Lange tijd bleef de vraag open hoe er als gevolg van willekeurige veranderingen (mutaties) in het genoom van levende wezens nieuwe informatie verschijnt. Wetenschappers waren echter nog steeds in staat om erachter te komen hoe de uitbreiding en aanvulling van het genoom plaatsvindt. Een van de belangrijkste mechanismen om nieuwe informatie te verkrijgen, is het proces van genduplicatie
Op de foto: Amerikaanse zeearend. Hij ziet de wereld in een breder scala aan kleuren dan een persoon.
Alexander Markov, doctor in de biologische wetenschappen, vooraanstaand onderzoeker van het paleontologische instituut van de Russische Academie van Wetenschappen, vertelt over hem.
Hoe stellen nieuwe ontdekkingen op het gebied van genetica ons in staat het mechanisme van het verschijnen van nieuwe genen en nieuwe eigenschappen in het lichaam te begrijpen?
- Een van de meest typische argumenten van mensen die evolutie ontkennen, klinkt als volgt: we kunnen ons niet voorstellen hoe nieuwe informatie kan ontstaan als gevolg van willekeurige mutaties in het genoom. Het lijkt velen intuïtief dat willekeurige wijzigingen die worden aangebracht, bijvoorbeeld in bepaalde tekst, geen nieuwe informatie kunnen opleveren. Ze kunnen alleen maar lawaai of chaos veroorzaken. Ondertussen is de wetenschap zich er tegenwoordig al heel goed van bewust hoe in de loop van de evolutie nieuwe informatie verschijnt in het genoom, nieuwe genen, nieuwe functies, nieuwe kenmerken in een organisme, enzovoort. En een van de belangrijkste mechanismen voor het ontstaan van nieuwe genetische informatie is de duplicatie van genen en de daaropvolgende verdeling van functies daartussen. Het idee is heel simpel: er was één gen, nu zijn er twee als gevolg van een willekeurige mutatie. In eerste instantie zijn de genen hetzelfde. En dan, als gevolg van de opeenstapeling van willekeurige mutaties in twee exemplaren van dit gen, worden ze iets anders, en is er een kans dat ze onderling functies zullen delen.
Geef een voorbeeld van het ontstaan van een nieuw gen
- Nu zijn er veel goed bestudeerde voorbeelden. Over het algemeen is dit idee zelf vrij oud, in de jaren dertig suggereerde de grote bioloog, geneticus John Haldwin, dat duplicatie, dat wil zeggen duplicatie van genen, een belangrijke rol speelt bij het ontstaan van evolutionaire innovaties. En de afgelopen jaren zijn er, in verband met de ontwikkeling van moleculaire genetica, het lezen van genomen, veel overtuigende voorbeelden verschenen, goede illustraties van hoe dit feitelijk gebeurt. Een van de helderste wordt geassocieerd met de evolutie van het kleurenzien bij zoogdieren, of liever, nog breder, bij gewervelde landdieren. Toen terrestrische gewervelde dieren voor het eerst verschenen, aan land kwamen in het Devoon, hadden ze nog het zogenaamde tetrochromatische zicht, dat opkwam op het niveau van vissen. Wat betekent het? Kleurwaarneming wordt bepaald door lichtgevoelige eiwitten van het netvlies - er zijn dergelijke kegelcellen,die verantwoordelijk zijn voor het zien van kleuren en in deze kegeltjes zitten lichtgevoelige eiwitten die opsins worden genoemd. De vis waaruit de gewervelde dieren zijn voortgekomen, en de eerste gewervelde landdieren, hadden vier van dergelijke opsins. Elke opsin is afgestemd op een specifieke golflengte.
Kunnen we zeggen dat vissen precies vier kleuren zien?
Promotie video:
- Dit betekent niet dat een bepaalde opsin alleen op een bepaalde golf reageert, het betekent dat een bepaalde golflengte deze opsin het meest opwekt, en hoe meer de golflengte verschilt, hoe zwakker het reageert. Het tetrachromatische kleurwaarnemingssysteem is een zeer goed systeem, het geeft een zeer duidelijk onderscheid tussen de schakeringen van het gehele spectrum en is bij veel moderne gewervelde dieren bewaard gebleven, bijvoorbeeld bij vogels. Vogels zijn goed in het onderscheiden van kleuren, blijkbaar beter dan wij. Velen kunnen in het ultraviolette bereik zien, sommige soorten hebben UV-patronen op hun verenkleed. En misschien vonden de vogels het systeem van kleuroverdracht van onze televisies en monitoren buitengewoon slecht. Omdat we een trichromatisch systeem gebruiken, waarbij drie kleuren worden gemengd, is onze visie op dezelfde manier gerangschikt. De vogel heeft er vier, niet drie.
Dat wil zeggen: mensen zien de wereld primitiever in vergelijking met vogels
- Vanuit het oogpunt van vogels zijn we een beetje kleurenblind. Bij mensen, zoals ik al zei, is het trichromatische systeem drie opsins, afgestemd op drie verschillende golven. Een voor blauw, een ander voor groen en de derde verschoof naar geel. Maar het meest interessante is dat andere zoogdieren, naast mensen en apen, een dichromatisch zicht hebben, ze hebben maar twee operaties. Ze hebben geen derde, die het dichtst bij het rode uiteinde van het spectrum ligt, en daarom onderscheiden ze blauw van groen, maar ze onderscheiden niet groen van rood. Hoe is het tot stand gekomen? Waarom verloren zoogdieren twee operaties?
Het is bekend dat de voorouders er vier hadden en dat zoogdieren er twee hebben. Blijkbaar hield het verlies van twee operaties verband met het feit dat zoogdieren aan het begin van hun geschiedenis overschakelden op een nachtelijke levensstijl. Waarom zijn ze overgestapt op een nachtelijke levensstijl? Dit was te wijten aan de wisselvalligheden van een lange competitie tussen de twee belangrijkste evolutionaire lijnen van gewervelde landdieren. Deze lijnen worden synapsid en diapsid genoemd. De synapsid-lijn bestaat uit dierachtige hagedissen, dierachtige reptielen. En deze groep was dominant onder gewervelde landdieren in de oudheid, in de Perm-periode, meer dan 250 miljoen jaar geleden. Toen, in het Trias, hadden ze sterke concurrenten, vertegenwoordigers van de diapsid-lijn. Bij moderne dieren behoren alle reptielen, krokodillen, hagedissen en vogels tot de diapsid-lijn. In de Trias-periode verschenen actieve roofdieren die snel renden, ook op twee benen. Diapsid-reptielen, krokodillen begonnen onze voorouders van synapsid-of dierentand-reptielen te verdringen. En deze wedstrijd eindigde aanvankelijk niet in het voordeel van onze voorouders. Aan het einde van de Trias-periode verschenen snel lopende diapsid-reptielen, ze baarden een nieuwe groep, een nieuwe groep kwam van hen - dinosaurussen, die gedurende een zeer lange tijd de dominante roofdieren en herbivoren overdag op de hele planeet werden. Ze bezetten alle nissen overdag, nissen voor dieren in de grote klasse. Aan het einde van de Trias-periode verschenen snel lopende diapsid-reptielen, ze baarden een nieuwe groep, een nieuwe groep kwam van hen - dinosaurussen, die gedurende een zeer lange tijd de dominante roofdieren en herbivoren overdag op de hele planeet werden. Ze bezetten alle nissen overdag, nissen voor dieren in de grote klasse. Aan het einde van de Trias-periode verschenen snel lopende diapsid-reptielen, ze baarden een nieuwe groep, een nieuwe groep kwam van hen - dinosaurussen, die gedurende een zeer lange tijd de dominante roofdieren en herbivoren overdag op de hele planeet werden. Ze bezetten alle nissen overdag, nissen voor dieren in de grote klasse.
De synapsid-lijn werd gedwongen de nacht in te gaan, ondergronds, ze verpletterden. In de Perm-periode waren er gigantische synapsid-reptielen, tegen het einde van het Trias bleef er nog een klein ding over. Tegelijkertijd, aan het einde van het Trias, werd het proces van de zogenaamde zoogdierisering van synapsid-reptielen voltooid, dat wil zeggen, ruwweg gesproken, de eerste zoogdieren verschenen. Alle andere synapsid-reptielen stierven uit, en één groep werd zoogdieren en ze overleefden. Maar ze overleefden en werden klein en nachtelijk. Gedurende het Jura- en Krijt-tijdperk waren zoogdieren nachtdieren - ze zagen eruit als een soort spitsmuizen, muizen. Omdat ze nachtdieren waren, werd kleurenzien voor hen bijna nutteloos. Omdat de kegels 's nachts nog steeds niet werken, kon natuurlijke selectie geen vier beschrijvende, tetrochromatische visie ondersteunen,omdat die visie niet nodig was.
Natuurlijke selectie kan niet in de toekomst kijken, het werkt als volgt: je gebruikt het gen, of je verliest het. Als het gen hier en nu niet nodig is, dan worden de mutaties die ontstaan en bederven niet door selectie geëlimineerd en faalt het gen vroeg of laat.
Het verlies van genen is waarschijnlijk gericht op het behouden van eventuele krachten in het lichaam, op maximale economie, maximale efficiëntie, dat wil zeggen dat niets in ons lichaam inactief mag zijn
- In principe is dit natuurlijk zuinigheid - overtollig eiwit wordt niet gesynthetiseerd. Ik moet zeggen dat er over het algemeen veel overtollige eiwitten in het lichaam worden aangemaakt, die overbodig zijn geworden, maar nog geen tijd hebben gehad om af te sterven, dit gaat niet zo snel, maar uiteindelijk wel. Aanvankelijk dacht men dat beide opsin-genen door de voorouders van zoogdieren of de eerste zoogdieren zeer snel en praktisch tegelijkertijd verloren gingen. Nu in het genoom van het vogelbekdier - en dit is een vertegenwoordiger van de meest primitieve zoogdieren, is er een van de verloren genen. Dat wil zeggen, het vogelbekdier heeft nog drie opsins, terwijl meer geavanceerde zoogdieren er maar twee hebben. De genen gingen dus op hun beurt verloren. De gemeenschappelijke voorouder van zoogdieren had nog steeds drie operaties, en placenta en buideldieren, met uitzondering van het ovipaar vogelbekdier en de echidna, slechts twee operaties.
Hoe kregen onze voorouders, apen, dan hun trichromatische visie terug? En hier werkte het genduplicatiemechanisme gewoon. Toen het tijdperk van de dinosauriërs ten einde was en zoogdieren weer overdag konden worden, bleven ze bij hun dichromatische visie, omdat de verloren genen nergens konden worden meegenomen.
En dit gaat door bij de meeste groepen zoogdieren, hoewel het voor hen nuttig zou zijn om kleuren te onderscheiden, maar het gen kan nergens heen. Maar de voorouders van de apen uit de Oude Wereld hadden geluk. Ze lieten een van de resterende twee opsin-genen dupliceren, dupliceren en natuurlijke selectie stemde snel twee kopieën van het resulterende gen af op verschillende golflengten. Er waren maar drie mutaties voor nodig - drie aminozuren in een eiwit vervangen, een vrij kleine verandering. Een kleine operatie, waardoor de golflengte waarop een van de opsins reageert, is verschoven naar de rode kant. Dit is voor ons voldoende om onderscheid te kunnen maken tussen rood en groen. Dit maakte het voor de voorouders van de eerste apen van de Oude Wereld mogelijk om over te schakelen op het eten van fruit en vers gebladerte in tropische bossen: het is erg belangrijk om rood van groen te onderscheiden,rijpe vruchten van onrijpe en jonge bladeren van oude bladeren.
Maar dit gebeurde alleen met de apen van de Oude Wereld. Dit is een gelukkige gebeurtenis - de duplicatie van het gen vond plaats in de voorouders van de apen van de Oude Wereld nadat Amerika zich had afgescheiden van Afrika en zwom, tussen hen was de Atlantische Oceaan. Amerikaanse apen hadden pech en de meesten van hen bleven achter met een dichromatisch zicht. En zo leven ze nog steeds. Natuurlijk zou het voor hen ook handig zijn om rood van groen fruit te onderscheiden, maar wat kun je doen als er geen gen is.
Het blijkt dat de apen van de Nieuwe Wereld geen onderscheid maken tussen rood en groen, fouten maken, iets eten?
- Het blijkt zo te zijn. Misschien is dat waarom de apen van de Oude Wereld mensen werden, en de apen van de Nieuwe Wereld niet.
Auteur: Olga Orlova
