Как выглядит полное генеалогическое древо, показывающее родственные взаимоотношения между человеком, ныне живущими человекообразными обезьянами и их вымершими предками? В частности, какая из современных человекообразных обезьян — наш ближайший родственник?
Когда разошлись наши пути с нашими ближайшими родственниками (кем бы они ни были)?
Насколько наш генетический код совпадает с генетическим кодом наших ближайших родственников?
Во-первых, было бы естественным предположить, что на первый из этих трех вопросов уже дала ответ сравнительная анатомия. Мы особенно похожи на шимпанзе и горилл, но отличаемся от них по ряду очевидных признаков, таких как более крупный мозг, прямохождение и гораздо более редкий волосяной покров а также по множеству куда более незначительных черт. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что эти признаки не играют особой роли. Ученые, в зависимости от того, какие признаки они считают самыми важными и как их интерпретируют, придерживаются одной из двух точек зрения. Одни — таких меньшинство — считают, что мы ближе всего к орангутангам, а ветвь, к которой принадлежат гориллы и шимпанзе, отошла от общего ствола раньше, чем мы отделились от орангутангов. Приверженцы другой, наиболее распространенной точки зрения, считают, что наши ближайшие родственники — шимпанзе и гориллы, а предки орангутангов пошли своим путем.
Большинство приверженцев последней теории всегда считало, что у горилл и шимпанзе гораздо больше общего между собой, чем у каждого из этих родов — с Homo sapiens. Таким образом, по их мнению, человеческая ветвь эволюции ответвилась от общего «ствола» раньше, чем разделились ветви горилл и шимпанзе. Такой вывод отражает общепринятую точку зрения: гориллы и шимпанзе относятся к «обезьянам», а мы представляем собой нечто другое. Однако вполне возможно, что мы настолько отличаемся от горилл и шимпанзе лишь потому, что они не слишком изменились со времени нашего происхождения от общего предка. Человек же претерпел огромные изменения по ряду важных и очень заметных признаков, таких как появление прямохождения и увеличение размеров мозга. В этом случае возможно, что человек ближе всего к гориллам, или к шимпанзе, или что человек, горилла и шимпанзе примерно одинаково отстоят друг от друга по строению генома.
Таким образом, споры анатомов по поводу нашего первого вопроса — ветвей нашего генеалогического древа — продолжаются Однако, какой бы вариант генеалогического древа мы ни выбрали, анатомические исследования не дают ответа на остальные два вопроса - о времени ответвления нашей ветви эволюции и о генетическом расстоянии между обезьянами и человеком. Исследование палеонтологических находок, в принципе, может помочь в восстановлении полного генеалогического древа приматов, пусть и без генетического расстояния. То есть, если бы у нас было достаточное количество палеонтологического материала, появилась бы надежда собрать серию датированных ископаемых останков первобытных людей и такую же серию датированных ископаемых останков первобытных шимпанзе, причем полученные ветви эволюционного древа сходились бы на общем предке в районе десяти миллионов лет назад, а полученная ветвь, в свою очередь, сходилась бы с ветвью, построенной по серии датированных ископаемых останков первобытных горилл, около двенадцати миллионов лет назад. Увы, надеждам на то, что ископаемые останки откроют долгожданную истину, не суждено было сбыться: исследователям не удалось найти в Африке никаких ископаемых останков человекообразных обезьян, живших в рассматриваемый период (от 5 до 14 миллионов лет назад).
Ответ на вопрос о нашем происхождении пришел с неожиданной стороны: из молекулярно-биологических исследований в области таксономии птиц. Около тридцати лет назад молекулярные биологи начали понимать, что химические вещества, эти «кирпичики» животных и растений, могут служить в качестве «часов», по которым можно определять генетическое расстояние и время расхождения ветвей эволюции. Принцип состоит в следующем. Предположим, есть определенные молекулы, которые присутствуют у всех видов и чья структура у каждого вида определена генетически. Далее, предположим, что эта структура, медленно изменяется на протяжении миллионов лет благодаря генетическим мутациям, а скорость изменения одинакова у всех видов. У двух видов, произошедших от общего предка, первоначальная структура молекул будет идентичной» унаследованной от этого предка. Но затем мутации в этих двух видах происходят независимо, что приводит к структурному различию молекул. Таким образом, различия в структуре "версий" молекул, присущих этим двум видам, будут постепенно увеличиваться. Будь известно, сколько изменений молекулярной структуры в среднем происходит за 1 миллион лет, можно было бы использовать текущие различия в структуре молекул между любыми двумя родственными видами животных в качестве «часов, и по ним определять время, прошедшее с момента происхождения этих видов от общего предка.
Допустим, например, что по палеонтологическим материалам известно: львы и тигры «разделились» 5 миллионов лет назад. Далее предположим, что структура некой молекулы у львов на 99 процентов соответствует структуре аналогичной молекулы у тигров и отличается Только на 1 процент. Таким образом, если взять пару видов, палеонтологических свидетельств эволюции которых не сохранилось, и выяснить, что структура этой молекулы у них отличается на 3 процента, по молекулярным часам можно определить, что дивергенция признаков у этих двух видов началась трижды пять, то есть пятнадцать, миллионов лет назад.
Хотя на бумаге схема выглядит красиво, биологам пришлось потратить немало усилий на доказательство ее практической применимости. Прежде чем применять метод молекулярных часов, необходимо было сделать четыре вещи. Во-первых, ученым надо было найти наиболее подходящую молекулу; во-вторых, выработать способ быстрого измерения изменений молекулярной структуры; в-третьих, доказать точность молекулярных часов (т. е. что эволюция молекулярной структуры происходит с одинаковой скоростью у всех исследуемых видов); и в-четвертых, измерить эту скорость.
Первые две проблемы молекулярная биология решила к 1970 году. Лучшей молекулой оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно — ДНК). Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик показали, что ее молекулярная структура представляет собой двойную спираль, и это открытие произвело революцию в генетике ДНК состоит из двух комплементарных и чрезвычайно длинных цепочек. Звенья этих цепочек — небольшие молекулы четырех видов, и в их последовательности закодирована вся генетическая информация, передающаяся от родителей к потомству Быстрый способ оценки изменений структуры ДНК заключается в смешивании ДНК двух видов и последующем определении на сколько градусов точка плавления смешанной (гибридной) ДНК ниже точки плавления ДНК от одного вида.
Этот метод обычно называют гибридизацией ДНК. Оказывается, понижение температуры плавления ДНК на 1 градус по Цельсию (сокращенно: ΔT=1°C) означает, что структура ДНК двух видов различается приблизительно на 1 процент.
В 1970-х биологи-молекулярщики и систематики в большинстве своем не интересовались научными изысканиями друг друга. Одним из немногих систематиков, оценившим потенциал новой методики — гибридизации ДНК — был Чарльз Сибли, орнитолог, тогда находившийся в должности профессора орнитологии и директора Музея естественной истории имени Пибоди Йельского университета. Сложность исследований в области систематики птиц объясняется анатомическими ограничениями, связанными со способностью к полету. Для птиц, отличающихся схожим поведением (например, способных ловить насекомых в полете) существует ограниченное число вариантов анатомического строения, и в результате птицы с похожим поведением отличаются одними и теми же особенностями анатомии, независимо от их происхождения. Вот другой яркий пример: американские грифы выглядят и ведут себя практически так же, как грифы Старого Света, однако биологи пришли к выводу, что первые являются родственниками аистов, а вторые — коршунов, а их сходство объясняется одинаковым жизненным поведением. Устав бороться с недостатками традиционных методов расшифровки родственных связей птиц, в 1973 году Сибли и Джон Алквист решили применить метод ДНК-часов. По сей день их исследования являются примером наиболее широкого применения молекулярно-биологических методов в систематике. Результаты этих исследований Сибли и Алквист начали публиковать только в 1980 году. В ходе работ при помощи метода ДНК-часов было исследовано около 1700 видов птиц — а это почти пятая часть всего видового разнообразия птиц!