ДНК похожа на книгу с инструкциями, где содержится вся информация о живом существе. Но кто её написал и какой язык использовал?
В прошлой главе цикла "Чарльз Дарвин, или как я перестал бояться и полюбил эволюцию" мы с вами обсудили почему нельзя путать понятия гипотезы и теории, а также узнали их значения. Начиная с этой главы, мы наконец-то приступаем непосредственно к разбору Теории эволюции.
Очевидно, что любое развитие жизни невозможно без её изменений из поколения в поколение. Ответственны за это мутации ДНК, происходящие при делении половых клеток. Но что вообще такое мутации и какие они бывают?
Начать стоит с того, что возможность любого химического соединения (в т.ч. и ДНК) вступать во взаимодействие с другими появилась не на пустом месте. Она обусловлена валентностью составных частей этого элемента.
Валентность — это способность атома химического элемента образовывать определенное число химических связей с другими атомами.
Есть элементы, у которых она постоянная (кислород, водород, фтор), а есть такие, чья валентность меняется в зависимости от соединения (азот, углерод). Для протекания химической реакции может быть достаточно как просто контакта двух и более химических элементов, так и наличия определённых условий и (или) веществ (катализаторов), которые ускоряют протекание реакций. Таким образом, процесс соединения/распада химических веществ не хаотичен, а подчинён четким правилам осуществления и протекания реакций со вполне предсказуемым результатом, который был возможен изначально со времён начала существования вселенной.
Буквы эволюции
Ну а теперь, когда мы напомнили вам немного базовой информации из школьного курса химии за 8 класс, можно приступить к объяснению того, с чего началась эволюция. Итак, в начале было слово. Красивое конечно предложение получилось бы, но - нет, наследование информации имеет большую схожесть с письменностью, а само ДНК - с книгой. Разумеется, любая письменность не может обойтись без букв. В нашем случае эту роль выполняют нуклеотиды
Всего этих "букв" которыми пишется ДНК четыре: тимин, аденин, цитозин и гуанин.
Соединяются в двойную спираль они тоже не как попало, а в соответствии с правилом комплементарности, обусловленным их строением (вспоминаем про связи), образуя две пары: аденин-тимин и гуанин-цитазин.
Почему именно они? Всё дело в их устойчивости к ультрафиолету, которая позволяла в условиях ранней земли сохраняться более длинным цепочкам именно из этих оснований. [1]. Пары соединяются в цепь остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида и атомом кислорода рибозы соседнего. В результате образуется всем нам знакомая двойная спираль ДНК, которая ответственна за хранение всей информации. Что интересно, в РНК заменой тимину является урацил. Логичным будет вопрос - почему существует эта разница, если, по современным научным гипотезам миру ДНК предшествовал РНК мир? откуда взялось новое основание? Но такое ли новое? Давайте рассмотрим их:
Дело в том, что отличие между тимином и урацилом лишь в наличии
у первого метильной группы. Для одиночной нити РНК цикл метилизации крайне энергозатратный, и, по сути, не нужный, однако, для двойной спирали ДНК это небольшое изменение играет решающую роль:
- Во-первых, тимин делает всю спираль прочнее препятствуя воздействию нуклеаз (соединений, которые разделяют ДНК и РНК);
- Во-вторых, помните про то, что аминокислоты в ДНК образуют строгие пары? Так вот - урацил аминокислота ветреная, даже немного самовлюблённая, поэтому соединяться может и с другими аминокислотами, что рушит возможность адекватного копирования информации, тимин эту проблему решает;
- В-третьих, в урацил, внезапно, через недлинную цепочку реакции, может превращаться цитозин. Таким образом, при копировании ДНК возникла бы полнейшая путаница и передача информации была бы невозможна. Любая мутация попросту бы рушила возможность адекватного копирования. А так, благодаря парной аминокислоте, системы копирования и починки адекватно восстанавливают первоначальную цепочку - просто других вариантов нет.
Именно из-за своей меньшей стабильности РНК так и не смогла занять роль основы для передачи наследственной информации, уступив её более стабильной и предсказуемой ДНК [2].
От букв к словам
И вот, мы дошли непосредственно до слов и знаков препинания. В геноме их роль исполняют три последовательных нуклеотида в цепочке ДНК, которые называют триплетами. Всего их может быть 64 (4^3). При этом триплеты-слова — кодируют РНК и аминокислоты (всего 61), а триплеты-знаки препинания — начало и конец синтеза (3). При этом, один триплет кодирует только одну аминокислоту, однако, как и в реальном языке, тут существуют слова-синонимы. Дело в том, что одну аминокислоту могут кодировать разные триплеты. Происходит это благодаря структуре транспортной РНК (тРНК), обеспечивающей подвоз аминокислот к рибосомам, где и происходит синтез белков.
Логика отбора цепочек, участвующих в формировании тРНК, крайне простая - чем больше запасных вариантов, тем выше шанс, что в рибосоме окажется правильная аминокислота, следственно и синтезируется правильный белок. Таким образом, при 61 возможном варианте (ещё три являются стоп-сигналами), эволюция оперирует всего 20 значениями, образуя из этого предложения-гены. Кстати о генах...
В широком смысле гены – участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК, которые определяют развитие, рост и функционирование организма.
Иными словами, гены – это те «предложения», которые складываясь в текст ДНК, хранят всю необходимую информацию о конкретном организме.
Углубляться в синтез конкретных белков и РНК нет никакого смысла, для нас важен другой процесс - репликация (удвоение) ДНК, ибо это тот самый момент, когда и начинает твориться эволюция.
Если очень упрощённо, то начинается процесс с того, что фермент хеликаза "расшивает" двойную спираль ДНК будущих хромосом, создавая две цепи: лидирующую и отстающую. Далее в дело вступают ДНК связывающие белки (фиолетовые кружочки), которые стабилизируют цепь до того момента, пока ДНК полимераза не достроит пару. В лидирующей цепи всё понятно - ДНК полимераза идёт следом за расщепляющим ферментом (хеликазой) и непрерывно достраивает цепь, а вот в отстающей цепи синтез происходит кусками, называемыми "фрагментами Оказаки". При этом, синтез начинается с РНК-затравки и только на последнем этапе заменяется на ДНК. Потом каждый скопированный участок "сворачивается" для удобства в хромосому [3]. Как вы понимаете, это крайне сложная химическая реакция, на которую влияют множество условий, а учитывая огромную длину, вероятность ошибки близка к 100% и именно эти ошибки называются мутациями.
Как искажается текст
Для большего понимания давайте с вами разберём, как происходит передача информации при делении клеток и в какие моменты этот самый "первоначальный текст" искажается, изменяя живые организмы.
Самые первые ошибки возникают на уровне копирования нитей ДНК, которые находятся в ядре (если речь идёт о эукариотической клетке). И, да, если вы не знали - ДНК не единая нить, а серия ниточек-хромосом, общей длинной около 2-х метров.
Такие мутации называются генными. Однако не только репликация может менять ДНК. Не малый процент изменений приходится на повреждения в коде, которые клетка не смогла подчинить сама.
Таким образом участки ДНК могут дублироваться или выпадать, появляться новые пары или заменяться на противоположные, а может получиться так, что целый участок цепи перевернётся на 180 градусов. Как правило, эти изменения наименее заметные, однако и наиболее частые и встречающиеся абсолютно у всех живых организмов.
Однако среди противников эволюции популярно мнение, что любое изменение приносит только вред, а значит вероятность случайного появления конкретных работающих генов в случайном переборе нуклеотидов стремится к нулю.
Гипотеза, конечно, интересная. однако реальность немного сложнее чем кажется противникам эволюции. Так, учёные из Московского Института биоорганической химии взяли белок медузы Aequorea victoria, отвечающий за флуоресценцию и создали случайным мутагенезом более 50 000 вариантов, отличающихся несколькими аминокислотными заменами от природного зелёного белка этой медузы. Таким образом было выяснено - даже замена 9 случайных аминокислот из 238 даёт 5% шанс на то, что белок продолжит выполнять свою функцию и это только грубый подсчёт, дающий 10^30 степени вариантов, а если учесть, что у дальнеродственных организмов функциональные белки, делающие примерно одно и тоже, могут различаться ещё сильнее, то и вероятность случайного появления нужного гена становится ещё выше. Таким образом, ни о каком одном единственном рабочем варианте даже речи идти не может. [4]
Следующим уровнем, на котором могут возникать мутации, является хромосомный, когда нити ДНК для компактности передачи скручиваются в хромосомы
Основной предпосылкой для возникновения хромосомных перестроек является появление в клетке двунитевых разрывов ДНК, то есть разрывов обеих нитей спирали ДНК в пределах нескольких пар оснований. Возникать они могут как случайно (под воздействием мутагенных факторов), так и запрограммировано (во время профазы I мейоза, а также при созревании Т- и B-лимфоцитов во время специфической соматической V(D)J рекомбинации). Нарушения и ошибки процесса воссоединения двунитевых разрывов ДНК приводят к появлению хромосомных перестроек
На этом уровне у хромосомы с участком может произойти всякое: он может выпасть из хромосомы (делеция), задвоиться (дупликация), развернуться (инверсия), а может быть так, что задвоится может целое плечо и хромосома станет симметричной (изохромосомы).
Помимо этого целая хромосома может слиться с соседней (транслокация), и именно такое слияние произошло у людей, в результате чего род хомо на 1 пару хромосом отличается от ближайших родственников шимпанзе. Как видите, ничего плохого не произошло, хотя, несомненно, большинство мутаций подобного типа делают особь нежизнеспособной. Впрочем, не стоит забывать, что 1 ребёнок на семью это фишка исключительно людей 21 века, поэтому и варианты того, что появится жизнеспособный мутант, способный передать свои гены потомкам, сильно выше ноля.
Ну и самый высокий уровень - геномный.
На этом уровне мутациями являются кратное (полиплоидизация) и некратное (анеуплоидия или гетероплоидия) изменение числа хромосом.
У животных такие мутации крайне редки, а вот у растений они встречаются гораздо чаще без риска убить организм. Особенно часто это встречается у арктических или пустынных растений, что даёт им запасной вариант, если одна хромосома повредиться. Так же часто встречается среди сельскохозяйственных культур, т.к. полиплоидия сказывается на урожайности, поэтому с древних времён человечество активно культивировала полиплоидов даже не зная об их существовании
Как видите, типов мутаций достаточно много, даже у читателей этой статьи от 100 до 200-от мутаций отличающих их от родителей (не просто рекомбинации родительских признаков, а именно новых), просто большинство из них возникают на генном уровне, где они практически не заметны, до поры до времени будучи неработоспособными. Однако, такие незаметные мутации могут в один прекрасный момент дать организму новое свойство, как это получилось у рыб, обитающих в северных широтах (задвоенные участки генома, стали продуцировать ферменты, позволяющие не замерзать воде внутри организма, причем у каждого вида за это отвечали свои гены), и даже в таком случае из-за определённых искажений восприятия мы недооцениваем количество изменений, происходящих внутри популяции, впрочем, более подробно об этом мы поговорим чуть позже, в другой главе.
Начинаем подводить итоги. Процесс передачи наследственной информации крайне сложный, однако, подчинён строгим правилам химии, поэтому вопросы "что легче: собрать боинг в торнадо или создать живую клетку?" не имеют никакого смысла - это процессы, происходящий на разных уровнях мироздания, с разными способами взаимодействия. Составные элементы ДНК прекрасно собираются сами, следуя известным нам законам химии и, если у молекул есть условия для соединения, то, при их наступлении, соединение произойдёт обязательно. Просто далеко не все условия мы знаем.
Еще интереснее становится, когда учёные начали разбирать "текст" записанный в геноме. Тогда стало видно, что он составлен с большим количеством самоповторов, остатками прошлых мыслей, которые уже не используются, помарками от сторонних редакторов (вирусов), а так же кучей неразборчивого бреда, значение которого только предстоит узнать. Иными словами, ДНК совсем не похожа на строгий выверенный учебник всемогущего и всезнающего разума, как это пытаются представить противники эволюции. ДНК больше напоминает рукопись безумного экспериментатора, даже близко не представляющего какого итога он добивается.[5] Рукопись, которую наука начинает активно расшифровывать и использовать. Уже сейчас редактирование ДНК практикуют достаточно активно, и это не только ГМО продукты (против которых сейчас бытует уйма предрассудков), но и медицина (большую часть инсулина сейчас продуцируют генно-модифицированные бактерии).
Однако, уже сейчас есть понимание, что мы видим только тот экземпляр, по которому получилось сделать жизнь, а сколько черновиков было попросту выброшено (вспоминая гипотезу мира РНК) из-за провала, можно только гадать.
Поэтому "гениальность" жизни обусловлена не суперразумом (хотя такое ощущение и складывается, по началу), а длящейся вот уже 4 миллиарда лет борьбой между тем, что разрушает ДНК и тем, что её сохраняет, и имя этой борьбе - эволюция.
Ну а в следующей главе вы узнаете: где прячутся переходные формы и почему живые существа активно используют "костыли". Если вам понравилась статья, не стесняйтесь ставить лайки и оставлять комментарии, подписывайтесь на нас в Телеграмме и В Контакте, это очень мотивирует нашу команду на написание новых интересных материалов. Спасибо, что читаете нас!
Автор: Это так не работает
Следующая глава >>>>
Предыдущие главы
Используемые материалы
1) Армен Юлькиджанян журнал «BMC Evolutionary Bioljgy» Выживание наиболее приспособленных до начала жизни: отбор первых олигонуклеотидоподобных полимеров ультрафиолетовым излучением
2) Кирилл Стасевич журнал "Наука и жизнь" 16.08.2016
3) Максим Франк-Камецкий статья для сайта postnauka.org
4) Михаил Никитин научный сотрудник отдела эволюционной биохимии НИИ физико-технической биологии им. Белозерского при МГУ, автор книги «Происхождение жизни. От туманности до клетки». Выступление на форуме учёные против мифов Z - 16
5) Александр Панчин, научный сотрудник сектора молекулярной эволюции ИППИ РАН "Популярная механика" №1, 2015 "Сколько мусора в нашей ДНК?"
