Pikka aega jäi lahtiseks küsimus, kuidas elusolendite genoomis juhuslike muutuste (mutatsioonide) tagajärjel ilmub uus teave. Kuid teadlased suutsid ikkagi välja mõelda, kuidas toimub genoomi laienemine ja täienemine. Üks olulisemaid mehhanisme uue teabe saamiseks on geenide dubleerimise protsess
Fotol: kiilaskotkas. Ta näeb maailma laiemas värvivalikus kui inimene.
Temast räägib Venemaa teaduste akadeemia paleontoloogia instituudi juhtivteadur bioloogiateaduste doktor Aleksander Markov.
Kuidas võimaldavad uued avastused geneetika valdkonnas mõista uute geenide ilmnemise mehhanismi ja uusi omadusi kehas?
- Üks evolutsiooni eitavate inimeste kõige tüüpilisemaid argumente kõlab umbes nii: me ei suuda ette kujutada, kuidas uus teave võib tekkida genoomi juhuslike mutatsioonide tagajärjel. Paljudele tundub intuitiivselt, et näiteks mõne teksti juhuslikud muudatused ei loo uut teavet. Nad võivad tuua ainult müra või kaost. Samal ajal on tänapäeva teadus juba väga hästi teadlik sellest, kuidas evolutsiooni käigus ilmneb genoomis uus teave, uued geenid, uued funktsioonid, uued omadused organismis jne. Ja üks olulisemaid uue geneetilise teabe ilmnemise mehhanisme on geenide dubleerimine ja sellele järgnev funktsioonide jaotus. Idee on väga lihtne: oli üks geen, juhusliku mutatsiooni tagajärjel on neid kaks. Alguses on geenid samad. Ja siis, kui juhuslikud mutatsioonid kogunevad selle geeni kahes eksemplaris, muutuvad need pisut teistsugusteks ja on tõenäoline, et nad jagavad funktsioone omavahel.
Tooge näide uue geeni tekkimisest
- Nüüd on palju hästi uuritud näiteid. Üldiselt on see idee iseenesest üsna vana, juba 1930ndatel soovitas suur bioloog, geneetik John Haldwin, et dubleerimisel, see tähendab geenide dubleerimisel, on oluline roll evolutsiooniliste uuenduste tekkimisel. Ja viimastel aastatel on seoses molekulaargeneetika arendamise, genoomide lugemisega ilmunud palju veenvaid näiteid, head illustratsioonid, kuidas see tegelikult juhtub. Üks eredamaid on seotud värvinägemise arenguga imetajatel või õigemini veelgi laiemalt maapealsetel selgroogsetel. Kui maapealsed selgroogsed esmakordselt ilmusid, devoni perioodil maale jõudsid, oli neil endiselt nn tetrokromaatiline nägemine, mis tekkis kalade tasemel. Mida see tähendab? Värvinägemise määravad võrkkesta valgustundlikud valgud - on olemas sellised koonuserakud,mis vastutavad värvinägemise eest ja neis koonustes on valgustundlikud valgud, mida nimetatakse opsiinideks. Kaladel, millest selgroogsed arenesid, ja esimestel maapealsetel selgroogsetel oli neli sellist opsiini. Iga opsiin on häälestatud kindlale lainepikkusele.
Kas võib öelda, et kalad näevad täpselt nelja värvi?
Reklaamvideo:
- See ei tähenda, et antud opsiin reageerib ainult antud lainele, see tähendab, et antud lainepikkus erutab seda opsiini kõige rohkem ja mida rohkem lainepikkus erineb, seda nõrgemaks see reageerib. Tetrakromaatiline värvinägemissüsteem on väga hea süsteem, see eristab väga selgelt kogu spektri varjundeid ja paljudes tänapäevastes selgroogsetes on see säilinud näiteks lindudel. Linnud eristavad värve suurepäraselt, ilmselt paremad kui meil. Paljud näevad ultraviolettkiirguse vahemikku, mõnedel liikidel on sulestiku UV-mustrid. Ja võib-olla leidsid linnud, et meie telerite värviekraanide süsteem on äärmiselt halb. Kuna me kasutame kolmevärvilist süsteemi, segame kolme värvi - meie nägemus on paigutatud samamoodi. Linnul on neli, mitte kolm.
See tähendab, et inimesed näevad lindudega võrreldes maailma primitiivsemat
- Lindude seisukohast oleme pisut värvipimedad. Inimestel, nagu ma ütlesin, on trikromaatilises süsteemis kolm opsiini, mis on häälestatud kolmele erinevale lainele. Üks sinise, teine rohelise ja kolmas kollasuse poole. Kuid kõige huvitavam on see, et teistel imetajatel, peale inimeste ja ahvide, on dikromaatiline nägemine, neil on ainult kaks opsiini. Neil ei ole kolmandikku, mis on spektri punasele osale kõige lähemal, ja seetõttu eristavad nad sinist rohelisest, kuid nad ei erista rohelist punasest. Kuidas see sündis? Miks kaotasid imetajad kaks opsiini?
On teada, et esivanematel oli neli ja imetajatel kaks opsiini. Ilmselt seostati kahe opsiini kaotust tõsiasjaga, et imetajad hakkasid oma ajaloo eelõhtul öise elustiili juurde. Miks nad valisid öise eluviisi? See oli tingitud maapealsete selgroogsete kahe peamise evolutsiooniliini vahelise pika võistluse nurjumistest. Neid ridu nimetatakse synapsidiks ja diapsidiks. Synapsid liin on loomataolised sisalikud, loomsed roomajad. Ja see rühm domineeris maismaa selgroogsete seas iidsetel aegadel, Permi perioodil, enam kui 250 miljonit aastat tagasi. Siis, triassia perioodil, olid neil tugevad konkurendid, diapsidi liini esindajad. Kaasaegsetes loomades kuuluvad kõik roomajad, krokodillid, sisalikud ja linnud diapsidi rida. Triiase perioodil ilmusid aktiivsed kiskjad, kes jooksid kiiresti, sealhulgas kahel jalal. Diapsidsed roomajad, krokodillid hakkasid meie esivanemaid välja tõrjuma. Ja see võistlus lõppes alguses mitte meie esivanemate kasuks. Triassia perioodi lõpus ilmusid kiiresti liikuvad diapsiidroomajad, nad sünnitasid uue rühma, nendest tuli uus rühm - dinosaurused, mis väga pikaks ajaks said kogu planeedi domineerivateks päevasteks röövloomadeks ja taimtoidulisteks. Nad hõivasid kõik päevased nišid, suurte nišši loomade nišid. Triassia perioodi lõpus ilmusid kiiresti liikuvad diapsiidroomajad, nad sünnitasid uue rühma, nendest tuli uus rühm - dinosaurused, mis väga pikaks ajaks said kogu planeedi domineerivateks päevasteks röövloomadeks ja taimtoidulisteks. Nad hõivasid kõik päevased nišid, suurte nišši loomade nišid. Triassia perioodi lõpus ilmusid kiiresti liikuvad diapsiidroomajad, nad sünnitasid uue rühma, nendest tuli uus rühm - dinosaurused, mis väga pikaks ajaks said kogu planeedi domineerivateks päevasteks röövloomadeks ja taimtoidulisteks. Nad hõivasid kõik päevased nišid, suurte nišši loomade nišid.
Synapsid liin oli sunnitud minema öösel maa alla, nad purunesid. Permi perioodil oli hiiglaslikke sünapsi roomajaid, Triasia perioodi lõpuks oli üks väike asi alles. Samal ajal, triaasia perioodi lõpus, viidi lõpule sünapsiidsete roomajate nn imetamise protsess, st umbkaudselt öeldes ilmusid esimesed imetajad. Kõik ülejäänud sünapsiidsed roomajad surid välja ja üks rühm sai imetajateks ning nad jäid ellu. Kuid nad jäid ellu, muutudes väikesteks ja öisteks. Kogu jura ja kriidiajastu ajal olid imetajad öised - nad nägid välja nagu mingid võrad, hiired. Kuna need olid öised, muutus värvinägemine nende jaoks peaaegu kasutuks. Kuna koonused ikka veel öösel ei tööta, ei saanud looduslik valik toetada nelja kirjeldavat, tetrokromaatilist nägemist,sest seda visiooni polnud vaja.
Looduslik valik ei saa tulevikku vaadata, see toimib nii: kas kasutate geeni või kaotate selle. Kui geeni pole siin ja praegu vaja, siis tekkinud mutatsioone ja seda rikkuda ei selektsiooni teel ning geen varem või hiljem ebaõnnestub.
Geenide kaotuse eesmärk on tõenäoliselt säilitada kehas olevad jõud, maksimaalne ökonoomsus, maksimaalne efektiivsus, see tähendab, et miski ei tohiks kehas töötada
- Põhimõtteliselt jah, muidugi, see on säästlikkus - liigset valku ei sünteesita. Pean ütlema, et üldiselt sünteesitakse kehas palju üleliigseid valke, mis on muutunud tarbetuks, kuid kellel pole veel olnud aega surra, seda ei juhtu nii kiiresti, kuid lõpuks see juhtub. Alguses arvati, et imetajate või esimeste imetajate esivanemad kaotasid mõlemad opsiinigeenid väga kiiresti ja praktiliselt üheaegselt. Nüüd on hariliku kämbla genoomis - ja see esindab kõige primitiivsemaid imetajaid - seal on üks kadunud geene. See tähendab, et harilikul käpalisel on veel kolm opsiini, samal ajal kui arenenumatel imetajatel on ainult kaks. Geenid kadusid, seega omakorda. Imetajate ühisel esivanemal oli endiselt kolm opsiini ning platsentaalidel ja marsupiaalidel, välja arvatud munarakk-harilik harilik kilpkonn ja ehhidna, ainult kaks opsiini.
Kuidas meie esivanemad ahvid siis oma triikromaatilise nägemise tagasi said? Ja siin geeni dubleerimise mehhanism lihtsalt töötas. Kui dinosauruste ajastu lõppes ja imetajad suutsid taas päevaseks saada, jäid nad oma dikromaatilise nägemuse juurde, sest kadunud geene polnud kusagil võtta.
Ja see jätkub enamikus imetajate rühmades, ehkki neil oleks kasulik eristada värve, kuid geeni pole kusagil võtta. Kuid Vana Maailma ahvide esivanematel vedas. Neil oli üks kahest ülejäänud opsiini geenist dubleerimist, dubleerimist ja looduslikku selektsiooni häälestades saadud geeni kaks koopiat kiiresti erinevatele lainepikkustele. Selleks kulus vaid kolm mutatsiooni - kolme aminohappe asendamine valguga, üsna väike muudatus. Väike operatsioon, mille tõttu lainepikkus, millele üks opsiinidest reageerib, on nihkunud punasele küljele. Selleks piisab, kui suudame eristada punast ja rohelist. See võimaldas Vana Maailma esimeste ahvide esivanematel minna troopilistes metsades puuvilju ja värsket lehestikku sööma: väga oluline on eristada punast rohelisest,küpsed viljad valmimata ja vanad lehed noored.
Kuid see juhtus ainult Vana Maailma ahvidega. See on õnnelik sündmus - geeni dubleerimine toimus Vana Maailma ahvide esivanematel pärast seda, kui Ameerika eraldus Aafrikast ja ujus, nende vahel oli Atlandi ookean. Ameerika ahvid olid õnnetud ja enamikul neist jäeti dikromaatiline nägemine. Ja nad elavad ikka niimoodi. Muidugi oleks neile kasulik ka eristada punast rohelistest puuviljadest, aga mida saate teha, kui geeni pole.
Tuleb välja, et Uue Maailma ahvid ei tee vahet punasel ja rohelisel, teevad vigu, söövad midagi?
- Selgub nii. Võib-olla sellepärast said vana maailma ahvidest inimesed ja Uue Maailma ahvidest mitte.
Autor: Olga Orlova
