После появления в середине 19-го века, было несколько важных переломных моментов в истории эволюционной биологии. Первый ключевой шаг заключался в том, что сперва появилась генетика. Мендель открыл закон наследственности давно, еще во времена Чарльза. Английский натуралист тогда одновременно с Уоллесом пришел к идее естественного отбора, что говорит о том, что это открытие назревало в умах исследователей в учёном сообществе.
А вот Мендель опередил своё время, его открытия не были по достоинству оценены того, затем спустя многие годы переоткрыты уже в начале 20-го века. Лишь в это время начала складываться классическая генетика. Однако по началу не совсем было понятно, как эту генетику можно совместить с дарвинизмом, так как Дарвин в основном писал о постепенных и плавных изменениях, а ранние генетики работали в основном с такими грубыми и зримыми мутациями с фенотипическим эффектом, которые создавали ощущение скачкообразности. Они изучали случаи дискретной изменчивости.
Поначалу казалось, что генетика с идеями дарвинистов плохо сочетается, и имеется множество неразрешимых противоречий. И понадобилось более 20 лет научному сообществу разобраться и осознать, что генетика прекрасно сочетается, дополняет и развивает эволюционное учение.
В начале 30-х годов прошлого столетия сформировалась так называемая синтетическая теория эволюции – генетическая теория естественного отбора, объясняющая, какие механизмы существуют на уровне генов.
Что такое ген в то время еще толком не понимали, понятно было только что это дискретные единицы наследственности, которые не сливаются или растворяются, а наследуются дискретно, комбинируясь по-разному. Это объясняло одно из серьезных возражений теории Дарвина. Также было известно, что эти гены находятся в хромосомах, однако из чего они сделаны, как наследственная информация устроена и записана там, как размножается в генах – эти знания были недоступны.
Но тем не менее на этой основе можно было развивать генетическую теорию эволюции, эволюционную генетику, изучать законы изменения частот генетических вариантов популяциях и т. д.
Следующая революция эволюционных представлений произошла в 50-е годы, когда была расшифрована структура молекулы ДНК, так как если бы на этом этапе дарвиновские идеи оказались неверны, то однозначно были бы опровергнуты.
Согласно преданию Фрэнсис Крик, когда они вместе с Джеймсом Уотсоном догадались, как устроена молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, Ф. Крик воскликнул: «Мы раскрыли главную тайну жизни». Такая эмоциональная реакция была вполне оправдана, так как то что они открыли как-раз отвечало на вопрос, каким образом наследственная информация размножается и каждая клетка перед клеточной репликацией удваивает собственные хромосомы и копирует генетическую информацию, которая в ней содержится.
Но что еще более важно – ДНК оказалась устроена именно так, как и должна быть устроена молекула, на которой основана жизнь, эволюционирующая по Дарвину. Или, другими словами, жизнь, у которой молекула наследственности устроена таким образом – она просто не может не эволюционировать.
Крик и Уотсон обнаружили, что ДНК является спиралью, состоящей из двух нитей, состоящих из последовательностей нуклеотидов 4 типов, обозначающихся буквами: «А», «Т», «Г» и «Ц». Напротив каждой «А» стоит «Т» другой нити, а против каждой «Г» стоит «Ц».
Это является принципом специфического спаривания нуклеотидов, или по-другому принципом комплементарности, который собственно и обеспечивает механизм копирования генного материала. То есть каждая из этих нитей двойной спирали кодирует вторую комплементарную нить.
Таким образом мы имеем механизм размножения нити, и каждой одиночной нити можем достроить по принципам комплементарности вторую недостающую нить, получив из одной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты две. Так и заложена в ней способность к размножению.
Но поскольку ни один механизм копирования не может быть абсолютно точным, время от времени в ходе этого процесса возникают ошибки, а именно мутации, о существовании которых генетики давно знали только на молекулярном уровне. А так как в ДНК записаны наследственные особенности организма, то понятно, что некоторые из этих мутаций будут влиять на эффективность размножения организма, и соответственно обязательно будет происходить естественный отбор.
Песчаной крысы, мы обнаружили, что в одной его части, в частности, было намного больше мутаций, чем в генах других грызунов. Все гены в этом очаге мутаций были с ДНК, богатой цитозином и гуанином, и мутировали до такой степени, что их было трудно обнаружить, используя стандартные методы. Чрезмерная мутация часто останавливает работу гена, но каким-то образом гены песчаной крысы продолжают играть свои роли, несмотря на радикальное изменение последовательности ДНК. Это очень сложная задача для генов. Это как петь «Катюшу», используя одни только гласные.
Этот вид темной ДНК ранее находили у птиц. Ученые обнаружили, что 274 гена «отсутствуют» в секвенированных на текущий момент геномах птиц. Среди них ген лептина (гормона, который регулирует энергетический баланс), который ученый не могли найти много лет. Еще раз, эти гены имеют крайне высокое содержание цитозина и гуанина и их продукты находят в тканях тел птиц, даже если самих генов как бы нет в геномических последовательностях.
Луч света в темной ДНК
В большинстве учебников встречается определение, из которого следует, что эволюция протекает в два этапа: за мутацией следует естественный отбор. Мутация ДНК — это распространенный и продолжительный процесс, происходящий совершенно случайно. Естественный отбор определяет, какие мутации должны пройти, а какие нет, обыкновенно в зависимости от того, какой результат они показали в процессе воспроизводства. Короче говоря, мутация создает вариацию в ДНК организма, а естественный отбор решает, остаться ей или отсеяться, и так происходит эволюция.
Но очаги высоких мутаций в геноме означают, что гены в определенных местах имеют более высокие шансы мутировать, чем другие. Это означает, что такие очаги могут быть недооцененнным механизмом, который также может определять течение эволюции. И значит, естестественный отбор может быть не единственной движущей силой.
До сих пор темная ДНК, по всей видимости, присутствовала у двух разных и распространенных типов животных. Но до сих пор неясно, насколько она вообще распространена. Могут ли геномы всех животных содержать темную ДНК, а если нет, что делает песчанок и птиц такими уникальными? Самая захватывающая головоломка будет состоять в том, чтобы выяснить, какое влияние темное ДНК оказала на эволюцию животных.
В примере с песчаной крысой, очаг мутации, возможно, привел к адаптации животного к условиям пустыни. Но, с другой стороны, мутация, возможно, произошла так быстро, что естественный отбор не смог сработать достаточно быстро, чтобы устранить что-либо вредное в ДНК. Если это так, то вредные мутации могут помешать выживанию песчаной крысы за пределами ее нынешней пустынной среды.
Открытие такого странного явления определенно вызывает вопросы о том, как эволюционирует геном, и что мы могли упустить в существующих проектах секвенирования генома. Возможно, нам стоит развернуться и посмотреть внимательнее.
Давайте поговорим о ДНК. Но не о биологическом ДНК, которое исследуют ученые, а о ДНК как о многослойной информационной программе, которая определяет геномы видов, в том числе и человека.
Биологический слой ДНК является концентрированным выражением информационных компонентов, которые сложились под влиянием определенных условий на Земле. Но биологический слой не может отразить весь объем информации, который лежит в основе сотворения видов.
Вы как космические сущности обладаете доступом ко всей информационной программе ДНК в вашей галактике и в вашей вселенной. Принято условно выделять 12 парных слоев ДНК (24). Это очень упрощенная схема структуры ДНК как Божественной информационной программы.
В других вселенных существует до 36 и более слоев ДНК, и многие из вас пришли именно из этих миров (именно к таким сущностям относится Лидия). Это значит, что наряду со слоями ДНК, принятыми в вашей галактике, существуют дополнительные слои ДНК, которые вы можете активировать по мере необходимости.
У многих воплощенных космических сущностей сейчас происходит активация всего божественного генома. Это необходимо для того, чтобы космическая сущность сознавала себя как единое целое, включая проявленный аспект в физическом теле. Так у Татьяны запустился процесс выстраивания ДНК межгалактического вида, которое содержит набор из 144 пар нитей ДНК (характерно для нашей Вселенной).
Многие космические сущности, благодаря такой активации, смогут перейти в очень высоковибрационные пространства и отправиться в свой дом, который лежит за пределами вашей галактики.
Это очень важно, потому что раньше многие космические сущности развоплощаясь, были вынуждены оставаться в околопланетарном пространстве Земли, и долгое время уходило на то, чтобы они могли активировать все свои слои ДНК, находясь в развоплощенном состоянии.
Сейчас эти процессы ускоряются, и воплощенные на Земле сущности с активированными 12-24 слоями ДНК представляют собой непрерывные порталы, через которые на Землю и в Солнечную систему поступает информация и световые коды Великого Центрального солнца. Это способствует ускорению эволюции всей Солнечной системы, включая Землю.
Мы говорили о том, что на Земле сейчас воплощены сущности, которые сотни тысяч лет (и более) назад занимались отбором ДНК для создания планетарных видов. И сейчас эти сущности опять занимаются на тонкоматериальных планах сотворением новых/модификацией существующих геномов и, находясь в физическом теле, могут протестировать модификации, которые происходят с ДНК на тонком плане.
Для этого у них должны быть налажены и активированы связи между биологическим слоем и всеми остальными слоями ДНК.
Сейчас на планете появляются новые вирусные программы, которые вызывают мутации ДНК и могут приводить к возникновению новых заболеваний. Таким образом биологическому слою брошен космический вызов – насколько биологическая ДНК способна к реагированию и противостоянию этим вирусам.
Геном человека очень устойчив, но он должен стать более гибким для формирования новых качеств физического тела.
Планета Земля и дальше будет находиться под беспрецедентным космическим влияниям высокочастотных энергий. К этим факторам относится также усиление воздействия Солнца в том диапазоне, который не был активен до текущего времени.
Атомарный состав солнечного ветра и коронарных выбросов Солнца также меняется. Магнитное поле Земли становится все более неустойчивым.
Человек должен научиться ассимилировать эти энергии на клеточном уровне, чтобы выжить. И его выживаемость обеспечивается адекватным изменением ДНК.
Чем быстрее человек активирует все 24 слоя ДНК, тем лучше он будет адаптироваться к новым условиям на Земле и в Солнечной системе. На Земле сейчас по-прежнему преобладают люди, у которых активирован 1 или 2 слоя ДНК. С информационной точки зрения любой человек способен активировать и 3-й слой ДНК под влиянием поступающих на планету энергий. Все дело в осознаии этой необходимости.
Устойчивость и повышенную жизнеспособность в изменяющейся среде имеют люди с активироваными 6-тью слоями ДНК. Те, у кого активированы 12-24 слоев ДНК, определяют вектор эволюции человечества. К сожалению, таких людей на планете всего 2 процента.
Почему именно ДНК лежит в основе всех ? Ведь в добелковую эпоху основой жизни была ее "родственница" — РНК… Этот вопрос занимал ученых уже давно, и, похоже, они все же нашли ответ на него. Результаты последнего исследования американских биологов были опубликованы в журнале Nature Structural and Molecular Biology .
Ученые США "почувствуют себя Богом"
"Мир "
Нуклеиновые кислоты открыл в 1868 году швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер. Термин "нуклеин" был употреблен, поскольку эти вещества первоначально обнаружились в ядре клетки (ядро по-латыни nucleus). Но позднее оказалось, что клетки бактерий, не имеющие ядра, содержат те же кислоты.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — это одна из трех основных макромолекул, наряду с ДНК и белками, содержащихся в клетках живых организмов. К образованию клеточных РНК приводит процесс, называемый транскрипцией, — синтез РНК на матрице ДНК, осуществляемый посредством специальных ферментов, РНК-полимеразы. Матричные РНК (мРНК), в свою очередь, участвуют в процессе трансляции - синтезе белка на матрице мРНК с помощью рибосом. Остальные разновидности РНК после транскрипции модифицируются и выполняют различные функции, зависящие от их типа, скажем, доставки аминокислот к месту синтеза белка.
Молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (таких, как теломераза), но отдельные виды обладают собственной активностью. Так, они могут вносить разрывы в другие молекулы РНК или, напротив, "склеивать" между собой два РНК-фрагмента.
Из РНК состоят геномы некоторых вирусов. Поскольку эти молекулы способны одновременно выполнять функции и носителя информации, и катализатора химических реакций, была выдвинута гипотеза, согласно которой они стали первыми на Земле сложными полимерами.
Так называемая "гипотеза РНК-мира" гласит, что в начале эволюции РНК стала катализатором для синтеза других аналогичных молекул, а затем и ДНК. Но постепенно в большинстве структур РНК заменил белок.
Пары Хугстина
Хойцин Чжоу из Университета Дьюка в Дареме (США) и ее коллеги занимались изучением формирования так называемых "хугстиновских пар". Последние представляют собой альтернативный метод связывания нуклеотидов друг с другом. Такой способ связывания характерен лишь для одного процента элементов в двойной спирали ДНК.
Двойная спираль может существовать благодаря тому, что две ее "половинки" притягиваются друг к другу посредством водородных связей. Последние, в свою очередь, возникают как притяжение между частично положительно и отрицательно заряженными атомами, к примеру, атомами кислорода и водорода или кислорода и азота. Так, строение молекул воды — яркий пример водородных связей…
В молекуле ДНК такие связи существуют между двумя ее главными фрагментами — азотистыми основаниями. В условных "буквах" А и Т присутствуют две такие связи, в Ц и Г -три.
Сначала считалось, что это единственный существующий способ связей между молекулами, но американский биолог Карст Хугстин обнаружил альтернативную конфигурацию, при которой молекулы азотистого основания буквально "переворачиваются" и в связь вступают совсем другие атомы…
Если на структуре пар "А-Т" от этого практически ничего не меняется, то пары "Ц-Г" в результате таких "пертурбаций" теряют одну из своих трех связей. Они становятся нестабильными, спиральная структура ДНК искажается, и могут формироваться различные "нестандартные" структуры.
Тест на устойчивость
Группа Чжоу выяснила, что хугстиновские пары, которые то появляются, то исчезают в двойной спирали ДНК, способны защищать последнюю от повреждений, позволяя молекулам генетического кода сохранять гибкость даже при разрывах. Ученые решили проверить, обладают ли таким же свойством РНК. Но оказалось, что возникновение в РНК пар Хугстина довольно быстро приводило к тому, что молекулы дестабилизировались и двойная спираль разрушалась.
"ДНК может принимать особую форму, образуя так называемые пары Хугстина, которые помогают молекуле сопротивляться повреждениям и оставаться целой, — рассказала Хойцин Чжоу. — С другой стороны, появление подобных структурных модификаций в молекуле РНК приводит к разрушению ее двойной спирали".
По мнению экспертов, двойная спираль РНК "закручена" куда сильнее, чем у ДНК. Это препятствует "переворачиванию" нуклеотидов в процессе формирования хугстиновских пар и приводит к тому, что молекулы "ломаются". Именно поэтому молекулы РНК более подвержены повреждениям. Нет ничего удивительного в том, что их на гораздо более устойчивые ДНК…
Мобильные элементы в ДНК открыла американская исследовательница Барбара Мак-Клинток в конце 1940-х годов. Прошло почти тридцать лет, прежде чем научное сообщество поверило в то, что геном организма не статичен, а способен меняться, причем в течение жизни одной особи. Пониманию этого помогли работы советских ученых, которые в 1976 году выявили мобильные элементы в геноме мухи-дрозофилы. И все же научный мир долго не осознавал того факта, что, как выяснилось после полной расшифровки генома человека в 2000 году, половина его занята этими странными блуждающими образованиями.
Сейчас известно, что ДНК многих животных, включая человека, в той или иной степени состоит из мобильных элементов. Большая их часть "молчит", то есть никак себя не проявляет. Но некоторые способны мобилизоваться и запустить цепочку реакций, приводящих к опасной мутации.
© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина
© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина
Мобильные элементы — это по-разному организованные небольшие последовательности нуклеотидов размером от семидесяти до десяти тысяч нуклеотидных пар, что, вообще говоря, сравнимо с некоторыми короткими рабочими генами. Как и вирусы, они не могут функционировать самостоятельно, вне клетки хозяина. Однако устроены мобильные элементы проще, чем вирусы, и в отличие от них не способны самостоятельно покинуть клетку организма.
Запертые в геноме, транспозоны тем не менее перемещаются по ДНК, создают и встраивают в нее свои копии. Ученые полагают, что мобильные элементы легче приспособить для какой-то полезной работы.
"Это строительный материал эволюции. При получении полезной функции копия теряет мобильность", — подчеркивает Чураков.
Патогены или помощники эволюции?
Некоторые мобильные элементы вырезают сами себя из ДНК с помощью фермента транспозазы и вставляют в другое место — довольно случайным образом. Их называют ДНК-транспозонами. В геноме бактерий они выполняют важную функцию обмена генетической информацией между разными видами. Так, например, переносятся гены устойчивости к антибиотикам. У человека ДНК-транспозоны неактивны.
Ретротранспозоны могут самостоятельно хозяйничать в геноме, выполняя как полезные функции, так и портя ДНК хозяина.
Например, эндогенные ретровирусы (HERV) особо активны у больных ревматоидным артритом, множественными склерозами, амиотрофическим латеральным склерозом и определенными видами рака желудочно-кишечного тракта. Однако прямых доказательств того, что эта разновидность ретротранспозонов влечет за собой болезнь, а не просто сопутствует ей, нет. Влияние этих прыгающих генов на нервные патологии, такие как шизофрения, тоже пока исследуется.
Ретротранспозоны связаны с мутациями, вызывающими гемофилию А — несвертываемость крови, миодистрофию Дюшенна, бета-талассемию (недостаток гемоглобина). Мышечная дистрофия типа Фукуяма, распространенная среди японцев, тоже связана со вставкой копии ретротранспозонов. В целом мобильные элементы имеют отношение примерно к сотне генетических заболеваний.
С точки зрения эволюции встраивание ретротранспозона в какой-то ген не всегда играет негативную роль. Так, у большинства видов китов нет зубов. И это связано с тем, что в один из генов, необходимых для их роста, внедрена копия ретротранспозона. Зато киты приобрели замечательный фильтрующий планктон орган из китового уса, который ближе по структуре к волосу.
Ретротранспозоны помогают отследить эволюцию вида. Ведь однажды встроенная в ДНК копия никуда из этого места генома не перемещается. И если мы ее видим у двух видов, но не видим у третьего, то первые два вида, скорее всего, ближе друг к другу.
"Одноклеточная инфузория располагает двумя ядрами и специальным механизмом, который очищает вегетативное ядро от всех мобильных элементов. При этом система очистки (ДНК-сплайсинг) использует один из компонентов, полученный из "одомашненного" транспозона", — приводит еще один пример Геннадий Чураков.
Полностью очищать геном от транспозонов нельзя. По словам исследователя, часть их связана с работой клетки, как, например, Alu-повторы — вид ретротранспозонов, который есть у всех приматов, включая человека. Они регулируют активность генов, участвуют в процессах сплайсинга — собирания РНК генов из кусочков.
"Убрать все мобильные элементы мы не в состоянии, но, допустим, вырежем только те элементы, которые не играют активной роли в жизни клетки. Что будет? Размер нашего генома уменьшится примерно в два раза. Упадет неравномерная рекомбинация и резко замедлится… эволюция. Возможно, человеку придется распрощаться с разумной деятельностью, поскольку есть точка зрения, что активность ретротранспозонов типа LINE в нейронах помогает создавать необходимое разнообразие для образования ассоциативных цепочек", — поясняет исследователь.
Между тем генные инженеры уже приспособили прыгающие гены для своих целей. Создав искусственный ДНК-транспозон под названием "спящая красавица", они выводят трансгенных животных для лабораторных опытов.