Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Обзор гипотез Гарстанга и проблемы происхождения позвоночных: Henry Gee, Across the Bridge: Understanding the Origin of Vertebrates, Chicago: University of Chicago Press, 2018.

Знаменитая фотография Нэфа вызывала бурные споры на протяжении нескольких лет. Почти нет сомнений, что он использовал чучела; см. Richard Dawkins, The Greatest Show on Earth, New York: Free Press, 2010 (в русском переводе: Ричард Докинз, Самое грандиозное шоу на Земле, Corpus, 2012). Хотя позы животных на фотографии были смонтированы, сходство пропорций черепа, лица и foramen magnum (большого затылочного отверстия) у маленьких детей и детенышей шимпанзе было подтверждено на количественном уровне (см. ссылки ниже).

Эшли Монтегю и Стивен Джей Гулд были наиболее видными сторонниками педоморфоза[22] у человека: Ashley Montagu, Growing Young, New York: Greenwood Press, 1989; Stephen Jay Gould, Ontogeny and Phylogeny, Cambridge, MA: Belknap Press, 1985. Противоположная точка зрения отражена в статье: В. Т. Shea, “Heterochrony in Human Evolution: The Case for Neoteny Reconsidered”, Yearbook of Physical Anthropology 32 (1989): 69-101. Хотя некоторые признаки, по-видимому, являются педоморфными, другие, такие как бипедализм, к ним не относятся.

Книга Дарси Томпсона (DArcy Wentworth Thompson, On Growth and Form, New York: Dover, 1992) впервые была издана в 1917 году и дала начало революции в количественной биологии. С тех пор стало активно развиваться направление морфометрии – количественного анализа изменений формы.

О роли нервного валика в развитии и эволюции: С. Gans, R. G. Northcutt, “Neural Crest and the Origin of Vertebrates: A New Head”, Science 220 (1983): 268-273; Brian Hall, The Neural Crest in Development and Evolution, Amsterdam: Springer, 1999.

О жизни и работе Джулии Платт: S. J. Zottoli, Е. Seyfarth, “Julia В. Platt (1857-1935): Pioneer Comparative Embryologist and Neuroscientist”, Brain, Behavior and Evolution 43 (1994): 92-106.

Глава 3. Дирижеры генома

Апокрифическая цитата взята из книги: J. D. Watson, The Double Helix, New York: Touchstone, 2001 (в русском переводе: Дж. Уотсон, Двойная спираль, ACT, 2013). Целиком выражение появилось в двухстраничной статье Уотсона и Крика, оповещавшей об открытии: “Мы хотим предложить структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает весьма необычными свойствами, представляющими большой биологический интерес”; J. D. Watson, F. Crick, “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Nature 171 (1953): 737-738.

Об открытии механизмов функционирования ДНК и синтеза белка: Matthew Cobb, Life's Greatest Secret: The Race to Crack the Genetic Code, New York: Basic Books, 2015. Прочтите также классическую работу: Horace Freeland Judson, The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, New York: Simon and Schuster, 1979.

Цукеркандль и Полинг заявили о своем новом методе в серии статей, вышедших в середине 1960-х годов. Вот наиболее важные из них: Е. Zuckerkandl, L. Pauling, “Molecules as Documents of Evolutionary History ”, Journal of Theoretical Biology 8 (1965): 357-366;

E. Zuckerkandl, L. Pauling, “Evolutionary Divergence and Convergence in Proteins”, 97-166; V. Bryson, H. J. Vogel, eds., Evolving Genes and Proteins, New York: Academic Press, 1965.

Цукеркандля и Полинга интересовало не только выявление родственных связей между видами. Они предлагали использовать различия между генами и белками в качестве часов, которые могут показать, как долго виды эволюционировали независимо друг от друга. Если скорость изменения последовательности белка почти постоянна на протяжении длительных отрезков времени, различия между белками могут показывать время.

Гипотеза молекулярных часов предполагает, что на протяжении длительных отрезков времени скорость изменения аминокислотных последовательностей белков остается постоянной. Чтобы применять эту концепцию, нужно понимать строение аминокислотных последовательностей. Давайте рассмотрим гипотетический пример и сравним последовательности белков лягушки, обезьяны и человека. Начать нужно с определения последовательности белка. Далее следует подсчитать количество аминокислот, которые различаются в этих последовательностях. Допустим, мы анализируем белок кожи. Последовательность этого белка у лягушки отличается от человеческого и обезьяньего белков на 80 аминокислот в каждом случае. Последовательности человека и обезьяны различаются между собой лишь на 30 аминокислот. Чтобы применить концепцию молекулярных часов, нам нужны палеонтологические данные, позволяющие установить скорость изменения аминокислотных последовательностей, и потом мы сможем использовать эту скорость для датировки тех событий, для которых у нас нет окаменелостей.

Допустим, на основании имеющихся окаменелостей можно утверждать, что последний общий предок лягушек, обезьян и человека жил 400 миллионов лет назад. Чтобы откалибровать часы, поделим 80 на 400 и получим, что скорость изменения белковой последовательности составляет 0,2 % за миллион лет. Имея этот результат, теперь мы можем рассчитать, когда жил общий предок человека и обезьяны: умножаем 0,2 на 30 и получаем шесть миллионов лет. Это гипотетический пример, но он показывает ход рассуждений: сначала нужно определить последовательности белков, подсчитать различия между ними, использовать окаменелости для оценки скорости изменения белков, а затем с помощью этого значения скорости определить возраст событий, для которых у нас нет окаменелостей.

Об отважной попытке Цукеркандля и Полинга написать статью, а также об обстоятельствах их работы в целом: G. Morgan, “Emile Zuckerkandl, Linus Pauling, and the Molecular Evolutionary Clock”, Journal of the History of Biology 31 (1998): 155-178. А вот сама статья: E. Zuckerkandl, L. Pauling, “Molecular Disease, Evolution and Genic Heterogeneity”, 189-225, в книге: Michael Kasha, Bernard Pullman, eds., Horizons in Biochemistry: Albert Szent-Gyorgyi Dedicatory Volume, New York: Academic Press, 1962.

Воспоминания об Эмиле Цукеркандле: “The Molecular Clock”, https://authors,library,caltech.edu/5436/i/hrst.mit.edu/hrs/evolution

/public/clock/zuckerkandl.html.

Аллан Вильсон и Мэри-Клэр Кинг использовали этот прием в своей работе. Сначала они опубликовали важную и вызвавшую множество вопросов статью, в которой с помощью метода молекулярных часов показывали, что общий предок человека и шимпанзе жил сравнительно недавно: A. Wilson, V. Sarich, “A Molecular Time Scale for Human Evolution”, Proceedings of the National Academy of Sciences 63 (1969): 1088-1093. Они стремились включить в исследование как можно больше белков, чтобы как можно точнее откалибровать часы. Знаменитая статья Кинг: М. С. King, А. С. Wilson, “Evolution at Two Levels in Humans and Chimpanzees”, Science 188 (1975): 107-116. Два уровня эволюции, о которых упоминают авторы, – это кодирование белка и регуляция активности генов (с помощью переключателей). Их данные показывают, что многие различия между человеком и шимпанзе связаны с различиями в том, где и когда гены проявляют активность, т. е. с регуляцией генов.

Более свежие доказательства их правоты: Kate Wong, “Tiny Genetic Differences Between Humans and Other Primates Pervade the Genome”, Scientific American, September 1, 2014; K. Prufer et al., “The Bonobo Genome Compared with Chimpanzee and Human Genomes”, Nature 486 (2012): 527-531.

Истории и значению проекта “Геном человека” посвящено несколько сайтов: The Human Genome Project (1990-2003), The Embryo Project Encyclopedia, https://embryo.asu.edu/ pages/human-genome-proj-ect-1990-2003; What Is the Human Genome Project? National Human Genome Research Institute, https://www.genome.gov/12o11238/an-overview-of-the-human-genome-project/; а также https://www.nature.com/scitable/ topicpage /sequencing-human-genome-the-contrihutions-of-francis– 686.

Основные научные статьи по результатам проекта: “International Human Genome Sequencing Consortium, Finishing the Euchromatic Sequence of the Human Genome”, Nature 431 (2004): 931-945; “International Human Genome Sequencing Consortium, Initial Sequencing and Analysis of the Human Genome”, Nature 409 (2001): 860-921.

Вот несколько книг о проекте “Геном человека”: Daniel J. Kevles, Leroy Hood, eds., The Code of Codes, Cambridge, MA: Harvard University Press, 2000; James Shreeve, The Genome War: How Craig Venter Tried to Capture the Code of Life and Save the World, New York: Random House, 2004. Рассказ Крейга Вентера: John Craig Venter, A Life Decoded: My Genome: My Life, New York: Viking Press, 2007.

Структуре генома и количеству генов в нем посвящена весьма обширная литература, включая ряд важных проектов с участием большого числа исследователей. Вот некоторые вводные примеры с богатыми библиографическими данными: A. Prachum-wat, W.-H. Li, “Gene Number Expansion and Contraction in Vertebrate Genomes with Respect to Invertebrate Genomes”, Genome Research 18 (2008): 221-232; R. R. Copley, “The Animal in the Genome: Comparative Genomics and Evolution”, Philosophical Transactions of the Royal Society, В 363 (2008): 1453-1461. У журнала Nature есть хороший вводный сайт: https://www.nature.com/scitable/topicpage/eukaryotic-genotecomplexity-43 7.

Мощные поисковые программы позволяют сравнивать гены и геномы существ разных видов. Вот некоторые наиболее часто используемые из них: ENSEMBL https: ⁄/useast.ensembl.org/; VISTA http://pipeline. lbl.gov/cgi-bin/gateway 2; и поисковый инструмент BLAST https:// hlast.nchi.nlm.nih.gov/Blast.cgi. Опробуйте их. Они позволят вам войти в мир открытий.

Классическая статья Франсуа Жакоба и Жака Моно – одна из великих работ в области биологии: “Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins”, Journal of Molecular Biology 3 (1961): 318-356. Новичкам понять ее нелегко. Вот этот классический и всесторонний научный труд читается легче: Horace Freeland Judson, The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, New York: Simon and Schuster, 1979.

Контексту появления работы Жакоба и Моно посвящена захватывающая и авторитетная работа Шона Кэрролла: Sean В. Carroll, Brave Genius: A Scientist, a Philosopher, and Their Daring Adventures from the French Resistance to the Nobel Prize, New York: Norton, 2013. Я думал, что знал об этих людях все, но книга Кэрролла открыла мне новый мир.

Также Шон Кэрролл написал ставшую классической книгу о роли регуляции генов в эволюции: Sean В. Carroll, Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo, New York: Norton, 2006 (в русском переводе: Шон Кэррол, Бесконечное число самых прекрасных форм, Corpus, 2015).

Роль Sonic hedgehog в аномалиях развития конечностей обсуждается в статье: Е. Anderson et al., “Human Limb Abnormalities Caused by Disruption of Hedgehog Signaling”, Trends in Genetics 28 (2012): 364-373. Нарушения возникают в результате изменения активности гена Sonic или активности других генов, с которыми он взаимодействует.

Целый ряд прекрасных работ посвящен изучению переключателей, действующих на больших расстояниях (обычно их называют дистальными энхансерами): L. A. Lettice et al., “The Conserved Sonic hedgehog Limb Enhancer Consists of Discrete Functional Elements That Regulate Precise Spatial Expression”, Cell Reports 20 (2017): 1396-1408; L. A. Lettice et al., “A Long-Range Shh Enhancer Regulates Expression in the Developing Limb and Fin and Is Associated with Preaxial Polydactyly”, Human Molecular Genetics 12 (2003): 1725-1735; R. Hill, L. A. Lettice, “Alterations to the Remote Control of Shh Gene Expression Cause Congenital Abnormalities”, Philosophical Transactions of the Royal Society, В 368 (2013), http://doi.org! 10.1098/ rsth.2012.0yy7.

Теперь известно множество таких дистанционно действующих переключателей. Вот несколько работ об их свойствах и влиянии на развитие и эволюцию: A. Visel et al., “Genomic Views of Distant-Acting Enhancers”, Nature 461 (2009): 199-205; H. Chen et al., “Dynamic Interplay Between Enhancer-Promoter Topology and Gene Activity”, Nature Genetics 50 (2018): 1296-1303; A. Tsai, J. Crocker, “Visualizing Long-Range Enhancer-Promoter Interaction”, Nature Genetics 50 (2018): 1205-1206.

[22] Педоморфоз представляет собой генетически обусловленное (наследственное) сохранение во взрослом состоянии признаков более ранних стадий онтогенеза. Термин “педоморфоз” (“уподобление детенышу”) был введен Гарстангом в 1922 году.