Самое грандиозное шоу на Земле - Ричард Докинз

Часто упоминаемые 98 % общего генетического материала людей и шимпанзе — это не хромосомы или целые гены, а совпадающие «буквы ДНК» (пары оснований). Однако все не так просто. Если сравнивать буквы в текстах по порядку, то вставленная или пропущенная, а не просто несовпадающая буква сдвигает все стоящие после нее буквы. Ясно, что такого рода несоответствие нас не интересует и должно быть предусмотрено. Глаз исследователя, сравнивающего варианты Книги пророка Даниила, исключает такие случаи автоматически (кстати, алгоритм такого исключения нетривиален). Как добиться того же в отношении ДНК? Настал момент оставить нашу аналогию и вернуться к ДНК, поскольку это тот случай, когда аналогия оказывается сложнее действительности.

Если ДНК постепенно нагревать, в некоторый момент (около 85 °C) связи между двумя цепочками двойной спирали разорвутся и цепочки разойдутся. Данную температуру можно считать своего рода точкой плавления. Если теперь дать цепочкам ДНК остыть, они (или их фрагменты) начнут спонтанно образовывать двойные спирали по обычным правилам связывания пар оснований. Можно было бы предположить, что повторное связывание будет происходить между теми же, полностью совместимыми, фрагментами. Так и вправду могло быть, но в действительности фрагменты ДНК найдут себе не обязательно те же пары, что прежде. Более того, если добавить фрагменты ДНК другого вида, фрагменты цепочек разных видов могут объединяться точно так же, как цепочки спирали одного вида. А почему бы и нет? Это удивительное, но очевидное следствие революционного постулата молекулярной биологии Уотсона-Крика: ДНК — это просто ДНК. Ей нет дела, чья она: человека, шимпанзе или яблока. Фрагменты с удовольствием объединятся с любым комплементарным фрагментом, который найдут. Тем не менее сила связи непостоянна. Одиночные фрагменты цепочки ДНК связываются с другими фрагментами тем сильнее, чем более они подходят друг другу, и наоборот. Причина в том, что чем менее подходят друг другу «буквы» фрагментов (основания Уотсона-Крика), тем больше несоответствий, тем слабее связь, как у застежки-«молнии» с отсутствующими зубцами. Как измерить силу связи после того, как фрагменты цепочек разных видов найдут подходящие пары и свяжутся? Мы нагреем их до точки плавления! Точка плавления обычной двойной спирали с полностью соответствующими цепочками, например, ДНК человека — около 85 °C. Но когда связь слабее, например, когда цепочка ДНК человека связана с цепочкой ДНК шимпанзе, для разделения оказывается достаточно меньшей температуры. А для цепочек видов, дальше отстоящих друг от друга, например человека и рыбы либо жабы, «температура плавления» еще ниже. Разность «температур плавления» спирали, составленной из цепочек одного вида и смеси с цепочками другого, будет нашей мерой генетической близости этих видов. Правило звучит примерно так: снижение температуры на 1 °C эквивалентно 1 % несовпадающих «букв» ДНК (или отсутствию 1 % зубцов «молнии»).

Конечно, у этого метода есть сложности с нетривиальными решениями, в которые я не вдавался. Например, если смешать ДНК человека и шимпанзе, большинство фрагментов при остывании объединится с фрагментами цепочек своего вида. Как отделить «гибридную» ДНК, «температуру плавления» которой надо измерить, от двух чистых ДНК? Ответ: используя радиоактивные метки (подробный рассказ увел бы нас далеко от темы). Сейчас нам важно только то, что именно гибридизация ДНК позволяет получить оценки генетической близости наподобие 98 % для человека и шимпанзе, которые в полном соответствии с теорией уменьшаются по мере отдаления видов.

Самый современный (и затратный) метод определения генетической близости пар соответствующих генов — прямое считывание и сравнение генов тем же способом, что в проекте «Геном человека». Сравнение геномов целиком по-прежнему стоит очень дорого, но сравнение отдельных наборов генов дает хорошие результаты и все чаще применяется на практике.

Каким бы методом измерения степени близости видов мы ни пользовались, будь то кроличьи антитела, «точки плавления» или прямое сравнение, следующий шаг будет одним и тем же. Получив числа, означающие степень близости видов, мы поместим эти числа в таблицу. Строки и столбцы — названия видов, написанные в одинаковом порядке; на их пересечении, в клетках — степень сходства. Таблица получится треугольной (рассеченный наискосок квадрат), потому что, например, сходство между человеком и собакой точно такое, как между собакой и человеком. И, если заполнить все клетки таблицы, ее половины по обе стороны диагонали окажутся зеркальным отражением друг друга.

Какой результат мы ожидаем увидеть? Эволюционная модель предсказывает, что в клетке «человек/шимпанзе» сходство будет выше, чем в клетке «человек/собака». В клетках «человек/собака» и «шимпанзе/собака» значения должны быть одинаковыми, поскольку степень родства человека с собакой та же, что у шимпанзе с собакой. То же значение должно оказаться в клетках «обезьяна/собака» и «лемур/собака». Причина в том, что человек, шимпанзе, обезьяны и лемуры связаны с собакой через одного общего предка — раннего примата, который, скорее всего, был немного похож на лемура. Так же должны соотноситься клетки «человек/кошка», «шимпанзе/кошка», «обезьяна/кошка» и «лемур/кошка», потому что кошек и собак с приматами связывает общий предок всех хищников. Во всех клетках, связывающих, например, кальмара с млекопитающими, должно стоять примерно одно и то же число, причем маленькое. И неважно, о каком млекопитающем идет речь: они одинаково далеки от кальмара.

Но это теория, а практика иногда сильно от нее отличается. Если мы увидим противоречие, оно будет аргументом против эволюционной теории. Однако в действительности (с учетом статистической погрешности) мы наблюдаем именно то, что предсказывает эволюционная теория. Иными словами, если приписать значения сходства между парами видов к ветвям нашего дерева, то все сойдется. Конечно, абсолютного совпадения нет, но численные оценки в биологии редко даются с точностью выше некоторого приближения.

Доводы сравнительного анализа ДНК или белков позволяют сделать вывод о том, какие пары видов являются близкородственными. Однако сила этого метода как доказательства эволюционной теории заключается в возможности построить дерево генетического родства по каждому гену. Важнейший результат заключается в том, что все такие деревья во многом одинаковы. Именно такой результат и должен был получиться, если перед нами генеалогическое древо. И совсем не то, что мы ожидали, если бы Творец выбирал подходящие белки то там, то здесь, вне зависимости от первоначального носителя белка.

Первое масштабное исследование этого рода было выполнено группой новозеландских генетиков под руководством профессора Дэвида Пенни[154]. Группа Пенни выбрала пять генов, которые пусть не идентичны у всех млекопитающих, но достаточно схожи для того, чтобы у всех называться одинаково. Это гены гемоглобина А, гемоглобина В (он придает крови красный цвет), фибринопептида А, фибринопептида В (фибринопептиды отвечают за свертывание крови) и цитохрома С, играющего важную роль в биохимии клетки. Для сравнения были выбраны одиннадцать млекопитающих: макак-резус, овца, кенгуру, крыса, кролик, собака, свинья, человек, лошадь, корова и шимпанзе.

Пенни с коллегами подошли к задаче статистически. Они решили оценить вероятность того, что две молекулы могут дать одно и то же генеалогическое древо случайно. Поэтому они перебрали все деревья, которые можно построить для выбранных одиннадцати видов. Это число оказалось на удивление большим. Даже если ограничиться бинарными деревьями (в каждом узле ствол делится на две ветви, то есть дает двух потомков), то количество вариантов превысит 34 миллиона. Ученые терпеливо перебрали эти деревья, сравнив каждое с остальными 33999999 вариантами. То есть, конечно, они не делали этого: ушло бы слишком много времени. Вместо этого они придумали изощренный статистический эквивалент этих чудовищных по объему вычислений.

Метод приблизительно такой. Возьмем первые пять генов, например, гемоглобина А (я буду использовать здесь название белка, который кодируют гены) и найдем среди миллионов деревьев самое экономное для гемоглобина А. Под экономным понимается дерево, которое требует минимального числа эволюционных изменений. Например, все деревья, где кенгуру ближе к человеку, чем к шимпанзе, далеки от экономного: они требуют очень большого числа изменений, чтобы у кенгуру и человека нашелся близкий общий предок. Если бы гемоглобин А умел говорить, он рассказал бы примерно следующее:

Это очень неэкономное дерево. Оно требует не только огромного числа мутаций, чтобы получить два таких разных, но в то же время близкородственных организма, как кенгуру и человек, но еще и огромного числа мутаций, чтобы человек и шимпанзе оказались столь похожими с моей, гемоглобиновой, точки зрения. Я против этого варианта.