Na dlhú dobu zostala otvorená otázka, ako v dôsledku náhodných zmien (mutácií) v genóme živých vecí vznikajú nové informácie. Vedci však stále dokázali zistiť, ako dochádza k rozširovaniu a doplňovaniu genómu. Jedným z najdôležitejších mechanizmov získavania nových informácií je proces duplikácie génov
Na fotografii: orol bielohlavý. Vidí svet v širšej škále farieb ako človek.
Alexander Markov, doktor biologických vied, vedecký pracovník Paleontologického ústavu Ruskej akadémie vied, hovorí o ňom.
Ako nám nové objavy v oblasti genetiky umožňujú pochopiť mechanizmus objavenia sa nových génov a nových vlastností v tele?
- Jeden z najtypickejších argumentov ľudí, ktorí popierajú evolúciu, znie niečo také: nevieme si predstaviť, ako môžu nové informácie vzniknúť v dôsledku náhodných mutácií v genóme. Mnohým intuitívne sa zdá, že náhodné zmeny, napríklad v niektorých textoch, nemôžu vytvárať nové informácie. Môžu priniesť iba hluk alebo chaos. Medzitým si dnes veda už veľmi dobre uvedomuje, ako sa v priebehu evolúcie objavujú nové informácie v genóme, nové gény, nové funkcie, nové vlastnosti v organizme atď. Jedným z najdôležitejších mechanizmov vzniku nových genetických informácií je duplikácia génov a následné rozdelenie funkcií medzi nimi. Myšlienka je veľmi jednoduchá: existoval jeden gén, teraz sú dva v dôsledku náhodnej mutácie. Gény sú spočiatku rovnaké. A potom, v dôsledku akumulácie náhodných mutácií v dvoch kópiách tohto génu, sa mierne odlišujú a existuje šanca, že si medzi sebou budú medzi sebou vymieňať funkcie.
Uveďte príklad vzniku nového génu
- Teraz existuje veľa dobre preštudovaných príkladov. Všeobecne je táto myšlienka sama o sebe dosť stará, už v tridsiatych rokoch 20. storočia, veľký biológ, genetik John Haldwin navrhol, že duplikácia, to znamená duplikácia génov, hrá dôležitú úlohu pri vývoji evolučných inovácií. A v posledných rokoch, v súvislosti s rozvojom molekulárnej genetiky, čítaním genómov, sa objavilo veľa presvedčivých príkladov, dobré príklady toho, ako sa to skutočne deje. Jeden z najjasnejších je spojený s vývojom farebného videnia u cicavcov alebo skôr, ešte širšie, u suchozemských stavovcov. Keď sa prvýkrát objavili suchozemské stavovce, ktoré prišli na pevninu v devónskom období, mali stále tzv. Tetrochromatické videnie, ktoré sa objavilo na úrovni rýb. Čo to znamená? Farebné videnie je určené proteínmi sietnice citlivými na svetlo - existujú také bunky kužeľa,ktoré sú zodpovedné za farebné videnie a v týchto čapíkoch sú proteíny citlivé na svetlo nazývané opsíny. Ryby, z ktorých sa vyvinuli stavovce, a prvé suchozemské stavovce, mali štyri takéto opsíny. Každý opsín je naladený na špecifickú vlnovú dĺžku.
Môžeme povedať, že ryby vidia presne štyri farby?
Propagačné video:
- To neznamená, že daný opsín reaguje iba na danú vlnu, to znamená, že daná vlnová dĺžka excituje tento opsín najviac a čím viac sa vlnová dĺžka líši, tým slabšia reaguje. Tetrachromatický systém farebného videnia je veľmi dobrý systém, poskytuje veľmi jasné rozlíšenie odtieňov celého spektra av mnohých moderných stavovcoch sa zachoval napríklad u vtákov. Vtáky dokážu rozlíšiť farby lepšie, ako sme my. Mnoho z nich môže vidieť v ultrafialovom pásme, niektoré druhy majú na svojich perách UV vzory. A možno, že vtáky považovali systém prenosu farieb našich televízorov a monitorov za mimoriadne zlý. Pretože používame trichromatický systém, miešame tri farby - naše videnie je usporiadané rovnako. Vták má štyri, nie tri.
To znamená, že ľudia v porovnaní s vtákmi považujú svet za primitívnejší
- Z hľadiska vtákov sme trochu slepí. Ako som už povedal, trichromatickým systémom u ľudí sú tri opsíny, vyladené na tri rôzne vlny. Jeden pre modrú, druhý pre zelenú a tretí, posunul sa smerom k žltej. Ale najzaujímavejšie je, že iné cicavce, okrem ľudí a opíc, majú dichromatické videnie, majú iba dva opsíny. Nemajú tretinu, ktorá je najbližšie k červenému koncu spektra, a preto rozlišujú modrú a zelenú, ale nerozlišujú zelenú a červenú. Ako sa to stalo? Prečo cicavce stratili dva opsíny?
Je známe, že predkovia mali štyroch a cicavce majú dva opsíny. Strata dvoch opsínov zjavne súvisí so skutočnosťou, že cicavce prešli na nočný život na úsvite svojej histórie. Prečo prešli na nočný životný štýl? Bolo to kvôli obavám z dlhej konkurencie medzi dvoma hlavnými evolučnými líniami suchozemských stavovcov. Tieto riadky sa nazývajú synapsid a diapsid. Synapsidová línia sú jašterice podobné zvieratám, plazy podobné zvieratám. A táto skupina bola dominantná medzi suchozemskými stavovcami v staroveku, v období Permu, pred viac ako 250 miliónmi rokov. Potom mali v triasovom období silných konkurentov, predstaviteľov diapsidovej línie. U moderných zvierat patria všetky plazy, krokodíly, jašterice a vtáky do línie diapsidov. V triasovom období sa objavili aktívni predátori, ktorí bežali rýchlo, a to aj na dvoch nohách. Krokodílí plazi, krokodíly začali vytláčať našich predkov synapsidných alebo zvieracích plazov. A táto súťaž spočiatku neskončila v prospech našich predkov. Na konci triasového obdobia sa objavili rýchlo sa vyskytujúce diaspidné plazy, ktoré viedli k vzniku novej skupiny, z ktorej vznikla nová skupina - dinosaurov, ktorí sa na veľmi dlhú dobu stali dominantnými dennými predátormi a bylinožravcami na celej planéte. Obsadili celodenné výklenky, výklenky pre zvieratá vo veľkej triede. Na konci triasového obdobia sa objavili rýchlo sa vyskytujúce diaspidné plazy, ktoré viedli k vzniku novej skupiny, z ktorej vznikla nová skupina - dinosaurov, ktorí sa na veľmi dlhú dobu stali dominantnými dennými predátormi a bylinožravcami na celej planéte. Obsadili celodenné výklenky, výklenky pre zvieratá vo veľkej triede. Na konci triasového obdobia sa objavili rýchlo sa vyskytujúce diaspidné plazy, ktoré viedli k vzniku novej skupiny, z ktorej vznikla nová skupina - dinosaurov, ktorí sa na veľmi dlhú dobu stali dominantnými dennými predátormi a bylinožravcami na celej planéte. Obsadili celodenné výklenky, výklenky pre zvieratá vo veľkej triede.
Synapsidová línia bola nútená ísť do noci, pod zem, rozdrvila sa. V Permskom období existovali obrovské plazy synapsidov, na konci triasového obdobia zostala jedna maličkosť. Súčasne sa na konci triasového obdobia ukončil proces tzv. Cicavcovania synapsidných plazov, to znamená zhruba prvých cicavcov. Všetky ostatné plazy synapsidov zanikli a jedna skupina sa stala cicavcami a prežili. Ale prežili, stali sa malými a nočnými. Počas jurských a kriedových období boli cicavce nočné - vyzerali ako nejaký druh hláv, myší. Keďže boli nočné, farebné videnie pre nich bolo takmer zbytočné. Pretože kužele stále nefungujú v noci, prírodný výber nemohol podporovať štyri deskriptívne tetrochromatické videnie,pretože táto vízia nebola potrebná.
Prirodzený výber sa nemôže pozerať do budúcnosti, funguje takto: buď použijete gén, alebo ho stratíte. Ak gén nie je potrebný tu a teraz, mutácie, ktoré vzniknú a pokazia ho, sa výberom neodstránia a gén skôr či neskôr zlyhá.
Strata génov je pravdepodobne zameraná na zachovanie všetkých síl v tele, na maximálnu hospodárnosť, maximálnu účinnosť, to znamená, že v našom tele by nemalo fungovať nič
- V zásade áno, samozrejme, je to hospodárnosť - nadbytok bielkovín nie je syntetizovaný. Musím povedať, že vo všeobecnosti sa v tele syntetizuje veľa nadbytočných proteínov, ktoré sa stali zbytočnými, ale ešte nezomreli, k tomu nedochádza tak rýchlo, ale nakoniec sa to stáva. Najskôr sa predpokladalo, že oba opsínové gény stratili predkovia cicavcov alebo prví cicavci veľmi rýchlo a prakticky súčasne. Teraz v genóme platypus - a to je zástupca najprimitívnejších cicavcov, je jeden zo stratených génov. To znamená, že platypus má ďalšie tri opsíny, zatiaľ čo pokročilejšie cicavce majú iba dva. Gény sa stratili, a teda. Spoločný predok cicavcov mal stále tri opsíny a placenty a vačkovce, s výnimkou ovipárneho platypusu a echidny, iba dva opsíny.
Ako teda naši predkovia, opice, získali svoje trichromatické videnie? A tu práve fungoval mechanizmus duplikácie génov. Keď sa skončila éra dinosaurov a cicavce sa mohli znovu stať dennými, zostali s ich dichromatickým videním, pretože nebolo kam vziať stratené gény.
A to pokračuje vo väčšine skupín cicavcov, hoci by pre nich bolo užitočné rozlíšiť farby, ale nie je potrebné brať gén. Ale predkovia opíc Starého sveta mali šťastie. Jeden zo zvyšných dvoch génov opsínu prešiel duplikáciou, duplikáciou a prirodzený výber rýchlo naladil dve kópie výsledného génu na rôzne vlnové dĺžky. Trvalo to iba tri mutácie - nahradenie troch aminokyselín v proteíne, celkom malá zmena. Malá operácia, vďaka ktorej sa vlnová dĺžka, na ktorú reaguje jeden z opsínov, posunula na červenú stranu. To nám stačí na rozlíšenie medzi červenou a zelenou. To umožnilo predkom prvých opíc starého sveta prejsť na konzumáciu ovocia a čerstvých listov v tropických lesoch: je veľmi dôležité odlíšiť červenú od zelenej,zrelé ovocie z nezrelých a mladé listy zo starých listov.
Stalo sa to však iba opiciam Starého sveta. Toto je šťastná udalosť - k duplikácii génu došlo u predkov opíc starého sveta po tom, čo sa Amerika oddelila od Afriky a plávala, medzi nimi bol Atlantický oceán. Americké opice boli nešťastné a väčšina z nich zostala s dichromatickým videním. A stále žijú takto. Samozrejme by pre nich bolo užitočné odlíšiť červenú od zeleného ovocia, čo však môžete urobiť, ak neexistuje gén.
Ukazuje sa, že opice Nového sveta nerozlišujú medzi červenou a zelenou, robia chyby, niečo zjedia?
- Ukázalo sa, že takto. Možno preto sa opice Starého sveta stali ľuďmi a opice Nového sveta to tak nebolo.
Autor: Olga Orlova