§ 29. Место человека в системе живого мира — данные молекулярной биологии и биологии развития

Определения и обозначения

Молекулярная филогенетика — область биологии, которая устанавливает эволюционное родство организмов, сравнивая их ДНК и белки. Изменения в молекулах накапливаются в наследственных линиях на протяжении поколений. По сходству последовательностей можно предположить, насколько близки виды. Это позволяет дополнять классификацию организмов данными о происхождении.

Молекулярные часы — способ оценивать время расхождения эволюционных линий по количеству различий в последовательностях ДНК или белков. Его основа — предположение, что изменения накапливаются с некоторой скоростью. Чтобы перевести различия во время, скорость нужно оценить по независимым данным. Такой расчёт помогает восстановить историю видов, но даёт приблизительную дату.

Онтогенез — индивидуальное развитие организма от его возникновения до смерти. При сравнении онтогенеза изучают, как формируются тело и органы у разных видов. Сходство этапов развития может указывать на унаследованные от общего предка особенности. Это особенно полезно, когда взрослые организмы сильно различаются внешне.

Гомологичные гены — гены разных видов, произошедшие от одного предкового гена. Они могут сохранять сходные функции, хотя последовательности и способы регуляции способны изменяться. Сопоставление таких генов помогает обнаружить общие механизмы развития. Поэтому оно важно для понимания как родства, так и различий между организмами.

Как это устроено

Чтобы сравнить родство человека с другими приматами, исследователи сопоставляют одинаковые участки ДНК или один и тот же белок у разных видов. Чем меньше различий в этих последовательностях, тем вероятнее, что виды разошлись от общего предка сравнительно недавно. Причина в том, что после расхождения каждая линия накапливает собственные наследственные изменения. Одного участка недостаточно для окончательного вывода, поэтому анализируют множество последовательностей.

Молекулярные данные подтверждают принадлежность человека к приматам: у него с другими приматами сходны многие гены и белки, а также общие генетические особенности. Сходство человека с человекообразными обезьянами особенно велико, что указывает на близкое родство. Оно объясняется общей эволюционной историей, а не происхождением человека от нынешнего вида обезьян. Совокупность молекулярных признаков позволяет надёжнее определить родственные связи, чем один внешний признак.

Ранние зародыши позвоночных имеют ряд сходных черт, потому что унаследовали общий план развития от далёких предков. На ранних этапах формируются основные структуры тела, и многие из механизмов их образования сохраняются у разных групп. Позже развитие идёт по-разному, поэтому организмы приобретают характерные для своего вида признаки. Сходство зародышей не означает, что человек в ходе развития становится взрослой рыбой или другим животным.

У разных животных встречаются сходные гены, участвующие в формировании тела и органов. Их сходство объясняется происхождением от предковых генов, а сохранение функций — важностью этих механизмов для развития. При этом результат зависит от того, где, когда и насколько активно работают гены. Поэтому общность генов развития помогает объяснить единый план строения позвоночных, но не означает, что все позвоночные развиваются одинаково.

Молекулярная биология сравнивает наследственные последовательности, а биология развития — процессы формирования организма. Эти подходы исследуют разные стороны эволюционной истории, поэтому совпадение их выводов особенно убедительно. Сходство молекул и раннего развития поддерживает вывод, что человек входит в группу приматов и имеет общих предков с современными человекообразными обезьянами. Ни один из этих признаков сам по себе не описывает всю историю, но вместе они дают более полную картину.

Данные о родстве человека с другими организмами

Сначала определите, какой именно материал сравнивают: молекулы, гены или этапы развития. Затем соотнесите обнаруженное сходство с возможным общим происхождением, помня, что оно не означает полного тождества. Самые надёжные выводы возникают, когда результаты разных строк таблицы согласуются.

Разбор задач

Задача 1. В сравнении последовательностей одного и того же белка у человека и нескольких приматов у одной пары обнаружено меньше различий, чем у остальных. Определите, какая пара предположительно состоит в более близком родстве.

1. Сравниваем один и тот же белок, поэтому результаты можно сопоставить напрямую.
2. Находим пару с наименьшим числом различающихся аминокислот.
3. Меньшее число различий обычно указывает на более недавнего общего предка, но вывод стоит проверить по другим молекулам.

Ответ: предположительно наиболее близка пара с наименьшим числом различий в последовательности белка.

Задача 2. По различиям в последовательностях ДНК и принятой скорости их накопления требуется оценить, когда разошлись две эволюционные линии. Объясните, какие данные нужны и почему оценка будет приблизительной.

1. Нужно сравнить соответствующие участки ДНК двух линий и определить число накопившихся различий.
2. Нужна оценка скорости изменений за единицу времени, полученная, например, с помощью независимых данных о датированных событиях эволюции.
3. Сопоставляют количество различий со скоростью накопления: при прочих равных больше различий соответствует более давнему расхождению.
4. Учитывают, что скорость изменений может меняться между генами и линиями, а сами данные имеют ограничения.

Ответ: используют принцип молекулярных часов, но полученная дата является оценкой, а не точным временем расхождения.

Задача 3. Сопоставьте сходство ранних зародышей позвоночных, общность генов развития и молекулярное сходство человека с человекообразными обезьянами. Сформулируйте общий вывод о месте человека в системе живого мира и объясните, почему нельзя опираться только на один признак.

1. Сходство ранних зародышей показывает, что у позвоночных есть унаследованные особенности развития.
2. Общие гены развития указывают на древние механизмы формирования тела, а молекулярное сходство — на близкое родство человека и человекообразных обезьян.
3. Сопоставляем независимые свидетельства: согласующиеся результаты укрепляют вывод об эволюционной истории.
4. Не принимаем сходство за доказательство происхождения человека от современного вида обезьян: речь идёт об общих предках.

Ответ: человек относится к приматам и имеет общих предков с современными человекообразными обезьянами. На один признак полагаться нельзя, потому что он может отражать лишь отдельную сторону родства; независимые данные дают более надёжный вывод.

Типичные ошибки

Ошибка: считать молекулярное сходство тождеством организмов. Её допускают, когда сходные последовательности воспринимают как доказательство одинакового строения и свойств. Родство не отменяет видовых различий, поскольку после расхождения линии накапливают собственные изменения. Проверьте себя: сходство относится к определённым участкам или признакам, а не ко всему организму.

Ошибка: утверждать, что человек произошёл от современных человекообразных обезьян. Так могут рассуждать, если видеть эволюцию как прямую лестницу от одного нынешнего вида к другому. В действительности у человека и современных обезьян были общие предки, а их линии развивались самостоятельно. Проверьте вывод вопросом: речь идёт о современном виде или о предке, существовавшем в прошлом?

Ошибка: понимать сходство зародышей как буквальное повторение человеком взрослых стадий других животных. Так происходит, когда отдельные сходные черты принимают за целые организмы. Эмбрионы позвоночных сходны на некоторых этапах, но по мере развития приобретают видовые особенности. Проверяйте, описывает ли утверждение конкретную структуру и этап, а не выдуманную последовательность взрослых форм.

Ошибка: считать молекулярные часы абсолютно точными. Простая модель создаёт впечатление, будто изменения всегда идут с постоянной скоростью. На практике скорость может различаться, а оценки зависят от калибровки и выбранных последовательностей. Проверка проста: формулируйте результат как приблизительную дату и учитывайте ограничения метода.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны основы систематики, эволюционного учения, наследственности и изменчивости, а также понятие общего предка. Сравнительный метод и молекулярные данные применяются при построении филогенетических деревьев, изучении происхождения видов и эволюции человека. Гены развития связывают эту тему с регуляцией активности генов и эмбриональным развитием. Их изучение также помогает объяснить эволюцию общего плана строения организмов.

Что запомнить

• Сходство ДНК и белков служит свидетельством эволюционного родства.
• Чем меньше различий в сопоставляемых молекулярных последовательностях, тем ближе обычно родство.
• Молекулярные часы дают приблизительную оценку времени расхождения эволюционных линий.
• Сходство раннего развития позвоночных указывает на общность их происхождения.
• Общие гены развития сохраняют древние механизмы формирования организма.
• Человек относится к приматам и имеет общего предка с современными человекообразными обезьянами.
• Выводы о родстве надёжнее, когда согласуются данные разных областей биологии.