Ilgu laiku atklāts palika jautājums par to, kā nejaušu izmaiņu (mutāciju) rezultātā dzīvu lietu genomā parādās jauna informācija. Tomēr zinātnieki joprojām spēja izdomāt, kā notiek genoma paplašināšanās un papildināšanās. Viens no vissvarīgākajiem jaunas informācijas iegūšanas mehānismiem ir gēnu dublēšanās process
Fotoattēlā: Kails ērglis. Viņš redz pasauli plašākā krāsu diapazonā nekā cilvēks.
Par viņu runā bioloģijas zinātņu doktors Aleksandrs Markovs, Krievijas Zinātņu akadēmijas Paleontoloģiskā institūta vadošais pētnieks.
Kā jaunie atklājumi ģenētikas jomā ļauj mums izprast jaunu gēnu un jaunu īpašību parādīšanās mehānismu organismā?
- Viens no tipiskākajiem cilvēku, kas noliedz evolūciju, argumentiem izklausās aptuveni šādi: mēs nevaram iedomāties, kā jauna informācija var rasties genoma nejaušu mutāciju rezultātā. Daudziem intuitīvi šķiet, ka izlases veida izmaiņas, piemēram, kādā tekstā, nevar radīt jaunu informāciju. Viņi var radīt tikai troksni vai haosu. Tikmēr zinātne mūsdienās jau ļoti labi zina, kā evolūcijas gaitā genomā parādās jauna informācija, jauni gēni, jaunas funkcijas, jaunas īpašības organismā utt. Un viens no vissvarīgākajiem jaunās ģenētiskās informācijas parādīšanās mehānismiem ir gēnu dublēšanās un sekojošā funkciju dalīšana starp tām. Ideja ir ļoti vienkārša: bija viens gēns, un nejaušas mutācijas rezultātā ir divi. Sākumā gēni ir vienādi. Un tad, nejaušu mutāciju uzkrāšanās rezultātā divos šī gēna eksemplāros, tie kļūst nedaudz atšķirīgi, un pastāv iespēja, ka viņi savā starpā dalīsies funkcijās.
Sniedziet jauna gēna rašanās piemēru
- Tagad ir daudz labi izpētītu piemēru. Kopumā šī ideja pati par sevi ir diezgan sena, jau pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados lielais biologs, ģenētiķis Džons Haldvins ierosināja, ka dublēšanai, tas ir, gēnu dublēšanai, ir liela nozīme evolūcijas jauninājumu rašanās procesā. Pēdējos gados saistībā ar molekulārās ģenētikas attīstību, genomu lasīšanu ir parādījušies daudzi pārliecinoši piemēri, labi ilustrācijas, kā tas patiesībā notiek. Viens no spilgtākajiem ir saistīts ar krāsu redzes attīstību zīdītājiem vai drīzāk, vēl plašāk, sauszemes mugurkaulniekiem. Kad pirmo reizi parādījās sauszemes mugurkaulnieki, kas nonāca sauszemes devona periodā, viņiem joprojām bija tā sauktais tetrohromatiskais redzējums, kas radās zivju līmenī. Ko tas nozīmē? Krāsu redzi nosaka tīklenes gaismas jutīgie proteīni - ir tādas konusu šūnas,kas ir atbildīgas par krāsu redzi, un šajos konusos ir gaismjutīgi proteīni, kurus sauc par opsīniem. Zivīm, no kurām attīstījās mugurkaulnieki, un pirmajiem sauszemes mugurkaulniekiem bija četri šādi opsīni. Katrs opīns ir noregulēts uz noteiktu viļņa garumu.
Vai mēs varam teikt, ka zivis redz tieši četras krāsas?
Reklāmas video:
- Tas nenozīmē, ka dotais opsīns reaģē tikai uz doto viļņu, tas nozīmē, ka dotais viļņa garums to visvairāk satrauc, un jo vairāk viļņa garuma atšķiras, jo vājāks tas reaģē. Tetrahromatiskā krāsu redzes sistēma ir ļoti laba sistēma, tā ļoti skaidri izšķir visa spektra nokrāsas, un daudzos mūsdienu mugurkaulniekos tā ir saglabājusies, piemēram, putniem. Putni lieliski izšķir krāsas, acīmredzot labāk nekā mēs. Daudzi var redzēt ultravioleto staru diapazonā, dažām sugām ir apspalvojuma UV modeļi. Un, iespējams, putni mūsu televizoru un monitoru krāsu caurlaidības sistēmu uzskatīja par ārkārtīgi sliktu. Tā kā mēs izmantojam trihromatisku sistēmu, sajaucot trīs krāsas - mūsu redze ir sakārtota vienādi. Putnam ir četri, nevis trīs.
Tas ir, cilvēki salīdzinājumā ar putniem redz pasauli primitīvāk
- No putnu viedokļa mēs esam nedaudz akli. Cilvēkos, kā jau teicu, trihromatiskā sistēma ir trīs opsiini, kas noregulēti trīs dažādiem viļņiem. Viens zilajam, otrs zaļajam un trešais tika pārvietots dzeltenā krāsā. Bet pats interesantākais ir tas, ka citiem zīdītājiem, izņemot cilvēkus un pērtiķus, ir dihromatiska redze, viņiem ir tikai divi opsiini. Viņiem nav trešdaļas, kas ir vistuvāk spektra sarkanajam galam, un tāpēc viņi atšķir zilu no zaļa, bet viņi neatšķir zaļu no sarkanā. Kā tas radās? Kāpēc zīdītāji zaudēja divus opsiinus?
Ir zināms, ka senčiem bija četri, un zīdītājiem ir divi opsīni. Acīmredzot divu opsiņu zaudēšana bija saistīta ar faktu, ka zīdītāji savas vēstures rītausmā pārgāja uz nakts dzīvesveidu. Kāpēc viņi pārgāja uz nakts dzīvesveidu? Tas bija saistīts ar ilgstošās konkurences starp divām galvenajām sauszemes mugurkaulnieku evolūcijas līnijām kļūmēm. Šīs līnijas tās sauc par sinapsidām un diapsidām. Sinapsīdu līnija ir dzīvniekiem līdzīgi ķirzakas, dzīvniekiem līdzīgi rāpuļi. Un šī grupa bija dominējoša starp sauszemes mugurkaulniekiem senatnē, Permas periodā, pirms vairāk nekā 250 miljoniem gadu. Tad triiasa periodā viņiem bija spēcīgi konkurenti, diapsīda līnijas pārstāvji. Mūsdienu dzīvniekos visi rāpuļi, krokodili, ķirzakas un putni pieder pie diapsīda līnijas. Triassic periodā parādījās aktīvi plēsēji, kas ātri skrēja, arī uz divām kājām. Diapsīdu rāpuļi, krokodili sāka izstumt mūsu senčus no sinapsīdiem vai dzīvnieku zobiem. Un šis konkurss sākumā beidzās nevis par labu mūsu senčiem. Triasa perioda beigās parādījās ātri skriejoši diapsīdu rāpuļi, tie radīja jaunu grupu, no viņiem radās jauna grupa - dinozauri, kas ļoti ilgu laiku kļuva par dominējošajiem dienas plēsējiem un zālēdājiem uz visas planētas. Viņi aizņēma visas dienas nišas, dzīvnieku nišas liela izmēra klasē. Triasa perioda beigās parādījās ātri skriejoši diapsīdu rāpuļi, tie radīja jaunu grupu, no viņiem radās jauna grupa - dinozauri, kas ļoti ilgu laiku kļuva par dominējošajiem dienas plēsējiem un zālēdājiem uz visas planētas. Viņi aizņēma visas dienas nišas, dzīvnieku nišas liela izmēra klasē. Triasa perioda beigās parādījās ātri skriejoši diapsīdu rāpuļi, viņi dzemdēja jaunu grupu, no viņiem radās jauna grupa - dinozauri, kas ļoti ilgu laiku kļuva par dominējošajiem dienas plēsējiem un zālēdājiem uz visas planētas. Viņi aizņēma visas dienas nišas, dzīvnieku nišas liela izmēra klasē.
Sinapsīdu līnija bija spiesta iet naktī, pazemē, viņi saspieda. Permijas periodā bija milzu sinapsīdu rāpuļi, līdz triasa perioda beigām palika viena maza lieta. Tajā pašā laikā triasa perioda beigās tika pabeigts tā sauktais sinapsīdu rāpuļu zīdīšanas process, tas ir, rupji runājot, parādījās pirmie zīdītāji. Visi pārējie sinapsīdu rāpuļi izmira, un viena grupa kļuva par zīdītājiem un viņi izdzīvoja. Bet viņi izdzīvoja, kļūstot mazi un nakts. Visā Jura un krīta laikā zīdītāji bija nakts - viņi izskatījās pēc kaut kādām kājiņām, pelēm. Tā kā tie bija nakts, krāsu redze viņiem kļuva gandrīz bezjēdzīga. Tā kā čiekuri joprojām nedarbojas naktī, dabiskā atlase nevarēja atbalstīt četrus aprakstošus, tetrohromatiskus redzējumus,jo šī vīzija nebija vajadzīga.
Dabiskā atlase nevar ieskatīties nākotnē, tā darbojas šādi: vai nu jūs lietojat gēnu, vai arī to pazaudējat. Ja gēns nav vajadzīgs šeit un tagad, tad mutācijas, kas rodas un sabojā to, netiek atceltas, un gēns agrāk vai vēlāk neizdodas.
Gēnu zaudēšana, iespējams, ir vērsta uz jebkādu spēku saglabāšanu ķermenī, ar maksimālu ekonomiju, maksimālu efektivitāti, tas ir, mūsu ķermenim nekas nedrīkst darboties dīkstāvē
- Principā, jā, protams, tā ir ekonomija - olbaltumvielu pārpalikumi netiek sintezēti. Man jāsaka, ka kopumā ķermenī tiek sintezēts daudz lieko olbaltumvielu, kas ir kļuvušas nevajadzīgas, bet vēl nav bijis laika nomirt, tas nenotiek tik ātri, bet galu galā tas notiek. Sākumā tika uzskatīts, ka zīdītāju vai pirmo zīdītāju senči ļoti ātri un praktiski vienlaikus zaudēja abus opsīna gēnus. Tagad pīļknāba genomā - un tas ir primitīvāko zīdītāju pārstāvis - ir viens no zaudētajiem gēniem. Tas ir, pīļknābim ir vēl trīs oppīni, savukārt progresīvākiem zīdītājiem ir tikai divi. Tādējādi gēni tika zaudēti. Zīdītāju kopīgajam senčam joprojām bija trīs opsīni, un placentiem un marsupialiem, izņemot olšūnu pīļknābis un ehidna, bija tikai divi opsīni.
Kā tad mūsu senči, pērtiķi, atguva savu trihromatisko redzi? Un šeit vienkārši darbojās gēnu dublēšanās mehānisms. Kad beidzās dinozauru laikmets un zīdītāji atkal varēja kļūt diennakts laikā, viņi palika pie sava dihromatiskā redzējuma, jo nekur nebija jāņem pazaudētie gēni.
Un tas turpinās lielākajā daļā zīdītāju grupu, lai gan viņiem būtu lietderīgi atšķirt krāsas, bet gēna nav kur ņemt. Bet Vecās pasaules pērtiķu senčiem paveicās. Viņiem bija viens no atlikušajiem diviem opsīna gēniem, kuri tika dublēti, dublēti un dabiskā atlase ātri noregulēja divas iegūtā gēna kopijas uz dažādiem viļņu garumiem. Lai to izdarītu, vajadzēja tikai trīs mutācijas - trīs aminoskābju aizstāšana proteīnā, diezgan nelielas izmaiņas. Neliela operācija, kuras dēļ viļņa garums, uz kuru reaģē viens no opsīniem, ir novirzījies uz sarkano pusi. Tas ir pietiekami, lai mēs varētu atšķirt sarkano un zaļo. Tas ļāva vecās pasaules pirmo pērtiķu senčiem tropu mežos pāriet uz augļu un svaigu zaļumu ēšanu: ir ļoti svarīgi atšķirt sarkano un zaļo,nogatavojušies augļi no nenogatavojušām un jaunām lapām no vecām lapām.
Bet tas notika tikai ar Vecās pasaules pērtiķiem. Šis ir priecīgs notikums - gēna kopēšana notika Vecās pasaules pērtiķu senčos pēc tam, kad Amerika atdalījās no Āfrikas un peldējās, starp tām atradās Atlantijas okeāns. Amerikāņu pērtiķiem nebija paveicies, un lielākajai daļai no viņiem bija dihromatiska redze. Un viņi joprojām dzīvo šādi. Protams, viņiem būtu arī noderīgi atšķirt sarkano no zaļajiem augļiem, bet ko jūs varat darīt, ja nav gēna.
Izrādās, Jaunās pasaules pērtiķi neatšķir sarkano un zaļo, pieļauj kļūdas, ēd kaut ko?
- Izrādās šādi. Varbūt tāpēc Vecās pasaules pērtiķi kļuva par cilvēkiem, bet Jaunās pasaules pērtiķi to nedarīja.
Autore: Olga Orlova