Методи вивчення еволюції

 

Палеонтологічні, біогеографічні, ембріологічні та порівняльно-морфологічні методи вивчення еволюції є класичними. У XX в. з розвитком молекулярної біології, біохімії, цитології та генетики, а також у зв’язку з поширенням ЕОМ з’явилися нові методи дослідження еволюційного процесу, доповнили і збагатили класичні.

Молекулярно-біохімічні методи. Хімічний аналіз клітин різних організмів показав, що всі вони мають подібний елементарний склад. У них зустрічаються одні й ті ж білки, вуглеводи, ліпіди і нуклеїнові кислоти. До складу білків всіх організмів входять 20 обов’язкових амінокислот. У представників різних систематичних груп зустрічаються подібні за будовою, складом і функцій білки. Так, схожу будову мають хлорофіл рослин і гемоглобін тварин. Ідентичне будову мають багато гормонів хребетних тварин. Наприклад, гормони гіпофіза знайдені у всіх груп хребетних. Гормон інсулін є у всіх ссавців.

Вивчення амінокислотноїпослідовності білків різних організмів дозволяє встановити їх еволюційне спорідненість. Наочний приклад тому – спорідненість білків міоглобіну і гемоглобіну (рис. 60). Велика подібність спостерігається у різних організмів і в процесах обміну речовин. Наприклад, у зародків птахів на ранніх стадіях ембріонального розвитку в якості кінцевого продукту білкового обміну утворюється аміак, на більш пізніх стадіях – сечовина, а у дорослих організмів – сечова кислота. У пуголовків жаби білковий обмін також закінчується утворенням аміаку, що властиво рибам, а у дорослих земноводних кінцевий продукт – сечовина.

Універсальність генетичного коду доводить єдність всіх організмів на Землі. Вивчення первинної структури ДНК показало, що у багатьох організмів є ряди східних послідовностей нуклеотидів. У близькоспоріднених видів ця схожість дуже велике. Наприклад, аналіз структури мі-тохондріальной ДНК горили, орангутанга та людини дозволив побудувати родовід гомінідів. Виявилося, що мітохондріальний ген горили відрізняється від аналогічного гена людини на 10%, а орангутана – на 17%. Ймовірно, ці відмінності обумовлені мутаціями, які виникали у кожного виду в процесі еволюції (рис. 61).

Встановлено, що в геномі кожного організму є унікальні гени, що зустрічаються тільки один раз, а також повторювані послідовності нуклеотидів, які можуть існувати у вигляді десятків, сотень і навіть тисяч копій. В межах одного класу або типу складу унікальних генів у різних організмів має велику схожість. Подібна подібність виявлено в геномі людини і бактерій. Це свідчить про повільне процесі появи мутацій і консервативної природі спадковості.

Інакше йде справа з повторюваними послідовностями нуклеотидів. У різних видів організмів вони можуть істотно відрізнятися як за складом, так і за кількістю. Така хромосомная мутація, як дуплікація (подвоєння генів на ділянці хромосоми), відбувається у різних організмів в процесі еволюції з різною швидкістю. Відкриття останніх років дозволили встановити, що в геномі кожного сучасного організму міститься інформація про ознаки організмів минулих геологічних епох.

Вивчення еволюції на молекулярному рівні має дві переваги в порівнянні з її вивченням за допомогою класичних методів. По-перше, отримана на цьому рівні інформація легше піддається кількісній оцінці: число відмінностей за нуклеотидам або амінокислотам у організмів неважко встановити. По-друге, можливо порівняння дуже далеких в родинному відношенні організмів. Наприклад, для декількох організмів – від бактерій і дріжджів до комах і людини – була визначена послідовність амінокислот в молекулах білка дихального ланцюга цитохрому с.

Таким чином, спільність хімічного складу клітин різних організмів вказує на біохімічну гомологію, подібну морфологічної, що свідчить на користь еволюції.

Генетичні методи засновані на вивченні особливостей будови і виявленні кількості хромосом у близькоспоріднених організмів, а також характеру спадкової мінливості. З їх допомогою з’ясовуються еволюційні взаємини між організмами. Наприклад, у всіх людиноподібних мавп хромосомний набір 2п становить 48, а у людини – 46 хромосом. Дослідження показали, що зменшення числа хромосом в каріотипі людини пов’язано, по всій вірогідності, зі злиттям двох хромосом шимпанзе (рис. 62). На близьку спорідненість цих організмів вказує однакова частота народження в популяціях людини і шимпанзе окремих генів, таких як альбінізм, резус-фактор та ін.

Іншим прикладом використання генетичних методів для вивчення еволюції є дослідження хромосомного набору різних видів пшениці. Вони виявилися полиплоидами по відношенню до стародавнього дикому диплоїдний увазі (табл. 2).

Таким чином, генетика значно доповнила свідоцтва реальності існування еволюційних процесів у природі.

Математичні методи. Останнім часом з’явилася можливість використовувати математичні методи вивчення еволюції, зокрема метод комп’ютерного моделювання. Сучасні ЕОМ дозволяють прискорити «процес еволюції» і скласти прогноз розвитку еволюційних подій при різному поєднанні умов. Схематичні карти диференційно забарвлених хромосом людини і шимпанзе (перші хромосоми в парах – людини, другі – гомологічні їм – шимпанзе, по 2-й парі дві хромосоми у шимпанзе ідентичні одній хромосомі людини, яка є результатом їх злиття).

Так, вітчизняними вченими в Інституті еволюційної фізіології і біохімії РАН була складена комп’ютерна програма, в яку заклали опис прототипу хордових тварин, аналогічного дожівшему до наших днів ланцетнику. Цей вихідний вид міг перетворюватися в інші види організмів. Еволюційні ускладнення і спрощення були рівноімовірними, виключалися з філогенетичного процесу тільки великі скачки, наприклад раптове виникнення добре розвиненого органу – головного мозку, очі і т. П.

Після кожного тимчасового кроку, приблизно соответствовавшего 1 млн років, комп’ютер виробляв перебір одержані варіантів, оцінюючи їх пристосованість до мінливих умов середовища. Невдалі варіанти стиралися з пам’яті комп’ютера, т. Е. Вимирали, пристосовані – еволюціонували далі. Через 100 кроків (100 млн років) початковий вигляд «породив» безліч рибообразних істот. Ще через 350 кроків (350 млн років) перший організм вийшов на сушу, а через 1000 кроків (1 млрд років) виникла істота з надзвичайно високим рівнем розвитку нервової системи, що пересувається на двох кінцівках (рис. 63). Однак кожен новий машинний експеримент при однакових вихідних даних давав різні результати. Висновок був очевидний – хід еволюції непередбачуваний і неповторний, причому для її успішного перебігу не потрібно будь-яких потрясінь на кшталт заледеніння і глобальних катастроф. Ці природні катаклізми можуть впливати на хід еволюції, але не є її причиною.

Абсолютних і досконалих методів вивчення еволюції немає. Для отримання найбільш точної картини філогенезу необхідно використовувати всі наявні в арсеналі сучасної науки методи, т. Е. Підходити до вивчення еволюції комплексно.

Посилання на основну публікацію