Геология и эволюция

Геология (точнее, палеонтология) всегда широко использовалась в исследованиях по молекулярной эволюции для калибровки эволюционных деревьев. Дело в том, что современные методы реконструкции истории видов в большинстве случаев могут достаточно надежно восстановить топологию эволюционного древа и даже длины его ветвей, было бы достаточно данных. Однако временнáя шкала на таком древе измеряется числом замен на позицию в белке, и для того, чтобы перевести ее в обычное астрономическое время, надо датировать промежуточные узлы — установить время, когда появились предки современных таксонов. А для этого используют данные о том, когда представители этих таксонов появляются в палеонтологической летописи. Однако в последние годы стали появляться работы, в которых геология и эволюционная биология взаимодействуют новым, неожиданным образом.

Уголь

Лигнин — сложный полимер, придающий жесткость и прочность древесине и защищающий клеточные стенки, состоящие из целлюлозы, от микробных атак. Кроме того, лигнин — один из основных предшественников каменного угля. Лигнин разлагают грибы, вызывающие белую гниль, — в отличие от грибов, вызывающих бурую гниль, которые модифицируют лигнин, но не могут разложить его окончательно. Для того, чтобы установить молекулярно-генетическую природу и эволюционную историю белой гнили, исследователи из Объединенного геномного института (Joint Genome Institute, Валнут Крик, Калифорния, США) определили геномные последовательности шести грибов, вызывающих белую гниль, и пяти — бурую, и проанализировали их, а также последовательности еще двадцати грибов надкласса Agaricomycotina.

Оказалось, что репертуар белков, участвующих в метаболизме полисахаридов, у грибов белой гнили в среднем в два раза обширнее, чем у грибов бурой гнили — как по количеству, так и по представленности различных семейств. В частности, два семейства гликозид-гидролаз, включающих белки, разлагающие целлюлозу, присутствовали во всех грибах белой гнили и ни в одном — бурой. То же самое было замечено для еще двух семейств белков, участвующих в разрушении молекул целлюлозы.

Но чтобы добраться до целлюлозы, грибу надо разрушить лигнин. Эти занимаются пероксидазы типа II. Такие белки делятся на четыре группы, из которых три содержат белки, которые могут разрушать лигнин, а четвертая — нет. Три «разрушителя» содержат специальные аминокислоты на строго определенных позициях, и поэтому по последовательности белка можно узнать, является ли он разрушителем.

Как и в случае с гидролазами целлюлозы, гены, кодирующие пероксидазы первых трех групп, были найдены только в геномах грибов белой гнили. Построение эволюционного древа пероксидаз показало, что предковый белок не мог разрушать лигнин — у него не было критических аминокислот. Такой набор аминокислот впервые возник у общего предка класса Agaricomycetes (включающего, например, общеизвестные пластинчатые грибы, такие как сыроежки и мухоморы, и трубчатые грибы, скажем, подберезовики), причем представители трех групп возникали в ходе эволюции несколько раз, независимо в разных порядках этого класса: это один из достаточно редких примеров конвергентной эволюции.

Далее авторы откалибровали эволюционные деревья, используя доступные палеонтологические данные о грибах, и датировали как время появления первых лигнин-разрушающих пероксидаз, так и время появления Agaricomycetes (для которых палеонтологические данные отсутствовали). Это время практически совпало — 290 млн лет назад. И вскоре после этого, по окончании карбона и перми, прекратилось образование больших объемов каменного угля: грибы начали есть лигнин.

Заметим, что это исследование не могло быть выполнено ни на основании только лишь палеонтологической летопии (потому что группы, определяемые по морфологическим признакам, могут включать и грибы белой гнили, и грибы бурой гнили), ни на основании только молекулярных построений (потому что они не привязаны ко времени).

Металлы

Похожий подход, но в гораздо более широких масштабах, был применен Лоренсом Дэвидом и Эриком Альмом из Массачусетского технологического института к анализу геномов прокариот (бактерий и архей). Для каждого семейства ферментов анализ таксономического древа показал, когда появилось это семейство, — для этого был разработан специальный метод, который анализирует распределение генов в современных геномах, причем учитывается возможность горизонтальных переносов.

Перейти на страницу: 1 2

Еще статьи

Социально-экономическое развитие Украины
Украина – южный сосед Беларуси, с которым у нашей страны тесные культурные и экономические связи. Как и Беларусь, Украина пережила серьезный кризис после развала СССР с последующей коренной политической и экономической перестройкой. Примером структурных сдвигов в экономике может служить резкое ...