Методы биохимии и молекулярной биологии
Начиная с середины XX в. биохимические и молекулярно - биологические методы вышли на передовые рубежи в изучении эволюционного процесса, возникло целое направление - изучение «молекулярной эволюции».
Биохимический полиморфизм. Начиная с 60-х годов в практику микроэволюционных исследований широко входит метод изучения вариаций белков, обнаруживаемых с помощью электрофореза (Р. Левонтин). С помощью этого метода можно с большой точностью определять уровень генетической изменчивости в популяциях, а также степень сходства и различия между популяциями.
Различия между популяциями по биохимическим показателям можно наглядно определять на карте (рис.) либо на дендрограмме, построенной по коэффициентам сходства и различий (рис.).
Один пример. При биохимическом сравнении ныне живущих организмов показано, что ранние метаболические звенья синтеза различных веществ, гликолиза и дыхания у многих растений и животных сходны и не нуждаются в участии кислорода. Завершающие же стадии многих метаболических путей, особенно у высокоорганизованных существ, протекают с его участием. Это свидетельствует об их эволюционной молодости, т.е. они возникли в аэробной фазе истории Земли.
Изучение структуры нуклеиновых кислот и белков. На молекулярном уровне процесс эволюции связан с изменением состава нуклеотидов (в ДНК и РНК) и аминокислот (в белках). Можно анализировать число различий в последовательностях нуклеиновых кислот или белков разных видов, судить по этому показателю о степени их родства.
Поскольку каждая замена аминокислоты в белке может быть связана с изменением одного, двух или трех нуклеотидов в молекуле ДНК, компьютерными методами можно вычислить максимальное и минимальное число нуклеотидных замен, необходимых для замещения аминокислот в белке. Получаемая таким образом информация поддается дальнейшей количественной оценке: при сравнении ряда организмов можно установить и степень различий (меру эволюционной дивергенции) макромолекул.
Другое важное преимущество изучения эволюции методами молекулярной биологии — возможность сравнения сколь угодно далеких организмов — растений и животных, грибов и микроорганизмов. На рис. показан результат изучения филогенетических отношений 20 разных организмов на основе определения минимального числа возможных нуклеотидных различий между генами, кодирующими синтез белка цитохрома С. Можно видеть, что в общем эти данные хорошо совпадают с выводами классической систематики.
Сейчас построены многие сотни филогенетических деревьев макромолекул. Оказалось, что с помощью молекулярных методов можно вскрыть принципиально важные особенности. Так, при анализе РНК у растений, выяснилось, что ядерная фракция р-РНК кукурузы (Zea mays) характерна для эукариот, а фракции из митохондрий и хлоропластов — характерны для эубактерий. Этот факт является мощным аргументом в пользу симбиотического происхождения эукариот: возникновения митохондрий от пурпурных бактерий, а хлоропластов — от цианобактерий.
При реконструкции древа глобинов удалось показать, что средняя скорость эволюции этих белков у животных заметно возросла 400—500 млн лет назад (период выхода позвоночных на сушу), когда глобин позвоночных приобрел тетрамерную структуру.
Построение филогенетического древа генов, кодирующих синтез гемагглютининов Н3 вируса гриппа показало, что скорость эволюции эпидемических вариантов этого вируса (испанка 1918—1919 гг., гонконгский грипп в середине — второй половине XX в. и др.) в несколько раз выше скорости эволюции неэпидемических штаммов.
Аналогичные построения для ВИЧ показали, что этот вирус очень близок к одному из вирусов обезьян. Он существовал в Центральной Африке до 1960 г., появился на о. Гаити в середине 70-х гг. и в США — к 1978 г. Он распространяется ныне благодаря способности изменяться с невероятной скоростью — увеличивает агрессивность даже в теле одного человека на протяжении 1,5 - 2 лет.
С помощью молекулярной биологии можно оценить даже скорость эволюционных процессов (так называемые молекулярные часы эволюции). Этот подход основан на предположении о накоплении изменений в нуклеиновых кислотах и белках с постоянной скоростью. Однако оказалось, что для растений концепция молекулярных часов неприемлема: ДНК растений из разных семейств отличается в такой же степени, как ДНК животных разных классов. У растений в ходе эволюции очень быстро могут меняться и повторяющиеся, и уникальные последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Поэтому данный метод применяется в основном для изучения эволюции у животных.