Живі копалини та генетика

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

На невеликих скелястих острівцях Нової Зеландії живе дивовижна триока ящірка, або туатара, – найдавніша на Землі сухопутна хребетна, рідна «тітонька» динозаврів. Динозаври давно вже вимерли, а туатари, які з’явилися раніше за них, ще живуть. Інша, ще більш давня істота – мечохвіст, напіврак-напівскорпіон, і зараз благополучно повзає по дну океану біля берегів Індонезії, Китаю, Карибського моря. Чотириста мільйонів років тому на суші жили тільки скорпіони. У морі теж «скорпіонів» було чимало. Великі, деякі метра два завдовжки, броньовані чудовиська – ракоскорпіони. Їхні нащадки, мечохвости, дожили до наших днів і майже не змінилися. Місцями мечехвостів так багато, що їх ловлять мережами, сушать, товчуть і вивозять на поля як добрива.

По сусідству з мечохвостами по хвилях Тихого океану плавають схожі на сторуких равликів наутілуси – прабатьки восьминогів та каракатиць. Пережилих свою епоху тварин, таких, як гаттерія, мечохвіст і наутілус, вчені називають реліктовими видами, а люди, схильні до метафор, – живими копалинами.

Але щоб побачити живих копалин, так би мовити, в натурі, зовсім не обов’язково подорожувати далеко. У порога нашого будинку, на горищі, в погребі сотні живих копалин діловито тчуть свою павутину. Адже всі павуки – тварини найдавніші. За 400 мільйонів років, з тих пір як з’явилися вони на Землі, восьмирукі ткачі майже не змінилися.

Часто думають, що живі копалини вціліли лише в невеликому числі і близькі до вимирання, бо погано переносять сучасні умови життя. Це правило, може бути, і вірно по відношенню до деяких з них, але не до всіх. Щодня мільйони людей миються, наприклад, скелетом живого викопного, яке і не думає вимирати. Живе в морі всюди. Це губка – химерне створіння, найдавніше з древніх багатоклітинних тварин. Ще мільярд років тому жила вона в океанах.

Живі копалини – майже завжди мешканці відокремлених островів, плоскогір’їв, пустель, озер, морів, так чи інакше відрізаних від світу невеликих районів. Зазвичай умови життя в місцях їх проживання за мільйони років майже не змінилися. У цьому і секрет дивного консерватизму реліктових тварин. Раз не змінювалися зовнішні умови, отже, і не було причин пристосовуватися, здобувати нові звички і органи.

Але ми знаємо, що сотні видів інших тварин, які жили пліч-о-пліч з живими копалинами в тих же, по суті, постійних умовах, за мільйони років своєї еволюційної історії сильно змінилися. Так сильно, що тепер зовсім не схожі на своїх давніх предків, що спільного, наприклад, між маленьким еогіппусом, зростом з лисицю і схожим на тапіра древнім звіром, і його нащадком – сучасним конем? Близькі родичі тієї ж гаттерії за двісті мільйонів років, поки вона животіла в своїй одноманітності, невпізнанно змінюючись, породили на світ і гігантів динозаврів, і черепах, і змій, і птахів, і звірів.

В чому справа? Чому одні тварини так консервативні, що століттями зберігають свій вигляд і інстинкти, а інші легко втрачають їх у перипетіях еволюції, утворюючи все нові і нові форми, види та різновиди? Одні мільйонами років топчуть землю ногами своїх одноманітних нащадків, інші зовсім зникають з лиця Землі.

Для пояснення цієї загадки в різний час було придумано багато всіляких і часто фантастичних гіпотез. Ось одна з них.

Можливо, вся справа в спадковості. Закони її для всього живого на Землі однакові, але властивості речовини, що визначає спадкові задатки, різні: у одних гени більш стійкі, в інших менше.

Кожен вид тварин, як би ретельно просіяний через сито природного відбору, який залишив йому лише найбільш підходящі для життя якості, за мільйони років своєї еволюції відмінно пристосовується до всього, що його оточує. Ну й добре: здавалося б, жити б йому тепер так жити, ні про що не тужити. Але є дві природні і неминучі причини, які постійно прагнуть зруйнувати благоденство.

По-перше, умови життя весь час змінюються. По-друге, з кожним поколінням постійно змінюється і спадковість. Так що з дня на день, із століття в століття в самих організмах йде таємна робота стихійних сил, яка змінює спадковість. Тому навіть якщо навколишній світ і не змінився, природні властивості організмів перестають з часом йому відповідати, як відповідали раніше, і природний відбір своїм авторитетним втручанням повинен знову і знову виправляти неполадки, відбирати, сортувати, знищувати негідних.

В ядрах клітин тварин і рослин в особливих мікроскопічних нитках – хромосомах, як печиво в пакетах, щільно упаковані гени – невеликі групи атомів, які керують розвитком з насіння чи яйця всього живого на Землі. План будови організму, колір кожного його волоссячка і лусочки, форма кожної пелюстки і кожний інстинктивний рух психіки закодовані тайнописом хімічних радикалів в молекулах. Спадкову інформацію, записану мовою хімії в генних структурах, вони проносять через тисячоліття.

Гени дуже малі: в людині, наприклад, у всіх клітинах її тіла (а їх 60000000000000!) генів не більш, ніж молекул в двох з половиною кубічних сантиметрах повітря. Через малі розміри вони насилу протистоять тепловим ударам атомів. Діють на них і космічні, ультрафіолетові та рентгенівські промені, деякі речовини, наприклад іприт, перекис водню, кумарин. Висока температура теж порушує нормальну структуру генів. Після цих порушень виникають так звані мутації, тобто раптові зміни спадковості.

У одних тварин і рослин мутації з’являються частіше, в інших рідше. Залежить це і від умов, в яких вони живуть, і, звичайно, від властивостей їх спадкової речовини. У плодової мухи дрозофіли, наприклад, кожен ген, мутуючи, змінюється приблизно один раз на 40 тисяч років. Але так як генів дуже багато, то виходить, що кожен двадцятий її нащадок несе в своїй спадковості хоча б один змінений ген. Приблизно така ж частота мутації, мабуть, і в людини. Удвічі вище вона у всім відомої польової квітки – лев’ячого зіва. А ось у ячменю, пшениці та вівса мутації дуже рідкісні.

Деякі вчені доводять, що у стародавніх тварин, що дожили до наших днів без особливих змін, і у тварин, чий еволюційний шлях ще молодий, спадкова речовина відрізняється деякими деталями своєї будови. Російський біолог Б. Медников, наприклад, встановив, що у тарганів, поденщин, метеликів, які з’явилися на Землі 300 мільйонів років тому, більше в РНК гуаніну і цитозину, а у мух, комарів і гедзів (їх еволюційний вік не перевищує 100 мільйонів років) – аденіну та урацилу. А відомо, що спадкова речовина, в якій переважають гуанін і цитозин, більш стійко переносить підвищення температури і інші «неприємності». Значить, у стародавніх тварин вона більш стійко і з меншою легкістю змінюється під ударами різнорідних стихій.

Природно, що і мутацій в їх клітинах менше, а тому такі тварини краще зберігають від покоління до покоління свої старі ознаки. А тепер уявіть, що умови життя на Землі швидко змінилися. Що станеться з тваринами?

Очевидно, ті, у яких мутації рідкісні, отримають менше шансів вижити, ніж види з великою мінливістю. Перші, швидше за все, вимруть. Серед нащадків других, напевно, знайдуться такі мутанти, яким неважко буде пристосуватися до нових умов. Ці «виродки» з точки зору норми колишнього вигляду і дадуть початок поколінням молодих різновидів, які виживуть в нових умовах боротьби за існування і з віками створять новий вид тварин.

Нелегке завдання задали вченим своїм раптовим, як вибух динаміту, зникненням мамонти і динозаври. Багато було придумано різних гіпотез, щоб якось зрозуміти і пояснити їх дружне вимирання. Деякі вважали, що динозаври – вегетаріанці. Гігантські (і маленькі!) ящери, що заполонили всю нашу планету 100-150 мільйонів років тому, з’їли всюди хвощі, папороті і інші стародавні рослини, якими вони харчувалися. Їсти їм стало більше нічого, і від голоду вони почали вимирати. А потім загинули нібито і хижі динозаври, які харчувалися вегетаріанцями.

Інші думають, що, може бути, вибух наднової зірки або інші якісь космічні явища погубили ящерів. Треті звинувачують маленьких комахоїдних звірків, що народилися в ту епоху і пожирали, треба думати, чимало динозаврових яєць.

Можливо, все це було насправді і прискорило вимирання ящерів, але головна причина їх масової загибелі, напевно, все-таки не в цьому. Швидше за все, відбулися якісь шкідливі зміни в самій спадковості динозаврів. Адже мутації з певною частотою крок за кроком змінювали і їх спадковість. А багато з мутацій дуже небезпечні, летальні, як кажуть, генетики. З’явившись у нащадків, вони швидко їх гублять (часто ще в зародку), якщо відразу проявляють свою злобливу дію. Але багато їх відразу не виявляються, тому що рецесивні, тобто до пори до часу приховані в хромосомах, пригнічені дією більш сильних нормальних генів. Але як тільки однакові рецесивні гени-мутанти потраплять до якого-небудь нащадка одночасно від двох батьків (тобто, кажучи мовою генетики, стануть гомозиготними), вони тут же виявляють поганий норов, перекручуючи на свій лад розвиток і обмін речовин нещасної істоти, що отримала їх в дар до дня народження.

Значить, так: спадковість кожного виду і кожної істоти окремо несе в собі таємний вантаж до часу нешкідливих, але потенційно дуже небезпечних рецесивних генів. А хромосоми інших видів буквально перевантажені ними.

Якщо у якихось процвітаючих тварин мало ворогів у природі (як було, наприклад, у динозаврів), в їх спадковості накопичується багато шкідливих генів, так як природний відбір в особі хижаків, що пожирають, як тепер встановлено, в першу чергу хворих і ненормальних тварин, не вимітає відразу з життя всі дрібні недоліки, викликані прямо або побічно цими генами. І тоді при розмноженні частіше трапляються зустрічі двох однотипних рецесивних генів в спадковості нащадків. Нарешті, багато з них так часто стануть з’єднуватися в гомозиготному поєднанні, що майже кожне дитинча буде народжуватися безплідним, потворним, так чи інакше нежиттєздатним. Тут і настане фатальне й неминуче вимирання навіть в умовах, цілком сприятливих для виду, що гине.

Таке нещастя, мабуть, і сталося з динозаврами та іншими тваринами, раптово і безслідно зниклими.

Автор: Ігор Акімушкін.