Джаред Даймонд - Третий шимпанзе
Допустим, например, что по палеонтологическим материалам известно: львы и тигры «разделились» 5 миллионов лет назад. Далее предположим, что структура некой молекулы у львов на 99 процентов соответствует структуре аналогичной молекулы у тигров и отличается Только на 1 процент. Таким образом, если взять пару видов, палеонтологических свидетельств эволюции которых не сохранилось, и выяснить, что структура этой молекулы у них отличается на 3 процента, по молекулярным часам можно определить, что дивергенция признаков у этих двух видов началась трижды пять, то есть пятнадцать, миллионов лет назад.
Хотя на бумаге схема выглядит красиво, биологам пришлось потратить немало усилий на доказательство ее практической применимости. Прежде чем применять метод молекулярных часов, необходимо было сделать четыре вещи. Во-первых, ученым надо было найти наиболее подходящую молекулу; во-вторых, выработать способ быстрого измерения изменений молекулярной структуры; в-третьих, доказать точность молекулярных часов (т. е. что эволюция молекулярной структуры происходит с одинаковой скоростью у всех исследуемых видов); и в-четвертых, измерить эту скорость.
Первые две проблемы молекулярная биология решила к 1970 году. Лучшей молекулой оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно — ДНК). Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик показали, что ее молекулярная структура представляет собой двойную спираль, и это открытие произвело революцию в генетике ДНК состоит из двух комплементарных и чрезвычайно длинных цепочек. Звенья этих цепочек — небольшие молекулы четырех видов, и в их последовательности закодирована вся генетическая информация, передающаяся от родителей к потомству Быстрый способ оценки изменений структуры ДНК заключается в смешивании ДНК двух видов и последующем определении на сколько градусов точка плавления смешанной (гибридной) ДНК ниже точки плавления ДНК от одного вида.
Этот метод обычно называют гибридизацией ДНК. Оказывается, понижение температуры плавления ДНК на 1 градус по Цельсию (сокращенно: ΔT=1 °C) означает, что структура ДНК двух видов различается приблизительно на 1 процент.
В 1970-х биологи-молекулярщики и систематики в большинстве своем не интересовались научными изысканиями друг друга. Одним из немногих систематиков, оценившим потенциал новой методики — гибридизации ДНК — был Чарльз Сибли, орнитолог, тогда находившийся в должности профессора орнитологии и директора Музея естественной истории имени Пибоди Йельского университета. Сложность исследований в области систематики птиц объясняется анатомическими ограничениями, связанными со способностью к полету. Для птиц, отличающихся схожим поведением (например, способных ловить насекомых в полете) существует ограниченное число вариантов анатомического строения, и в результате птицы с похожим поведением отличаются одними и теми же особенностями анатомии, независимо от их происхождения. Вот другой яркий пример: американские грифы выглядят и ведут себя практически так же, как грифы Старого Света, однако биологи пришли к выводу, что первые являются родственниками аистов, а вторые — коршунов, а их сходство объясняется одинаковым жизненным поведением. Устав бороться с недостатками традиционных методов расшифровки родственных связей птиц, в 1973 году Сибли и Джон Алквист решили применить метод ДНК-часов. По сей день их исследования являются примером наиболее широкого применения молекулярно-биологических методов в систематике. Результаты этих исследований Сибли и Алквист начали публиковать только в 1980 году. В ходе работ при помощи метода ДНК-часов было исследовано около 1700 видов птиц — а это почти пятая часть всего видового разнообразия птиц!
Нововведение Сибли и Алквиста носило фундаментальный характер и посему поначалу вызвало горячую полемику: лишь немногие ученые сумели провести достаточно широкий спектр экспериментов для полного понимания его сути. Вот примеры типичной реакции моих ученых друзей.
Анатом: «Мне надоело об этом слушать. Я больше не обращаю внимание на публикации этих парней».
Биолог-молекулярщик: «С методикой у них все в порядке, но зачем же заниматься такой скучной штукой, как систематика птиц?»
Биолог-эволюционист: «Это все любопытно, однако прежде чем мы поверий в результаты, их необходимо проверить при помощи огромного количества других методов».
Генетик: «Результаты их работ — это божественное откровение, да уверует в них весь научный мир!»
Лично я считаю, что последняя точка зрения со временем окажется ближе всех к истине. Во-первых, принципы работы ДНК-часов незыблемы; во-вторых, в работе Сибли и Алквиста использованы ультрасовременные методы; и, в-третьих, внутренняя непротиворечивость полученных ими результатов измерения генетического расстояния для более чем восемнадцати тысяч гибридизованных пар ДНК птиц свидетельствует о достоверности общих результатов исследований.
Подобно Дарвину, благоразумно решившему сначала обработать имевшиеся у него свидетельства изменчивости усоногих раков, и лишь потом приступить к щекотливому вопросу изменчивости человека, Сибли и Алквист в течение большей части первого десятилетия исследований в области ДНК-часов занимались птицами. Первые результаты применения аналогичных методик для выяснения происхождения человека были опубликованы ими Только в 1984 году и доработаны в более поздних публикациях. Данное исследование проводилось на материале ДНК человека и всех наших ближайших родственников: шимпанзе обыкновенного, карликового шимпанзе, гориллы, орангутанга, двух видов гиббонов и семи видов обезьян Старого Света. Результаты исследований приведены на рис. 1.
Рис. 1. Рассмотрим точки пересечения пар ветвей, соответствующих современным высшим приматам. Значения на левой шкале соответствуют процентному различию структур ДНК этих приматов, а значения на правой шкале — приблизительному количеству миллионов лет, прошедшему с момента происхождения каждой пары видов приматов от общего предка Например, геномы обыкновенного и карликового шимпанзе отличаются примерно на 0,7 %, а разошлись эти виды около трех миллионов лет назад. Наш геном отличается от генома каждого из двух видов шимпанзе на 1,6 %, а от общего ствола наша ветвь отделилась примерно 7 миллионов лет назад. Гориллы в генетическом плане отличаются и от нас и от шимпанзе примерно на 2,3 %, а ветви эволюции, ведущие к гориллам, обоим видам шимпанзе и человеку, разошлись около 10 миллионов лет назад.
Самое большое генетическое расстояние, выражающееся в значительном понижении температуры плавления гибридной ДНК по сравнению с чистой, наблюдается между ДНК обезьян Старого Света и ДНК человека или любой человекообразной обезьяны. Такой результат предсказал бы любой анатом. Таким образом, удалось отразить в численной форме идею, которая является общепринятой с тех самых пор, как человекообразны, обезьяны известны науке: человек и человекообразные обезьяны находятся друг с другом в более тесных «родственных отношениях», чем с нечеловекообразными обезьянами. Вот точные цифры: структура ДНК нечеловекообразных обезьян совпадает со структурой ДНК человека и человекообразных обезьян на 93 процента, а отличается, соответственно, на 7 процентов.
Неудивительно и второе по величине генетическое расстояние на данной схеме: структура ДНК гиббонов на 5 процентов отличается от структуры ДНК других человекообразных обезьян и человека. Здесь также подтверждается общепринятая точка зрения: гиббоны — наиболее обезьяноподобные человекообразные обезьяны, а к нам гораздо ближе гориллы, шимпанзе и орангутанги. Среди последних трех групп в новейших анатомических исследованиях орангутанги выделяются в отдельную группу, и это также подтверждено результатами исследования ДНК: структура ДНК орангутанга отличается от структуры ДНК человека, гориллы или шимпанзе на 3,6 процента. Биогеографические исследования подтверждают, что последние три рода отделились от гиббонов и орангутангов достаточно давно: ареал ныне живущих и ископаемых гиббонов и орангутангов ограничивается Юго-Восточной Азией, в то время как ныне живущие гориллы и шимпанзе обитают в Африке (там же найдены и наиболее ранние ископаемые останки человека).
Вот и противоположный, но не менее очевидный результат наиболее близки по структуре ДНК обыкновенного и карликового шимпанзе (сходство 99,3 %, различие 0,7 %). Внешне эти два вида шимпанзе настолько похожи, что до 1929 года анатомы даже не пытались их разделять. Шимпанзе, живущие в экваториальной части Центрального Заира, по праву заслужили название «карликовых», поскольку они в среднем несколько мельче (и имеют менее массивное туловище и более тонкие ноги), чем широко распространенные обыкновенные шимпанзе, живущие по всей территории Африки, расположенной к северу от экватора. Однако благодаря проведенным в последние годы исследованиям в области поведения шимпанзе стало ясно, ИНН тельными анатомическими различиями обыкновенного и карликового шимпанзе кроются серьезные различия в репродуктивном поведении этих двух видов. В отличие от обыкновенных шимпанзе и подобно человеку, карликовые шимпанзе применяют множество поз для спаривания, включая позу, при которой партнеры смотрят друг на друга. Инициатором спаривания может выступить особь любого пола (не только самец). Самки остаются сексуально активными в течение большей части месяца, а не в течение короткого периода в середине месяца. Социальные связи наличествуют не только между самцами, но и между самками, а также между представителями разных полов. Несомненно, незначительное (0,7 %) различие геномов карликового и обыкновенного шимпанзе имело огромные последствия для сексуальной физиологии и роли самцов и самок в репродуктивном поведении. Эта тема — большие последствия небольшого отличия генома — еще будет поднята в этой и следующей главах, но уже в отношении различий генома человека и шимпанзе.
