Ceasul evolutiv molecular. Comparăm ceasurile

Individualitatea chimică a fiecărui organism viu este determinată de succesiunea perechilor de baze din ADN-ul acelui organism. Teoria evoluției afirmă că speciile se dezvoltă în timp, iar ADN-ul lor se modifică în paralel cu această dezvoltare. Diverse evenimente pot duce la o schimbare a ADN-ului. De exemplu, acumularea lentă de mutații, erori masive de copiere sau penetrarea secvențelor de acid nucleic viral. Dar un lucru este sigur de spus - cu cât a trecut mai mult timp de când strămoșul comun al două specii a trăit, cu atât perioada în care au avut loc aceste schimbări este mai lungă și, prin urmare, cu atât secvențele ADN ale acestor două specii diferă mai mult.

Există câteva lucruri de remarcat despre această afirmație. În primul rând, numărând diferențele dintre secvențele de ADN, putem construi un arbore genealogic al tuturor organismelor vii. De exemplu, oamenii și cimpanzeii împărtășesc 98% din ADN-ul lor. Aceasta înseamnă că strămoșul nostru comun a trăit foarte recent. În același timp, la oameni și broaște, partea care se potrivește a ADN-ului este mult mai mică, prin urmare ramura noastră s-a separat de ramura ocupată de amfibieni mult mai devreme. Teoria evoluției prezice că un arbore genealogic construit în acest fel ar trebui să fie asemănător cu un arbore construit în secolul trecut pe baza studiului fosilelor. După părerea mea, coincidența celor doi arbori genealogici este unul dintre cei mai evidenta grea evoluţie. De asemenea, arată că teoria evoluției poate fi testată (după cum sa menționat deja în Introducere, aceasta este una dintre cerințe esențiale orice teorie științifică), în măsura în care ar putea se dovedește că oamenii sunt genetic mai aproape de broaște decât de cimpanzei.

Metoda ceasului molecular folosește datele ADN într-un mod mai fundamental. Dacă la unii apar modificări ADN viteza medie- dacă ceasul molecular bate uniform - atunci numărând numărul de perechi de baze diferite din secvențele celor două tipuri, ne putem face o idee despre durata de viață a ultimei lor strămoș comun. Dacă frecvența modificărilor ADN-ului este constantă, analiza ADN-ului modern ne poate spune despre scări de timp diferite etape dezvoltarea arborelui genealogic.

În anii 1980, când conceptul de ceas molecular a fost propus pentru prima dată, cercetătorii erau de așteptat să audă că schimbările în tot ADN-ul au loc în aceeași rată - că toate ceasurile ticăie la același interval. Cu toate acestea, s-a dovedit că există multe ceasuri moleculare diferite și toate rulează la viteze diferite. De exemplu, perechile de baze din secvența unei gene importante nu se pot schimba mult fără a dăuna organismului în ansamblu, așa că ceasul care indică ora pentru perechile de baze din astfel de gene este relativ lent. Pe de altă parte, majoritatea segmentelor ADN nu afectează procese chimiceîn corp, astfel încât ceasul poate rula mai repede pentru aceste segmente.

Poate cel mai atrăgător lucru despre metoda ceasului molecular este perspectiva aplicării acesteia la evoluția umană recentă. Pentru a înțelege mai bine toate acestea, trebuie să știți că în fiecare celulă a organismelor înalt dezvoltate există organele minuscule - mitocondriile. Combustibilul celulei arde în ele - adică se realizează functie esentiala metabolism. Se crede că mitocondriile au intrat pentru prima dată în celule mai complexe cu milioane de ani în urmă într-un proces de simbioză. Două celule care au evoluat independent una de cealaltă au descoperit că beneficiază de parteneriate în care o celulă trăiește în interiorul celeilalte. Faptul că mitocondria conține propriul său ADN asemănător buclei mici (există 26 de gene în ADN-ul mitocondrial uman) sugerează că acest eveniment a avut loc cu foarte mult timp în urmă.

Spermatozoizii nu au mitocondrii, așa că tot ADN-ul mitocondrial din corpul tău provine din ovulul mamei tale. Cu alte cuvinte, ADN-ul mitocondrial este transmis prin linia maternă. S-a stabilit că ceasul molecular al ADN-ului mitocondrial bate de aproape 10 ori mai repede decât ceasul ADN-ului conținut în nucleul celulei. Prin urmare, ADN-ul mitocondrial a fost ales pentru analiză - la urma urmei, pt anumit interval timp va suferi mult mai multe modificări decât ADN-ul nuclear.

ADN-ul mitocondrial a intrat pentru prima dată în atenția publicului în 1987, după un grup cercetători americani primit ADN mitocondrial din 147 de reprezentanţi rase diferite din diferite părți ale lumii și stabiliți numărul de mutații care le deosebesc. Pe baza rezultatelor primei analize, se părea că toate oameni moderni sunt descendenți din aceeași femeie care a trăit în Africa cu aproximativ 200.000 de ani în urmă. Această femeie a fost numită imediat Eva (sau, pentru o apariție mai științifică, Mitocondrial Eve) și chiar a fost plasată pe coperta unei reviste importante socio-politice.

Din păcate, acest rezultat uimitor nu a rezistat mai mult analiză completă, iar oamenii de știință nu-și mai amintesc de Eva (ea a căzut victimă analiza critica ADN făcut program de calculator). Conform celor mai recente tendințe științifice, datele ADN indică faptul că toți oamenii moderni descind dintr-o populație destul de mică - aproximativ 5-10 mii de oameni - care trăia în Africa cu 100-200 de mii de ani în urmă.

ceas molecular

Alături de datarea cu radiocarbon și potasiu-argon, există o altă metodă care vă permite să determinați când un grup de animale s-a separat de altul - ceasul molecular. În 1962, legendarul biolog molecular Linus Pauling (câștigătorul a două Premiile Nobel) și Emil Zuckerkandl au fost printre primii care au folosit metode moleculare pentru a construi un arbore al relațiilor evolutive între organisme. Aceasta a fost prima dovadă a evoluției din propriile noastre celule și ADN. Pauling și Zuckerkandl au observat că numărul diferențelor de aminoacizi în moleculele de hemoglobină nu corespunde doar împărțirii ramurilor evolutive ale animalelor studiate; cantitatea de schimbare este proporțională cu cât timp în urmă cele două organisme s-au separat unul de celălalt. Un an mai târziu, un alt fondator biologie moleculara, Emanuel Margoliash, a remarcat:

Se pare că cantitatea de diferențe reziduale dintre citocromul c dintre oricare doi speciiîn principal datorită cât de mult timp în urmă liniile evolutive cărora le aparțin ambele specii au divergit. Dacă această ipoteză este corectă, citocromul c al tuturor mamiferelor ar trebui să fie la fel de diferit de citocromul c al tuturor păsărilor. Din moment ce peștii s-au separat de principal arbore evolutiv vertebrate mai devreme decât păsările și mamiferele, citocromul c la păsări și mamifere ar trebui să fie la fel de diferit de citocromul c la pești. În mod similar, citocromul c al tuturor vertebratelor ar trebui la fel de diferit de proteina de drojdie.

Toate aceste dovezi sugerează că modificările moleculare s-au acumulat de-a lungul timpului pe măsură ce a avut loc divergența evolutivă. grupuri diferite animale și că rata de schimbare a moleculelor este proporțională cu vârsta de separare a liniilor evolutive.

Între timp, au început să apară fapte care să arate asta majoritatea ADN-ul la animale este „junk” sau cel puțin nefuncțional. O mare parte a genomului nu este pur și simplu citită niciodată atunci când genele sunt exprimate și, prin urmare, rămâne invizibilă pentru selecția naturală sau neutră adaptativ. Lucrarea de pionierat a biochimistului japonez Motoo Kimura, în special, a arătat că majoritatea legăturilor din ADN nu sunt afectate de procesele care au loc în organism. Aceste legături „adaptative discrete” se pot muta spontan și selecție naturală nu vor elimina unele dintre opțiunile lor în favoarea altora. De-a lungul timpului, astfel de mutații continuă să se acumuleze într-un ritm regulat - ticând ca un ceas. Deoarece selecția naturală nu observă astfel de modificări, ticăitul ceasului molecular devine un instrument convenabil pentru estimarea timpului de divergență între oricare două linii evolutive la scară geologică. Rămâne doar să le calibram, pe baza momentelor binecunoscute ale divergențelor evolutive majore înregistrate în evidența fosilă.

In curand multi biologi moleculari a început să lucreze îndeaproape cu ceasurile moleculare, evaluând istoria divergenței diferitelor grupuri de animale și reconciliând cronometrarea. Lucrările regretatului Vincent Sarich și Allan Wilson de la Universitatea din Berkeley au arătat în repetate rânduri că, conform ceasului molecular, liniile evolutive umane și cimpanzee s-au separat cu doar 7 până la 5 milioane de ani în urmă și nu mai devreme de 8 milioane de ani în urmă. , nu acum 14 milioane de ani, când a trăit Ramapithecus. Dar paleontologii au ținut linia. Erau sceptici cu privire la metoda moleculara, ca nedovedit și nesigur, deoarece a produs rezultate foarte ciudate și ridicole din când în când. (Acest lucru încă se întâmplă și nu înțelegem întotdeauna de ce.)

În anii 1970 și 1980, controversele s-au acutizat, oponenții consacrați care se certau la conferințe și dezbateri aprinse pe paginile reviste științifice. Sarich și Wilson erau încrezători în fiabilitatea datelor lor: trebuie să fie ceva în neregulă cu Ramapithecus sau cu vârsta lui. Sarich era un domn corpulent, înalt, impunător, cu barba stufoasa, posedat cu voce tareși a fost intransigent în dispute. Nu a ezitat să rănească și să insulte oamenii dacă credea de cuviință. În 1971, el a spus: „Nu aveți dreptul să numiți o fosilă veche de peste opt milioane de ani hominid, indiferent cum arată”. Desigur, acest lucru a fost frustrant pentru cercetători precum Simons și Pilbeam, care au continuat să insiste că Ramapithecus respinge argumentele biologilor moleculari.

Impasul a fost rezolvat după o altă descoperire făcută la Sivalik. În 1982, Pilbeam a anunțat descoperirea de noi oase de Ramapithecus, care includeau nu doar o maxilară inferioară completă, ci și un craniu parțial conservat. Împreună cu craniul, acest animal amintea mult mai mult de un urangutan fosil, pe care Guy Pilgrim, care l-a excavat pentru prima dată în Sivalik, l-a numit Sivapithecus încă din 1910. Maxilarul inferior Ramapithecus a aparținut doar unei rude fosile a urangutanului, asemănătoare cu homininul. Antropologii au fost forțați curând să facă un pas înapoi și să-și recunoască greșeala și, odată cu aceasta, victoria lui Sarich, Wilson și biologia moleculară. Acum că paleontologii știau că homininii fosile nu existau acum 14 milioane de ani, a apărut întrebarea: care Este strămoșul fosil al omului cel mai vechi? Este într-adevăr nu mai vechi de 8 milioane de ani, așa cum au prezis Sarich și Wilson?

Evenimente (divergențe de specii sau alți taxoni) bazate pe ipoteze ipoteza ceasului molecular, conform căreia substituțiile semnificative din punct de vedere evolutiv ale monomerilor din acizii nucleici sau ale aminoacizilor din proteine ​​apar într-un ritm aproape constant.

Rata mutațiilor poate fi inegală și variază pentru diferite specii, motiv pentru care metoda oferă doar rezultate aproximative.

Promovarea teoriei și dezvoltarea acesteia

Ipoteza ceasului molecular a fost prezentat în 1962 în analiza secvenţelor de aminoacizi ale hemoglobinei şi citocromului C de către E. Zuckerkandl şi L. Pauling. Ei au observat că numărul diferențelor de aminoacizi în hemoglobină a crescut liniar cu timpul, ceea ce a fost estimat din fosile. Ei au rezumat observația și au concluzionat că rata schimbării evolutive pentru fiecare proteină este aproximativ constantă.

test util rol important timpul ca factor major în acumularea de variabilitate în citocromul C ar trebui să fie compararea secvențelor de aminoacizi ale proteinelor omoloage izolate de la specii cunoscute de perioade lungi timpul nu a suferit modificări morfologice și de la specii care se schimbă rapid

Munca acestor trei oameni de știință a condus la postularea ipotezei la începutul anilor 1960.

Relație cu teoria neutră a evoluției moleculare

Critică

Există critici la adresa metodei, de exemplu „Goodman, 1981, Prog.Byophys.Mol.Evol., V.38.P.105-164.”, care a găsit diferite frecvențe de ceas în diferiți taxoni. În ciuda acestui fapt, teoria este folosită în filogenetică și pentru a estima vârsta divergenței speciilor.

Vezi si

Scrieți o recenzie la articolul „Ceas molecular”

Note

Legături

  • medbiol.ru/medbiol/molevol/000716b1.htm
  • elementy.ru/trefil/molecular_clock?page_design=print
  • Lukashov V.V. Teoria neutră de evoluție moleculară // Evoluție moleculară și analiză filogenetică: Tutorial. - 2009. - P. 35.

Un fragment care caracterizează Ceasul Molecular

- Ce fiară! .. Ei bine? ..
„M-am dus după altul”, a continuat Tikhon, „M-am târât în ​​pădure în acest fel și m-am întins. - Tikhon s-a întins în mod neașteptat și flexibil pe burtă, imaginându-și în chipul său cum a făcut-o. „Una și fă-o”, a continuat el. - Îl voi jefui în felul ăsta. - Tikhon a sărit repede, ușor. - Să mergem, zic eu, la colonel. Cum să faci zgomot. Și sunt patru. S-au repezit la mine cu frigarui. I-am atacat în așa fel cu un topor: de ce ești, spun ei, Hristos este cu tine ”, a strigat Tihon, fluturându-și brațele și încruntându-se amenințător, dezvăluindu-și pieptul.
„Așa am văzut de pe munte, cum ai întrebat săgeata prin bălți”, a spus esaul, îngustându-și ochii strălucitori.
Petya își dorea foarte mult să râdă, dar a văzut că toată lumea se abținea să râdă. S-a uitat repede de la fața lui Tihon la fața esaulului și a lui Denisov, neînțelegând ce înseamnă toate acestea.
„Nu vă puteți imagina un arc”, a spus Denisov, tușind furios. „De ce nu ați adus un cuier?”
Tikhon a început să se scarpină pe spate cu o mână, cu capul cu cealaltă și, deodată, toată fața i s-a întins într-un zâmbet prost radiant, care a scos la iveală lipsa unui dinte (pentru care a fost supranumit Shcherbaty). Denisov a zâmbit, iar Petya a izbucnit în râs vesel, căruia i s-a alăturat însuși Tihon.
„Da, foarte greșit”, a spus Tikhon. - Hainele sunt sărace pe el, unde să-l duc atunci. Da, și nepoliticos, onoare. De ce, spune el, eu însumi sunt fiul lui Anaral, nu voi merge, spune el.
- Ce fiară! spuse Denisov. - Trebuie să întreb...
„Da, l-am întrebat”, a spus Tikhon. - Spune: Nu te cunosc bine. Sunt mulți dintre ai noștri, spune el, dar toți sunt rele; doar, spune, un singur nume. Ahnete, spune el, este bine, îi vei lua pe toți ”, a concluzionat Tikhon, privind vesel și hotărât în ​​ochii lui Denisov.
„Iată, voi turna o sută de iahuri de gog”, iar tu vei fi un arc „ca o roată”, a spus Denisov sever.
„Dar pentru ce să fii supărat”, a spus Tikhon, „ei bine, nu ți-am văzut franceza? Iată, lasă-l să se întunece, îți dau ce filă vrei, măcar eu aduc trei.
— Ei bine, hai să mergem, spuse Denisov, iar el a mers până la garsonieră, încruntându-se furios și în tăcere.
Tihon a intrat din spate, iar Petia i-a auzit pe cazaci râzând cu el și la el despre un fel de cizme pe care le aruncase în tufiș.
Când acel râs care pusese stăpânire pe el a trecut la cuvintele și zâmbetul lui Tikhon, iar Petya și-a dat seama pentru o clipă că acest Tikhon a ucis un bărbat, s-a simțit jenat. S-a uitat înapoi la toboșarul captiv și ceva l-a lovit în inimă. Dar această stingherie a durat doar o clipă. Simțea nevoia să ridice capul mai sus, să înveselească și să-l întrebe pe esaul cu un aer însemnat despre întreprinderea de mâine, pentru a nu fi nedemn de societatea în care se afla.
Ofițerul trimis l-a întâlnit pe Denisov pe drum cu vestea că Dolohov însuși va sosi imediat și că totul era bine din partea lui.
Denisov s-a înveselit brusc și l-a chemat pe Petya la el.
„Ei bine, spune-mi despre tine”, a spus el.

La părăsirea Moscovei, Petya, părăsindu-și rudele, s-a alăturat regimentului său și la scurt timp după aceea a fost dus ca ordonator generalului care comanda un mare detașament. Din momentul promovării sale la ofiţeri şi mai ales de la admiterea în armată activă, unde a participat la bătălia de la Vyazemsky, Petya a fost în mod constant fericit stare de excitat bucurie că este mare și într-o continuă grabă entuziasmată de a nu rata niciun caz de adevărat eroism. Era foarte mulțumit de ceea ce vedea și trăia în armată, dar, în același timp, i se părea că acolo unde nu era, acum se întâmplă cele mai reale, cele mai eroice lucruri. Și se grăbea să ajungă din urmă acolo unde nu era.
Când, pe 21 octombrie, generalul său și-a exprimat dorința de a trimite pe cineva la detașamentul lui Denisov, Petia a cerut atât de jalnic să fie trimis, încât generalul nu a putut refuza. Dar, trimițându-l, generalul, amintindu-și de actul nebunesc al lui Petya în bătălia de la Vyazemsky, unde Petya, în loc să meargă pe drumul unde a fost trimis, a intrat în lanț sub focul francezilor și a tras acolo două focuri din pistolul său. - trimițându-l, generalului, i-a interzis în mod expres lui Petya să participe la oricare dintre acțiunile lui Denisov. Din asta, Petya a roșit și a devenit confuz când Denisov a întrebat dacă poate rămâne. Înainte de a pleca la marginea pădurii, Petya s-a gândit că trebuie, îndeplinindu-și cu strictețe datoria, să se întoarcă imediat. Dar când i-a văzut pe franceză, l-a văzut pe Tihon, a aflat că cu siguranță vor ataca noaptea, el, cu viteza tinerilor care trec de la o privire la alta, a hotărât cu el însuși că generalul său, pe care încă îl respecta foarte mult, este un gunoi. , german, că Denisov este un erou, iar esaul este un erou, și că Tihon este un erou și că i-ar fi rușine să-i părăsească în vremuri grele.

Pe 26 iunie 2000, foarte eveniment semnificativ despre care s-au scris multe în presă. La o conferință de presă la care au participat președintele Statelor Unite și prim-ministrul Marii Britanii, reprezentanții a două echipe de cercetare - consorțiul internațional Human Genome Project și Celera Genomics - au anunțat solemn că, ca urmare a eforturilor de mai mulți ani un numar mare oameni de știință și finanțare uriașă, decodificarea genomului uman a fost finalizată (mai precis, structura completă a ADN-ului a fost determinată). Proiectul secolului, care nu are analogi la scară, a fost implementat cu succes. Ce a învățat și a dobândit omenirea ca urmare a acestui fapt? Cum ajută această nouă cunoaștere o persoană să-și rezolve numeroasele probleme? probleme de zi cu zi? Care sunt misterele genomului uman?

Despre toate acestea și în cauzăîn această monografie, scrisă într-o formă populară și destinată o gamă largă cititori: pentru liceeni, profesori de școală, studenții și profesorii universităților și în general pentru toți oameni educați care doresc să afle mai multe despre ei înșiși.

Carte:

CEAS MOLECULAR

<<< Назад
Înainte >>>

CEAS MOLECULAR

Spui că timpul se scurge.

Nebun - ești tu treci.

Talmud

Este destul de ferm stabilit că majoritatea mutațiilor punctuale care apar în genom nu par să fie nici benefice, nici dăunătoare pentru oameni, adică sunt neutre. Salturile nu sunt cel mai probabil caracteristice evoluției. Frecvențele mutațiilor punctuale sunt scăzute (aproximativ 10-8 pe generație) și relativ constante. Calculele arată că, cu o dimensiune a genomului uman diploid de aproximativ 7x109 bp. are o medie de 175 de mutații noi pe generație (25 de ani). Acumularea de mutații poate fi comparată cu fluxul de boabe de nisip în clepsidră, care servesc ca măsură de timp. Dar, în practică, oamenii de știință nu au folosit clepsidre, ci „ceasuri moleculare”. Deoarece majoritatea mutațiilor nu afectează organismul în sine, ele pot persista cu ușurință în evoluție pentru o lungă perioadă de timp. Aceste fapte au fost pe care oamenii de știință le-au valorificat atunci când au creat noua abordare numit „ceasul molecular”.

În prima etapă, a fost efectuată „reglarea” acestor ceasuri. În acest scop, s-au folosit date privind viteza de schimbare a ADN-ului diferitelor specii de organisme, pentru care timpul de divergență în evoluție a fost stabilit în mod fiabil din date paleontologice și arheologice. Și numai după aceea a început „citirea” diferitelor capitole evolutive ale Enciclopediei omului.

„Ceasul molecular” arată cât de des, peste un milion de ani (în medie), apar mutații în ADN-ul unei anumite gene sau genom în ansamblu. Pe această bază, diferențele de ADN pot fi folosite pentru a judeca cât timp în urmă cu doi tipuri diferite organismele, a căror perioadă nu este cunoscută, erau o singură specie atunci când a avut loc divergența lor, adică divergența în două ramuri diferite ale evoluției. În același mod, se poate compara populațiile umane sau chiar ADN persoane individualeși judecă comunitatea originii lor sau legaturi de familie. În special, conform „ceasului molecular” a fost posibil să se estimeze mai precis timpul de separare a omului de maimuțe. Conform estimărilor moleculare, acest lucru s-a întâmplat acum aproximativ 5 milioane de ani. Aceasta a făcut o corectare semnificativă a datelor paleontologilor, care perioadă lungă de timp se credea că separarea omului și a maimuțelor a avut loc acum aproximativ 25 de milioane de ani. Analiza în masă a ADN-ului mit din rase diferite a arătat că unele mitDNA diferă de altele prin numărul de înlocuiri ale unor nucleotide cu altele, adică prin numărul de mutații. Au fost determinați indicatori precum numărul de mutații individuale, locația și tipul acestora. Acești destinatari popularitate largă datele au relevat o origine comună a tuturor oamenilor vii prin linia feminină. Dacă cititorul nu oprește cunoașterea cărții în acest moment, atunci mai mult poveste detaliată despre acestea cercetare interesantă va găsi mai departe.

Metoda „ceasului molecular” aplicată textelor ADN este foarte asemănătoare în sensul ei cu metoda glotocronologiei folosită în lingvistică pentru stabilirea rudeniei. limbi diferite. Este special metoda statistica determinarea vârstei limbi înrudite, adică prescripția separării lor, în funcție de numărul de cuvinte care au aceeași origine în aceste limbi. La urma urmei, limbajul uman, ca și genomul uman, este în continuă schimbare. Dacă un trib sau un popor care vorbește aceeași limbă, dintr-un motiv oarecare, este împărțit în două părți care își pierd legătura între ele, atunci limba, ca și genomul, a fiecăruia dintre aceste două triburi sau popoare noi se va schimba în felul său. . Cu cât trece mai mult timp după separarea celor două popoare, cu atât mai puțin obișnuite vor rămâne în limbile și genomul lor, dar vor rămâne înrudite. După gradul de similitudine, se poate judeca când a avut loc separarea. Lingviștii au stabilit că de 1000 de ani în așa-numitul vocabular de bază(include acele cuvinte care sunt în orice limbă - „casă”, „pământ”, „cer”, numele părților corpului etc.) 86% dintre cuvinte sunt păstrate, adică fiecare dintre limbile celor două popoare de acum 1000 de ani, are 86% cuvinte uzuale cu limba ancestrală. Drept urmare, aceste limbi au 74% (86% din 86%) cuvinte în comun între ele. Când se compară arborele evolutiv al populaţiilor umane cu analiză lingvistică s-a dovedit că, în majoritatea cazurilor, limbile populațiilor înrudite genetic aparțin aceluiași grup lingvistic. Concluzia oamenilor de știință este: cu cât două populații s-au divizat mai devreme, cu atât au evoluat mai mult în mod independent și s-au acumulat mai multe înlocuitori, atât în ​​ADN-ul lor, cât și în limbile lor. Desigur, limbile nu depind direct de gene, iar corelațiile de rudenie genetică și lingvistică sunt determinate doar de circumstanțe istorice. Dar pentru noi este important ca aici un studiu să confirme destul de des pe altul.