Для начала зачем все это нужно?
Изучение эволюционного родства организмов и их происхождения сперва может показаться бессмысленной и старомодной затеей — разве недостаточно экспонатов в палеонтологических музеях? Зачем искать новых динозавров и разбираться, кто из них умер раньше?
На самом деле современная эволюционная биология решает гораздо более интересные и широкие задачи, хотя и про динозавров никто не забывает. Например, предсказание появления новых опасных штаммов бактерий, поиск средств лечения наследственных заболеваний человека, быстрое установление происхождения патогенов, скажем коронавируса, для облегчения поиска лекарств и вакцин и так далее.
Но прежде чем перейти к рассмотрению современного состояния эволюционной биологии, разберемся, с чего все началось.
Изучение молекул ДНК помогает найти современных «ровесников» динозавров и больше узнать о древнейших существах.
Как развивалась эволюционная биология?
Долгое время у ученых не было не только достоверных способов определения родства организмов, но и четкого понимания принципов эволюции. Прорыв совершил знаменитый британский биолог Чарльз Дарвин. В середине XIX века он сформулировал важнейшие понятия теории эволюции, в том числе знаменитую концепцию естественного отбора.
В то время в распоряжении ученых был только один метод эволюционного анализа — морфологический. Исследователи сравнивали строение организмов и на основе сходств и различий объединяли их в разные родственные (по-научному — таксономические) группы. Так, при изучении родства животных ученые сравнивали их внешний вид, устройство скелетов, особенности развития эмбрионов, а при изучении растений — формы листьев, строение стеблей и так далее. И все же таким способом невозможно однозначно установить родственные связи различных живых существ.
Все изменилось с появлением методов молекулярной биологии.
Эволюция бабочки: слева березовая пяденица до промышленной революции, справа — она же, сменившая окрас из-за вредных выхлопов.
Почему ДНК интересна эволюционным биологам?
Ко второй половине XX века молекулярные биологи установили, что наследственная информация организмов записана (или, как говорят ученые, закодирована) в молекулах ДНК. ДНК является своего рода инструкцией по сборке организма: в ней содержится информация о том, как будет выглядеть организм, какого цвета у него должны быть глаза, как будет устроен его метаболизм, каковы особенности его различных молекулярно-биологических процессов и так далее.
Поскольку все эти признаки отличаются у разных видов живых существ, то, сравнивая последовательности ДНК разных организмов между собой, можно установить их эволюционное родство — на основе схожести их ДНК.
Дерево для генов рРНК, которое показывает общее происхождение организмов.
Так, а при чем тут все-таки деревья?
Дерево — это математический термин, позаимствованный из теории графов. Это очень широкое понятие; биологи используют деревья для установления родственных связей между организмами (сравнивая последовательности ДНК разнообразными сложными алгоритмами).
Вот пример простого двоичного дерева. Да, здесь используется тот же принцип, что и при составлении семейного древа (которое, наверное, каждый рисовал в школе). Для решения биологических задач ученые составляют целые генные сети, используя знания математики и программирования.
Фрагментация ДНК
Что еще можно узнать с помощью деревьев?
Строя такие эволюционные деревья, можно получить много полезной информации. Некоторые алгоритмы позволяют узнать, сколько лет назад (тысяч, миллионов или даже миллиардов) произошло то или иное эволюционное событие. К примеру, когда предок человека и предок мыши перестали быть похожи друг на друга (примерно 96 миллионов лет назад), то есть когда произошло так называемое эволюционное расхождение видов. Еще таким способом можно узнать, когда эволюционно разошлись неандертальцы и первые Homo sapiens (не раньше 800 тысяч лет назад).
Алфавит ДНК: молекулы ДНК состоят из звеньев — нуклеотидов, которые сокращенно записывают как A, T, G, C.
Как попробовать себя в роли эволюционного биолога?
Вся информация об известных ученым последовательностях ДНК хранится в открытом доступе. Любой человек может найти в поисковике последовательность ДНК какого-нибудь организма — скажем, человека, слона или ящерицы — и, запустив специальную программу, тоже, кстати, доступную в интернете, посмотреть, на кого они больше всего похожи или от кого и когда они произошли.
