Ход эволюции изображают в виде деревьев
Важнейшей задачей биологии является реконструкция хода эволюции. Данных палеонтологии катастрофически не хватает, а все, что у нас есть кроме нее, это ныне живые организмы. Пути эволюции изображают в виде деревьев жизни, или филогентических деревьев, показывающих, в каком порядке разошлись эволюционные пути различных организмов. Филогенетическими они называются потому, что процесс эволюционной истории организма называется филогенезом.
Сейчас деревья имеют множество важных применений. Как чисто фундаментального характера, например, чтобы узнать особенности строения организмов, живших миллиарды лет назад. Так и более прикладных. Они используются при сборках геномов, поиске генов, важных для патогенности возбудителей болезней, и многого другого.
Как и многое в эволюционной биологии, первое филогенетическое дерево построил Дарвин, когда путешествовал на корабле Бигль (на картинке именно оно), однако, тогда это была лишь концепция, иллюстрировавшая идеи о том, что в ходе эволюции один вид разделялся на несколько.
Как понять, какое дерево нам подходит?
Допустим, у нас есть 4 организма. Корова, свинья, человек и ящерица, и мы хотим узнать их эволюционную историю. Как понять, какое дерево нам нужно? Ведь можно построить несколько вариантов их эволюции.
Универсального ответа на этот вопрос нет. Один из ответов является местным вариантом бритвы Оккама. Нужно выбрать дерево, где одни и те же мутации возникали только один раз (или, наименьшее число раз). У каждого вида есть какие-то признаки, по которым его можно сравнить с другими. Например, можно рассмотреть наличие копыт. У свиньи и коровы копыта есть, а у человека и ящерицы, очевидно, нет. Есть несколько вариантов расположения этих четырех видов на дереве. Мы разберем всего два из них, но для большего числа деревьев принцип точно такой же.
Допустим, мы построили два дерева и хотим узнать, какое из них лучше соответствует действительности.
Для первого дерева достаточно предположить, что копыта возникли один раз у общего предка свиньи и коровы. То есть достаточно было произойти одному изменению.
Для второго же дерева копыта либо были у общего предка всех четырех организмов и дважды, в линиях человека и ящерицы, утрачивались, тогда нужно, чтобы произошло два изменения для объяснения этой модели. Либо копыт у общего предка не было, и, тогда, они должны были возникнуть независимо в линиях коровы и свиньи, что, опять же, требует двух изменений.
Значит, мы считаем первое дерево лучше второго. Конечно, не всегда все так просто, и иногда есть несколько равносильных деревьев, и, сказать, какое из ни лучше, в рамках этого метода нельзя. Но, изучая не один признак, а множество, можно разрешить этот вопрос.
Какие признаки брать и при чем тут ДНК?
Раньше деревья строили на основе особенностей развития организмов, внешнего и внутреннего строения и, позднее, биохимических особенностей, из-за чего они часто получались неточными, грубыми и, самое главное, сильно зависели от мнений и предпочтений, господствовавших в голове их создателей.
Сейчас имеется гораздо более надежный и объективный метод. Если мы посмотрим на молекулу ДНК, то мы увидим, что это полимерная цепь, состоящая из мономеров четырех типов, последовательность которых, как раз, и является генетическим кодом. Иначе говоря, ДНК можно представить как текст, написанный четырехбуквенным алфавитом (которые в биоинформатике называют A, T, G и C). И, каждую позицию на ДНК можно взять в качестве признака, который может принимать значения любой из четырех букв, или, быть выпавшим.
При каждом делении клетки происходит копирование этого текста и иногда при копировании происходят ошибки. Соответственно, чем больше раз тексты копировались независимо друг от друга, тем больше между ними различий. Однако, сравнивать полные геномы не имеет смысла из-за того, что постоянно встречаются такие мутации, которые невозможно описать современными алгоритмами постройки деревьев. Хромосома может разделиться на несколько, две могут сливаться в одну. Вирусы могут встраивать в ДНК клетки свой генетический материал. Гены могут удваиваться или теряться. Список подобных мутаций весьма обширен, так что обычно сравнивают небольшие участки ДНК, про которые известно, что в них происходили лишь небольшие мутации, такие, как замены единичных букв или небольшие удаления и вставки. Такими участками ДНК могут, например, быть одинаковые гены разных видов. Также часто строят деревья по белкам, но различия между методами построения по белкам и по ДНК чисто технические, и для понимания сути не важны. Деревья, отражающие эволюцию целых организмов, обычно, делают на основе множества таких деревьев, построенных по небольшим участкам ДНК, или, по отдельным генам, про которые заранее известно, что их эволюция совпадает с эволюцией организмов.
Как строят деревья?
Есть три принципиальных способа постройки дерева. Первый — это перебор всех возможных деревьев, которые можно построить для данных организмов. Не всех правдоподобных, а всех вообще. Но даже для дерева с двадцатью листьями такой перебор уже слишком сложен, а часто необходимо строить деревья намного большего размера. Вторая — это выращивание дерева. При таком подходе сначала строится маленькое простое дерево, а затем к нему добавляется по одной ветви так, чтобы каждый раз выходило хорошее дерево. И так, пока оно не будет построено полностью., и третье — это эвристические методы, с помощью которых строится какое-то правдоподобное дерево по определенному алгоритму. Описанный ранее метод оценки качества дерева, как раз и нужен, например, для ответа на вопрос, какое из построенных деревьев лучше, или, куда поставить новую веточку при выращивании дерева.
В конце хотел бы рассказать об интересном применении деревьев. Посмотрим на эту карту расселения человечества по земле.
Если подумать, это не что иное, как дерево, нанесенное на карту земли, где листьями являются разные народы, а стрелки и их ветвление показывают, кто когда с кем разошелся. Эту карту так и сделали. Прочитали ДНК разных народов, построили дерево, приняли во внимание места исконного обитания и учли археологию. А время расставили, во-первых, по данным археологов, а во-вторых, зная, что у человека на поколение происходит около 80 мутаций и, зная число различий между ДНК разных народов, прикинули, сколько времени назад разделились их эволюционные пути.