных механизмов стали революцией для многих областях биологии, в том числе клеточной биологии и биологии развития. Так что не удивительно, что эти достижения также предоставляют ценную информацию для области эволюционной биологии, в том числе доказательства подтверждающие почти нейтральную теорию молекулярной эволюции, которую я развивал в 1973.

Как обычно в науке, каждое новое открытие в эволюционной биологии поднимает столько же вопросов как ответов. В самом деле, моя научная область теперь переживает один из самых динамичных периодов в своей 150-летней истории.

В течение примерно столетия после публикации работы Чарльза Дарвина о происхождении видов, ученые полагали, что генетические мутации регулируется способом, аналогичным тому, который описан отцом естественного отбора. Идея заключалась в том, что у людей с отличными генетическими данными будет больше шансов выжить, воспроизводить и передавать свои гены, чем у людей без подобных данных.

В результате, вредные мутации бы быстро вымирали. Полезные бы распространялись до тех пор, пока их не имели все виды. Считалось, что эволюционные изменения, в том числе морфологические, были результатом накопления и распределения полезных мутаций, а генетическая структура популяций, считалась чуть не однородной с лишь редкими, случайными мутациями, которые создавали различия между одним человеком и другим.

Это мнение было оспорено открытием ДНК. Так как стало возможным анализировать генетические данные каждого человека, то стало очевидным, что было намного больше вариаций в популяциях, чем предсказывала преобладающая эволюционная теория. Действительно, люди могли иметь сходные черты, но очень разные последовательности генов. Казалось, что это противоречит принципам естественного отбора.

Одна из первых попыток свести теорию с доказательствами была предложена моим покойным коллегой Моту Кимура, который предположил существование нейтральных мутаций - генных вариантов, которые ни выгодные и ни вредные для человека, и, следовательно, не зависят от естественного отбора. Кимура рассмотрел скорость эволюционных изменений белков и предложил нейтральную теорию молекулярной эволюции в 1968 году. Его теория - которая постановила, что эволюционные изменения на молекулярном уровне вызваны не в результате естественного отбора, а случайным генетическим дрейфом – предполагала собой хорошее объяснение для генетической вариации, которую обнаружили исследователи.

Теория Кимуры была простой и элегантной, но классификация мутаций в различные группы - полезные, нейтральные или вредные - казалась слишком простым ��ля меня. Моя собственная работа показала, что пограничные мутации - те, с очень малыми положительными или отрицательными эффектами, могут быть очень важными в продвижении эволюционных изменений. Это понимание было основным для теории почти нейтральной молекулярной эволюции.

Взрыв данных в области генома и популяционной генетики в двадцать первом веке не только одолжили новую поддержку моей 42-летней теории, они также обнаружили новые широкие области исследования. Наши знания о структуре и функции белков, например, были значительно расширены благодаря открытию динамических процессов складывания. Многие полагают, что этот процесс обеспечивает гибкость в том, как функционируют белки и таким образом, что может быть подключено к почти нейтральной мутации.

Среди наиболее интересных проблем в эволюционной биологии: попытка определить молекулярные механизмы в экспрессии генов, которые управляют морфологической эволюцией. Область находится в процессе достижения лучшего понимания целого ряда комплексных систем в отдельных клетках. Эти системы молекулярного уровня находятся в центре эпигенетики - изучения изменений в генетической функции, которые не могут быть объяснены различиями в последовательностях ДНК.

Эпигенетика является необходимой для понимания связи между генетической композицией, или генотипом, и чертами, которые мы можем на самом деле наблюдать. У высших организмов - таких, как люди - эпигенетические процессы контролируются хроматином, сложной макромолекулой внутри клеток, состоящих из ДНК, белков и РНК. Как хроматин работает, в свою очередь, зависит от генетических и экологических факторов, что делает их функции трудными понять. Однако, эти быстро развивающиеся, очень переменные макромолекулы стоит тщательно изучать, так как они могут быть причиной некоторых болезней человека.

Еще одним фактором в отношениях между генетическим составом и наблюдаемыми признаками является тот способ, которым белки иногда могут быть изменены. Например, белковые ферменты могут быть включены или выключены, таким образом изменяя их функции и деятельность. Кажется, что и этот процесс, как и другие формы генной экспрессии, обусловлен сочетанием врожденных и факторов окружающей среды.

Похоже, что ни один механизм не может быть изучен в изоляции, ведь на самом базовом уровне, такие факторы, как отбор, дрейф, и эпигенетика работают вместе и стали неразлучными. Чем глубже мы погружаемся в то, что мы считали понятными эволюционными процессам, тем более дивными и сложными они проявляются.