Тірі организмдердегі молекулалық эволюция
Эволюция көбінесе тірі ағзалардың физикалық түрінің ұрпақтар бойы өзгеруі ретінде түсініледі. Дегенмен, бұл көрінетін өзгерістердің астында әлдеқайда нәзік және іргелі процесс жатыр: молекулалық деңгейдегі өзгерістер. Бұл молекулалық эволюция деп аталады, бұл генетикалық материал - ДНҚ және РНҚ - организмдер популяцияларында уақыт өте келе өзгеретін процесс. Молекулалық эволюция генетикалық вариацияның қалай пайда болатынын, тұқым қуалайтынын және содан кейін табиғи сұрыптау, генетикалық дрейф және популяциялар арасындағы гендердің қозғалысы сияқты механизмдер арқылы қалай жетілдірілетінін түсіндіреді. Молекулалық эволюцияны түсіну арқылы біз тіршілік тарихын бақылай аламыз, түрлер арасындағы қарым-қатынастарды көре аламыз және антибиотиктерге төзімділік немесе экстремалды ортаға бейімделу сияқты жаңа белгілердің пайда болуын түсіне аламыз.
Молекулалық эволюция негіздері
Барлық тірі организмдерде генетикалық ақпарат ДНҚ-дағы (немесе кейбір вирустардағы РНҚ-дағы) нуклеотидтік негіздердің тізбегінде сақталады. Организмдер көбейген кезде ДНҚ көшірілуі керек. Бұл көшіру процесі әдетте өте дәл, бірақ мінсіз емес. Репликация кезінде пайда болатын шағын қателіктер мутацияларды, яғни нуклеотидтік тізбектегі өзгерістерді тудыруы мүмкін. Мутациялар молекулалық эволюцияның негізгі шикізаты болып табылады, себебі олар ақуыз функциясына, гендік реттеуге немесе геномның тұрақтылығына әсер етуі мүмкін жаңа генетикалық вариацияларды жасайды.
Мутациялардан басқа, генетикалық вариация рекомбинациядан (жыныс жасушаларының түзілуі кезінде ДНҚ сегменттерінің алмасуынан), геннің дупликациясынан (геннің жаңа көшірме алу үшін дупликациялануы) және көлденең ген трансфертінен (бактерияларда жиі кездесетін, тікелей туыс емес организмдер арасында гендердің ауысуы) туындауы мүмкін. Осы механизмдердің барлығы табиғатқа популяциялардағы белгілердің вариациясын қалыптастыру үшін «тәжірибелік кеңістік» береді.
Мутациялар: молекулалық деңгейдегі өзгеріс көздері
Мутацияларды әртүрлі формаларға жіктеуге болады. Нүктелік мутациялар (бір нуклеотидтің өзгеруі), инсерциялар (нуклеотидтердің қосылуы), делециялар (нуклеотидтердің жоғалуы) және хромосомалық инверсиялар немесе транслокациялар сияқты үлкен өзгерістер бар. Мутациялардың әсері де әртүрлі. Кейбір мутациялар бейтарап, организмнің қызметінде айтарлықтай өзгеріс тудырмайды. Басқалары зиянды, себебі олар маңызды ақуыздардың қызметін бұзады, ал аз саны пайдалы, себебі олар белгілі бір ортада тіршілік ету және көбею мүмкіндігін арттырады.
Қызығы, көптеген молекулалық өзгерістер ешқандай көрінетін әсерлерсіз жүреді. Бұл ДНҚ деңгейіндегі эволюцияның көп бөлігі бейтарап, фенотипке айтарлықтай әсер ететін және селективті артықшылық беретін кейде болатын өзгерістер туралы идеяға сәйкес келеді. Сондықтан, молекулалық эволюция көбінесе ұзақ уақыт бойы шағын өзгерістердің жинақталуы ретінде жүреді.
Табиғи сұрыпталу, генетикалық дрейф және бейтарап эволюция
Генетикалық вариация пайда болғаннан кейін, оның тағдырын бірнеше эволюциялық күштер анықтайды. Ең танымалы - табиғи сұрыптау, бұл белгілі бір вариациялары бар даралардың тірі қалуы немесе көбеюі ықтималдығы жоғары процесс. Молекулалық деңгейде табиғи сұрыптау пайдалы мутацияларды сақтай алады - мысалы, антибиотиктердің енуін қиындататын бактериялық мембраналық ақуыздардағы өзгерістер - немесе жасуша қызметін бұзатын зиянды мутацияларды жоя алады.
Дегенмен, эволюция әрқашан сұрыптаумен басқарыла бермейді. Генетикалық дрейф те орын алады, бұл аллель жиіліктерінің кездейсоқ өзгеруі, әсіресе шағын популяцияларда. Мұндай жағдайларда бейтарап мутациялар пайдалы болғандықтан емес, кездейсоқтық салдарынан кең таралған немесе тіпті бекітілген болуы мүмкін. Қазіргі эволюциялық биологияда танымал молекулалық эволюцияның бейтарап теориясының тұжырымдамасында көптеген молекулалық өзгерістер генетикалық дрейф арқылы таралатын бейтарап мутациялар басым екені айтылған.
Молекулалық өзгерістердің бейтарап болуы мүмкін екенін түсіну өте маңызды. Бұл екі түрдің ДНҚ-да көптеген айырмашылықтары болуы мүмкін екенін, бірақ морфологиялық жағынан ұқсас болып көрінетінін немесе керісінше, пішіні бойынша үлкен айырмашылықтары бар, бірақ талданатын гендердегі молекулалық айырмашылықтары салыстырмалы түрде аз болатынын түсіндіруге көмектеседі.
Гендердің дупликациясы мен биологиялық инновацияның рөлі
Молекулалық эволюцияның ең күшті механизмдерінің бірі - геннің дупликациясы. Ген дупликацияланған кезде организмде екі көшірме болады: бір көшірме өзінің бастапқы функциясын сақтай алады, ал екінші көшірме өзінің негізгі функциясына нұқсан келтірмей мутацияға еркін ұшырайды. Уақыт өте келе бұл қосымша көшірме жаңа функцияларға ие болуы мүмкін (неофункционализация) немесе ескі функцияны бөлшектеуі мүмкін (субфункционализация).
Организмдер геномдарындағы көптеген ірі гендік отбасылар — мысалы, сүтқоректілердегі иіс сезу рецепторларының гендерінің немесе эмбриондық дамуды реттейтін гендердің — қайталанатын дупликациялар арқылы пайда болған деп есептеледі. Бұл процесс биологиялық күрделіліктің пайда болуына жол ашты: организмдер күрделі гендік реттеу жүйелерін, әртүрлі иммундық жауаптарды немесе тиімдірек метаболикалық стратегияларды дамыта алады.
Көлденең гендерді тасымалдау: микроорганизмдердегі жылдам эволюция
Бактериялар мен археялар сияқты организмдерде молекулалық эволюция тек тік шығу тегі (ата-анадан ұрпаққа) арқылы ғана емес, сонымен қатар көлденең гендердің берілуі арқылы да жүреді. Гендер плазмидалар, бактериялық вирустар (бактериофагтар) немесе қоршаған ортадан бос ДНҚ-ны сіңіру арқылы берілуі мүмкін. Бұл механизмдер организмдерге жаңа қабілеттерді тез алуға мүмкіндік береді.
Әсіресе маңызды мысал - антибиотиктерге төзімділік гендерінің таралуы. Кейбір бактериялар антибиотиктерді бейтараптандыруға, антибиотиктерді жасушадан шығаруға немесе антибиотиктердің молекулалық нысаналарын өзгертуге мүмкіндік беретін гендерді сатып ала алады. Бұл гендер бактерия түрлері арасында қозғала алатындықтан, төзімділік ауруханаларда, фермаларда және қоршаған ортада тез таралуы мүмкін. Бұл құбылыс молекулалық эволюцияның адам денсаулығына қалай тікелей әсер ете алатынын көрсетеді.
Гендік реттеу және эволюция: тек ақуыз өзгерістері ғана емес
Молекулалық эволюция әрқашан ақуыздардың өзгеруін білдірмейді. Көбінесе организмнің қасиеттеріндегі негізгі өзгерістер гендердің реттелуіндегі өзгерістерден туындайды: гендер қашан белсендіріледі, қай тіндерде және олардың қаншалықты күшті экспрессияланады. Ген экспрессиясын реттейтін ДНҚ аймақтары - мысалы, промоторлар, энхансерлер және басқа да реттеуші элементтер - даму заңдылықтарын немесе физиологиясын өзгертетін мутацияларға ұшырауы мүмкін.
Мысалы, ұқсас ақуыздары бар екі түр әртүрлі дене пішіндерін көрсете алады, себебі бірдей гендер эмбриондық даму кезінде әртүрлі уақытта немесе жерлерде экспрессияланады. Бұл тұжырымдама жануарлардың пішіні мен құрылымының эволюциясын, соның ішінде құс тұмсықтарының пішіндерінің әртүрлілігін, түс үлгілерінің өзгеруін және терең теңіз организмдеріндегі экстремалды бейімделулерді түсіндіруге көмектеседі.
Молекулалық сағаттар және эволюциялық тарихты қайта құру
Ұрпақтар бойы жинақталған ДНҚ өзгерістерін тіршілік тарихын бақылау үшін «жазба» ретінде пайдалануға болады. Молекулалық сағат принципі бейтарап мутациялардың уақыт өте келе салыстырмалы түрде тұрақты жылдамдықпен жиналатынын айтады. Түрлер арасындағы ДНҚ тізбегінің айырмашылықтарын салыстыру арқылы ғалымдар екі тектің ортақ ата-бабадан қашан ажырағанын бағалай алады.
Бұл әдіс филогенетикада, эволюциялық шежіре ағаштарын қалпына келтіруде өте маңызды. Молекулалық филогенетика жұқпалы аурулардың шығу тегін ашуға, вирустардың таралуын бақылауға, адам эволюциясын түсінуге және бүкіл әлемдегі организмдер арасындағы қарым-қатынасты картаға түсіруге көмектеседі. Мутация жылдамдығы барлық гендер мен барлық организмдерде әрқашан мінсіз тұрақты болмаса да, молекулалық сағаттар қазба деректерімен немесе геологиялық оқиғалармен калибрленген кезде қуатты аналитикалық құрал болып қала береді.
Күнделікті өмірдегі молекулалық эволюция
Бұл абстрактілі болып көрінгенімен, молекулалық эволюция адам өмірімен тығыз байланысты. Тұмау вирустары мен коронавирустардағы генетикалық өзгерістер олардың берілуіне және иммундық жауаптардан жалтару қабілетіне әсер етуі мүмкін. Мәдени өсімдіктердегі молекулалық эволюция зиянкестер мен құрғақшылыққа төзімділікке әсер етеді. Тіпті адам ағзасында да жасушалар белгілі бір жағдайларда қатерлі ісіктің дамуына ықпал ететін генетикалық өзгерістерге ұшырауы мүмкін, бұл негізінен жасушалық деңгейдегі микроэволюциялық процесс.
Биотехнологияда молекулалық эволюция принциптері жаңа, тиімдірек ферменттерді алу үшін бағытталған эволюция сияқты әдістер арқылы қолданылады. Зерттеушілер өнеркәсіпте, медицинада немесе қоршаған ортада пайдалы ақуыздарды алу үшін зертханада вариация мен іріктеу процесін «жеделдетеді».
Жабу
Молекулалық эволюция биологиялық өзгерістердің негізінде жатыр. Ол мутация, рекомбинация, гендердің дупликациясы, көлденең гендердің тасымалдануы және гендердің реттелуіндегі өзгерістер арқылы жүзеге асады, бұл өзгерістер табиғи сұрыпталу мен генетикалық дрейф сияқты кездейсоқ процестермен қалыптасады. Эволюцияны молекулалық деңгейде зерттеу арқылы біз организмдердің қалай бейімделіп, дамитынын түсініп қана қоймай, сонымен қатар нақты әлемдегі мәселелерді шешуге арналған құралдарды да игереміз: антибиотиктерге төзімділікті жеңу, вакциналарды жасау, ауыл шаруашылығы өнімділігін арттыру және генетикалық ауруларды түсіну. Түптеп келгенде, молекулалық эволюция тіршіліктің нуклеотидтер тілінде жазылған және уақыт пен қоршаған ортаның әсерінен қалыптасқан динамикалық, үнемі өзгеріп отыратын жүйе екенін көрсетеді.
