Начальный этап в развитии генетики можно охарактеризовать как период конфронтации со сторонниками дарвинизма. Генетики того времени (Г. де Фриз, У. Бэтсон, Ж. Лотси и др.) выдвигали свои эволюционные теории, которые, в свою очередь, подвергались справедливой критике. Первый шаг к синтезу генетики и дарвинизма был сделан исследователями Дж. Харди (Англия) и В. Вайнбергом (Германия) в 1908 г. Закон, названный в дальнейшем в их честь (закон Харди – Вайнберга), положил начало новому разделу – популяционной генетике.

 

8.1. Популяционная генетика

Генетика популяций постулирует, что единица эволюционного процесса должна представлять собой неделимое единство и быть способной изменяться в ряду поколений. Ни вид, ни особь не удовлетворяют этим критериям. Элементарной единицей эволюционного процесса является популяция.

Популяция – это изолированная группа особей одного вида, связанная общностью территории и происхождения. Этот термин был предложен В. Иоганнсеном в 1909 г.

Представление о популяции как единице эволюции сформировалось почти сразу после возникновения дарвинизма. Популяция представляет собой непрерывный ряд поколений, она характеризуется и наследственностью, и изменчивостью. Понятие популяции применимо для организмов, как размножающихся половым путем, так и для лишенных полового процесса.

В период становления популяционной генетики считалось, что генетическая изменчивость природных популяций весьма мала, большинство локусов содержат доминантные аллели (аллели дикого типа) и лишь несколько локусов содержат мутантные аллели. Выходило, что «нормальный» генотип особи в природе гомозиготен почти по всем локусам.

В настоящее время принята так называемая балансовая теория популяций, предложенная Ф. Добжанским (Dobzhansky Тh., 1937). Согласно ей, изменчивость природных популяций очень велика, составляющие популяцию особи гетерозиготны по большинству локусов, не существует аллелей «дикого типа». При этом подчеркивается, что отсутствует какой-либо «нормальный» генотип. Генофонд популяции, включающий в себя все аллели всех населяющих популяцию особей, весьма разнообразен. Мерой генетической изменчивости популяции служит такое понятие, как гетерозиготность.

Гетерозиготность популяции показывает среднюю частоту особей, гетерозиготных по определенным локусам. Для подсчета гетерозиготности сначала определяют частоты гетерозигот по каждому локусу, а затем вычисляют среднее из полученных результатов. Чем большее количество локусов будет исследовано, тем более точная оценка изменчивости популяции будет получена. Исследования показали, что для приблизительной оценки достаточно проанализировать около 20 локусов.

Гетерозиготность – надежный показатель изменчивости. Она определяет вероятность того, что два любых аллеля одного локуса из генофонда популяции, взятые наугад, будут разными. Средняя гетерозиготность популяций человека составляет 6,7 % (Айала Ф., Кайгер Дж., 1988).

Таким образом, популяция – это совокупность генотипов, различающихся по многим локусам. Большинство локусов характеризуются множественными аллелями. Такое явление получило название полиморфизма. Количественным выражением полиморфизма популяции служит полиморфность (Р), показывающая долю полиморфных локусов. Так, если в исследованной популяции из 40 локусов 8 локусов оказались полиморфными (представленными несколькими аллелями), а 32 – мономорфными (представленными одним аллелем), то Р = 0,2, или 20 %.

Полиморфизм не выражает в полной мере степень генетической изменчивости популяции. Все локусы, имеющие больше одного аллеля, при вычислении Р будут равнозначными. Однако один локус может иметь в популяции 2 аллеля, а другой – 20. Не изменяет Р и относительная частота аллелей при одинаковом их числе. Аллели могут быть более-менее равномерно представлены в популяции, а может наблюдаться явное превалирование одного аллеля над всеми остальными.

Как и в случае многих других генетических терминов, различие между понятиями «мутация» и «полиморфизм» достаточно условное. Обычно, если какая-нибудь последовательность ДНК встречается чаще, чем в 1 % случаев, то говорят о полиморфизме, если реже, чем в 1 %, то о мутации. В геноме человека среднее число вариаций для каждого гена равняется 14 (Тарантул В. З., 2003). Значительным полиморфизмом характеризуется и число различных повторов, что у человека играет важную диагностическую роль.

Важнейшей характеристикой популяции являются показатели частот аллелей и генотипов составляющих ее особей. Их позволяет рассчитать ключевой закон популяционной генетики – закон Харди – Вайнберга. Он гласит, что при случайном скрещивании и отсутствии внешних факторов частота аллелей в популяции постоянна.

Для обозначения частот аллелей в популяционной генетике используются специальные символы: р – частота аллеля А; q – частота аллеля а; тогда p + q = 1.

Зная частоты аллелей, можно рассчитать частоты генотипов. Вероятность получения каждого генотипа равна вероятности объединения соответствующих гамет.

Для расчета частот генотипов применяют формулу квадрата двучлена:

( p + q ) 2 = p 2 + 2 pq + q 2 ,

где p2 – частота генотипа АА; 2pq – частота генотипа Аа; q2 – частота генотипа аа.

Применение закона Харди – Вайнберга для расчета частот аллелей у человека наглядно демонстрирует пример аутосомно-рецессивных болезней. Зная частоту встречаемости генетического заболевания, по формуле Харди – Вайнберга мы можем рассчитать частоту аллелей (с поправкой на погрешность). Например, одно из тяжелейших аутосомно-рецессивных заболеваний человека – муковисцидоз, встречается с частотой 1: 2500. Поскольку все случаи проявления обусловлены гомозиготой рецессивного аллеля, то:

q 2 = 0,0004; q = 0,02;

p = 1 – q = 1–0,02 = 0,98.

Частота гетерозигот (2pq) = 2 × 0,98 × 0,02 = 0,039 (около 4 %).

Мы видим, что почти 4 % людей (совсем не мало) являются носителями гена муковисцидоза. Это показывает, сколь большое число рецессивных патогенных генов находится в скрытом состоянии.

При множественном аллелизме частоты генотипов определяются возведением в квадрат многочлена из частот аллелей. Например, имеются три аллеля: а1, а2, а3.

Их частоты соответственно: p, q, r. Тогда p + q + r = 1.

Для расчета частот генотипов:

( p + q + r ) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2 pq + 2 pr + 2 rq ,

где p2 – частота генотипа а1 а1; q2 – частота генотипа а2 а2; r2 – частота генотипа а3 а3; 2pq – частота генотипа а1 а2; 2pr – частота генотипа а1 а3; 2rq – частота генотипа а2 а3.

Необходимо отметить, что сумма частот генотипов, как сумма частот аллелей всегда будет равна 1, т. е. (p + q)2 = (p + q + r)2 = =… = 1. Частоты генотипов остаются неизменными в последующих поколениях.

Если число аллелей одного локуса обозначить k, то число возможных генотипов (N) можно рассчитать по специальной формуле:

В строгом виде закон Харди – Вайнберга применим только для идеальной популяции, т. е. достаточно большой популяции, в которой осуществляется свободное скрещивание и не действуют внешние факторы. Только при этих условиях популяция находится в равновесии. Такие идеальные условия в природе никогда не реализуются. Рассмотрим подробнее два ограничения применения закона Харди – Вайнберга, касающиеся свободного скрещивания и действия внешних факторов.

В генетике популяций выделяют два вида скрещиваний:

1. Панмиксия – свободное скрещивание: вероятность образования брачной парыне зависит от генотипа партнеров. В отношении целых генотипов панмиксия в природе почти никогда не соблюдается, однако она вполне применима в отношении отдельных локусов.

2. Ассортативность – избирательное скрещивание: генотип влияет на выбор брачного партнера, т. е. особи с определенными генотипами спариваются чаще, чем при случайной вероятности. Избирательное скрещивание не изменяет частот генов, но изменяет частоты генотипов. Одной из крайних разновидностей ассортативности является целенаправленный инбридинг – скрещивание между родственными особями. Применительно к человеку ассортативность будет рассматриваться в разделе психогенетики.

Отклонение от равенства Харди – Вайнберга свидетельствует о том, что на популяцию действует какой-либо внешний фактор. Для анализа изменений генных частот в настоящее время разработаны сложные и довольно громоздкие системы уравнений. Это объясняется наличием переменных факторов, влияющих на результат. Разновидности эволюционных факторов мы рассмотрим чуть ниже, а пока отметим, что в любой достаточно большой популяции отклонения будут весьма незначительны, поэтому закон Харди – Вайнберга позволяет проводить важнейшие расчеты и является основой популяционной генетики. Но эти отклонения становятся значимыми, когда мы начинаем рассматривать процесс в эволюционном масштабе времени. Динамика генофонда популяций и представляет эволюцию на генетическом уровне.

 

8.2. Синтетическая теория эволюции

Популяционно-генетический подход заложил основы современной, так называемой синтетической теории эволюции (СТЭ), основанной на синтезе генетики и дарвинизма. Взаимосвязь между степенью генетической изменчивости популяции и скоростью эволюции была впервые показана в классических работах «Генетическая теория естественного отбора» Р. Фишера (Fisher R., 1930) и «Факторы эволюции» Дж. Холдейна (Haldane J., 1932). Контуры целостной теории впервые были очерчены в работе Ф. Добжанского «Генетика и происхождение видов» (Dobzhansky Th., 1937). Сам термин «синтетическая теория эволюции» был предложен Дж. Хаксли в его ставшей знаменитой книге «Эволюция. Современный синтез» (Huxley J., 1942).

С точки зрения СТЭ, эволюция – это процесс постепенного изменения частот и видов аллелей во многих локусах.

Процессы, изменяющие частоту аллелей в популяциях, получили название элементарных эволюционных факторов. В настоящее время в популяционной генетике выделяют 4 основных эволюционных фактора:

1. Мутационный процесс – процесс образования новых генетических вариантов. Поскольку мутации – редкое событие, то они изменяют генофонд чрезвычайно медленно.

2. Поток генов – обмен генами между разными популяциями. Миграции особей способны изменить частоту аллелей значительно быстрее, чем мутации.

3. Дрейф генов – случайные изменения частот аллелей в популяции. Это понятие в генетику ввел С. Райт (Wright S., 1931). Дрейф генов относится к явлениям, обусловленным ошибкой выборки. Чем меньше выборка популяции, тем больше будет ошибка выборки, т. е. больше будут колебания частот аллелей. Наблюдения показали, что для популяций с числом особей более 100 влияние дрейфа генов незначительно. Однако в некоторых случаях вклад дрейфа генов может быть существенным. Одним из таких вариантов является «эффект основателя» – возникновение новой популяции из нескольких особей (например, в результате миграции). Именно генотипы этих особей и будут заложены в основу генофонда новой популяции. Другим примером может служить «эффект бутылочного горлышка» – резкое снижение численности популяции вследствие неблагоприятных условий и последующее ее восстановление. Генофонд новой популяции составят генотипы выживших особей.

4. Естественный отбор – важнейший фактор эволюции в СТЭ. Отбор – единственный направленный эволюционный фактор. Именно поэтому дарвинизм (а именно на базе дарвинизма построена СТЭ) называют теорией естественного отбора. Кратким и удачным определением отбора может служить определение, данное И. Лернером: «Отбор – это дифференциальное воспроизведение генотипов» (Lerner I., 1958). Данное определение подразумевает, что шанс передать свои признаки следующему поколению у разных генотипов не одинаков. Очень хорошо естественный отбор охарактеризовал один из основателей современной цитогенетики С. Дарлингтон (1903–1981) – как процесс переноса «с химического уровня мутации на биологический уровень адаптации» (Darlington С., 1958).

Существует множество классификаций естественного отбора, что указывает на отсутствие единого мнения у эволюционистов. В популяционной генетике разработаны математические модели различных вариантов естественного отбора. Внимание акцентируется на изменение частоты аллелей в популяции, и выделяются следующие виды отбора (Айала Ф., Кайгер Дж., 1988):

– отбор против рецессивного аллеля;

– отбор против доминантного аллеля;

– отбор против нейтрального аллеля;

– отбор в пользу гетерозигот;

– отбор против гетерозигот;

– частотно-зависимый отбор.

В дикой природе редкие рецессивные аллели присутствуют в генофонде преимущественно в гетерозиготном состоянии. Чем ниже частота аллеля, тем большая доля этого аллеля представлена в популяции в составе гетерозигот. Рецессивные аллели, даже в случае их ощутимой «вредности», обычно не полностью элиминируются из популяции. Гетерозиготы служат важным потенциальным источником эволюционной изменчивости. Необходимое число поколений (t) для изменения частоты аллеля (от q1 до q2) рассчитывается по формуле:

t = 1/ q 2 – 1/ q 1 .

Таким образом, t резко возрастает при уменьшении частоты аллеля, что делает не эффективным отбор на полную элиминацию аллеля даже за тысячи поколений. Эта же формула наглядно демонстрирует бессмысленность всех евгенических проектов. Наоборот, наибольшее изменение частоты аллелей наблюдается при их близких друг к другу значениях. Эту закономерность впервые показал Р. Фишер и назвал ее основной теоремой естественного отбора (Fisher R., 1930). Однако дальнейшие исследования внесли некоторые поправки в это правило.

Эволюционные факторы, создавая в популяциях изменчивость по отдельным генам, создают почву для вторичного процесса – рекомбинации. В результате рекомбинации возрастает число генотипов в популяции – незначительный уровень изменчивости по аллелям превращается в значительно больший уровень изменчивости по генотипам. Благодаря рекомбинации формируется большая часть индивидуальной генотипической изменчивости скрещивающейся популяции.

Балансовая теория меняет само представление о таком понятии, как генетический груз. Генетический груз – это не только совокупность «вредных» генов, но и материал для эволюции, генетическая адаптация. Правда, популяции часто приходится «платить» за эту адаптацию гибелью рецессивных гомозигот.

Интересной формой естественного отбора является частотнозависимый отбор. Такой отбор (обычно в пользу более редкого генотипа) возникает, когда вероятность скрещивания зависит от частоты генотипа. Это явление получило название предпочтение брачных партнеров редкого типа. Оно довольно широко распространено в природе (от дрозофилы до человека) и служит поддержанию устойчивости генетического полиморфизма в популяциях.

В последнее время в популяционных исследованиях часто используется экологический подход. Показана важная роль ГС-взаимодействия как свойства генотипа определять параметры изменчивости фенотипа в разных условиях среды. В процессе эволюции ГС-взаимодействия могут играть определяющую роль при резком изменении вектора отбора. Значения признака отбора могут быть ограничены конкретными экологическими ситуациями. Сформировалось новое перспективное направление – эволюционная экология (Пианка Э., 1981).

Среди эволюционистов нет единого мнения относительно всей совокупности эволюционных факторов. До сих пор идут споры о роли главного, по Ч. Дарвину, фактора эволюции – борьбы за существование. В российской традиции принято выделять как эволюционный фактор изоляцию – возникновение барьеров, ограничивающих панмиксию. Выбор эволюционных факторов в основном и определяет принадлежность теории к конкретному направлению эволюционной биологии.

 

8.3. Генетика и проблемы эволюционной теории

Теория эволюции является одновременно и философией, и методологией современной биологии. Такое особое ее положение предопределило сложность и остроту проблем, связанных с эволюционным учением.

У истоков дарвинизма ключевой была проблема «слитной» наследственности. В XIX в. еще не существовало такой науки, как генетика. В то время биологи верили в «смешанное» наследование, которое предполагало, что родительские признаки «перемешаны» в потомках. На протяжении всего периода разработки теории эволюции Дарвина преследовал «кошмар Дженкина», гласивший, что новые адаптивные черты не могут распространяться, поскольку смешивание признаков приведет к их «растворению». На такой основе отбор попросту невозможен…

Прошло почти полтора века со дня выхода «Происхождения видов». Количество вопросов, которые продолжает ставить теория эволюции, не уменьшается. Ни в одной другой области биологии нет такого множества теорий, концепций, нерешенных проблем, как в эволюционной биологии. Специальным разделом эволюционной биологии стали различные подходы к молекулярной эволюции, такие как теория нейтральности, концепция молекулярных часов, эволюция путем дупликаций и другие (Оно С., 1973; Кимура М., 1985). Рассмотрим несколько общетеоретических дискуссионных вопросов теории эволюции.

Одним из самых неразработанных в эволюционной генетике остается механизм взаимодействия генотипа и среды в формировании фенотипа. Известно, что отбор идет по признакам фенотипа, но отбираются целостные генотипы, определяющие онтогенез следующего поколения. Почему в конкретных экологических условиях некоторые фенотипы способствуют передаче генов лучше, чем другие?

С этим вопросом связана другая проблема эволюционной биологии – проблема адаптации. На природу адаптации у эволюционистов существуют разные взгляды, которые Р. Докинз сгруппировал в два направления (Dawkins R., 1982):

– позиция эгоистичного организма – признаки рассматриваются с точки зрения полезности для особи;

– позиция эгоистичного гена – признаки рассматриваются с точки зрения полезности для сохранения гена. С этой позиции организмы представляются «машинами» для воспроизводства генов. Р. Докинз является автором теории «эгоистичного гена» (Dawkins R., 1976), которая в настоящее время имеет больше противников, чем сторонников.

С проблемой адаптации связана дискуссия вокруг группового отбора. Интересным примером сторонников концепции группового отбора является адаптивная ценность для группы процесса старения, поскольку он ограничивает численность группы и «очищает» ее от изношенных особей.

Другим примером группового отбора является способность популяции к саморегуляции. Концепция саморегуляции, т. е. способность группы регулировать свою численность на оптимальном для группы уровне, была предложена В. Винн-Эдвардсом и имела шумный успех (Wynne-Edwards V., 1962). В качестве примера экстраполяции концепции на человеческое общество можно провести аналогию нашей цивилизации и перенаселенной колонии бактерий, в которой включаются механизмы программированной гибели отдельных особей в интересах выживания остальных (Олескин А. В., 2001).

Однако многие эволюционисты не разделяют концепции группового отбора и саморегуляции популяций.

Генотип реализуется в фенотипе только в том случае, если он обеспечивает достаточно адаптивный онтогенез. Взаимосвязь эволюции и онтогенеза – другой сложнейший вопрос теории эволюции. Современные исследования в области генетики показали, что фенотип не строго детерминирован генетической программой развития. Почти в любом онтогенезе можно наблюдать возможность выбора из альтернативных фенотипов, но число возможных направлений онтогенеза ограничено. Такую направленность известный английский эмбриолог К. Уоддингтон назвал канализацией развития (Уоддингтон К., 1964). Наглядным примером этого положения могут служить различные касты общественных насекомых, значительно различающиеся по своей морфологии, но имеющие одинаковый геном. Морфологическое разнообразие в данном случае обусловлено влиянием на генотип разных гормонов, выполняющих функцию «переключателей» для разных генетических программ.

Сами морфогенетические пути представляют собой каскады индукционных взаимодействий. Хотя они исключительно устойчивы, изменения возможны на любой стадии развития. Чем на более ранней стадии онтогенеза возникают какие-либо изменения, тем больший фенотипический эффект мы наблюдаем. Конечно, при этом велика вероятность того, что такие изменения вызовут нарушения онтогенеза и образование нежизнеспособных зародышей. Зато в тех случаях, когда потомство оказывается жизнеспособным, возможны эволюционные события (Рэфф Р., Кофмен Т., 1986).

В эволюционной биологии принято различать два уровня эволюционного процесса:

– микроэволюция – процесс адаптивного изменения популяций до возникновения новых видов;

– макроэволюция – эволюция надвидовых таксонов.

Поскольку приспособительные изменения популяций (макроэволюция) разительно отличаются от картины разнообразия органического мира (макроэволюция), постоянно идет спор о механизмах этих процессов. Большинство сторонников СТЭ придерживаются взглядов о едином механизме микро– и макроэволюции (Симпсон Дж., 1948; Майер Э., 1968). Лагерь сторонников особых механизмов макроэволюции в основном составляют приверженцы «альтернативных» концепций (Stanley S., 1979; Gould S., 1982). Некоторые авторы предлагают выделять три уровня: микроэволюция, видообразование, макроэволюция (Грант Э., 1980; Старобогатов Я. И., 1988).

Взгляды на макроэволюцию разграничивают многие направления эволюционной биологии. Это один из наиболее крупных и одновременно наименее разработанных разделов теории эволюции. Наиболее дискуссионный вопрос эволюционной биологии – роль естественного отбора. Обзор альтернативных теорий эволюции XX века дан в сборнике «В тени дарвинизма» (2003), а также в других работах (Назаров В. И., 2005; Чайковский Ю. В., 2006).

Многообразие альтернативных концепций эволюции можно сгруппировать в три главных направления: ламаркизм, ортогенез (направленная эволюция) и сальтационизм (прерывистая эволюция). Многие концепции в настоящее время представляют только исторический интерес, но все они послужили делу творческого развития эволюционизма. Подробнее эти течения рассмотрены в первом издании книги (Курчанов Н. А., 2007).

В настоящее время в эволюционной биологии наметилась тенденция от противостояния к синтезу положений СТЭ с концепциями направленной эволюции и сальтационизма. Некоторые авторы считают, что они взаимно дополняют друг друга (Алексеев В. П., 1984; Корочкин Л. И., 2002). Действительно, с точки зрения современной генетики направленность развития определяется относительно небольшим числом регуляторных генов, выполняющими функции «переключателей». Такие гены контролируют срок тех или иных событий онтогенеза либо делают выбор возможных путей развития. Чем более раннюю стадию онтогенеза контролирует регуляторный ген, тем больший «каскад» взаимосвязанных процессов следует за ними, тем больший фенотипический эффект можно ожидать от его мутации. В случае появления жизнеспособного потомства при такой мутации возможны резкие филогенетические изменения в духе сальтационизма. Более того, регуляторные гены прежних функций могут долго сохраняться в геноме. В результате мутаций возможно восстановление старого типа развития. Так, несмотря на то что последние зубатые птицы вымерли более 60 млн лет назад, геномы птиц до сих пор содержат генетическую информацию, необходимую для морфогенеза зубов. Экспериментальным путем можно вызвать образование зубов у курицы (Рэфф Р., Кофмен Т., 1986).

Предположение о ведущей роли в морфологической эволюции регуляторных, а не структурных генов было впервые выдвинуто по результатам работ группы американского ученого А. Вильсона (Wilson А. [et al.], 1977). Но такой взгляд на эволюционный процесс заставляет признать обоснованными некоторые положения теорий «направленной» и «прерывистой» эволюции. СТЭ исходит из представлений о случайности мутаций. Однако не все эволюционисты согласны с этим. Закономерный характер эволюционных преобразований можно наблюдать в параллелизме многих ароморфозов. Классическими примерами служат проявления параллельных рядов форм разных групп млекопитающих на изолированных континентах, закон гомологичных рядов наследственной изменчивости растений Н. И. Вавилова.

Направленный характер эволюционных изменений может быть обусловлен сложностью взаимосвязи огромного числа составляющих, формирующих организм, который представляет собой целостную систему. Любые изменения системы обычно затрагивают все составляющие. Поэтому подавляющее большинство изменений для организма неприемлемо и сразу отсекается отбором, причем чем более специализирован вид, тем меньше у него возможностей для эволюционных изменений. Такая ограниченность и придает эволюции определенную направленность.

Вот что пишет на эту тему ведущий российский специалист в области генетики развития Л. И. Корочкин: «Процесс онтогенеза не случаен. Он протекает направленно от стадии к стадии… Отчего же эволюция должна основываться на случайных мутациях и идти неведомо куда?.. Просматривая внимательно различные эволюционные ряды, у представителей которых имеются сходные структурные образования, можно увидеть наличие как бы предопределенного, генетически “запрограммированного” в самой структуре ДНК филогенеза…» (Корочкин Л. И., 2002).

Не закончен спор сторонников СТЭ и ламаркизма. В разделе, посвященном проблеме наследования приобретенных признаков, говорилось о «живучести» этого направления. Новый толчок дискуссиям о ламаркизме дали открытия явлений горизонтального переноса генов и механизма прионных болезней.

Возможно, эволюционная биология находится сейчас на пороге еще одного «нового синтеза».

 

8.4. Эволюция генов и геномов

Анализ структуры и изменчивости генетического материала служит основой для различных теорий эволюции гена как элементарного носителя генетической информации. Какова была исходная организация гена? Или, другими словами, обусловлены ли различия между эукариотическими и прокариотическими генами приобретением интронов эукариотами или потерей интронов прокариотами?

Как ни парадоксально, распространено мнение, что мозаичная структура гена эукариот является более древним типом организации генома, чем непрерывная структура прокариотических генов. Возможно, геном прокариот образовался путем удаления интронов с целью компактизации генетического материала. Однако не все эволюционисты согласны с такой точкой зрения.

Другая не менее сложная проблема генетики – эволюция геномов. Не касаясь всех аспектов этого вопроса, отметим два принципиальных отличия при переходе с прокариотического на эукариотический уровень организации клетки. Это тенденция к большей автономности гена и генетических регуляторных систем, а также хромосомный уровень организации генетического материала.

В сравнительных исследованиях эукариотических геномов просматривается несколько интересных закономерностей. Отсутствует корреляция между размерами генома эукариот и эволюционной сложностью организма. Количество ДНК у некоторых амфибий в десятки раз превышает количество ДНК человека, причем у близкородственных видов амфибий количество ДНК может различаться в 100 раз. Чем выше уровень организации организмов, тем ниже доля экзонов в их геномах. Так, у дрожжей экзоны составляют 70 % генома, у дрозофилы – 20 %, у человека – 1,1–1,4 %.Так-же уменьшается средняя плотность генов на единицу длины генома: у дрожжей – 450 генов на 1 млн п. н., у червя C. elegans – около 200, у человека – всего 10. Вместе с тем геномы демонстрируют высокую степень консервативности. Так, гены человека на 50 % сходны с генами червя C. elegans, а в геноме мыши не обнаружено всего 300 «человеческих» генов (из примерно 30 000), причем 80 % генов почти идентичны(Тарантул В. З., 2003).

Сходство и различие хромосом разных видов позволили выявить метод дифференциальной окраски еще в 1970-х гг. Анализ хромосом человека и человекообразных обезьян показал большую схожесть их структуры. В кариотипе человека хромосома 2, вероятно, образовалась в процессе эволюции в результате робертсоновской транслокации (она соответствует хромосомам 12 и 13 шимпанзе и хромосомам 13 и 14 гориллы и орангутана). Вследствие этой перестройки кариотип человека уменьшился на одну пару. Четыре хромосомы человека отличаются от хромосом шимпанзе перицентрической инверсией. Выявлению гомологии между хромосомами и анализу эволюционных преобразований способствовало секвенирование геномов. Хотя многие группы сцепления в процессе эволюции могут перемещаться, между видами сохраняются гомологии этих участков. Так, нуклеотидные последовательности, составляющие каждую хромосому человека, разбросаны по разным хромосомам мыши. Эту фразу можно прочитать и с «другого конца»: нуклеотидные последовательности, составляющие каждую хромосому мыши, разбросаны по разным хромосомам человека.

В последнее время важным фактором эволюции геномов эукариот считают хромосомные перестройки, происходящие при активном участии МГЭ.

Анализ геномов человека и шимпанзе демонстрирует гомологию до 99 %. Основное значение в разительных фенотипических различиях человека и антропоидов многими авторами придается изменениям в регуляторных генах. Однако есть и другие версии. Так, только у человека, в отличие от антропоидов и других млекопитающих, продублирован на Y-хромосоме участок Х-хромосомы размером 4 млн п. н. Значительно выше в человеческом геноме «вклад» ретровирусов. Показано, что ретротранспозоны, являющиеся наследием внедрившихся миллионы лет назад ретровирусов, иногда сохраняют способность к транскрипции. Поэтому многочисленные их копии можно рассматривать не как результат внедрения новых ретровирусов, а как функционирование провируса.

Роль горизонтального переноса является «горячей точкой» эволюционной биологии (Steele Е., 1980). Последние молекулярно-генетические исследования, особенно в рамках проекта «Геном человека», показали, что вклад горизонтального переноса в эволюцию геномов эукариот несравненно выше, чем считали ранее. У человека более трети генома представлено транспозонами. Ретротранспозоны являются потомками внедрившихся в геном миллионы лет назад ретровирусов, а ДНК-транспозоны несут генетический материал бактерий. Только ретротранспозонов выделяют более 200 разновидностей. Около 3 % генома человека (примерно 300 000 копий) представляют наследство бактериальных транспозонов, интегрированных в глубинах эволюции. Некоторые генетики считают, что внедрение в геном человека в ходе эволюции экзогенной ДНК вирусов и прокариот сыграло решающую роль в ходе антропогенеза.

В настоящее время эволюционная геномика вносит основной вклад в создание естественной системы живой природы.

В геномах эукариот выявлены особые генные семейства. Их экзоны весьма схожи между собой, хотя и не идентичны. Так, в геноме человека выявлено около полутора тысяч таких семейств. Поскольку большая часть генных семейств не специфична для человека и даже позвоночных, можно сделать вывод о раннем времени их образования в эволюции.

Так же как и рассмотренные выше повторы, генные семейства делятся на сцепленные и диспергированные. Основной эволюционный путь возникновения сцепленных генных семейств – дупликация единственного гена-предшественника, а диспергированных генных семейств – ретротранспозиция.

Возникающие путем дупликации копии генов постепенно мутируют и приобретают некоторые различия. Такой процесс называется дивергенцией. Однако и после этого они обычно выполняют сходную функцию. Разные гены семейства могут быть разбросаны в разных местах, даже на разных хромосомах. Так, у человека обнаружено 111 генов белков кожи – кератинов, около 200 копий генов р-РНК, около 500 копий генов т-РНК, около 1000 копий генов-рецепторов обоняния, около 2000 копий генов 5S-РНК.

Во многих генных семействах большинство составляют не функционирующие гены, а псевдогены. Некоторые псевдогены имеют такую же структуру, как и активные гены с чередованием экзонов и интронов. Вероятно, они произошли путем дупликаций, а неактивными копии стали в результате мутаций, нарушающих какие-либо стадии экспрессии. Другие псевдогены состоят исключительно из экзонов. Предполагается их происхождение путем обратной транскрипции по типу ретровирусов. Весьма интересна возможность обратного превращения псевдогена в функционирующий ген в процессе эволюции. Такие случаи описаны, рассматриваются различные механизмы активации псевдогенов (Гринев В. В., 2006). По одной версии, псевдогены являются «эволюционным резервом» эукариотического генома, по другой, – представляет собой «тупики эволюции», побочный эффект перестроек некогда функционирующих генов.

Псевдогены – не единственный генетический материал с непонятной эволюционной ролью. Менее 30 % генома человека (и других млекопитающих) организовано в гены и геноподобные структуры, причем из этих областей транскрибируется меньше половины, а на кодирование белков используется чуть больше 1 % генома. Остальные транскрибируемые участки ДНК – это интроны, гены РНК, некоторые псевдогены.

Более 70 % генома человека приходится на межгенную ДНК. Эта область насыщена различными повторами, доля которых оказалась значительно выше, чем предполагалось ранее. Хотя они представляются бессмысленным набором нуклеотидов, у эукариот их число возрастает по мере повышения уровня организации. Так, если у низших беспозвоночных животных доля повторов в геноме составляет 5–7 %, то у млекопитающих их около 30 %. Больше всего повторов обнаружено у человека. На сегодняшний день мы еще очень мало знаем о роли межгенной ДНК вообще и повторов в частности. В эволюционной биологии уже давно активно обсуждается гипотеза «эгоистичной ДНК», которая существует только для собственного воспроизведения (Orgel L., Crick F., 1980). Такая гипотеза скорее демонстрирует наше бессилие в определении функциональной роли межгенной ДНК. Различные версии остаются чисто умозрительными. Некоторые авторы даже допускают, что межгенная ДНК является носителем другого генетического кода с неизвестной функцией (Гринев В. В., 2006).

Расчеты популяционной генетики позволили определить предельное число условных генов, которое может обеспечивать эволюционную стабильность генома.

Учитывая среднюю частоту мутаций и их вредность для организма в большинстве случаев, можно считать, что ни один организм не сможет иметь более 30 000 генов (Айала Ф., Кайгер Дж., 1988). Однако отмеченные выше сложности идентификации гена не позволяют назвать точное их число. Даже успешное завершение программы «Геном человека» не устранило разногласий среди ученых. Хотя большинство авторов склоняются к цифре в районе 30 000, другие авторы не согласны с ней, считая, что число генов у человека превышает 70–80 тысяч (Гринев В. В., 2006). Неоднозначность отношения числа генов и белков заставляет думать, что окончательная оценка числа генов будет сделана позже.