Кристина Чхен, Артур де Фрис и их коллеги из Университета Иллинойса обнаружили, что гены этих странных белков образовались из части другого, совершенно не родственного гена. Этот исходный ген кодировал пищеварительный фермент. Небольшой фрагмент этого гена выделился из последовательности и встроился в другое место в геноме ледяных рыб. Из этого фрагмента, состоящего всего из девяти нуклеотидов, образовался новый ген, кодирующий «белок-антифриз». Происхождение «белков-антифризов» является прекрасным примером того, что эволюция чаще всего идет по пути использования уже имеющегося материала (в данном случае небольшого фрагмента другого гена), чем по пути изобретения чего-то абсолютно нового.
Как житель холодного региона я восхищаюсь изобретательностью и мужеством ледяных рыб. Нам в Висконсине приходится использовать всякие ухищрения, чтобы заставить наши автомобили двигаться при отрицательной температуре, в то время как ледяные рыбы ухитрились полностью заменить всю рабочую систему, не останавливая двигатель. Они изобрели новый антифриз, заменили обычное масло (кровь) на масло с чрезвычайно низкой вязкостью, расширили топливный насос (сердце) и отбросили некоторые лишние детали — те, которыми были оснащены все «модели» рыб на протяжении 500 млн лет.
Информация, заключенная в ДНК ледяной рыбы, а также любого другого вида, представляет собой совершенно новый источник данных о ходе эволюционного процесса. Эта информация позволяет нам видеть больше, чем просто кости и кровь, она позволяет напрямую заглянуть в тексты, записанные в ходе эволюции. Создание такого удивительного существа, каким является ледяная рыба, на уровне ДНК выглядит как обычный, в некоторой степени случайный процесс формирования более приспособленного вида. Ледяная рыба возникла из обычной рыбы с красной кровью, которая была плохо приспособлена к жизни в холодной воде. Адаптация ледяной рыбы к изменяющимся условиям существования в Южном океане не была мгновенным изобретением, как не была она результатом направленного «прогрессивного» процесса. Это была импровизированная серия многочисленных изменений, в числе которых изобретение нового гена, разрушение старого и модификация многих других.
Сравнивая гены различных видов ледяных рыб с генами их ближайших родственников с красной кровью, а также с генами других антарктических рыб, мы можем увидеть изменения, происходившие на разных этапах эволюции ледяной рыбы. Все 200 видов антарктических рыб, относящихся к семейству нототениевых, имеют гены «белков-антифризов», что означает, что это давнее приобретение. Также у всех этих рыб модифицированы гены микротрубочек. Однако лишь примерно у 15 видов ледяных рыб имеются «ископаемые» гены гемоглобина. Это означает, что гены гемоглобина перестали работать примерно в то же время, когда появились ледяные рыбы. Более того, некоторые ледяные рыбы не имеют миоглобина, но другие его по-прежнему синтезируют. То есть изменения в генах миоглобина произошли позднее, чем возникли ледяные рыбы, и процесс использования (или неиспользования) миоглобина продолжает эволюционировать. Сравнивая другие последовательности ДНК, можно построить график этих событий на фоне изменений климата в Южной Атлантике, который показывает, что антарктические нототении возникли 25 млн лет назад, а ледяные рыбы — лишь 8 млн лет назад (рис. 1.3). Анализ ДНК показывает, что ледяная рыба «перешла границу» между жизнью в теплой воде и зависимостью от гемоглобина к жизни в очень холодной воде и отказу от гемоглобина (а иногда и миоглобина) не за один скачок, а в результате многостадийного процесса.
Рис. 1.3. Временная шкала эволюции ледяных рыб. Движение земной коры в Южном полушарии около 50 млн лет назад привело к значительным изменениям подводных течений и температуры (верхняя часть рисунка). Одна большая группа рыб, называемых нототениевыми рыбами, адаптировалась к жизни при низкой температуре: у них появились «белки-антифризы», холодоустойчивые тубулины, и понизился гематокрит. Позднее у общего предшественника всех ледяных рыб гены глобина перестали работать и перешли в «ископаемое» состояние. Рисунок Лианн Олдс.
Зафиксированные на уровне ДНК многочисленные модификации, произошедшие в организме ледяных рыб при их отделении от теплолюбивого древнего предшественника с красной кровью, наглядно демонстрируют два главных принципа эволюции — естественный отбор и наследование с изменениями. Впервые эти принципы были провозглашены за 100 лет до Рустада и Рууда другим зоологом, Чарльзом Дарвином. Чтобы я мог в полном объеме продемонстрировать вам значение заключенной в ДНК информации, важно вспомнить эти два принципа и их первую формулировку в книге «О происхождении видов».
Возвращаемся к Дарвину
Дарвин взошел на борт военного английского корабля «Бигль» в декабре 1831 г., в возрасте 22 лет. Это было началом пятилетнего кругосветного путешествия. Основное время корабль провел в районе Южной Америки, где неугомонный капитан Роберт Фицрой зарисовывал и перерисовывал все реки и гавани. Для Дарвина знакомство с животными, растениями, ископаемыми остатками и геологическими породами этого огромного континента стало началом большого пути, который через 20 с лишним лет привел к созданию трактата «О происхождении видов». Труд этот начинается такими словами:
Путешествуя на корабле Ее Величества «Бигль» в качестве натуралиста, я был поражен некоторыми фактами, касавшимися распространения органических существ в Южной Америке, и геологических отношений между прежними и современными обитателями этого континента. Факты эти, как будет видно из последующих глав этой книги, кажется, освещают до некоторой степени происхождение видов — эту тайну из тайн, по словам одного из наших величайших философов. По возвращении домой я в 1837 году пришел к мысли, что, может быть, что-либо можно сделать для разрешения этого вопроса путем терпеливого собирания и обдумывания всякого рода фактов, имеющих какое-нибудь к нему отношение. После пяти лет труда я позволил себе некоторые общие соображения по этому предмету и набросал их в виде кратких заметок; этот набросок я расширил в 1844 году в общий очерк тех заключений, которые тогда представлялись мне вероятными; с того времени и до настоящего дня я упорно занимался этим предметом. Я надеюсь, мне простят эти чисто личные подробности, так как я привожу их затем только, чтобы показать, что не был поспешен в своих выводах.
Эти «краткие записи» заняли 502 страницы и были распроданы за один день — 24 ноября 1859 г.
«До чего же глупо было не додуматься до этого!» — воскликнул знаменитый биолог Томас Хаксли, прочтя книгу Дарвина «О происхождении видов».
Вопреки распространенному мнению, Дарвин не был автором идеи эволюционного развития. Эта идея существовала уже на протяжении нескольких десятилетий, в том числе она была признана в семье самого Дарвина. Его дед, Эразм Дарвин, изложил теорию эволюции в своей книге «Зоономия, или законы органической жизни» (Zoonomia, or the Laws of Organic Life, 1794 г.).
Вовсе не сама идея изменяемости видов так потрясла Хаксли. Произведенное впечатление объяснялось мощью и одновременно интуитивной простотой двух идей, заключавшихся в «наследовании с изменениями» и «естественном отборе», которые предлагались в качестве механизма эволюции живых организмов.
Дарвин провел аналогию между отбором вариантов в процессе одомашнивания животных и борьбой за существование среди слишком многочисленного потомства диких животных:
Можно ли… считать невероятным, чтобы другие изменения, полезные в каком-нибудь смысле для существ в их великой и сложной жизненной битве, появлялись в длинном ряде последовательных поколений? Но если такие изменения появляются, то можем ли мы (помня, что родится гораздо более особей, чем может выжить) сомневаться в том, что особи, обладающие хотя бы самым незначительным преимуществом перед остальными, будут иметь более шансов на выживание и продолжение своего рода? С другой стороны, мы можем быть уверены, что всякое изменение, сколько-нибудь вредное, будет неукоснительно подвергаться истреблению. Сохранение благоприятных индивидуальных различий или изменений и уничтожение вредных я назвал «естественным отбором» [курсив Ш. К.].
«О происхождении видов», глава IV
