Dolgo časa je vprašanje, kako zaradi naključnih sprememb (mutacij) v genomu živih bitijo nove informacije, ostalo odprto. Vendar so znanstveniki še vedno lahko ugotovili, kako poteka širitev in dopolnitev genoma. Eden najpomembnejših mehanizmov za pridobivanje novih informacij je postopek podvajanja genov
Na fotografiji: Plešasti orel. Svet vidi v širši paleti barv kot človek.
O njem govori Aleksander Markov, doktor bioloških znanosti, vodilni raziskovalec Paleontološkega inštituta Ruske akademije znanosti.
Kako nam nova odkritja na področju genetike omogočajo razumevanje mehanizma pojava novih genov in novih lastnosti v telesu?
- Eden najbolj tipičnih argumentov ljudi, ki zanikajo evolucijo, zveni nekako takole: ne moremo si predstavljati, kako lahko nastanejo nove informacije kot posledica naključnih mutacij v genomu. Mnogim se intuitivno zdi, da naključne spremembe, na primer v neko besedilo, ne morejo ustvariti novih informacij. Prinašajo lahko le hrup ali kaos. Medtem pa se danes znanost že zelo dobro zaveda, kako se med evolucijo v genomu pojavljajo nove informacije, novi geni, nove funkcije, nove značilnosti v organizmu itd. In eden najpomembnejših mehanizmov za nastanek novih genetskih informacij je podvajanje genov in kasnejša delitev funkcij med njimi. Ideja je zelo preprosta: obstajal je en gen, zdaj sta dva naključna mutacija. Sprva so geni enaki. In potem zaradi kopičenja naključnih mutacij v dveh izvodih tega gena postanejo nekoliko drugačne in obstaja možnost, da si bodo funkcije delile med seboj.
Navedite primer nastanka novega gena
- Zdaj je veliko dobro preučenih primerov. Na splošno je ta ideja že precej stara, že v tridesetih letih prejšnjega stoletja je velik biolog, genetik John Haldwin predlagal, da podvajanje, torej podvajanje genov, igra pomembno vlogo pri nastanku evolucijskih inovacij. In v zadnjih letih se je v zvezi z razvojem molekularne genetike, branjem genomov pojavilo veliko prepričljivih primerov, dobrih ilustracij, kako se to dejansko dogaja. Eden najsvetlejših je povezan z evolucijo barvnega vida pri sesalcih ali bolje rečeno še širše pri kopenskih vretenčarjih. Ko so se zemeljski vretenčarji prvič pojavili in pristali v devonskem obdobju, so še vedno imeli tako imenovani tetrokrokatski vid, ki je nastal na ravni rib. Kaj to pomeni? Barvni vid določajo svetlobe občutljive beljakovine mrežnice - obstajajo takšne stožčaste celice oz.ki so odgovorni za barvni vid in v teh stožcih so na svetlobe občutljive beljakovine, imenovane opsini. Ribe, iz katerih so se razvili vretenčarji, in prvi kopenski vretenčarji so imeli štiri takšne opine. Vsak opsin je nastavljen na določeno valovno dolžino.
Ali lahko rečemo, da ribe vidijo točno štiri barve?
Promocijski video:
- To ne pomeni, da dani opsin reagira samo na dani val, to pomeni, da določena valovna dolžina to najbolj vzbudi, in bolj ko se valovna dolžina razlikuje, šibkeje reagira. Sistem tetrakromatičnega barvnega vida je zelo dober sistem, zelo jasno razlikuje odtenke celotnega spektra, pri mnogih sodobnih vretenčarjih pa se je ohranil, na primer pri pticah. Ptice se odlično ločijo po barvah, očitno boljše kot mi. Številne lahko opazimo v ultravijoličnem območju, nekatere vrste imajo na svoji slivi UV vzorce. In morda so ptičem sistem prenosa barv na naših televizorjih in monitorjih našli izjemno slab. Ker uporabljamo trihromatski sistem z mešanjem treh barv - je naš vid urejen na enak način. Ptica ima štiri, ne tri.
To pomeni, da ljudje v primerjavi s pticami vidijo svet bolj primitiven
- Z vidika ptic smo malo barvno slepi. Pri ljudeh je, kot sem rekel, trihromatski sistem trije opsini, uglašeni na tri različne valove. Eden za modro, drugi za zeleno in tretji, premaknjen proti rumeni barvi. Najbolj zanimivo pa je, da imajo drugi sesalci poleg ljudi in opic tudi dikromatičen vid, imajo samo dva opina. Nimajo tretjine, ki je najbližje rdečemu koncu spektra, zato razlikujejo modro od zelene, zelene pa ne ločijo od rdeče. Kako je nastalo? Zakaj so sesalci izgubili dva opina?
Znano je, da so jih predniki imeli štiri, sesalci pa dva opina. Očitno je bila izguba dveh opsinov povezana z dejstvom, da so sesalci na začetku svoje zgodovine prešli na nočni življenjski slog. Zakaj so prešli na nočni življenjski slog? Razlog za to je bilo dolgoletno tekmovanje dveh glavnih evolucijskih linij kopenskih vretenčarjev. Te vrstice, imenujemo jih sinapsid in diapsid. Sinapsidna linija je živalim podobnim kuščarjem, živalim podobnim plazilcem. In ta skupina je bila v starodavnih časih, v permijskem obdobju, pred več kot 250 milijoni let, prevladovala med kopenskimi vretenčarji. Nato so imeli v triasnem obdobju močne tekmece, predstavnike diapsidne linije. Pri sodobnih živalih vsi plazilci, krokodili, kuščarji in ptice spadajo v diapsidno linijo. V triasnem obdobju so se pojavili aktivni plenilci, ki hitro tečejo, tudi na dveh nogah. Diapsidni plazilci, krokodili so začeli izpodrivati naše prednike sinopsidne ali živalske plazilce. In to tekmovanje se je sprva končalo ne v prid našim prednikom. Konec triasnega obdobja so se pojavili hitro tekoči diapsidni plazilci, rodili so novo skupino, iz njih je nastala nova skupina - dinozavri, ki so zelo dolgo postali prevladujoči dnevni plenilci in rastlinojedi na vsem planetu. Zasedli so vse dnevne niše, živalske niše v velikem razredu. Konec triasnega obdobja so se pojavili hitro tekoči diapsidni plazilci, rodili so novo skupino, iz njih je nastala nova skupina - dinozavri, ki so zelo dolgo postali prevladujoči dnevni plenilci in rastlinojedi na vsem planetu. Zasedli so vse dnevne niše, živalske niše v velikem razredu. Konec triasnega obdobja so se pojavili hitro tekoči diapsidni plazilci, rodili so novo skupino, iz njih je nastala nova skupina - dinozavri, ki so zelo dolgo postali prevladujoči dnevni plenilci in rastlinojedi na vsem planetu. Zasedli so vse dnevne niše, živalske niše v velikem razredu.
Sinapsidna črta je bila prisiljena iti v noč, pod zemljo so se podrli. V permskem obdobju so bili velikanski sinaptični plazilci, do konca triasnega obdobja je ostala ena malenkost. Hkrati se je ob koncu triasnega obdobja zaključil postopek tako imenovane sesalcev sinapsidnih plazilcev, to so, grobo rečeno, pojavili prvi sesalci. Vsi drugi sinopsidni plazilci so izumrli, ena skupina pa je postala sesalce in so preživeli. Toda preživeli so in postali majhni in nočni. Ves čas jurskega in krednega obdobja so bili sesalci nočni - izgledali so kot nekakšne grme, miši. Ker so bili nočni, jim je barvni vid postal skoraj neuporaben. Ker stožci še vedno ne delujejo ponoči, naravna selekcija ne bi mogla podpirati štirih opisnih, tetrokromatičnih vidov,ker ta vizija ni bila potrebna.
Naravna selekcija ne more gledati v prihodnost, deluje pa tako: ali uporabite gen, ali ga izgubite. Če gen tukaj in zdaj ni potreben, se mutacije, ki nastanejo in pokvarijo, ne odstranijo z izbiro in gen prej ali slej propade.
Izguba genov je verjetno namenjena ohranjanju kakršnih koli sil v telesu, pri največji ekonomičnosti, največji učinkovitosti, torej nič ne bi smelo delovati v prostem teku v našem telesu
- Načeloma ja, seveda, to je ekonomija - odvečni beljakovine se ne sintetizirajo. Moram reči, da se na splošno v telesu sintetizira veliko odvečnih beljakovin, ki so postale nepotrebne, a še niso imele časa, da bi odmrle, to se ne zgodi tako hitro, ampak na koncu se to zgodi. Sprva je veljalo, da sta oba opsina gena predniki sesalcev ali prvi sesalci izgubila zelo hitro in praktično hkrati. Zdaj je v genomu platiša - in to je predstavnik najbolj primitivnih sesalcev - eden od izgubljenih genov. To pomeni, da ima platišče še tri opice, medtem ko imajo naprednejši sesalci le dva. Geni so bili izgubljeni, torej po vrsti. Navadni prednik sesalcev je imel še vedno tri opsine, posteljice in marsupials, razen jajčnih platišč in echidna, le dva opina.
Kako so torej naši predniki, opice, ponovno dobili svojo trihromatsko vizijo? In tukaj je mehanizem podvajanja genov pravkar deloval. Ko se je doba dinozavrov končala in so sesalci spet lahko postali dnevnice, so ostali pri svojem dikromatskem vidu, saj izgubljenih genov ni bilo nikjer več.
In to se nadaljuje pri večini skupin sesalcev, čeprav bi bilo koristno, da bi razlikovali barve, vendar gena nikamor ne vzamejo. Toda predniki opic Starega sveta so imeli srečo. Imeli so enega od preostalih dveh genov oppsina, ki so bili podvojeni, podvajani in naravna selekcija je hitro prilagodila dve kopiji nastalega gena na različne valovne dolžine. Za to so bile potrebne le tri mutacije - zamenjava treh aminokislin v beljakovini, kar je precej majhna sprememba. Majhna operacija, zaradi katere se je valovna dolžina, na katero reagira eden od opsinov, premaknila na rdečo stran. To je dovolj, da lahko razlikujemo med rdečo in zeleno. To je omogočilo, da so predniki prvih opic starega sveta v tropskih gozdovih prešli na uživanje sadja in svežega listja: zelo pomembno je razlikovati rdečo od zelene oz.zreli sadeži iz nezrelih in mladi listi iz starih listov.
A to se je zgodilo le opicam starega sveta. To je srečen dogodek - podvajanje gena se je zgodilo v prednikih opic Starega sveta, potem ko se je Amerika ločila od Afrike in plavala, med njimi je bil Atlantski ocean. Ameriške opice niso bile srečne in večina jih je ostala dihromatična. In še vedno živijo tako. Seveda bi bilo koristno tudi, če bi razlikovali rdeče od zelenih plodov, ampak kaj lahko storite, če gena ni.
Se izkaže, da opice Novega sveta ne ločijo med rdečo in zeleno, delajo napake, jeste kaj?
- Izkazalo se je tako. Mogoče so zato opice Starega sveta postale ljudje, opice Novega sveta pa ne.
Avtor: Olga Orlova