Академия наук СССР дальневосточный научный центр

Концепция хромосомы как равновесной системы объясняет ортогенетическую эволюцию морфологии хромосом от телоцентрических (с очень коротким гетерохроматиновым плечом весом не более 0,1% всего набора) к акроцентрическим (взрывной дупликацией гетерохроматина) и затем метацентрическим (Imai, 1976). У кенгуровой крысы с очень высоким хромосомным полиморфизмом высокое содержание сателлитной ДНК сочетается с высоким числом плеч. Можно предположить, что сателлитная ДНК здесь контролирует хромосомные перестройки (Hecht, Edwards, 1976). Ортогенетические тенденции прослеживаются у дрозофил Гавайских островов, геологический возраст которых уменьшается с востока на запад: в ряду D. атрlilоbus—D. inflatus—D. crassifemur—D. reducta возрастает содержание гетерохроматина и частота парацентрических инверсий. (Yoon et al., 1975).

ного значения. В кариосистематике учитывают также признаки, связанные с поведением хромосом в митозе и мейозе — метафазные фигуры, характер хиазм и др.

На примере кариосистематики хорошо видно, как изменилось в последнее время представление о причинах устойчивости признаков. Ранее полагали, что морфология хромосом не имеет большого приспособительного значения и что, следовательно, сходство кариотипов — более надежное свидетельство родства, чем, например, анатомические признаки, подверженные адаптивной конвергенции. Сейчас становится все более ясным, что морфология хромосом тесно связана с их функциональной организацией и имеет первостепенное приспособительное значение. Именно в этом причина высокой устойчивости кариотипа, находящегося под контролем стабилизирующего отбора. Жесткой стабилизацией, по-видимому, объясняется и скачкообразный характер хромосомных перестроек при вмешательстве дестабилизирующих факторов. До появления методов дифференциального окрашивания (см. ниже) большая часть хромосомных перестроек оставалась неопознанной и устойчивость хромосом (особенно у позвоночных) сильно преувеличивали.

Филогенетическая интерпретация кариологических феноклин основана на преобладании определенных тенденций в эволюции кариотипа. Практически все изменения кариотипа обратимы. Известны, например, случаи обратимой полиплоидии с образованием полигалоидов (Wet, 1971). Однако полиплоидия, безусловно, преобладает над гаплоидией. Полиплоиды возникают при нарушении митоза или слиянии гаплоидных гамет (аутоплоидия), а также при гибридизации (аллоплоидия). Эволюционное значение полиплоидии состоит в увеличении общего количества генетического материала, обогащении генофонда, повышении устойчивости генетической системы, которая у полиплоидов менее чувствительна к потере или удвоению отдельных хромосом и их участков. У растений аллоплоидия — важнейший способ видообразования как в природе, так и в сельскохозяйственной практике (выведены, например, межродовые гибриды капусты и редиса, пшеницы и ржи и др.). В полиплоидном комплексе из двух и более гибридизирующих диплоидных видов и нескольких аллоплоидов диплоиды (или низшие уровни плоидности) обычно считают предками полиплоидов (высших уровней плоидности). Полиплоиды, благодаря высокой устойчивости генетической системы, легче переносят неблагоприятные условия. В эволюционном плане они весьма консервативны и долговечны. Родительские диплоидные виды вымирают или претерпевают сильные изменения, в то время как полиплоиды сохраняют предковые морфологические признаки. Например, Мамонтове дерево Sequoia sempervirens — реликтовый аллогексаплоид — морфологически почти не отличается от секвой мелового периода. Такие древние полиплоиды — последние представители некогда разно-

образных полиплоидных комплексов — встречаются во многих группах растений. По словам Стеббинса, «полиплоиды остаются морфологическими индикаторами, показывающими, что представляли собой исходные полиплоидные комплексы» (Stebbins, 1975).

Анэуплоидия ведет к возникновению форм с неправильным числом хромосом — поли- или моносомиков. Добавление к паре хромосом третьей увеличивает дозу генов на ¹/₃, тогда как утрата хромосомы уменьшает ее на ¹/₂. Поэтому эффект моносомии больше, чем полисомии (у человека трисомия по малым хромосомам ведет к врожденным аномалиям, трисомия по большим хромосомам, нарушающая баланс большого числа генов, и моносомия летальны), и соответственно полисомики встречаются чаще моносомиков. Это создает тенденцию к увеличению числа хромосом, которой противостоят робертсоновские слияния. Они более обычны, чем разделение хромосом. Поэтому считают, что небольшое число хромосом, крупные размеры и преобладание метацентриков — признаки прогрессивного кариотипа. Встречную тенденцию создают перицентрические инверсии, превращающие метацентрические хромосомы в акроцентрические и уменьшающие число плеч. Не установлено отчетливой тенденции в эволюции содержание ДНК. Этот признак связан с размерами клеток. Среди позвоночных можно выделить мелко- и крупноклетные группы. Костистые рыбы, рептилии и птицы относятся к мелкоклетным, а кистеперые рыбы, дипнои, амфибии и млекопитающие — к крупноклетным.

Различия в размерах клеток соответствующих тканей сочетаются с некоторыми гистологическими особенностями (Григорьев, 1975). У крупноклетных содержание ДНК в целом выше. Аномально высокое содержание ДНК у дипной и хвостатых амфибий пока не находит объяснения. Заслуживает внимания корреляция этого признака с адаптацией к пограничным биотопам. Среди амфибий примитивная морфология сочетается с относительно низким содержанием ДНК (Ohno, 1973).

Для определения кариологической дистанции — суммы различий между кариотипами родственных организмов — необходимо сопоставить хромосомы, берущие начало от одной и той же хромосомы общего предка. Такие хромосомы мы назовем гомогеничными (гомологичными в кариологии считают хромосомы одной пары; если это хромосомы аллополиплоида, принадлежащие геномам обоих родительских видов, то их называют гомеологичными). Для распознания гомогеничных хромосом недостаточно сходства по размерам и форме. Большое значение имеет продольная дифференциация хромосом — чередование гетерохроматиновых и эухроматиновых участков, повторяющихся и уникальных нуклеотидных последовательностей, неравномерное распределение белковых компонентов. Продольная дифференциация наиболее очевидна у политенных хромосом (они представляют
{48}

собой пучок, образовавшийся при многократном воспроизведении хромосомы), где более плотные участки выражены в виде поперечных дисков. Это делает политенные хромосомы (например, гигантские хромосомы слюнных желез дрозофилы) удобным объектом цитологических исследований. Продольную дифференциацию обычных хромосом можно обнаружить с помощью окрашивания: хромосома приобретает при этом поперечные полосы — исчерченность, зависящую от метода окрашивания и характерную для вида или более крупной систематической группы. Сопоставление исчерченности помогает распознать гомогеничные хромосомы и их перестройки — инверсии и транслокации, а также делеции и дупликации (нехватки и удвоения отдельных участков). Частота хромосомных перестроек варьирует в широких пределах. У видов-двойников дрозофилы гомогеничные хромосомы обычно различаются по двум или нескольким инверсиям, тогда как кариологическую дистанцию между человеком и шимпанзе составляет лишь одна серия робертсоновских слияний и немногие инверсии. Некоторые хромосомы в эволюционном плане более консервативны, чем другие. У змей, например, дивергенция половых хромосом развивается главным образом за счет дупликации, делеций и инверсий в W хромосоме, тогда как Z хромосома почти не изменяется (Bianchi et al., 1967). Изменение формы и исчерченности хромосом нередко связано с делецией или многократной дупликацией гетерохроматиновых сегментов (у таких грызунов, как Peromyscits eremicus и Mus dunni наблюдается деления гетерохроматиновых коротких плеч аутосом: Hsu, 1973). Полагают, что функциональный геном при этом не меняется (гетерохроматин почти не содержит структурных генов). Однако гетерохроматин воздействует на соседние эухроматиновые локусы. Кроме того, изменение формы хромосом неизбежно сказывается на положении хиазм и кроссинговере.

Реализуется лишь небольшая часть возможных хромосомных перестроек, остальные оказываются запрещенными. Митотические и мейотические барьеры, эффект положения (изменение активности локусов в зависимости от их положения по отношению к центромере) — одни из многих ограничивающих факторов. М. Уайт ввел понятие о «кариологической ортоселекции» (White, 1975). Смысл его в том, что в эволюции кариотипа преобладает какой-то определенный модус перестроек, и со временем они прогрессируют в одном направлении (например, последовательно повышается уровень плоидности или происходят все новые робертсоновские слияния и т. д.). Это явление можно было бы назвать канализацией на уровне генома. Оно показывает, что эволюция кариотипа подчиняется тем же закономерностям, что морфологическая эволюция. Специализация кариотипа развивается параллельно специализации органов.
{49}

БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРИЗНАКИ

В филогенетических построениях используют не только малоизменчивые, но и полиморфные соединения, например флавоноиды растений. Определенные различия в составе флавоноидов обнаружены у близких видов и даже у отчетливо обособленных экотипов, причем гибриды имеют смешанный состав флавоноидов. Виды, продуцирующие более сложные флавоноиды, рассматриваются как производные. К сожалению, биохимики нередко отождествляют последовательность ряда химических реакций, ведущих к образованию более сложного продукта, с филогенетической последовательностью организмов, у которых обнаружены исходные, промежуточные и конечные продукты этого ряда.

Другой способ выявления тенденций биохимической эволюции заключается в наложении биохимических данных на родословное древо, построенное по морфологическим признакам. Этим путем установлено, например, что в ходе эволюции растений высокомолекулярные белки замещались средне- и низкомолекулярными (Благовещенский, 1966). Здесь приходится считаться с опасностью копирования неточностей морфологической схемы. Некоторые филогенетические гипотезы основаны на параллелизме биохимических рядов в различных группах организмов. Например, растения в процессе фотосинтеза фиксируют углерод в виде 3-карбоновой кислоты (С₃-растения), но у некоторых тропических и субтропических видов процесс начинается с 4-карбоновых кислот (С₄-растения). Они имеют также анатомические особенности (специализированную хлоренхимную обкладку проводящих пучков и др.), составляющие синдром Кранца. При сочетании в одном роде кранцевых и некранцевых ра-
{50}

стений первые считают филогенетические более молодыми. По-видимому, синдром Кранца параллельно развился у видов, предки которых обитали в умеренной зоне, как приспособление к фотосинтезу в условиях высокой температуры и освещенности (Smith, Turner, 1975). Нет доказательств необратимости этого процесса. Белковые комплексы семян состоят из глобулина, альбумина, глютелина и белков остатка. У саговников и цветковых прослежены параллельные ряды от безглобулиновых к высокоглобулиновым семенам (Благовещенский, 1975). Среди саговников первые сочетаются с примитивной (Cycas), вторые—с прогрессивной (Encephalartos) морфологией. Оценки морфологических признаков цветковых варьируют в широких пределах, и далеко не каждый систематик согласится с тем, что лавровые (безглобулиновые) примитивнее магнолиевых (40–70% глобулина), хотя, по палеонтологическим данным, лавровые, ликвидамбар и некоторые другие безглобулиновые безусловно принадлежат к числу самых древних цветковых. Филогенетическое значение биохимических признаков (как и всех других) зависит от их адаптивного смысла. Показано, например, что простые комплексы пигментов семян у магнолиевых сочетаются с орнитохорией, тогда как более сложные комплексы развились в связи с поеданием плодов млекопитающими (Boumann, Yokoya та, 1975).

Полагают, что некоторые тенденции биохимической эволюции отражены в онтогенезе. Например, в процессе переноса энергии у позвоночных участвует креатинфосфат, а у большинства беспозвоночных аргининфосфат, который в онтогенезе некоторых иглокожих и рыб предшествует креатинфосфату. В развитии куриного зародыша смена продуктов выделения аммиак — мочевина — мочевая кислота, возможно, отражает эволюционную последовательность, так как беспозвоночные в основном выделяют аммиак, амфибии — мочевину, а рептилии и птицы — мочевую кислоту. Однако у большинства млекопитающих конечный продукт обмена — аллантоин, а у приматов — снова мочевая кислота.

Для измерения генетических дистанций используют различные методы сравнения гомологичных белков. Один из таких методов — иммунологический — заключается в определении антигенного, или иммунологического сходства. Чужой белок, вводимый в кровь, выступает в роли антигена, вызывающего образование антител. Эти антитела могут соединяться и с другими антигенами, причем активность реакции (которую измеряют количеством осадка, выпадающего при смешивании сыворотки, содержащей антитела, с сывороткой другого вида) указывает на антигенное сходство белков. Иммунологический тест нередко помогает разрешить спорные вопросы филогенетической систематики. Например, зайцеобразные по антигенным свойствам белков резко отличаются от грызунов, большая панда близка к мед-

ведям (а не к куньим: Sarich, 1972), морфологически почти неразличимые группы древесных лягушек, происходящие от разных наземных предков, отчетливо обособлены иммунологически. Например, по морфологическим признакам Hyla wrightorum и H. regilla нередко относят к одному виду, но дистанция по альбуминам крови между ними такая же, как между родами этой группы. Род Acris, происходящий от древесных предков и занимающий в Америке нишу мелких наземных лягушек, резко отличается от Hyla морфологически, но близок иммунологически. Шимпанзе по иммунологическим показателям ближе к человеку, чем к орангу (Maxon, Wilson, 1975). Складывается впечатление, что экологические сдвиги больше отражаются на морфологических, чем иммунологических признаках, которые точнее передают последовательность филогенетического ветвления. В то же время антигенные свойства определяются главным образом строением поверхностного слоя белковой молекулы и чувствительность метода снижается с увеличением молекулярного веса. К ошибочным выводам может привести сопоставление негомологичных белков. Мы уже могли убедиться, что проблема гомологии не из легких, а в биохимии она еще более осложнена отождествлением гомологии и гомогении. Гомологичными считают белки, кодируемые цистронами, происходящими от одного працистрона общего предка. Белки, принадлежащие одному химическому классу, не всегда гомологичны. Фитч приводит любопытный пример: иммунологически утка ближе к цыпленку, чем к гусю. Это парадоксальная ситуация получила объяснение только когда у лебедя были обнаружены два типа негомологичных белков данной группы: гуси имеют один из них, а утки — другой. (Fitch, 1973).

Эти отличия могут служить мерой дивергенции популяций, или генетической дистанции, которую рассчитывают (один из способов) как число мутаций на 100 локусов (Nei, 1972; Ayala et al., 1974). Изучение пяти видов дрозофил дало следующие дистанции: 0,033 между популяциями, принадлежащими одному Подвиду, 0,228 между подвидами, 0,226 между полувидами, 0,538 между видами-двойниками и 1,214 между недвойниковыми видами. Мы видим, что генетические дистанции в целом соответствуют степени морфологической дискретности и репродуктивной изоляции, однако свободно скрещивающиеся подвиды по степени аллозимных различий не уступают полувидам, разделен-

ным этологическими барьерами. У позвоночных также нет точного соответствия между аллозимными дистанциями и степенью репродуктивной изоляции (Avise, 1975). Точность измерения генетических дистанций электрофоретическим методом зависит от многих обстоятельств (Воронцов и др., 1972; Johnson, 1973; Lewontin, 1973). Лишь около одной трети аллельных замещений влияют на электростатические свойства белковых молекул, и экстраполяции электрофоретических дистанций на весь генотип в какой-то степени условны. К тому же число анализируемых локусов относительно невелико — до 50, чаще около 20 из нескольких сотен тысяч.

Для глобинов, цитохромов и некоторых других белков изучена полная последовательность аминокислот в полипептидных цепях. Часть аминокислот в гомологичных последовательностях разных организмов не совпадает. Замены аминокислот характеризуют дивергенцию гомологичных белков. Эволюционная дистанция между ними измеряется числом замен на 100 аминокислот. Дивергенция полипептидных цепей отражает мутационную дистанцию между полинуклеотидными цепями цистронов. Аминокислотные замещения можно перевести в мутационные дистанции, если рассчитать, сколько мутаций (замен нуклеотидов) потребуется, чтобы кодон одной аминокислоты превратить в кодон другой, замещающей ее, и суммировать эти мутационные числа по всем парам (Fitch, Margoliash, 1967). Существует несколько методов расчета древовидных отношений между гомологичными белками разных организмов. Например, мутационные дистанции между видами А и В, А и С, В и С на рис. 4 составляют соответственно 24, 28 и 32. Следовательно, дихотомия между А и В более высокого порядка, чем между ними и С. Длина ветвей равна мутационной дистанции: а+b=24, а+с=28 и b+с=32. Отсюда а=10, b=14 и с=18. Если видов больше трех, то два из них с минимальной дистанцией занимают позиции А и В, а остальные — позицию С. После расчета длины ветвей первую пару видов объединяют и позицию В занимает третий вид. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока все виды не будут распределены. Сравнивая дистанции, измеренные по древу, с исходными, определяют оптимальное древо (с наименьшим отклонением от исходных данных). Показанное на рис. 4 цитохромное древо сходно с классической филогенией, если не считать аномальной близости цыпленка к пингвину, черепахи к птицам и разрыва между приматами и другими плацентарными, которые оказались в одном пучке с кенгуру. Таким же образом можно построить древо по иммунологическим, электрофоретическим, гибридизационным и любым другим дистанциям.

Необходимо учесть, что некоторые мутации не приводят к замене аминокислоты и остаются невидимыми. Делеции, параллельные и обратные мутации также нарушают соответствие эволюционных и мутационных дистанций. Таким образом, дивер-

Наконец, возможно прямое сопоставление полинуклеотидных цепей методом молекулярной гибридизации. Молекула ДНК состоит из двух нитей — полинуклеотидных цепей, которые комплементарны друг другу: органические основания, входящие в состав нуклеотидов, расположены в них таким образом, что могут спариваться за счет водородных связей. При нагрева-

нии до определенной температуры нити разделяются. Каждая из них теперь способна соединиться с однонитчатой ДНК другого организма, если у них есть комплементарные участки. Степень комплементарности измеряют процентом связывания однонитчатых фрагментов ДНК, несущих радиоактивную метку, или тепловой устойчивостью гибридных комплексов — гетеродуплексов (1,5% некомплементарных пар оснований снижают температуру плавления на 1°С). Степень комплементарности позволяет судить о родстве сравниваемых организмов. У представителей разных классов позвоночных она составляет около 5–17,5%, отрядов — 25–30%, семейств — 50–70% и видов — 75–90% (Медников, 1974). Полагаясь на эти цифры, человека и шимпанзе пришлось бы отнести к одному роду или даже виду (91 % комп-лементарности).

Различают уникальные и повторяющиеся последовательности ДНК, а среди последних — фракции различной степени повторности. Высокоповторная фракция (с повторностью порядка 10⁶) сосредоточена главным образом в прицентромерных гетерохроматиновых участках. С небольшой части повторяющихся последовательностей транскрибируется рибосомная и другие виды РНК. Среднеповторная ДНК (10²–10⁵ повторов) делится на быстро и медленно реассоциирующие фракции. Медленно реассоциирующая составляет около 30% в геноме человека. Она вкраплена между уникальными последовательностями. Известно два типа организации ДНК: у Drosophila длина сегментов повторной ДНК 5000, неповторной — более 10000 нуклеотидов, у Xenopus соответственно 300 и 800 — несколько тысяч. Кинетика реассоциации обнаруживает различные классы повторов и может служить основой для сопоставления организации ДНК у различных организмов.

Некоторые авторы видят преимущество методов гибридизации и реассоциации ДНК в том, что сравниваются генотипы, а не фенотипы, т. е. генотипическое сходство измеряется прямо, а не косвенно, посредством фенотипического сходства. В этих рассуждениях кроется одна неточность, а именно отождествление информации с ее носителем. Генотип — это наследственная информация, а ДНК — ее носитель. Поэтому гибридизация ДНК не дает прямой оценки сходства генетических программ. Молекулы нуклеиновых кислот и белков имеют свою филогению, которая не обязательно совпадает с филогенией организмов. Довольно широко распространено мнение, что признаки генетической системы — ДНК и хромосом, а также первичных продуктов генов — белков (фенотип первого порядка) важнее для филогенетических построений, чем морфологические (фенотип второго порядка). На самом деле мы в том и другом случае опираемся на сходство, которое может быть первичным, фамильным или вторичным, конвергентным. Филогенетическое значение признака тем больше, чем менее вероятно его независимое появление в