Evoliucijos keliai yra iš anksto nustatyti molekuliniame lygmenyje. • Aleksandras Markovas. • Mokslo naujienos apie "Elementus". • Genetika.

Evoliucijos keliai yra iš anksto nustatomi molekuliniame lygmenyje.

Ryškus pavyzdys paraleline: thylacosmilus Thylacosmilus iš Pietų Amerikos (viršuje) ir "normalaus" kardadančius tigras smilodonai iš Šiaurės Amerikos pleistoceno pliocenu (vaizdai ir www.avph.hpg.ig.com.br www.prismenfernglas.de svetainės)

Naudodamiesi bakterijų prisitaikymo prie antibiotikų pavyzdžiu galėjome parodyti, kad Darvino evoliucija gali naudoti tik labai mažą teoriškai įmanomų būdų pasiekti tikslą. Kiekviena atskira mutacija turi pagerinti fizinę būklę, kitaip ji bus atvaizduojama pasirinkus. Tuo pačiu metu teigiamas ar neigiamas daugelio mutacijų poveikis priklauso nuo to, kokios mutacijos jau buvo nustatytos anksčiau. Dėl riboto leistinų "mutacijų trajektorijų" skaičiaus evoliucija lemia iš anksto nustatytą ir nuspėjamą procesą.

Anksčiau evoliucionieriai daug dėmesio skyrė paralelizmo problemai, ty skirtingų grupių savarankiškam panašių bruožų atsiradimui. Suformulavo Vavilovo "teisę homologinės serijos paveldimos variacijos" leidžiama susieti šį reiškinį su vidurūšinei kintamumo įstatymų (glaudžiai susijusios rūšies rasti panašius variantus – pavyzdžiui, dauguma grūdai didžiojo krabo formą ir Bezbrody).Paleontologija pateikia daug ryškių evoliucinių evoliucijos kelių panašumų, kurie buvo sukurti lygiagrečiai.

Šiandien tokie "empiriniai apibendrinimai" yra nepakankami. Dėl sparčios molekulinės biologijos raida paaiškėjo, kad daugelis svarbių biologinių modelių, kuriuos ištyrė ankstesnių kartų mokslininkai, pasirodė esančios už "realaus rimto mokslo" ribų, nes jų negalima paaiškinti molekuliniu lygmeniu.

Todėl Harvardo universiteto mokslininkų bandymas rasti molekulinius pagrindus Kanalizacija (galimų takų apribojimai) ir pakartojamumas evoliucija turi didelę teorinę vertę. Kaip pavyzdį mokslininkai pasirinko bakterijų pritaikymą antibiotikams – gana paprastą evoliucinį procesą, labai deterministinį ir kartojamą, be to, turi didelę praktinę reikšmę.

Yra žinoma, kad bakterijos prisitaiko prie beta-laktamų grupės antibiotikų (tai, be kita ko, ir penicilinas) dėl geno, koduojančio fermento beta-laktamazę, pokyčių (mutacijų). Manoma, kad mutacijos atsiranda atsitiktinai, o kenksmingos mutacijos pašalinamos atrankos būdu, o naudingos yra fiksuotos.

Beta laktamazės geno ("laukinio tipo") pradinėje versijoje bakterijų prisitaikymo prie cefotaksimo, beta-laktamų grupės trečiosios kartos antibiotikų, penkių labai specifinių mutacijų yra įtraukiamos, todėl atsparumas antibiotikui padidėja 100 000 kartų. Bet šis efektas suteikia tik visas penkis mutacijas kartu. Akivaizdu, kad tuo pačiu penkių "būtinų" mutacijų atsiradimas vienu metu yra neįtikėtinas: jie turi pasirodyti ir būti fiksuojami nuosekliai, vienas po kito. Taigi, kelyje į galutinį tikslą, organizmas turi praeiti per keturias tarpines būsenas. Jei bent vienas iš jų pasirodytų esąs mažiau pelningas nei ankstesnis, jis tiesiog nebus nustatytas atranka, o galutinis tikslas nebus pasiektas.

Teoriškai yra 5! = 120 skirtingų judėjimo trajektorijų iš pradinės būsenos ("laukinis tipas", – – – – -) iki galo (didelis atsparumas cefotaksimui, + + + + +). Galimų tarpinių būsenų skaičius yra trisdešimt (- – – – +, – – – + -, – – – + + ir tt). Tyrėjai parengė visus trisdešimt tarpinius beta-laktamazės geno variantus, juos įvedė į E. coli (Escherichia coli) ir išmatuotas atsparumas cefotaksimui. Vaizdas pasirodė gana sudėtingas.

Kaip paaiškėjo, 2, 3 ar 4 mutacijų komplekso bendrasis poveikis neturi nieko bendro su paprasto tų pačių mutacijų poveikio sumetimais, paimtu atskirai. Kai kuriais atvejais buvo įmanoma išaiškinti mutantų tarpusavio sąveikos pobūdį. Pavyzdžiui, viena iš penkių mutacijų savaime nepadidėja, tačiau mažėja atsparumas antibiotikui (cefotaksimo hidrolizė yra lėtesnė), tačiau jis didina fermento termodinaminį stabilumą. Kita mutacija pagreitina cefotaksimo hidrolizę, tačiau sumažina termodinaminį stabilumą, todėl apskritai tik šiek tiek padidina atsparumą antibiotikui. Tačiau dvigubai mutacijai pasižymi ryškiai padidėjęs atsparumas, nes jo beta-laktamazė dėl antrosios mutacijos veiksmingai hidrolizuoja cefotaksimą ir dėl pirmosios mutacijos jo termodinaminis stabilumas nepraranda. Akivaizdu, kad adaptacijos metu (esant griežtai atsparumui cefotaksimui nustatyti) pirmoji iš šių mutacijų gali būti nustatyta tik po antrosios.

Pasirodo, kad iš 120 teoriškai galimų būdų nuosekliai įsigyti penkių mutacijų, dauguma (102) apskritai negali būti realizuoti,kadangi tam tikru metu reikalaujama laikinai sumažinti fizinę būklę (autoriai laikė supaprastintą teorinį modelį, kuriame vienintelis fitneso kriterijus yra atsparumas cefotaksimui). Likę 18 takų labai skiriasi jų įgyvendinimo tikimybe. Skaičiavimai parodė, kad 99% atvejų evoliucija "pasirinktų" vieną iš 10, o 50% atvejų – vieną iš dviejų labiausiai tikėtinų būdų.

Taigi gamta gali realizuoti tik labai mažą teoriškai esančių takų skaičiaus dalį "nuo A iki B". Autoriai mano, kad jų nustatyta taisyklė turėtų apimti ir kitų baltymų vystymąsi. Tai reiškia, kad molekulinė evoliucija pasižymi dideliu pakartojamumu: skirtingi organizmai turi savarankiškai judėti tomis pačiomis "leidžiamomis" evoliucinėmis trajektorijomis. Autoriai neatmeta galimybės, kad panašūs apribojimai (įskaitant tuos, kurie yra susiję su tarpusavio ir intramolekulės sąveika) gali nukreipti ir nukreipti Darvino evoliuciją aukštesnio lygio gyvenimo organizavimo lygmeniu.

Šaltinis: Daniel M. Weinreich, Nigel F. Delaney, Mark A. DePristo, Daniel L. Hartl.Mutaciniai takai prie medžių baltymų: Darvino evoliucija Mokslas. 2006. V. 312. P. 111-114.
Žiūrėkite visą straipsnį čia (PDF, 186 Kb).

Taip pat žiūrėkite:
Lygiagretumai ir homologinis kintamumas.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: