IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Молекулярная палеонтология

В конце 20-го столетия в процессе изучения состава генетического кода возникла новая научная отрасль. Она стала называться молекулярной палеонтологией. Было обнаружено, что в генотипе человека можно выявить следы эволюции вида. Ученые научились извлекать данные из окаменевших останков, принадлежавших существам, жившим в далекой древности. Полученные сведения существенным образом изменили представления о ранних этапах развития человека. Сделанные выводы положили начало новым исследованиям. Их результаты опровергали существовавшие ранее представления о картине эволюции мира на планете.

Как наука о жизни палеонтология является разделом биологии. Однако она тесно связана с геологией, поскольку последняя, во-первых, поставляет ископаемый материал, а во-вторых, использует результаты биологических исследований для оценки возраста горных пород на основании установленных биологией закономерностей эволюции органического мира.

Начиная со второй половины прошлого века успехи биологии определялись исследованиями на молекулярном уровне. Вполне естественно, что молекулярно-биологические подходы начали применять и при изучении ископаемого органического вещества. Выдающийся ученый-биохимик, лауреат Нобелевской премии по химии 1961 года Мелвин Кальвин предложил термин «молекулярная палеонтология». Предметом новой науки Кальвин считал ископаемые молекулярные остатки органических соединений, по структуре которых можно судить об их биохимическом происхождении.

1. Митохондриальная Ева

Митохондриальная Ева — имя, данное женщине, жившей в Африке около 200 000 лет назад, от которой современное человечество унаследовало митохондриальную ДНК. Эта женщина не была единственной прародительницей вида человек разумный. Параллельно с ней жили другие женщины, но их митохондриальные ДНК до нашего времени не сохранились. От них нам могли достаться другие участки ядерной ДНК.

Поскольку митохондриальная ДНК наследуется только по материнской линии, у всех ныне живущих людей такая ДНК была получена от «Евы». Аналогично, ДНК мужской Y‑хромосомы у всех людей мужского пола должна происходить от «молекулярно-биологического Адама».

Митохондрии — это внутриклеточные органеллы, имеющие небольшую собственную хромосому. В отличие от ядерной ДНК, которая содержит подавляющее большинство генов и в процессе полового размножения подвергается рекомбинации, так что потомки получают половину генов от отца, а вторую половину — от матери; митохондрии и их ДНК ребёнок получает только из материнской яйцеклетки. Поскольку митохондриальная ДНК не подвергается рекомбинации, изменения в ней могут происходить исключительно посредством редких случайных мутаций. Путём сравнения последовательности митохондриальной ДНК и возникших в ней со временем мутаций можно не только определить степень родства ныне живущих людей, но и приблизительно вычислить время, необходимое для накопления мутаций в той или иной популяции людей. Таким образом можно вычислить и эпоху, в которой мутаций ещё не было, и предковая популяция людей была генетически однородной.

Митохондриальная Ева — научная абстракция, созданная для упрощения расчётов. На самом деле речь идёт об относительно однородной генетической популяции, среди потомков которой большинство ныне живущих людей получили митохондриальную ДНК от одной женщины, в то время как потомки других женщин по прямой женской линии той же предковой популяции не дожили до наших дней.

По результатам сравнительного анализа белков было установлено, что в ходе молекулярной эволюции с постоянной скоростью происходит накопление нейтральных мутаций. Скорость, с которой происходят изменения в генах вследствие нейтральных точечных мутаций, постоянна во времени. В этой связи она может использоваться как своеобразный эволюционный хронометр, с помощью которого можно датировать отхождение конкретной ветви от главного ствола. В результате все сводится к достаточно простой арифметической задаче, где при известных показателях скорости и параметрах пути движения необходимо определить время.

3.1 Исследования А. Уилсона.

Исследования для поиска митохондриальной прародительницы человечества были начаты А. Уилсоном в 1987 г. Для исследования им была взята не ядерная, а митохондриальная ДНК. Последняя представляет собой небольшую кольцевую молекулу. Она состоит из 16 тыс. пар нуклеотидов. Они образуют 37 генов. Из этого количества способность к мутации обнаруживается не больше чем у 2 %. Это обуславливается тем, что большинство генов является жизненно важными. Ядерная дезоксирибонуклеиновая кислота включает в себя 3.2 млрд пар нуклеотидов.

Между тем, определяющим фактором был не только размер, который имеет митохондриальная ДНК. Уилсон также руководствовался и другими критериями. В частности, установлено, что X-хромосома наследуется только по женской линии. В процессе слияния сперматозоида и яйцеклетки при оплодотворении происходит разрушение органоида спермия в цитоплазме. В результате зародышу передается X-хромосома только от матери. Данное обстоятельство дает возможность проследить за предшественниками индивида по женской линии.

Таким образом, каждый человек получает митохондрии от матери, она – от своей и так далее. Соответственно, можно выстроить линию, с помощью которой можно заглянуть в самое далекое прошлое. В митохондриальной ДНК нейтральные мутации накапливаются с постоянной скоростью. Кроме этого, она не рекомбинирует. Из этого следует, что отличия в нуклеотидном составе обуславливаются только мутациями.

Установив наличие у всех обитателей планеты такого хронометра, Уилсон начал анализ человеческой генеалогии. Для исследования были взяты образцы 182 разных типов мтДНК от 241 индивида. В это число вошли представители от каждой расы 42 национальностей. Разумеется, молодые нации являются более однородными в генетическом смысле, тогда как для более древних характерен больший спектр мутаций, которые были накоплены в процессе их существования. Вероятность того, что узор ДНК совпадет у неродственных индивидов, составляет 10-15, точность идентификации – 10-7. Каждый житель планеты отличается от другого 1 нуклеотидом из тысячи.

Группа Уилсона исследовала Д-петлю. Это особенный гипервариабельный участок ДНК, длина которого 300 пар нуклеотидов. Он является нейтральной зоной. На этом участке происходящие мутации не приводят к патологиям и не дают никаких преимуществ перед владельцами иных последовательностей. В результате Уилсон построил генеалогическое дерево. Оно указывало на наличие наибольшего различия митохондриальных генов на территории Африки. Все изученные образцы были сведены к исходной единой нуклеотидной последовательности.

Таким образом, Уилсон объяснил происхождение людей от одной женщины. При этом он не утверждал, что она была в то далекое время единственной на планете. По результатам математического моделирования было установлено, что эффективная величина популяции составляла не меньше 10 тыс.

1.  

   1. Исследования других ученых.

Установив, что митохондриальная Ева - та самая единственная мать всех индивидов, живущих на планете, Уилсон пошел дальше. Имея известную скорость мутирования, он смог установить ее возраст. Уилсон определил, что митохондриальная Ева жила примерно 200-150 тыс. л. назад. Эта женщина оказалась древнее неандертальца.

Информация по анализу дезоксирибонуклеиновой кислоты были получены и иными учеными. Так, например, Сатоси Хораи указывал, что современные индивиды появились порядка 200 тыс. лет назад на территории Африки. Оттуда они переселились в Евразию и довольно быстро вытеснили оттуда Homo erectus. При этом смешение митохондриальных генотипов почти не происходило. Спустя некоторое время Сатоси Хораи попытался откалибровать "хронометр". По уточненным данным, возраст сегодняшнего человека 143 тыс. лет.

Другими группами исследователей также было установлено, что первый индивид появился в Африке. При этом ученые анализировали ядерные гены. Расселение, по мнению исследователей, произошло не раньше 100 тыс. л. назад. Английские ученые изучали фрагмент ядерного гена, который отвечает за синтез В-глобина. Этот участок был проанализирован у 349 жителей из различных регионов мира. По результатам исследования также было установлено, что происхождение людей связано с территорией Африки. Аналогичные выводы были сделаны и многими другими учеными.

Таким образом, открытие Уилсона дало толчок для других исследований в самых разных лабораториях планеты. Все работы, которые были выполнены независимыми учеными, указывают на то, что местом, где появилась митохондриальная Ева, является восточная Африка.

1. Опровержение теорий митохондриальной Евы.

В Африке порядка 150-180 тыс. лет назад возникли первые люди. Приблизительно 100 тыс. лет назад они начали мигрировать по ойкумене. При этом они замещали всех гоминид, проживавших на территориях, не скрещиваясь с ними. Примерно 40 тыс. лет назад первые люди появились в Европе. Дальнейшие исследования дали весьма удивительные результаты. Так, профессор Сванте Паабо смог извлечь митохондриальную ДНК из фрагмента позвонка, принадлежавшего неандертальцу, который был впервые обнаружен в 1856 г. и жил порядка 50 тыс. лет назад. По результатам сравнительного анализа было установлено, что этот гоминид не является не то что предком, а даже близким родственником современных индивидов.

Выявленные отличия были настолько существенными, что ученые пришли к выводу, что эволюционные ветви видов могли и, собственно, должны были пойти в разные стороны 600 тыс. лет назад. Существующее разнообразие митохондриальных ДНК Homo sapiens представляют собой 24 замены, а у неандертальцев – 32. Данное обстоятельство указывает на то, что последние выходят за рамки видовой изменчивости людей. Соответственно, неандертальцы формируют отдельное направление эволюции и относятся к параллельной и вместе с тем тупиковой ветви.

Результаты исследований, проведенных Паабо, в корне изменяют представление об антропогенезе. В этой связи возникла необходимость проверить выводы группой независимых ученых. Фрагмент неандертальской кости исследовался М. Стоункингом, последователем Уилсона. Проведя анализ останков ребенка, жившего около 30 тыс. лет назад, ученый получил такие же данные, что и Паабо. Соответственно, выводы последнего были полностью подтверждены. Через некоторое время группа немецких исследователей провела анализ неандертальской митохондриальной ДНК. Результат также подтвердил ранее выдвинутую гипотезу. По мнению палеонтолога К. Стрингера, человечество стоит на пороге формирования единой теории, в рамках которой объединятся археологические, генетические, палеоантропологические и лингвистические доказательства африканской модели.

1. Список используемой литературы:

1. Воробьёва Э.И. Проблема происхождения наземных позвоночных. М.: Наука, 1992

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Митохондриальная_Ева#cite_ref-1

3. http://fb.ru/article/267407/mitohondrialnaya-eva-i-geneticheskiy-adam---praroditeli-chelovecheskogo-roda

Код для цитирования: Скопировать