Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Темпы эволюции молекул и организмов 13
1.1. Первоначальные гипотезы 13
1.2. Пуассоновская модель молекулярных часов 15
1.3. Способы проверки гипотезы молекулярных часов 17
1.4. Нейтралистская модель молекулярных часов 20
1.5. Селекциоиистские модели молекулярных часов 30
1.6. О точности молекулярных часов 34
1.7. Молекулярная и фенотипическая дивергенция 40
1.7.1. Предыстория вопроса 40
1.7.2. "Эволюция на двух уровнях" по Уилсону 47
1.7.3. Концепция коэволюции молекул и морфологии 57
1.7.4. "Закон спринтера и стайера" 58
1.7.5. О связи генетических и фенотипических расстояний 61
1.7.6. Динамика скоростей эволюции организмов 71
Глава 2. Темпы молекулярной эволюции приматов 77
2.1. Возникновение дилеммы 77
2.2. Темпы эволюции аминокислотных последовательностей 84
2.3. Темпы эволюции нуклеотидных последовательностей 91
2.4. Динамика накопления мутаций 103
2.5. Факторы, влияющие на темпы молекулярной эволюции 109
2.5.1. Частота мутаций ПО
2.5.2. Скорость фиксации мутаций 115
2.5.3. Относительный вклад разных факторов 117
2.6. Темпы геномной эволюции 118
Глава 3. Генетические расстояния по белковым маркёрам 125
3.1. Электрофоретическое изучение белков мартышек и макаков 130
3.1.1. Материал и методика 130
3.1.2. Описание электрофоретических фенотипов 131
3.2. Генетические расстояния по частотам электроморф 140
3.2.1. Генетические расстояния Нея 140
3.2.2. Сравнение генетических расстояний 141
3.3. Антигенные и аминокислотные расстояния 145
Глава 4. Дивергенция морфофеномов 155
4.1. Данные о пропорциях тела приматов 156
4.2. Показатель расстояния и методы кластеризации 159
4.3. Результаты кластерного анализа 163
Глава 5. Генетическая и фснотипическая дивергенция 170
5.1. Сравнение генетических и фенотипических расстояний 170
5.2. Темпы эволюции на двух уровнях организации 176
5.3. Генетическая и традиционная систематика 182
Глава 6. Генетический полиморфизм и эволюция обезьян 194
6.1. Постановка вопроса 194
6.2. Изменчивость по локусу Tf. 196
6.3. Внутривидовая изменчивость электрофоретических маркеров генов мартышек и макаков 200
6.4. О причинах различий в генетической изменчивости мартышек и макаков 205
6.5. О причинах различий в генетической изменчивости азиатских и африканских обезьян 208
Глава 7. Дифференциация человечества 214
7.1. Генетические и фенотипические расстояния между расами 214
7.1.1. Постановка вопроса 214
7.1.2. Материалы и методы 215
7.1.3. Результаты сопоставления дендрограмм 217
7.2. Генетика и происхождение рас 221
7.2.1. Понятие расы и генетическое разнообразие человечества 223
7.2.2. ДНК-маркеры, дифференциация «рас» и происхождение человека.233
7.2.3. Генетика и эволюция «расоводиагностических признаков» 244
7.2.4. Существуют ли расы человека? 249
Заключение 255
Выводы 267
Литература
- Способы проверки гипотезы молекулярных часов
- Темпы эволюции нуклеотидных последовательностей
- Генетические расстояния по частотам электроморф
- Темпы эволюции на двух уровнях организации
Введение к работе
Одна из ключевых задач современной эволюционной генетики состоит в том, чтобы объединить на общей концептуальной основе теорию молекулярной эволюции с теорией эволюции фенотипов (феномов). Её решение предполагает глубокое понимание сущности генетических основ эволюции, которое может быть достигнуто только в результате заметного прогресса в изучении организации генома, механизмов морфогенеза и связи между эволюционными изменениями информационных молекул и количественных признаков. Настоящее исследование посвящено феноменологическому анализу такой связи на примере эволюции приматов.
Проблема соответствия между молекулярной и фенотипической (точнее, феномной) эволюцией возникла в 1960-е годы вместе с молекулярной эволюционной генетикой. Тогда же были высказаны первые предположения относительно характера такой связи. Они были сформулированы в известной работе Цукеркандла и Полинга (Zuckerkandl, Pauling, 1965) в виде двух альтернативных гипотез. Согласно первой, получившей название гипотезы молекулярных часов, скорость накопления мутационных замен приблизительно постоянна и не зависит от темпов фенотипической эволюции. Согласно второй, темпы эволюции информационных макромолекул изменяются с изменением темпов феномной эволюции. В те же 1960-е годы появились первые работы, в которых проводились сравнения молекулярно-генетических и феномных различий между таксонами разного ранга. Однако эти исследования, продолжавшиеся и после 1960-х годов, не внесли существенного вклада в теорию рассматриваемого вопроса.
В последующие десятилетия первая из упомянутых гипотез наиболее активно разрабатывалась Кимурой и его последователями в рамках выдвинутой им теории нейтральности. Кимура считал, что молекулярная и фенотипическая эволюция отличаются по темпам и по форме: если первая протекает с
постоянной скоростью и консервативна по форме, то вторая неравномерна и носит приспособительный характер. Последняя книга покойного Кимуры, написанная на японском языке, посвящена проблеме взаимосвязи нейтральной эволюции на молекулярном уровне и адаптивной эволюции на фенотипическом уровне (см. некролог: Takahata, 1995). Иную точку зрения отстаивают Гудмэн и некоторые другие авторы, которые рассматривают молекулярную эволюцию как часть организменной эволюции и говорят о коэволюции генетических молекул и морфологического фенотипа. Обе эти концепции нередко дополняются представлением, что в основе фенотипической эволюции лежат главным образом изменения в регуляторных участках генома, влияющие на экспрессию групп генов и обладающие комплексным системным эффектом.
Так или иначе, существует обоснованное мнение, что эволюция на разных уровнях организации живого характеризуется специфическими закономерностями. Эти закономерности определяются особенностями действия факторов эволюции на соответствующие признаки. Так, например, белки и кодирующие их гены, по-видимому, испытывают большее влияние случайного дрейфа и существенно меньшее естественного отбора, чем морфологические структуры. В результате, наряду с мозаичной эволюцией признаков одного уровня — в данном случае разных макромолекул или морфологических признаков — должна наблюдаться и действительно наблюдается хмежуровневая мозаичность эволюционных преобразований информационных молекул, с одной стороны, и морфофенотипических признаков — с другой.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы сопоставить темпы дивергенции приматов на молекулярном и организменном уровнях организации. Для её достижения предполагалось провести комплексный анализ эволюции таксонов этого отряда по белковым маркерам генов, с одной стороны, и морфометрическим характеристикам — с другой. Одним из теоретических оснований, послуживших исходным пунктом при выполнении данной работы, было предположение, которое один из основателей синтетической теории эволюции, эволюционный цитогенетик Стеббинс назвал
"законом зайца и черепахи" (Stebbins, 1983) и которое мы называем "законом спринтера и стайера". Из него следует, что корреляции между молекулярными и фенотипическими расстояниями для недавно дивергировавших таксонов должны быть, как правило, выше, чем для давно дивергировавших таксонов. В наших работах на эту тему, часть из которых вышла еще до упомянутой публикации Стеббинса, мы исходили именно из такого интуитивно правдоподобного предположения; это была одна из рабочих гипотез, с которой мы приступили к данной работе. Предполагалось, что кривая зависимости фенотипической дивергенции от генетической с ростом последней выходит на плато.
В последние годы наблюдается оживление интереса к проблеме связи между молекулярной и фенотипической эволюцией, объясняемое появлением предпосылок для ее решения. С одной стороны, образовался постоянно растущий массив информации о геномах, с другой — появились базы данных о феномах, т.е. формализованные описания фенотипов отдельных видов. Об актуальности выбранной темы свидетельствует, например, то обстоятельство, что проект "Геномы приматов" предлагается дополнить проектом "Феномы приматов" (Varki et al., 1998; и др.). В настоящее время уже осуществляется несколько подобных феномных проектов, охватывающих и виды млекопитающих (см. обзоры: Bard, 2005; Mabee et al., 2007; Mailman et al., 2007) . Сопоставление результатов таких парных проектов поможет прояснить генетические основы организменной эволюции. Это одно из самых важных направлений современной биологии (Тетушкин, 2008; см. Заключение). Таким образом, тема диссертации, сформулированная ещё в «догеномную эру», оказалась в русле новейших тенденций развития эволюционной генетики (геномики).
Приматы были выбраны в качестве объекта этого исследования ввиду, во-первых, их хорошей изученности на всех уровнях организации, во-вторых, их большого феномного разнообразия, в-третьих, в связи с тем, что их молекулярная систематика в ряде существенных деталей отличается от
традиционной и, в-четвертых, потому, что они включают человека, эволюционно-генетическое изучение которого с помощью сравнительных подходов и методов представляет очевидный и особый интерес.
В соответствии с целью исследования, первоначально были поставлены три основные задачи:
1) провести электрофоретическое изучение белков некоторых обезьян,
рассчитать, на основе собственных и литературных данных, соответствующие
генетические расстояния и проанализировать, в свете полученных результатов,
феномен "парадоксального" сходства белковых маркеров генов гоминоидов;
2) проанализировать зависимости между генетическими и
морфологическими расстояниями с применением корреляционного и
кластерного анализа;
3) вычислить и сопоставить величины изменений генетических молекул и
количественных морфометрических признаков на разных этапах филогенеза
человека и других приматов.
Было впервые показано, что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов (Тётушкин, 1981, 1983а). Автор первым продемонстрировал, что средние генетические расстояния между относительно близкими родами узконосых приматов прямо пропорциональны средним морфологическим расстояниям (Тётушкин, 1979а) и что значения корреляций между расстояниями этих двух типов зависят от глубины дивергенции таксонов: чем меньше дивергенция — тем сильнее корреляция (Тётушкин, 19896). Впервые, с помощью линейного программирования, были вычислены и сопоставлены длины ребер филогенетических деревьев, отражающих соответственные эволюционные изменения по молекулярным и морфологическим признакам приматов (Тётушкин, 19896). На основе этого сравнения сделан ряд важных выводов относительно темпов молекулярной и
фенотипической эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов.
Интегрирующей идеей, объединяющей материалы этой диссертации, служит концепция мозаичной эволюции. Квазинезависимая дивергенция на молекулярном уровне, с одной стороны, и организменном — с другой, составляющая предмет данного исследования, была названа нами «межуровневой мозаичностью». В диссертации проанализированы закономерности такой мозаичности в ходе эволюции приматов. Выявленные феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат всеобъемлющее объяснение только тогда, когда будут выяснены каузальные связи между геномами и феномами. С другой стороны, изучение подобных зависимостей, в частности предпринятое в данной работе, помогает установлению таких связей. Происходящий сейчас переход к «широкогеномным» и феномным сравнениям таксонов открывает новые перспективы в этой области исследований.
Структура диссертации отличается от традиционной. Она определяется логикой развития темы, которая требует анализа широкого спектра источников из разных областей биологии.
Способы проверки гипотезы молекулярных часов
Вопрос о темпах эволюции информационных макромолекул принадлежит к числу наиболее дискуссионных проблем современной эволюционной генетики. До 1960-х годов считалось общепризнанным, что эти темпы очень непостоянны. Такое мнение нашло, например, отражение в монографии Анфинсена (Анфинсен, 1962), где было представлено развернутое обоснование тезиса о ключевой роли нуклеиновых кислот и белков в эволюции организмов. Однако в 1962 г. Цукеркандл и Полинг (Цукеркандль, Полинг, 1964) выдвинули предположение о приблизительной пропорциональности между временем дивергенции организмов и числом аминокислотных различий в гомологичных цепях их гемоглобинов. Годом позже аналогичное предположение высказал Марголиаш (Margoliash, 1963), проводивший сравнительное изучение аминокислотных последовательностей цитохрома с. Развитие данной идеи привело Цукеркандля и. Полинга к гипотезе о приблизительном постоянстве темпов накопления точковых мутационных замен в гомологичных аминокислотных последовательностях белков и нуклеотидных последовательностях ДНК и РНК (Zuckerkandl, Pauling, 1965). Эти авторы сделали вывод, что процесс фиксации мутационных замен может служить в качестве молекулярных эволюционных часов, пригодных для определения времен дивергенции таксонов, полипептидов и полинуклеотидов. Выдвинутая ими гипотеза, называемая обычно гипотезой молекулярных часов, породила дискуссию относительно регулярности молекулярной эволюции, до сих пор далекую от завершения. В этой статье, на которую все ссылаются как на основополагающую, не содержится четкой формулировки положения о пропорциональности между временем дивергенции организмов и числом аминокислотных различий. В наиболее явном виде авторы выразили эту мысль так: "Общее сходство [гомологичных цепей] должно быть отражением эволюционной истории. На это указывает постепенно возрастающее число различий при последовательном сравнении гемоглобина человека с гемоглобинами организмов все более отдаленных видов" (Цукеркандль, Полинг, 1964, с. 155). Вместе с тем, они указывали на возможность "весьма приближенно оценить время" дивергенции цепей гемоглобинов (там же, с. 156) и привели результаты соответствующего расчета. История возникновения концепции молекулярных эволюционных часов подробно рассмотрена в работе Моргана (Morgan, 1998), а история ее развития в сводке Кумара (Kumar, 2005). Можно уточнить, что первыми, ещё в 1961 г., гипотезу о регулярности молекулярной эволюции, а точнее эволюции белков сыворотки, выдвинули все-таки Уильяме и Уэммис (Williams, Wemmyss, 1961; цит. по Simpson, 1964), о чем уже никто не упоминает. Однако их доказательство этой гипотезы было вскоре опровергнуто.
Наряду с гипотезой молекулярных часов, Цукеркандл и Полинг сформулировали альтернативную гипотезу, впервые предложенную в 1964 г. Цукеркаидлом (ссылка в статье Zuckerkandl, Pauling, 1965), согласно которой скорость эволюции белков определяется темпами эволюции на организменном уровне. В этом случае различия по аминокислотным последовательностям должны соответствовать морфологическим различиям, которые, как правило, не обнаруживают какой-либо регулярной зависимости от времени расхождения сравниваемых таксонов. Выбор между этими двумя гипотезами предполагалось осуществить после накопления достаточного фактического материала (см. Тётушкин, 1981, 1991). Проблему связи между эволюцией молекул и морфологии одним из первых поставил и обсудил Симпсон (Simpson, 1964).
В 1965 г. Цукеркандль и Полинг (Zuckerkandl, Pauling, 1965) и независимо от них Марголиаш и Смит (Margoliash, Smith, 1965) сформулировали основы теории молекулярных часов. И те и другие исходили из предположения, что вероятность мутационных замен, происходящих в определенном аминокислотном сайте, описывается распределением Пуассона. При этом допущении вероятность полного отсутствия замещений в данном сайте равна Р = е", где а — среднее число замен за единицу времени, t — время дивергенции двух сравниваемых полипептидов, а е — основание натурального логарифма. Для достаточно длинных полипептидов вероятность Р с известным приближением оценивается долей сайтов, по которым они идентичны, и поэтому eM l-d, где d — доля пар гомологичных сайтов, содержащих разные аминокислоты. Если at « 1, то величина d = 1 - еш приближенно равна at. Используя формулу d at, верную для не очень больших в геологическом масштабе времен, Цукеркандль и Полинг оценили величину а по данным о дивергенции а- и (3-цепей гемоглобина человека, с одной стороны, и лошади, свиньи, коровы, кролика — с другой. Поскольку средняя длина этих цепей равна 143,5 аминокислотным остаткам, а среднее число указанных различий 22, то d = 22:143,5 0,15. Время ответвления филогенетической линии человека от общего ствола млекопитающих, данные о которых использовались в расчетах, было принято за 80 млн лет. Поэтому a = 0,15:(8 10 ) 2 10" замен в год. Таким образом, константа рассчитывалась по одной калибровочной точке. Подставив вычисленное значение а в формулу Р = eat авторы получили кривую зависимости между долей сайтов, по которым различаются цепи гемоглобинов, и временем их дивергенции (рис. 1). Такая кривая позволяет производить датировку точек расхождения этих полипептидов.
Темпы эволюции нуклеотидных последовательностей
Гудмэн с соавт. вычислили, для ряда видов млекопитающих, большинство из которых — приматы, расстояния всех трех типов как по отдельным полипептидам, так и по их совокупности (Goodman, Lasker, 1975). Выводы относительно филогении приматов, вытекающие из рассмотрения AAD, MMD и MPD, в основном совпадают. Впрочем, основательный филогенетический анализ проводился только на основе результатов, полученных с помощью метода максимальной экономии, которому Гудмэн и его соавторы отдают предпочтение.
Обращение к наиболее экономным деревьям подтвердило тезис о значительной неравномерности темпов эволюции гомологичных белков. Такая неравномерность проявляется как в пределах одной линии, так и в различиях скоростей между ветвями (Goodman, 1973, 1974). Доказать это положение несложно, поскольку для каждого ребра "экономного" дерева известно число зафиксированных мутаций (включая повторные). Зная эти числа, можно вычислить и сами скорости молекулярной эволюции, выраженные, например, в единицах NR%, то есть через количество нуклеотидных замен (NR) на 100 кодонов за 108 лет.
Примеров неравномерной эволюции отдельных белков очень много (см., в частности, Goodman, 1981, 1982; Goodman et al., 1982, 1983); подробное их рассмотрение выходит за рамки этого обзора. В данном контексте гораздо больший интерес представляют случаи закономерного изменения скоростей молекулярной эволюции в целом, касающиеся всей совокупности изучавшихся белков (секвенировались, главным образом, цепи гемоглобинов, миоглобины, фибринопептиды, цитохром с, кристаллины хрусталика и карбоангидразы).
В линии человека на протяжении последних 700 млн лет выявлено несколько периодов ускорения и замедления темпов накопления мутаций (Goodman, 1981). Примерно 500 млн лет назад, на раннем этапе эволюции позвоночных, когда они разделились на челюстноротых и бесчелюстных, процесс фиксации мутационных замен сильно ускорился. Завершение этого периода повышенных скоростей молекулярной эволюции совпадает с появлением около 300 млн лет назад общего предка млекопитающих и птиц. Скорости упали и оставались низкими до возникновения плацентарных млекопитающих, появившихся, согласно наиболее часто приводимой датировке, 90 млн лет назад. Во время первоначальной дифференциации приматов, начавшейся около 65 млн лет назад, темпы эволюции белков были очень высоки. Так, в этот период кристаллины и цитохром с эволюционировали в 10-20 раз быстрее, а глобины и карбоангидраза І в 2-5 раза быстрее, чем в предыдущий период. Но при возникновении высших приматов около 40 млн лет назад произошло новое понижение темпов молекулярной эволюции. По мере приближения к Homo процесс накопления мутационных замен замедлялся все сильнее и сильнее. Собственно говоря, замедление темпов фиксации мутаций прослеживается с самого возникновения плацентарных млекопитающих. Так, 90-65 млн лет назад скорость молекулярной эволюции была заметно выше, чем 65-40 млн лет назад, что видно, например, из данных по глобинам (Goodman, 1981). Однако наиболее интенсивное ее падение произошло в родословной высших приматов, то есть на последнем отрезке эволюционного пути человека. Таким образом, белки изменялись преимущественно на двух участках филогенеза: 1) между прародителями всех позвоночных и общими предками птиц и млекопитающих и 2) между предками плацентарных млекопитающих (Eutheria) и предками высших приматов (Anthropoidea).
О темпах эволюции белков у ближайших предшественников человека нужно сказать особо. Из материалов, приведенных Гудмэном (Goodman, 1982), следует, что после возникновения высших приматов эти темпы снизились по меньшей мере вдвое. А в родословных человека и шимпанзе они упали почти до нуля (Goodman, 1981, 1982). Со времени отхождения их общего ствола от ветви орангутана, в генах, кодирующих шесть полипептидов, а именно, а- и (3-гемоглобиновые цепи, миоглобин, фибринопептиды А и В, карбоангидразу I, состоящих, в совокупности, из 735 аминокислот, накопилось всего лишь 11 нуклеотидных замен. При этом человека и шимпанзе разделяет только 5 мутаций, одна из которых зафиксировалась у Homo (в карбоангидразе I), а 4 — у Pan (1 — в миоглобине и 3 — в карбоангидразе I). Если их общий предок существовал 5-6 млн лет назад, скорость молекулярной эволюции от него до современного человека составляет около 2,7 NR%. Вместе с тем усредненная родословная ныне живущих плацентарных млекопитающих за 80-90 млн лет радиации от последнего общего предка накопила 140 нуклеотидных замен. Таким образом, характерная скорость молекулярной эволюции для этого подкласса равна 22 NR%, что более чем в семь раз превышает ее значение у непосредственных предшественников Homo sapiens. Замедление темпов изменения этих белков в гоминидной родословной будет еще значительней, если согласиться с тем, что древнейшим родоначальником гоминид, после их ответвления от прочих гоминоидов, был рамапитек (сивапитек), поскольку последний появился не позднее 13 млн лет назад. Отмеченные неравномерности молекулярной эволюции приводят, наряду с другими причинами, к расхождениям между палеонтологическими и молекулярными датировками дивергенции таксонов (табл. 1).
Генетические расстояния по частотам электроморф
Генетические расстояния вычисляли по формуле Нея (Nei, 1972, 1975): D = In /, где I = JXY/ JXJY — нормированная вероятность сходства таксонов X и Y по Y і. л, совокупности «электрофоретических» локусов; JXY = — X! " xiky,k — средняя L ( = 1 к=\ по L локусам вероятность сходства гомологичных генов, принадлежащих разным таксонам (xik,yik: —- частоты /с-го аллеля z-ro локуса в выборках из Хи Y /. А, соответственно; At — число аллелей в /-том локусе). Jx = — X Хл Y = 1 /, Ai — 2 УІ — средние вероятности внутритаксонного сходства тех же генов. L- Ы\ к = \ Определенное таким образом D является мерой числа замен аллелей или кодонов на локус. За среднюю гетерозиготность принимались значения 1 - Jx и l-Jr(Nei, 1975).
Оценки генетических расстояний должны основываться на данных о как можно большем числе электроморф, которые образовывали бы достаточно представительную выборку из генома. Имеющиеся материалы позволяют провести сравнение родов макак и мартышек по следующим 26 локусам: лактатдегидрогеназы А (наст, работа), лактатдегидрогеназы В (наст, работа), малатдегидрогеназы 1 (наст, работа), малатдегидрогеназы 2 (наст, работа), изоцитратдегидрогеназы (Schmitt, Ritter, 1973, 1974), фосфоглюконатдегидрогеназы (наст, работа), глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Schmitt et al., 1971а; Kompf et al., 1971a), диафоразы (Schmitt et al., 1971), аденинфосфорибозилтрансферазы (O Brien, 1977), гипоксантинфосфорибозилтрансферазы (O Brien, 1977), цитоплазматической аспартатаминотрансферазы (Schmitt et al., 1971b; Kompf et al., 1971b), митохондриальной аспартатаминотрансферазы (Schmitt et al., 1971b; Kompf et al., 1971b), фосфоглицераткиназы (Schmitt, Ritter, 1974; Ritter, Schmitt, 1974a), аденилаткиназы (Schmitt et al., 1971a,c), галактозо-1 фосфатуридилилтрансферазы (Schmitt, Ritter, 1974; Bissbort et al., 1975), эстеразы А (наст, работа), аденозиндезаминазы (Schmitt et al., 1971a; Tariverdian et al., 1971c), карбоангидразы I (Geibel et al., 1973), маннозофосфатизомеразы (Ritter, Schmitt, 1974b), глюкозофосфатизомеразы (Schmitt et al., 1971a; Tariverdian et al., 1971 d), лейцинаминопептидазы (наст, работа), гемоглобина а (наст, работа), гемоглобина (3 (наст, работа), альбумина (наст, работа), преальбумина, связывающего тироксин (Tanabe et al., 1974b) и трансферрина (Анненков, 1974). В пяти случаях (локусы изоцитратдегидрогеназы, цитоплазматической и митохондриальной аспартатаминотрансферазы, карбоангидразы I и маннозофосфатизомеразы) использованы данные по макакам-крабоедам, генетически, как уже отмечалось, очень близких резусам и образующих с ними ядро рода макаков (см. Nozawa et al., 1977). Частоты аллелей приведены в табл. 3.
Генетические расстояния по частотам белковых маркеров генов между таксонами приматов и неприматов: а — между большими расами человека по 35 локусам (Nei, 1978b); б — между конспецифическими популяциями японских макаков (Nozawa et al., 1975), макаков резус, макаков крабоедов (Nozawa et al., 1977) по 29 локусам, а также павианов-гамадрилов и анубисов (Shotake et al., 1977) по 35 локусам; в — между семью видами рода макаков (Nozawa et al., 1977) и двумя видами рода павианов (Shotake et al., 1977) по 35 локусам; г — между семействами гоминид, представленных современными людьми, понгид, представленных обыкновенными шимпанзе, карликовыми шимпанзе, гориллами и орангутанами, и хилобатид, представленных белорукими гиббонами, одноцветными гиббонами и сиамангами по 23, а в случае шимпанзе по 43 локусам (King, Wilson, 1975; Bruce, Ayala, 1978, 1979); д-и — между популяциями, подвидами, полувидами, видами-двойниками млекопитающих (грызунов, рукокрылых), рептилий, амфибий, рыб, насекомых (дрозофил) и мечехвостов (King, Wilson, 1975; Nozawa et al., 1975, 1977; Shotake et al., 1977; Bruce, Ayala, 1978,1979; Nei, 1978b; и др.); к — между родами в пределах семейств рыб и грызунов; л — между макаками и мартышками по 16 локусам; м — между людьми и шимпанзе по тем же 16 локусам. (По: Тётушкин, 1981.)
Оказалось, что генетическое расстояние между макаками и мартышками по 26 перечисленным локусам равно всего 0,35, что почти вдвое меньше генетического расстояния между человеком и шимпанзе, полученного Кинг и Уилсоном (King, Wilson, 1975) из данных по 44 локусам и равного 0,62. Ввиду значительных различий в темпах эволюции разных белков, обусловленных различиями в их четвертичной структуре, локализацией внутри или вне клеток и пр., было бы корректнее сравнивать значения D, полученных для одинаковых наборов маркеров. (Расчет, например, показывает, что генетическое расстояние человек-шимпанзе по сывороточным белкам более чем в 5 раз превышает соответствующее расстояние по внутриклеточным белкам.) В данном случае такой набор состоит из белков, кодируемых 16 локусами, а именно локусами лактатдегидрогеназы А, лактатдегидрогеназы В, малатдегидрогеназы 1, фосфоглюконатдегидрогеназы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, НАД-Н диафоразы, аспартатаминотрансферазы, аденилаткиназы, эстеразы эритроцитов, аденозиндезаминазы, карбоангидразы I, глюкозофосфатизомеразы, гемоглобина а, гемоглобина р, альбумина, трансферрина (Тётушкин, 1981). По этим локусам расстояние макак-мартышка равно 0,342±0,012, а человек-шимпанзе — 0,805±0,002. Таким образом, генетическое расстояние между семействами гоминоидов не меньше такового для родов обезьян, объединяемых в рамках подсемейств, и, как видно из рис. 14, заметно больше генетических расстояний между близкородственными видами приматов (Тётушкин, 1981, 1982, 1983а, 1984а,б).
Следует отметить, что генетическое расстояние между человеком и шимпанзе, полученное впоследствии Брус и Айалой (Bruce, Ayala, 1978, 1979), оказалось существенно меньше соответствующего расстояния, полученного Кинг и Уилсоном. Такое расхождение объясняется различиями в методиках электрофоретического разделения белков, применявшихся этими авторами. Тем не менее и это генетическое расстояние (равное 0,39), рассчитанное по 23 маркерам, оказывается несколько больше приведенных здесь значений D между макаками и мартышками. Более убедительно выглядит сравнение по одному и тому же набору белков, который, как и в предыдущем случае, соответствует выборке из 16 локусов, включающей локусы лактатдегидрогеназы А, лактатдегидрогеназы В, малатдегидрогеназы 1, изоцитратдегидрогеназы, фосфоглюконатдегидрогеназы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, диафоразы, цитоплазматической аспартатаминотрансферазы, аденилаткиназы, эстеразы А, аденозиндезаминазы, глюкозофосфатизомеразы, лейцинаминопептидазы, гемоглобина а, гемоглобина р и альбумина.
Темпы эволюции на двух уровнях организации
Для проведения наглядного сравнения локальных скоростей молекулярной и фенотипической эволюции требуются более адекватные подходы и методы, чем вышеописанные. Прямое измерение этих скоростей, разумеется, невозможно, так как мы не располагаем соответствующими данными о предковых формах. Однако мы можем, руководствуясь принципом наибольшей экономии, спроецировать матрицы генетических и морфологических расстояний на филогенетическое древо отряда, что осуществимо с помощью методов оптимизации, например линейного программирования (Карпелевич, Садовский, 1965). Аналогичный подход применялся при изучении особенностей микроэволюции некоторых видов птиц (Barrowclough, 1983). Использование таких методов основано на предположении о существовании в каждой из филогенетических ветвей определенных эволюционных тенденций в изменении признаков.
В данном исследовании мы взяли эволюционное древо отряда, топология которого согласуется с результатами сравнения различных информационных макромолекул, и спроецировали на него матрицы расстояний с применением линейного программирования (число таксонов, равное 20, ограничено мощностью ЭВМ ЕС-1033, на которой проводились расчеты). Иными словами, для каждой из матриц были определены длины ребер дерева с заданной топологией при условии, что общая его длина минимальна, а сумма длин ветвей, соединяющих любую пару таксонов, не меньше соответствующего расстояния, приведенного в матрице (немногочисленные пробелы в матрице антигенных расстояний заполнялись средними расстояниями между таксонами, дивергировавшими одновременно со сравниваемыми родами); длины ребер выражались в процентах от общей длины дерева (рис. 23).
Очевидны значительные различия в длинах ребер, вычисленных по морфологическим расстояниям, с одной стороны, и по генетическим — с другой, причем особенно примечательно существование тенденций в изменениях соотношений этих длин. Так, например, в линии, ведущей от общего предка всех приматов до человека, морфологическое расстояние на отдельных участках растет заметно быстрее генетического, что свидетельствует об увеличении относительной скорости морфологической эволюции. Вместе с тем, в родословных большинства обезьян и полуобезьян наблюдается противоположная картина. При непосредственном сопоставлении длин ребер (рис. 24) хорошо заметно, что человек проделал гораздо более длинный морфологический путь от общего предка всех приматов, чем многие обезьяны и полуобезьяны. Ускорение морфологической эволюции в линии человека, по-видимому, происходило дважды: во-первых, после её ответвления от мартышкообразных и, во-вторых, после разделения предков гоминид и африканских понгид. Интересно, что шимпанзе проделал в пять раз более короткий путь от общего с человеком предка, чем человек. Этот факт можно считать еще одним аргументом в пользу гипотезы шимпанзоидного предка человека (Zihlman et al., 1978; Zihlman, 1989; и др.), которая одно время подвергалась критике (см. обзор: Хрисанфова, 1987). Относительное замедление фенотипической эволюции у непосредственных предшественников долгопятов подтверждает также гипотезу тарзиоидного предка высших приматов.
Различия в длинах больших ветвей — от общего предка приматов до современных видов, — рассчитанных по антигенным расстояниям, существенно меньше различий в длинах этих ветвей, рассчитанных по морфологическим расстояниям. Если принять во внимание невысокую разрешающую способность метода двойной иммунодиффузии, то следует признать, что изменения белков в разных филогенетических линиях протяженностью десятки миллионов лет в грубом приближении примерно одинаковы. Поэтому, учитывая масштабы и характер диспропорций в соотношениях соответственных длин, увеличение скорости морфологической эволюции в родословной человека и некоторых других линиях можно считать не только относительным, но и абсолютным. Вместе с тем, проведенный нами расчет скоростей молекулярной эволюции в линии человека с использованием палеонтологических датировок подтверждает заключение Гудмэна и др. (Goodman, 1985; Dene et al., 1976) о некотором ее ускорении в начале этой линии, то есть сразу после появления первых приматов, и замедлении в конце.