В последнее время ученые часто корректируют дату появления на Земле тех или иных видов. Например, недавно стало известно, что бабочки и тараканы возникли на сотни миллионов раньше, чем было принято думать. Как ученые устанавливают и уточняют подобные датировки? Каким образом все эти открытия меняют представление о происхождении видов? Объясняет заведующий кафедрой биологической эволюции МГУ, автор научно-популярного бестселлера «Эволюция человека» Александр Марков.
Используя уточненные научные данные, можно составить приблизительный календарь эволюции жизни на планете. Одна секунда календаря равна 144 годам.
Есть два основных метода определения датировок точек ветвления эволюционного дерева. Первый метод принято называть палеонтологическим, второй – «молекулярными часами».
Палеонтологический метод используется в случае появления находок. Если обнаружен ископаемый представитель той или иной группы животных в отложениях, значит, на момент появления отложений эта группа уже существовала. Датировка ископаемых находок сейчас происходит достаточно точно. Есть комплекс надежных способов определения возраста пород и, соответственно, ископаемых, которые обнаруживаются в них. Например, раньше считалось, что «настоящие», или хоботковые бабочки появились 130 млн лет назад, но недавно в породах, сформировавшихся на территории Германии, обнаружились следы хоботковых бабочек, которым около 200 млн лет. Теперь мы знаем, что бабочки с сосущим хоботком появились раньше цветов. Проблема в том, что палеонтологическую летопись нельзя назвать полной. Никогда не знаешь, что найдут палеонтологи завтра: у нас появляется только верхняя граница, мы точно знаем, не позже какого времени появилось ветвление на эволюционном дереве. Неизвестно, существовали ли еще более древние бабочки.
Метод молекулярных часов начал использоваться, когда у ученых появилась возможность определять геномные данные. Это уточняет информацию о порядке ответвления эволюционных линий, некоторые вопросы разрешены на сто процентов. Например, мы точно знаем, что от общих предков человекообразных обезьян первыми отделились гиббоны (первое разделение – на предков гиббонов и всех остальных), потом – орангутаны, гориллы и, наконец, предки человека отделились от предков шимпанзе и бонобо. Это абсолютно точно установленная топология эволюционного дерева.
Как датировать сами точки ветвления? По количеству накопленных генетических различий. Суть метода молекулярных часов такова: согласно теории нейтральной эволюции, мутации с течением времени накапливаются в ДНК с постоянной скоростью. В идеале эта скорость равна скорости мутагенеза. Если известно, что у некоей группы животных в среднем за одно поколение возникает одна нейтральная мутация в геноме, то за тысячу поколений в эволюционной линии накопится тысяча нейтральных изменений.
Темп накоплений генетических различий в идеале должен быть постоянным, но в действительности есть масса осложняющих обстоятельств. Молекулярные часы работают, но не так идеально, как нам бы хотелось. Это связано с тем, что в разных группах разная скорость смены поколений, разный темп нейтрального мутагенеза.
Ученые пытаются все учесть и для разных временных масштабов используют разные участки генома. Однако скорость мутагенеза в разных эволюционных линиях научились более-менее точно измерять лишь недавно. По человеку, человекообразным обезьянам такие данные начали появляться лишь последние 5–10 лет. Чтобы точно оценить скорость мутагенеза, нужно секвенировать полные геномы множества троек (мама-папа и ребенок) и подсчитать количество мутаций, которые возникают в каждом поколении. По мере развития методов секвенирования такие оценки уточняются, соответственно корректируются и молекулярные часы.
По мере развития обоих методов происходит их сближение. Если на первых этапах развития современной филогенетики оба метода давали сильно различающиеся результаты, то по мере развития науки разногласия между палеонтологическими и молекулярными датировками уменьшились, и картина выглядит более согласованной. Но разброс местами еще довольно большой.
Сейчас нет консенсуса даже по такому ключевому вопросу, как момент расхождения предков человека и шимпанзе. В литературе встречаются такие точки зрения: 7 млн лет назад или даже 12–14 млн лет назад. Это связано с тем, что палеонтологическая летопись древнейших гоминид и форм, близких к общим предкам человека и шимпанзе, крайне скудна: находок там наперечет. А темп мутагенеза не такой высокий, как думали раньше, поэтому некоторые ученые начали считать предков человека и шимпанзе более древними.
С другой стороны, чтобы определить этот момент точно, надо знать время смены поколений, а это крайне сложно, потому что эти поколения давно вымерли. К тому же этот показатель ведь плавает от вида к виду. Надо также учитывать, что мутации накапливаются с разной скоростью у самцов и самок, а если в размножении участвуют старые самцы, то мутаций у потомства будет больше и молекулярные часы будут бежать быстрее.
С помощью этих двух методов ученые смогли вычислить много неожиданных вещей. Например, несколько лет назад они решили определить момент, когда люди начали носить одежду. В этом им помогло сравнение геномов вшей. Существует платяная вошь, которая живет в одежде, и обыкновенная вошь, живущая в волосяном покрове, – когда они разделились? Это можно определить по молекулярным часам, и это указывает на время, когда люди начали использовать одежду – примерно 170 тысяч лет назад.
Еще один пример применения метода молекулярных часов – объяснение, когда и почему закончился ледниковый период. Специалисты по эволюции грибов определили время появления первых грибов, которые обладали ферментом для расщепления лигнина (компонент древесины, придающий ей прочность). Пока ни у кого не было таких ферментов, стволы умерших деревьев в лесах каменноугольного периода накапливались и не разлагались, образовывая толщи каменного угля. В результате этого огромное количество углерода постоянно изымалось из атмосферы, что привело к резкому похолоданию и оледенению.
Когда же появились организмы с такими ферментами – грибы под условным названием «белая гниль» (к ним, кстати, относятся опята), – углерод перестал в таких количествах изыматься из атмосферы, эпоха формирования залежей каменного угля и ледниковый период подошли к концу. Так данные молекулярных часов объяснили, почему 300 млн лет назад закончилась холодная эпоха в истории Земли.
Многие ветви эволюционного дерева разделились за довольно короткое время и дали важных для нас потомков. Теперь нам интересно знать, кто кому более близкий родственник. От этого зависит, например, ответ на вопрос, сколько раз возникала нервная система в эволюции животных. Например, в случае с гребневиками, которые некогда считались родственниками медуз и коралловых полипов, выяснилось, что они – отдельная ветвь животного царства.
Ученым довольно долго не удавалось установить момент, когда они ответвились. Сейчас же все больше данных в пользу того, что гребневики отделились очень рано. Даже самые примитивные многоклеточные – губки и трихоплакс – ближе к нам, чем гребневики. В таком случае получается, что нервная система возникала дважды, и оба раза независимо: она есть у гребневиков (у губок и трихоплаксов ее, правда, нет) и у более сложно организованных животных – у книдарий и билатерий, – к которым относимся и мы. Получается, что у гребневиков и у общих предков книдарий и билатерий появилась своя нервная система. Когда стали исследовать нервную систему гребневиков, выяснилось, что там совершенно другой набор нейромедиаторов.
Это как раз тот случай, когда пересматривается топология эволюционного дерева, порядок его разветвления. Вообще же датировки, которые публикуются в научных статьях, как правило, опираются на комплексное применение обоих методов. Но любая новая палеонтологическая находка может изменить датировку. Сколько бы молекулярщики ни доказывали, что бабочки появились вместе с цветами, очередная находка перебивает все их аргументы.
Journal information