В 1739 шведский естествоиспытатель Карл Линней в своей Системе природы (Systema Naturale) впервые классифицировал человека – Homo sapiens, человек разумный – как одного из приматов. Лишь через 120 лет после этого появилась книга Чарльза Дарвина «Происхождение человека и половой отбор», в которой он обосновал вывод о том, что нашими прямыми предками являются высокоразвитые человекообразные обезьяны. Он писал: «существует чрезвычайно близкое сходство в общем строении тела, микроскопическом устройстве тканей, химическом составе и конституции между человеком и высшими животными, в особенности человекообразными обезьянами».
Психологически было сложно согласиться с такой родословной человека. Еще при жизни Дарвина одна возмущенная девушка спросила его, правда ли, что и она произошла от обезьяны. Ученому пришлось элегантно отшучиваться: «Конечно. Но… от очаровательной обезьяны». Споры и раздоры по этому вопросу продолжаются даже до сих пор. Хотя научная общественность в целом приняло положение Дарвина как истину, до сих пор, по данным некоторых опросов, четверо из десяти американцев считают маловероятным, что человек произошел от обезьяны. В России подобные опросы пока не производились.
На самом деле никто никогда и не утверждал, что мы произошли от обезьян, которых видим сегодня в зоопарке. Речь идет о неких обезьяноподобных (а можно сказать и о человекоподобных) организмах, положивших начало современным обезьянам и человеку. После Дарвина на основе ископаемых свидетельств большинство палеонтологов долгое время утверждали, что эволюционное разделение человека и крупных человекообразных обезьян произошло свыше 25 млн. лет назад, а люди современного типа сформировались из своих архаичных сородичей (гоминид) за последний миллион лет. Однако эти представления существенно изменились, когда за работу принялись молекулярные генетики.
Для исследования происхождения человека первоначально использовали сравнение последовательностей ДНК человека и обезьян. Пока, к сожалению, геномы обезьян еще расшифрованы далеко не полностью. Тем не менее, на основании имеющихся данных оценено, что в среднем сходство геномов и количество сходных генов у человека и человекообразных обезьян (шимпанзе) достигает 95– 99%, у человека и гиббона – 76%, у человека и макаки–резус – 66%. В то же время ДНК шимпанзе и гориллы имеют между собой 97% сходства. Это говорит о том, что у человека сходство с шимпанзе больше, чем у шимпанзе и гориллы. Используя метод «молекулярных часов», ученым удалось доказать, что от гоминид, т. е. представителей родословной линии человека, человек и шимпанзе разошлись чуть более чем 5 млн. лет назад, в то время как горилла отошла от общей ветви более 7 млн. лет назад (рис. 38). По различиям между полностью известными нуклеотидными последовательностями митДНК людей и шимпанзе было вычислено время первого разделения групп предков ныне живущих людей, которое произошло 180—200 тыс. лет назад. Это дата наиболее древней мутации в митДНК, которую генетики смогли распознать.
Таким образом, современные исследования подтверждают обоснованность заключения Дарвина о нашем происхождении от древних человекоподобных обезьян (типа современных шимпанзе, но не самих шимпанзе) и позволяют довольно точно оценить время, когда это произошло.
Как же все–таки сформировался новый вид, получивший латинское название Homo sapiens} Ведь налицо разительный парадокс: по ДНК мы отличаемся от существующих шимпанзе не более, чем на 5%, а по анатомии, по склонности к разным заболеваниям и по образу жизни отличия огромны. В чем заключаются те различия между геномом человека и геномом наиболее близкой к нему по ряду параметров из ныне живущих обезьян – шимпанзе? Обо всем этом мы пока знаем немного, хотя в результате секвенирования генома и изучения функций генов человека уже кое–что начинает проясняться.
Наибольшее отличие между геномами человека и шимпанзе заключается в разном числе хромосом в диплоидном наборе (23 пары у человека и 24 пары у шимпанзе). Большинство пар хромосом кажутся сходными у этих двух организмов. Но вот хромосома 2 человека произошла скорее всего в результате слияния двух разных хромосом обезьяны. Кроме того, человеческая хромосома 9 больше гомологичной
Рис. 38. Филогенетическое древо человека и высших обезьян (цифрами указаны миллионы лет, прошедших после каждого ответвления)
хромосомы шимпанзе, а хромосома 12 у человека короче, чем у обезьян. Установлено также, что различие, существующее между геномами человека и шимпанзе, не одинаково для всех хромосом этих двух организмов: наибольшее между Y – хромосомами, а наименьшее между Х–хромосомами. На хромосомах 1 и 18 человека имеются большие инверсии по сравнению с соответствующими хромосомами шимпанзе. Большое количество различий обусловлено специфическими мутациями ДНК в районах, богатых ГЦ–парами нуклеотидов. По базовому замещению различия между ДНК человека и шимпанзе составляет около 1,4%, однако по инсерциям и делециям разница достигает 4%. Интересно, что в целом полиморфизм генома в популяции шимпанзе существенно выше, чем в человеческой популяции.
Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить феномен происхождения человека от обезьяноподобных предков. Одни исследователи считают, что расхождение в эволюции (дивергенция) двух ветвей – человека и шимпанзе – произошла за счет специфического изменения в регуляции генов. Другие склонны думать, что это есть результат мутаций, приводящих к потере функции некоторых генов, и в этом свете называют современного человека «дегенеративной обезьяной». Существует также мнение, что имеется особый «ген человека», т. е. ген, который миллионы лет назад претерпел некую судьбоносную мутацию, благодаря чему наделил человека речью; этот ген следует искать на половых хромосомах. Так, у всех млекопитающих вплоть до обезьян на женской половой Х–хромосо–ме имеется одинаковый кусок ДНК размером примерно в 4 млн. п. н., но только у современного человека этот участок ДНК скопиро–вался также на мужскую Y – хромосому. Однако все это лишь предположения. Окончательного ответа мы пока не имеем.
Хотя еще многое остается неясным, мы начинаем понимать, что в своей эволюции человек достигал новшеств не с помощью каких–то особых способов, а с использованием в основном тех же путей и стратегий, что и все другие организмы. Не зря ведь говорят, что наиболее простой и дешевый способ изобрести что–то новое – это взять уже имеющееся открытие или изобретение и подогнать их под новые задачи.
При формировании современного человека активно происходила существенная перестройка генома, осуществлялась новая комбинаторика предсуществующих генных экзонов, что в конечном итоге приводило к образованию коллекций новых генов из имевшихся «старых». В результате этого полный набор белков (протеом), кодируемых геномом человека, более сложен, чем у других организмов. Еще один путь, использованный человеком в ходе эволюции,– это создание не просто семейств родственных генов (о них мы говорили ранее), а неких суперсемейств, состоящих из сотен, а иногда и тысяч родственных генов. Такие суперсемейства составляют в геноме человека более 60% всех генных семейств. Это указывает на то, что огромную роль в эволюции человека сыграло умножение генов путем их удвоения (дупликации) и последующего частичного расхождения (дивергенции). Примерами таких семейств генов могут служить семейство генов иммуноглобулинов, семейство кератино–вых генов и многие другие. И всему этому есть определенный смысл в связи с особенностями развития и существования человека. В конечном итоге, в геноме размножалось в основном то, что нужно человеку. А вот то, что не нужно, наоборот, сокращалось. Так, с удивлением было обнаружено, что некоторые семейства генов содержат меньше членов в геноме человека по сравнению с геномами другими млекопитающими. В частности, у человека в два раза меньше генов семейства рецепторов обоняния. Это связано, скорее всего, с тем, что обоняние весьма важно для других позвоночных, а существование человека в меньшей мере зависит от этого чувства. Для человека намного важнее зрение, а не нюх. Несмотря на небольшое среднее различие в геномах человека и шимпанзе, становится очевидным, что оно может быть весьма неодинаковым для разных типов генов, в частности, для тех, которые работают в печени, и тех, которые выражают свою активность в мозгу.
Существенные различия обнаружены также в том, что в геноме человека много вставленных в него чужеродных элементов – ретро–вирусов, а вот у обезьян их как раз очень мало. Выше уже говорилось о том, что ретровирусы обладают способностью изменять «святая святых» живой материи – генетический аппарат клетки–хозяина. ДНК, синтезированная на вирусной РНК, внедряется в геном клетки, поставляя туда как бы «лжепрограмму» (провирус), которая затем передается по наследству. В результате этого происходит гораздо более сильное изменение генома, чем это возможно при «нормальной» эволюционной изменчивости. Академик Е. Д. Свердлов предложил гипотезу, согласно которой превращение обезьяны в человека в значительной мере связано именно с ретровирусами, вмешавшимися на каком–то этапе истории в эволюционный процесс.
Таким образом, в процессе формирования человека как вида и его эволюции происходили заметные изменения в геноме, обусловленные различными мутациями в нем. Однако должны существовать определенные пределы или ограничения этой вариабельности. Понятно, что они не могут быть очень большими, в ином случае это уже несовместимо с жизнью. И действительно, как уже говорилось, у всех ныне живущих людей генетические тексты очень похожи. Два любых человека, кроме однояйцовых близнецов, различаются всего лишь одной буквой–нуклеотидом из 1000. За 200 000 лет, прошедших после возникновения человека как нового вида, различия между геномами разных людей едва достигли 0,1%. «Изменения, которые произошли в процессе эволюции с человеком, гораздо меньше, чем у других животных»,– делает вывод Эрик Ландер из Массачу–сетского технологического института.
Пока это собственно и все. Несмотря на все новое знание, которое пришло к нам в геномную эру, еще остается много нерешенных вопросов, касающихся происхождения и эволюции человека. Однако теперь после расшифровки генома человека появилась надежда на наше скорое понимание по крайней мере некоторых из них.
Психологически было сложно согласиться с такой родословной человека. Еще при жизни Дарвина одна возмущенная девушка спросила его, правда ли, что и она произошла от обезьяны. Ученому пришлось элегантно отшучиваться: «Конечно. Но… от очаровательной обезьяны». Споры и раздоры по этому вопросу продолжаются даже до сих пор. Хотя научная общественность в целом приняло положение Дарвина как истину, до сих пор, по данным некоторых опросов, четверо из десяти американцев считают маловероятным, что человек произошел от обезьяны. В России подобные опросы пока не производились.
На самом деле никто никогда и не утверждал, что мы произошли от обезьян, которых видим сегодня в зоопарке. Речь идет о неких обезьяноподобных (а можно сказать и о человекоподобных) организмах, положивших начало современным обезьянам и человеку. После Дарвина на основе ископаемых свидетельств большинство палеонтологов долгое время утверждали, что эволюционное разделение человека и крупных человекообразных обезьян произошло свыше 25 млн. лет назад, а люди современного типа сформировались из своих архаичных сородичей (гоминид) за последний миллион лет. Однако эти представления существенно изменились, когда за работу принялись молекулярные генетики.
Для исследования происхождения человека первоначально использовали сравнение последовательностей ДНК человека и обезьян. Пока, к сожалению, геномы обезьян еще расшифрованы далеко не полностью. Тем не менее, на основании имеющихся данных оценено, что в среднем сходство геномов и количество сходных генов у человека и человекообразных обезьян (шимпанзе) достигает 95– 99%, у человека и гиббона – 76%, у человека и макаки–резус – 66%. В то же время ДНК шимпанзе и гориллы имеют между собой 97% сходства. Это говорит о том, что у человека сходство с шимпанзе больше, чем у шимпанзе и гориллы. Используя метод «молекулярных часов», ученым удалось доказать, что от гоминид, т. е. представителей родословной линии человека, человек и шимпанзе разошлись чуть более чем 5 млн. лет назад, в то время как горилла отошла от общей ветви более 7 млн. лет назад (рис. 38). По различиям между полностью известными нуклеотидными последовательностями митДНК людей и шимпанзе было вычислено время первого разделения групп предков ныне живущих людей, которое произошло 180—200 тыс. лет назад. Это дата наиболее древней мутации в митДНК, которую генетики смогли распознать.
Таким образом, современные исследования подтверждают обоснованность заключения Дарвина о нашем происхождении от древних человекоподобных обезьян (типа современных шимпанзе, но не самих шимпанзе) и позволяют довольно точно оценить время, когда это произошло.
Как же все–таки сформировался новый вид, получивший латинское название Homo sapiens} Ведь налицо разительный парадокс: по ДНК мы отличаемся от существующих шимпанзе не более, чем на 5%, а по анатомии, по склонности к разным заболеваниям и по образу жизни отличия огромны. В чем заключаются те различия между геномом человека и геномом наиболее близкой к нему по ряду параметров из ныне живущих обезьян – шимпанзе? Обо всем этом мы пока знаем немного, хотя в результате секвенирования генома и изучения функций генов человека уже кое–что начинает проясняться.
Наибольшее отличие между геномами человека и шимпанзе заключается в разном числе хромосом в диплоидном наборе (23 пары у человека и 24 пары у шимпанзе). Большинство пар хромосом кажутся сходными у этих двух организмов. Но вот хромосома 2 человека произошла скорее всего в результате слияния двух разных хромосом обезьяны. Кроме того, человеческая хромосома 9 больше гомологичной
Рис. 38. Филогенетическое древо человека и высших обезьян (цифрами указаны миллионы лет, прошедших после каждого ответвления)
хромосомы шимпанзе, а хромосома 12 у человека короче, чем у обезьян. Установлено также, что различие, существующее между геномами человека и шимпанзе, не одинаково для всех хромосом этих двух организмов: наибольшее между Y – хромосомами, а наименьшее между Х–хромосомами. На хромосомах 1 и 18 человека имеются большие инверсии по сравнению с соответствующими хромосомами шимпанзе. Большое количество различий обусловлено специфическими мутациями ДНК в районах, богатых ГЦ–парами нуклеотидов. По базовому замещению различия между ДНК человека и шимпанзе составляет около 1,4%, однако по инсерциям и делециям разница достигает 4%. Интересно, что в целом полиморфизм генома в популяции шимпанзе существенно выше, чем в человеческой популяции.
Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить феномен происхождения человека от обезьяноподобных предков. Одни исследователи считают, что расхождение в эволюции (дивергенция) двух ветвей – человека и шимпанзе – произошла за счет специфического изменения в регуляции генов. Другие склонны думать, что это есть результат мутаций, приводящих к потере функции некоторых генов, и в этом свете называют современного человека «дегенеративной обезьяной». Существует также мнение, что имеется особый «ген человека», т. е. ген, который миллионы лет назад претерпел некую судьбоносную мутацию, благодаря чему наделил человека речью; этот ген следует искать на половых хромосомах. Так, у всех млекопитающих вплоть до обезьян на женской половой Х–хромосо–ме имеется одинаковый кусок ДНК размером примерно в 4 млн. п. н., но только у современного человека этот участок ДНК скопиро–вался также на мужскую Y – хромосому. Однако все это лишь предположения. Окончательного ответа мы пока не имеем.
Хотя еще многое остается неясным, мы начинаем понимать, что в своей эволюции человек достигал новшеств не с помощью каких–то особых способов, а с использованием в основном тех же путей и стратегий, что и все другие организмы. Не зря ведь говорят, что наиболее простой и дешевый способ изобрести что–то новое – это взять уже имеющееся открытие или изобретение и подогнать их под новые задачи.
При формировании современного человека активно происходила существенная перестройка генома, осуществлялась новая комбинаторика предсуществующих генных экзонов, что в конечном итоге приводило к образованию коллекций новых генов из имевшихся «старых». В результате этого полный набор белков (протеом), кодируемых геномом человека, более сложен, чем у других организмов. Еще один путь, использованный человеком в ходе эволюции,– это создание не просто семейств родственных генов (о них мы говорили ранее), а неких суперсемейств, состоящих из сотен, а иногда и тысяч родственных генов. Такие суперсемейства составляют в геноме человека более 60% всех генных семейств. Это указывает на то, что огромную роль в эволюции человека сыграло умножение генов путем их удвоения (дупликации) и последующего частичного расхождения (дивергенции). Примерами таких семейств генов могут служить семейство генов иммуноглобулинов, семейство кератино–вых генов и многие другие. И всему этому есть определенный смысл в связи с особенностями развития и существования человека. В конечном итоге, в геноме размножалось в основном то, что нужно человеку. А вот то, что не нужно, наоборот, сокращалось. Так, с удивлением было обнаружено, что некоторые семейства генов содержат меньше членов в геноме человека по сравнению с геномами другими млекопитающими. В частности, у человека в два раза меньше генов семейства рецепторов обоняния. Это связано, скорее всего, с тем, что обоняние весьма важно для других позвоночных, а существование человека в меньшей мере зависит от этого чувства. Для человека намного важнее зрение, а не нюх. Несмотря на небольшое среднее различие в геномах человека и шимпанзе, становится очевидным, что оно может быть весьма неодинаковым для разных типов генов, в частности, для тех, которые работают в печени, и тех, которые выражают свою активность в мозгу.
Существенные различия обнаружены также в том, что в геноме человека много вставленных в него чужеродных элементов – ретро–вирусов, а вот у обезьян их как раз очень мало. Выше уже говорилось о том, что ретровирусы обладают способностью изменять «святая святых» живой материи – генетический аппарат клетки–хозяина. ДНК, синтезированная на вирусной РНК, внедряется в геном клетки, поставляя туда как бы «лжепрограмму» (провирус), которая затем передается по наследству. В результате этого происходит гораздо более сильное изменение генома, чем это возможно при «нормальной» эволюционной изменчивости. Академик Е. Д. Свердлов предложил гипотезу, согласно которой превращение обезьяны в человека в значительной мере связано именно с ретровирусами, вмешавшимися на каком–то этапе истории в эволюционный процесс.
Таким образом, в процессе формирования человека как вида и его эволюции происходили заметные изменения в геноме, обусловленные различными мутациями в нем. Однако должны существовать определенные пределы или ограничения этой вариабельности. Понятно, что они не могут быть очень большими, в ином случае это уже несовместимо с жизнью. И действительно, как уже говорилось, у всех ныне живущих людей генетические тексты очень похожи. Два любых человека, кроме однояйцовых близнецов, различаются всего лишь одной буквой–нуклеотидом из 1000. За 200 000 лет, прошедших после возникновения человека как нового вида, различия между геномами разных людей едва достигли 0,1%. «Изменения, которые произошли в процессе эволюции с человеком, гораздо меньше, чем у других животных»,– делает вывод Эрик Ландер из Массачу–сетского технологического института.
Пока это собственно и все. Несмотря на все новое знание, которое пришло к нам в геномную эру, еще остается много нерешенных вопросов, касающихся происхождения и эволюции человека. Однако теперь после расшифровки генома человека появилась надежда на наше скорое понимание по крайней мере некоторых из них.