Как измерить родство?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Что такое далеко и что такое близко? От хомяка до крысы далеко или близко? А от лошади до верблюда? На карте животного мира — чем измерить расстояние между различными видами? Обезьяна и человек. Волк и собака. Колибри и орел. Кит и бык. В чем мера их родства? Зоологи отвечают на этот вопрос, скрупулезно описывая различные признаки живых существ. Успехи молекулярной биологии открывают тут новые возможности. Речь пойдет об очень изящном и тонком эксперименте. И — остроумном, но об этом чуть позже. Наследственная информация (признаки живых организмов, передающиеся из поколения в поколение) записана в нитях ДНК, хранящихся в ядрах клеток. Так нельзя ли,— решили американские ученые Б. Хойер, Б. Мак Карти и Е. Болтон, — сравнить сами структуры ДНК?

На эту мысль их натолкнуло устройство молекулы ДНК. Вспомните: вдоль длинной нити ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), располагаясь в определенном порядке, чередуются четыре так называемые основания: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Словно ниточка бусинок четырех цветов — красного, желтого, синего и зеленого.

Наследственная информация и зашифрована в порядке того, как чередуются бусинки разного цвета: красный, красный, желтый, зеленый, синий, синий, синий… Участок из тысячи, а, может быть, и больше идущих подряд бусинок-оснований — это и есть, как считает современная наука, запись одного какого-либо свойства организма: состав какого-то одного белка и т. д.

Но молекула ДНК состоит не из одной, а из двух нитей, скрепленных слабыми водородными связями и закрученных в спираль наподобие винтовой лестницы. Причем основания в одной и другой нити связаны между собой не как попало. Аденину, скажем, в левой нити всегда соответствует тимин в правой. А гуанину — цитозин. Красный — желтый. Синий — зеленый.

Значит, две любые нити не могут соединиться в одну молекулу. Для этого нужно, чтобы они были зеркальными копиями друг друга. Синий, желтый, желтый, красный, зеленый, красный, красный — в другой будет: зеленый, красный, красный, желтый, синий, желтый, желтый.

Вот тут и родилась идея остроумного эксперимента: воспользоваться парностью нитей в молекуле ДНК и разделить их. А потом собирать молекулу по своему желанию — из самых различных нитей. И если взять ДНК от животных разных видов, то тогда их родство можно измерить числом соединившихся бусинок-оснований.

Проводился эксперимент так. Раствор со спиралями ДНК, взятой из клеток мышей, нагревался. Спирали от этого раскручивались, слабые связи в них разрушались и нити оказывались разделенными. Тогда исследователи смешивали их с веществом, которое, охлаждаясь, переходит в желеобразное состояние. В этом желе нити теряли подвижность и не могли, восстанавливая водородные связи, снова объединяться в молекулы. Наконец, плотную массу желе дробили на отдельные комочки, насыщенные мышиной ДНК. Затем ученые приготовляли вторую порцию обособленных нитей мышиной ДНК. Однако эти нити не заделывались в желе. Их просто рассекали на короткие части.

Теперь начиналось самое интересное. Комочки желе и кусочки свободной ДНК смешивались. Небольшие размеры кусочков позволяли им проникать внутрь желе. И всякий раз, когда они сталкивались с участками нитей, где бусинки-основания были расположены в сходном порядке, они крепко с ними связывались.

Между тем, состав второй порции ДНК был не простым: экспериментаторы с самого начала включали в него радиоактивный углерод. И теперь, пользуясь радиоактивной меткой, они могли довольно точно оценивать, много ли нашлось в обоих порциях ДНК сходных участков генетического кода. При лучших условиях примерно 25 процентов разрушенной мышиной ДНК соединялось с нитями в желе.

Однако все это было лишь подготовкой: разработкой метода, контрольным этапом исследования. А 25 процентов — своего рода эталоном: как много получается соединений, если ДНК взята от животных одного вида.

Затем ученые стали соединять нуклеиновую кислоту от животных разных видов. Как и можно было предсказать, мышиная ДНК хорошо комбинировалась с ДНК других грызунов, например, крыс или хомяков.

Между ДНК обезьян и лошадей обнаружилось очень мало сродства. Человеческая и мышиная ДНК продемонстрировали умеренный интерес друг к другу, слабый интерес к ДНК лосося и почти никакого к бактериальной.

Рыбы — позвоночные животные. В их генетическом коде есть некоторое количество отрезков, унаследованных ими от примитивных рыб, которые — одновременно — были предками наземных позвоночных. Эти животные и рыбы — две эволюционные линии, расходящиеся из одной точки. Так и объясняется существование сходных отрезков в их генетических структурах. Когда фрагменты ДНК человека соединяли с ДНК лосося, они, по-видимому, находили себе подходящие отрезки кода, которые контролируют такие общие свойства, как гемоглобин крови или внутренний скелет.

Мыши принадлежат к млекопитающим, и у них есть еще больше общего с человеком: теплая кровь, шерсть, сходная система размножения и т. д. Отсюда и большее число соответствий между ДНК человека и мышей.

В мире приматов обезьяны так близки к человеку, что сходными должны были бы быть длинные отрезки их генетического кода. И действительно, ДНК человека соединялась с ДНК от макаки резус почти так же сильно, как и с человеческой. Самые важные различия между человеком и обезьяной, утверждают исследователи, не могут быть обнаружены при помощи их метода ДНК-соответствий.

Автор: Г. Зеленко.