Реферат
На тему: "Морфологія і молекулярна еволюція"
План
Різні типи молекулярної еволюції
Гени, білки і "молекулярні годинник"
Структурні гени і регулятори в еволюції
Типи видоутворення
Час і генетична дивергенція
"Я думаю, що батько наш небесний вигадав людини, тому що розчарувався в мавпі."
Марк Твен
Однак справжня труднощі вивчення еволюції геному у еукаріотів полягає в тому, що еукаріоти - це не просто Escherichia coli у збільшеному масштабі. Геноми еукаріот надзвичайно складні і містять безліч різноманітних генетичних елементів. Ця складність виявляється при спробах примирити еволюцію генома і морфологічну еволюцію. Так, наприклад, Шопф та ін (Schopf et al) у дослідженні, присвяченому впливу складності організації на швидкості морфологічної еволюції, висловили припущення, що зовнішня морфологічна складність насправді не може служити точним показником рівня еволюції геному. Таким чином, хоча в морфології таких складних форм, як брахіоподи, може спостерігатися значно більше еволюційних змін, ніж, наприклад, у бактерій з їх набагато простіший морфологією, однак фактично зміни в еволюції геному бактерій за той же проміжок часу можуть бути значно більшими. Або, як склали ці автори, "можливо, що швидкості еволюції, про які звичайно повідомляють палеонтологи, не можна вважати хорошим показником еволюційних змін генома, що визначає досліджувані ознаки". Цей висновок частково справедливо. Бактерії мають разюче широким спектром метаболічних шляхів - їх адаптації носять біохімічний, а не морфологічний характер. На відміну від бактерій еукаріоти позбавлені подібної метаболічної винахідливості. За небагатьма винятками, всі Metazoa використовують одні й ті ж метаболічні шляхи, і їх адаптації зачіпають головним чином морфологію. Таким чином, зміни, зареєстровані в палеонтологічного літопису, відображають структуру і функції тієї частини геному, яка управляє морфогенезом.
Важко оцінити відносний рівень еволюції геному, необхідний для еволюції груп, сильно розрізняються за морфологічної організації та складності. Одним із підходів до цієї важкої задачі послужили порівняння амінокислотних послідовностей гомологічних білків, виділених з різних організмів. Істотний результат подібних досліджень полягає в тому, що ці білки з самих різних організмів мають подібними амінокислотними послідовностями, тобто зміни амінокислотних послідовностей білків або нуклеотидних послідовностей ДНК служать молекулярними критеріями еволюційної спорідненості незалежно від морфологічного схожості або таксономічної приналежності. Однак при цьому все ще залишається необхідним вирішити, яка частина молекулярної еволюції має відношення до морфологічної еволюції. Більшість досліджень еволюції на молекулярному рівні стосується структурних генів, оскільки вони більш доступні. До структурних відносяться гени, що дають у результаті транскрибування різні РНК, які або виступають в ролі матричні, РНК (мРНК), створюючи шляхом трансляції амінокислотні послідовності білків, або функціонують як Хвороби (рРНК) або транспортні РНК (тРНК). Більшість структурних генів, інтенсивно досліджуваних в даний час, - це гени, які кодують білки, які продукують у великих кількостях спеціалізованими клітинами, наприклад глобіну, овальбумін, актин і гістони. Ці білки не беруть участь в безпосередній регуляції дії генів, тому що детермінують їх гени і відносять до структурних. Проте розподіл генів на структурні і регуляторні в деякому сенсі умовне: такий білок, як lac-репрессор Є. coli, являє собою продукт одного зі структурних генів, оскільки цей білок утворюється в результаті транскрипції і трансляції даного гена; але його функція носить виключно регуляторний характер, оскільки дія lac-репрессора полягає в безпосередній регуляції експресії специфічного набору структурних генів, що кодують певні ферменти. Інші елементи геному, які відіграють важливу роль у регуляції дії генів або в підтримці структури хромосом, взагалі не потребують транскрибировании, для того щоб виконувати свою функцію.
Біохімія вкрай консервативна. Метаболічні шляхи і навіть амінокислотні послідовності білків залишаються незмінними протягом тривалих відрізків геологічного часу. Цим визначається унікальна цінність даних про амінокислотних послідовностях: вони не залежать від морфології. Завдяки цьому амінокислотні послідовності таких консервативних білків, як цитохром с, дозволяють виявити родинні зв'язки між типами і навіть царствами. Дані про амінокислотних послідовностях білків піддаються кількісній оцінці, причому становище кожної амінокислоти в кожному досліджуваному білку є потенційною змінної. Оскільки в будь-якому положенні може знаходитися будь-яка з 20 існуючих амінокислот, незалежне походження або конвергенція однакових білків у двох організмів малоймовірні. Наприклад, в α-ланцюга гемоглобінів людини, шимпанзе і горили амінокислотні залишки (а їх 141) розташовуються в однаковій послідовності. Можливе число різних послідовностей при такій довжині дорівнює 20 141. Незалежне походження Глобине людиноподібних мавп і глобіну людини, м'яко кажучи, малоймовірно. Близьке подібність послідовностей свідчить про високу ймовірність тісної еволюційної спорідненості; це правило лежить в основі побудови кількісних філогенетичних схем для білків. Палеонтологічний літопис дозволяє визначити абсолютний час морфологічної дивергенції організмів, з яких були виділені порівнювані за амінокислотним послідовностей білки, а на підставі цих визначень можна обчислити швидкості амінокислотних замін.
Коли вперше стало можливим кількісне порівняння амінокислотних послідовностей білків, воно викликало великий ентузіазм, оскільки цей новий підхід здавався досить багатообіцяючим для з'ясування еволюційної спорідненості. У 1962 р. Цукеркандль (Zuckerkandl) писав: "Завдяки нещодавно набутим знанням про залежності між білками і генами вивчення амінокислотних послідовностей білків може тепер дати найбільш точне і певне уявлення про еволюційні взаємовідносини та про деяких фундаментальних механізмах еволюції". А в 1969 р. Дейхоф і Екк (Dayhoff, Eck) писали: "Заповітна мрія біохіміків полягає в тому, щоб мати можливість розробити повне, докладне, забезпечене кількісними параметрами філогенетичне древо - історію походження всіх видів живих істот до самих її витоків. Біологи живили цю надію протягом довгого часу; тепер біохімія має реальну можливість виконати це ". Воістину завдання, гідна самого Геккеля.
Головне робоче припущення, що приймається при побудові філогенетичного дерева на підставі даних про нуклеотидних та амінокислотних послідовностях, полягає в тому, що в межах кожного набору гомологічних послідовностей, таких як цитохром с, заміни нуклеотидів, а отже, і амінокислот відбуваються зі сталою частотою. З цієї гіпотези поступовості випливає цікавий наслідок про те, що швидкості заміни ведуть себе як молекулярні годинник, хід яких не залежить від швидкостей морфологічної еволюції.
У 1963 р. Марголіаш (Margoliash) висловив думку, що еволюція амінокислотних послідовностей у білках і морфологічна еволюція, можливо, не пов'язані один з одним. Марголіаш вказав, що якщо час, що минув визначає число замін, які накопичилися в даному білку, то еволюція амінокислотної послідовності може служити годинами, що дозволяють виміряти час, що минув з моменту дивергенції будь-яких двох видів. Він висловив пророче припущення, що "... корисної перевіркою важливої ролі часу як головного чинника у накопиченні мінливості в цитохрому С повинно бути порівняння амінокислотних послідовностей гомологічних білків, виділених з видів, про які відомо, що вони впродовж тривалих періодів часу не зазнавали морфологічних змін, і з швидко змінюються видів ... ". Використання молекулярних годин для розтину залежності між еволюцією структурних генів і морфологічної еволюцією дозволило виявити деякі дуже цікаві аспекти еволюції геному, відповідальні за морфологічне зміна. Дікерсон (Dicherson, 1971) опублікував чудове введення в проблему білкових годин, а більш новий і вичерпний її розбір дали Вілсон, Карлсон і Вайт (Wilson, Carlson, White, 1977).
Перш ніж обговорювати взаємини між молекулярними годинником і морфологічної еволюцією, слід встановити переваги і недоліки такого годинника.
Дані, що лежать в основі гіпотези про однорідну і характерною для кожного даного білка швидкості еволюції, представлені на рис.3-1, де показана залежність між числом мутаційних кроків, оцінюваним за кількістю відмінностей в амінокислотних послідовностях гомологічних білків, і часом дивергенції організмів, з яких ці білки були виділені. Часом дивергенції вважається число років, що минули з тих пір, коли у двох даних організмів був загальний предок, і до теперішнього часу. Візьмемо, наприклад, цитохром с ссавців і рептилій. Палеонтологічний літопис показує, що звіроподібні рептилії дівергіровалі від інших рептилій приблизно 300 · 10 6 років тому. Ц. нині живуть ссавців відрізняються від цитохромів нині живуть рептилій приблизно 15 замінами на 100 амінокислот. Отже, в цьому випадку на виникнення 15%-ного відмінності знадобилося 300 · 10 6 років, або 20 · 10 6 - для відмінностей в 1%. Час, необхідний для 1%-ної дивергенції по будь-якому білку, Дікерсон (Dickerson) назвав одиницею еволюційного часу (ЕЕВ). Для цитохрому с, отже, ЕЕВ дорівнює 20 · 10 6 років. В інших білків середні швидкості еволюції також постійні, проте абсолютні швидкості еволюції у різних білків різні.
Варіації в швидкостях еволюції білків, мабуть, особливо великі в період виникнення нових функцій. Білки, функції яких цілком склалися, еволюціонують з точністю годинникового механізму, і їх можна тому використовувати для визначення молекулярних філогенії. Однак у період становлення функції будь-якого нового білка його еволюція, очевидно, відхиляється від точного ходу молекулярних годин. Якщо швидкість еволюції глобіну екстраполювати в минуле, то дивергенція Глобине припадає на пізній докембрій, тобто на набагато більш ранній час, ніж поява перших залишків Metazoa в палеонтологічного літопису. Так, при цьому виходить, що глобін міног дівергіровал від глобіну комах більш ніж 1000 · 10 6 років тому, від гемоглобіну хребетних - 800 · 10 6 років тому, а гемоглобін від міоглобіну 900 · 10 6 років тому. Такі екстраполяції, можливо, призводять до сильно завищеними оцінками. Відповідно до палеонтологічними даними Гудман, Мур і Матсуда (Goodman, Moore, Matsuda) припускають, що ці білки дівергіровалі пізніше: глобін міноги від Глобине комах - приблизно 700 · 10 б років тому, глобін міноги від гемоглобінів хребетних - приблизно 500 · 10 6 років тому, а гемоглобіни від міоглобіну - також близько 500 · 10 6 років тому. Дивергенція α - і β-гемоглобінів також сталася приблизно 450 · 10 6 років тому. Такі оцінки термінів дивергенції представляються розумними, тому що найдавніші примітивні хордові відомі з середнього кембрію (приблизно 550 · 10 6 років тому), а залишки найдавніших хребетних-з пізнього кембрію (приблизно 500 · 10 6 років тому). З цих переглянутих оцінок термінів дивергенції випливає, що в період від 500 до 400.10 6 років тому швидкість еволюції Глобине була набагато вище, ніж згодом. Є й інші приклади. Найкращий з них - це, ймовірно, α-лактальбумін - субодиниця лактозосінтетази молочної залози. α-лактальбумін подібний за своєю амінокислотної послідовності з лізоцимом і, можливо, походить від лізоциму під час еволюції ранніх ссавців. Згідно з "Атласу амінокислотних послідовностей та структури білків", ЕЕВ для α-лактальбуміну дорівнює приблизно 2,3 · 10 6 років, тоді як для лізоциму вона дорівнює приблизно 5 · 10 6 років. Якщо б ці швидкості були постійними на всьому протязі історії розвитку двох білків, то, враховуючи амінокислотні відмінності між α-лактальбумін і лізоциму ссавців, α-лактальбумін повинен був виникнути 300 · 10 6 років тому - приблизно за 100 · 10 6 років до того, як в пізньому тріасі з'явилися перші ссавці. Більш ймовірна альтернатива полягає в тому, що α-лактальбумін виник в тріасі в якості одного з елементів комплексу ознак, що характеризують ссавців, і на ранньому етапі своєї історії зазнав періоду швидкої еволюції. Інший, особливо цікавий приклад виявив Хенніг (Hennig), який окреслив у миші цитохром с, специфічний для насінників, який відрізняється по 13 амінокислотам від цитохрому с, що міститься у всіх інших тканинах миші. Він відзначає, що якщо ці 13 замін локалізувати на тривимірній моделі молекули цитохрому с, то виявиться, що всі вони сконцентровані на одній ділянці поверхні. В іншому вся амінокислотна послідовність ідентична основного цитохрому з миші та інших гризунів (Carlson et al). Хенніг вважає, що, судячи за кількістю замін, дивергенція цитохрому з сім'яників сталася на ранньому етапі еволюції чотириногих (або навіть раніше) і що інша частина його молекули еволюціонувала паралельно основному цітрохрому с. Представляється, проте, більш імовірним, що цитохром з сім'яників - результат щодо недавньої дуплікації гена, що мала місце у перших гризунів, за якою пішла швидка еволюція цього спеціалізованого білка.
На тему: "Морфологія і молекулярна еволюція"
План
Різні типи молекулярної еволюції
Гени, білки і "молекулярні годинник"
Структурні гени і регулятори в еволюції
Типи видоутворення
Час і генетична дивергенція
"Я думаю, що батько наш небесний вигадав людини, тому що розчарувався в мавпі."
Марк Твен
Різні типи молекулярної еволюції
При обговоренні палеонтологічного літопису і виведених на її основі швидкостей морфологічної еволюції мовчазно допускалося, що ці швидкості відображають зміни геному. Існування зв'язку між еволюцією геному і морфологічної еволюцією загальновизнано, хоча в деякому сенсі вираз "еволюція геному" - це тавтологія, оскільки будь-яке еволюційна зміна вимагає генетичних змін, тобто еволюції геному.Однак справжня труднощі вивчення еволюції геному у еукаріотів полягає в тому, що еукаріоти - це не просто Escherichia coli у збільшеному масштабі. Геноми еукаріот надзвичайно складні і містять безліч різноманітних генетичних елементів. Ця складність виявляється при спробах примирити еволюцію генома і морфологічну еволюцію. Так, наприклад, Шопф та ін (Schopf et al) у дослідженні, присвяченому впливу складності організації на швидкості морфологічної еволюції, висловили припущення, що зовнішня морфологічна складність насправді не може служити точним показником рівня еволюції геному. Таким чином, хоча в морфології таких складних форм, як брахіоподи, може спостерігатися значно більше еволюційних змін, ніж, наприклад, у бактерій з їх набагато простіший морфологією, однак фактично зміни в еволюції геному бактерій за той же проміжок часу можуть бути значно більшими. Або, як склали ці автори, "можливо, що швидкості еволюції, про які звичайно повідомляють палеонтологи, не можна вважати хорошим показником еволюційних змін генома, що визначає досліджувані ознаки". Цей висновок частково справедливо. Бактерії мають разюче широким спектром метаболічних шляхів - їх адаптації носять біохімічний, а не морфологічний характер. На відміну від бактерій еукаріоти позбавлені подібної метаболічної винахідливості. За небагатьма винятками, всі Metazoa використовують одні й ті ж метаболічні шляхи, і їх адаптації зачіпають головним чином морфологію. Таким чином, зміни, зареєстровані в палеонтологічного літопису, відображають структуру і функції тієї частини геному, яка управляє морфогенезом.
Важко оцінити відносний рівень еволюції геному, необхідний для еволюції груп, сильно розрізняються за морфологічної організації та складності. Одним із підходів до цієї важкої задачі послужили порівняння амінокислотних послідовностей гомологічних білків, виділених з різних організмів. Істотний результат подібних досліджень полягає в тому, що ці білки з самих різних організмів мають подібними амінокислотними послідовностями, тобто зміни амінокислотних послідовностей білків або нуклеотидних послідовностей ДНК служать молекулярними критеріями еволюційної спорідненості незалежно від морфологічного схожості або таксономічної приналежності. Однак при цьому все ще залишається необхідним вирішити, яка частина молекулярної еволюції має відношення до морфологічної еволюції. Більшість досліджень еволюції на молекулярному рівні стосується структурних генів, оскільки вони більш доступні. До структурних відносяться гени, що дають у результаті транскрибування різні РНК, які або виступають в ролі матричні, РНК (мРНК), створюючи шляхом трансляції амінокислотні послідовності білків, або функціонують як Хвороби (рРНК) або транспортні РНК (тРНК). Більшість структурних генів, інтенсивно досліджуваних в даний час, - це гени, які кодують білки, які продукують у великих кількостях спеціалізованими клітинами, наприклад глобіну, овальбумін, актин і гістони. Ці білки не беруть участь в безпосередній регуляції дії генів, тому що детермінують їх гени і відносять до структурних. Проте розподіл генів на структурні і регуляторні в деякому сенсі умовне: такий білок, як lac-репрессор Є. coli, являє собою продукт одного зі структурних генів, оскільки цей білок утворюється в результаті транскрипції і трансляції даного гена; але його функція носить виключно регуляторний характер, оскільки дія lac-репрессора полягає в безпосередній регуляції експресії специфічного набору структурних генів, що кодують певні ферменти. Інші елементи геному, які відіграють важливу роль у регуляції дії генів або в підтримці структури хромосом, взагалі не потребують транскрибировании, для того щоб виконувати свою функцію.
Гени, білки і "молекулярні годинник"
У більшої частини робіт з молекулярної еволюції головна увага приділялася змін структурних генів, зреалізований у змінах послідовності амінокислот в кодованих ними білках. Велика кількість амінокислотних послідовностей білків визначається і публікується в дуже корисному і постійно поповнюється довідковому виданні "Атлас амінокислотних послідовностей та структури білків", що видається Дейхоф (Dayhoff). Встановлені досі кілька сот послідовностей складають лише невелику частку величезного числа цікавих і потенційно доступних білків. На жаль, різні типи тварин представлені в атласі дуже нерівномірно: для ссавців, число нині живучих видів яких складає всього 4060 (Anderson, Jones), наведені послідовності амінокислот в 350 білках, а для комах, кількість описаних сучасних видів яких наближається до мільйона (Daly , Doyen, Ehrlich), - у жалюгідних 11 білках! Число відомих послідовностей за іншим великим типами, таким як молюски та голкошкірі, також непропорційно мало. Тим не менш наявних даних достатньо для того, щоб можна було визначити швидкості еволюції структурних генів, вивести випливають з них філогенетичні слідства і оцінити співвідношення еволюції структурних генів і морфологічної еволюції. Слід вказати, що на відміну від даних палеонтологічного літопису еволюційні дані, отримані на підставі амінокислотних послідовностей білків, відносяться тільки до ліній, які існують у даний час. Таким чином, якщо палеонтологічний літопис дає нам можливість побачити вимерлі і відкинуті морфологічні типи, то дані про амінокислотних послідовностях ні в одному випадку не відкривають специфічних ознак білків тих вимерлих груп, від яких не залишилося нащадків.Біохімія вкрай консервативна. Метаболічні шляхи і навіть амінокислотні послідовності білків залишаються незмінними протягом тривалих відрізків геологічного часу. Цим визначається унікальна цінність даних про амінокислотних послідовностях: вони не залежать від морфології. Завдяки цьому амінокислотні послідовності таких консервативних білків, як цитохром с, дозволяють виявити родинні зв'язки між типами і навіть царствами. Дані про амінокислотних послідовностях білків піддаються кількісній оцінці, причому становище кожної амінокислоти в кожному досліджуваному білку є потенційною змінної. Оскільки в будь-якому положенні може знаходитися будь-яка з 20 існуючих амінокислот, незалежне походження або конвергенція однакових білків у двох організмів малоймовірні. Наприклад, в α-ланцюга гемоглобінів людини, шимпанзе і горили амінокислотні залишки (а їх 141) розташовуються в однаковій послідовності. Можливе число різних послідовностей при такій довжині дорівнює 20 141. Незалежне походження Глобине людиноподібних мавп і глобіну людини, м'яко кажучи, малоймовірно. Близьке подібність послідовностей свідчить про високу ймовірність тісної еволюційної спорідненості; це правило лежить в основі побудови кількісних філогенетичних схем для білків. Палеонтологічний літопис дозволяє визначити абсолютний час морфологічної дивергенції організмів, з яких були виділені порівнювані за амінокислотним послідовностей білки, а на підставі цих визначень можна обчислити швидкості амінокислотних замін.
Коли вперше стало можливим кількісне порівняння амінокислотних послідовностей білків, воно викликало великий ентузіазм, оскільки цей новий підхід здавався досить багатообіцяючим для з'ясування еволюційної спорідненості. У 1962 р. Цукеркандль (Zuckerkandl) писав: "Завдяки нещодавно набутим знанням про залежності між білками і генами вивчення амінокислотних послідовностей білків може тепер дати найбільш точне і певне уявлення про еволюційні взаємовідносини та про деяких фундаментальних механізмах еволюції". А в 1969 р. Дейхоф і Екк (Dayhoff, Eck) писали: "Заповітна мрія біохіміків полягає в тому, щоб мати можливість розробити повне, докладне, забезпечене кількісними параметрами філогенетичне древо - історію походження всіх видів живих істот до самих її витоків. Біологи живили цю надію протягом довгого часу; тепер біохімія має реальну можливість виконати це ". Воістину завдання, гідна самого Геккеля.
Головне робоче припущення, що приймається при побудові філогенетичного дерева на підставі даних про нуклеотидних та амінокислотних послідовностях, полягає в тому, що в межах кожного набору гомологічних послідовностей, таких як цитохром с, заміни нуклеотидів, а отже, і амінокислот відбуваються зі сталою частотою. З цієї гіпотези поступовості випливає цікавий наслідок про те, що швидкості заміни ведуть себе як молекулярні годинник, хід яких не залежить від швидкостей морфологічної еволюції.
У 1963 р. Марголіаш (Margoliash) висловив думку, що еволюція амінокислотних послідовностей у білках і морфологічна еволюція, можливо, не пов'язані один з одним. Марголіаш вказав, що якщо час, що минув визначає число замін, які накопичилися в даному білку, то еволюція амінокислотної послідовності може служити годинами, що дозволяють виміряти час, що минув з моменту дивергенції будь-яких двох видів. Він висловив пророче припущення, що "... корисної перевіркою важливої ролі часу як головного чинника у накопиченні мінливості в цитохрому С повинно бути порівняння амінокислотних послідовностей гомологічних білків, виділених з видів, про які відомо, що вони впродовж тривалих періодів часу не зазнавали морфологічних змін, і з швидко змінюються видів ... ". Використання молекулярних годин для розтину залежності між еволюцією структурних генів і морфологічної еволюцією дозволило виявити деякі дуже цікаві аспекти еволюції геному, відповідальні за морфологічне зміна. Дікерсон (Dicherson, 1971) опублікував чудове введення в проблему білкових годин, а більш новий і вичерпний її розбір дали Вілсон, Карлсон і Вайт (Wilson, Carlson, White, 1977).
Перш ніж обговорювати взаємини між молекулярними годинником і морфологічної еволюцією, слід встановити переваги і недоліки такого годинника.
Дані, що лежать в основі гіпотези про однорідну і характерною для кожного даного білка швидкості еволюції, представлені на рис.3-1, де показана залежність між числом мутаційних кроків, оцінюваним за кількістю відмінностей в амінокислотних послідовностях гомологічних білків, і часом дивергенції організмів, з яких ці білки були виділені. Часом дивергенції вважається число років, що минули з тих пір, коли у двох даних організмів був загальний предок, і до теперішнього часу. Візьмемо, наприклад, цитохром с ссавців і рептилій. Палеонтологічний літопис показує, що звіроподібні рептилії дівергіровалі від інших рептилій приблизно 300 · 10 6 років тому. Ц. нині живуть ссавців відрізняються від цитохромів нині живуть рептилій приблизно 15 замінами на 100 амінокислот. Отже, в цьому випадку на виникнення 15%-ного відмінності знадобилося 300 · 10 6 років, або 20 · 10 6 - для відмінностей в 1%. Час, необхідний для 1%-ної дивергенції по будь-якому білку, Дікерсон (Dickerson) назвав одиницею еволюційного часу (ЕЕВ). Для цитохрому с, отже, ЕЕВ дорівнює 20 · 10 6 років. В інших білків середні швидкості еволюції також постійні, проте абсолютні швидкості еволюції у різних білків різні.
Структурні гени і регулятори в еволюції
Білкові філогенії, однак, не завжди збігаються з морфологічними філогенія. Наприклад, амінокислотні послідовності цитохрому с, розпадаються на чітко розмежовані гілки, відповідні царствам найпростіших, грибів, рослин і тварин; відокремлені також послідовності, пов'язані з різним типам тварин. Кільчасті черви, молюски, ракоподібні, як слід було б очікувати на підставі класичних підходів до філогенії, утворюють групу типів, що відрізняються від хребетних. Однак голкошкірих на цьому цитохромної дереві відповідає одна з бічних гілок кільчастих хробаків, що суперечить ембріологічним даними, згідно з якими голкошкірі близькі до хордових. Подібні труднощі виникають також при розгляді міоглобінового древа. Розташування на ньому більшості груп в розумних межах узгоджується з палеонтологічними і морфологічними даними, за лорі і лемури займають дещо несподівані місця. За своєю будовою ці форми відносяться до приматів, проте за амінокислотним послідовностей міоглобіну вони не ближче до вищих приматів, ніж собаки або кролики. Це останнє екстраординарне висновок навряд чи правильно, оскільки загальноприйнята філогенія заснована на набагато більшій кількості ознак, ніж продукт одного гена. Загальна відповідність філогенії, побудованих на основі молекулярних і морфологічних критеріїв, пояснюється, ймовірно, тривалим усередненням швидкостей як морфологічної, так і молекулярної еволюції. Невідповідність ж може бути результатом варіацій або швидкості еволюції даного білка, або швидкості морфологічної еволюції будь-якої певної лінії.Варіації в швидкостях еволюції білків, мабуть, особливо великі в період виникнення нових функцій. Білки, функції яких цілком склалися, еволюціонують з точністю годинникового механізму, і їх можна тому використовувати для визначення молекулярних філогенії. Однак у період становлення функції будь-якого нового білка його еволюція, очевидно, відхиляється від точного ходу молекулярних годин. Якщо швидкість еволюції глобіну екстраполювати в минуле, то дивергенція Глобине припадає на пізній докембрій, тобто на набагато більш ранній час, ніж поява перших залишків Metazoa в палеонтологічного літопису. Так, при цьому виходить, що глобін міног дівергіровал від глобіну комах більш ніж 1000 · 10 6 років тому, від гемоглобіну хребетних - 800 · 10 6 років тому, а гемоглобін від міоглобіну 900 · 10 6 років тому. Такі екстраполяції, можливо, призводять до сильно завищеними оцінками. Відповідно до палеонтологічними даними Гудман, Мур і Матсуда (Goodman, Moore, Matsuda) припускають, що ці білки дівергіровалі пізніше: глобін міноги від Глобине комах - приблизно 700 · 10 б років тому, глобін міноги від гемоглобінів хребетних - приблизно 500 · 10 6 років тому, а гемоглобіни від міоглобіну - також близько 500 · 10 6 років тому. Дивергенція α - і β-гемоглобінів також сталася приблизно 450 · 10 6 років тому. Такі оцінки термінів дивергенції представляються розумними, тому що найдавніші примітивні хордові відомі з середнього кембрію (приблизно 550 · 10 6 років тому), а залишки найдавніших хребетних-з пізнього кембрію (приблизно 500 · 10 6 років тому). З цих переглянутих оцінок термінів дивергенції випливає, що в період від 500 до 400.10 6 років тому швидкість еволюції Глобине була набагато вище, ніж згодом. Є й інші приклади. Найкращий з них - це, ймовірно, α-лактальбумін - субодиниця лактозосінтетази молочної залози. α-лактальбумін подібний за своєю амінокислотної послідовності з лізоцимом і, можливо, походить від лізоциму під час еволюції ранніх ссавців. Згідно з "Атласу амінокислотних послідовностей та структури білків", ЕЕВ для α-лактальбуміну дорівнює приблизно 2,3 · 10 6 років, тоді як для лізоциму вона дорівнює приблизно 5 · 10 6 років. Якщо б ці швидкості були постійними на всьому протязі історії розвитку двох білків, то, враховуючи амінокислотні відмінності між α-лактальбумін і лізоциму ссавців, α-лактальбумін повинен був виникнути 300 · 10 6 років тому - приблизно за 100 · 10 6 років до того, як в пізньому тріасі з'явилися перші ссавці. Більш ймовірна альтернатива полягає в тому, що α-лактальбумін виник в тріасі в якості одного з елементів комплексу ознак, що характеризують ссавців, і на ранньому етапі своєї історії зазнав періоду швидкої еволюції. Інший, особливо цікавий приклад виявив Хенніг (Hennig), який окреслив у миші цитохром с, специфічний для насінників, який відрізняється по 13 амінокислотам від цитохрому с, що міститься у всіх інших тканинах миші. Він відзначає, що якщо ці 13 замін локалізувати на тривимірній моделі молекули цитохрому с, то виявиться, що всі вони сконцентровані на одній ділянці поверхні. В іншому вся амінокислотна послідовність ідентична основного цитохрому з миші та інших гризунів (Carlson et al). Хенніг вважає, що, судячи за кількістю замін, дивергенція цитохрому з сім'яників сталася на ранньому етапі еволюції чотириногих (або навіть раніше) і що інша частина його молекули еволюціонувала паралельно основному цітрохрому с. Представляється, проте, більш імовірним, що цитохром з сім'яників - результат щодо недавньої дуплікації гена, що мала місце у перших гризунів, за якою пішла швидка еволюція цього спеціалізованого білка.
У цих прикладах підвищення швидкостей зміни відбувалося в період розвитку нових функцій, але після досягнення функціональної адаптації прийнятні заміни обмежувалися другорядними частинами молекули. Це, мабуть, загальне положення. Відхилення еволюції білка від нормального ходу молекулярних годин не позбавляють нас можливості використовувати білкові годинник для тих проміжків часу, в які їх еволюція протікала з досить постійною швидкістю. Цілком очевидно, що в тих випадках, для яких не можна добре встановити час дивергенції на підставі палеонтологічного літопису, або в лініях, у яких швидкість еволюції білка може виявитися непостійною, бажано дотримуватися обережності.
Інше застереження відноситься до різниці між адаптивними змінами в межах даної популяції і різного роду ізолюючими механізмами, що викликають розщеплення, або кладогенез. Кожна природна популяція володіє відомим запасом мінливості, будь то хромосомний, морфологічний або біохімічний поліморфізм. Можна також показати, що ці каріотіпіческіе, морфологічні чи ферментні ознаки змінюються в часі, зі зміною пір року, або в просторі, наприклад з висотою місцевості. Класичним прикладом адаптивної зміни цього типу служить індустріальний меланізм у п'ядуна Biston betularia. У цьому особливому випадку протягом XIX ст. в результаті розвитку промисловості і забруднення середовища вугільним пилом і кіптявою в популяціях цього метелика в центральних графствах Англії чорна морфа стала переважати над сірою. П'ядуна вдень відпочивають на стовбурах дерев, потемнілих від кіптяви, а тому птахи краще розрізняють на них сірих метеликів і виїдають їх сильніше, ніж чорних. Звичайно, в популяції відбулася зміна, проте вона при цьому не розпалася на дві окремі репродуктивно ізольовані групи. Чорні та сірі метелики продовжують злучатися і виробляють життєздатне плідне потомство. Інший приклад - поліморфізм за хромосомним інверсія у Drosophila pseudoobscura, так витончено проаналізований Добржанський та його учнями. У третій хромосомі цих мух міститься багато різних генних послідовностей, перебудованих в порівнянні з довільно обраної стандартної послідовністю. У багатьох локальних популяціях міститься по декілька таких інвертованих послідовностей. Частота кожної даної послідовності в популяції змінюється, однак, протягом всього сезону, коли ці комахи ростуть. Частота інверсій змінюється також зі зміною висоти місцевості над рівнем моря, так що на різних висотах в популяції переважають різні інверсії, тобто спостерігається клинальної мінливість їх частоти. І в цьому випадку всі мухи, що несуть різні хромосомні послідовності, інтерфертільни, а тому вони не відносяться до різних видів. Створюється враження, що зміни частоти генів або структури хромосом, які відбуваються в межах однієї популяції і не супроводжуються видоутворенням, можливо, грають певну роль у підтриманні адаптованості популяції, але не відіграють істотної ролі в еволюційному процесі.
Межі видів, особливо видів тварин, встановлюються репродуктивної ізоляцією між ними. Це розділення підтримується різноманітними ізолюючими механізмами, які можна розбити на дві широкі категорії - презіготіческіе і постзіготіческіе, в залежності від того, пригнічується чи передача генетичної інформації до або після запліднення.
Презіготіческіе перепони служать для запобігання злиття гамет і можуть зводитися лише до екологічних відмінностей між двома передбачуваними шлюбними партнерами. Якщо дві групи тварин екологічно ізольовані або реальним фізичним відстанню, або тим, що вони займають досить різні ніші в одній і тій же загальній області, то схрещування між ними малоймовірно. Другий тип спостерігається презіготіческой ізоляції - це тимчасова ізоляція. Якщо тварини розрізняються за добовим ритмам активності або якщо рослини розрізняються за термінами цвітіння, то вони позбавлені можливості обмінюватися генетичною інформацією. Третій тип презіготіческой ізоляції специфічний для статевого процесу як такого. У багатьох тварин виробилися досить складні шлюбні церемонії, які повинні бути виконані у всіх деталях, для того щоб могла здійснитися спарювання і відбулося злиття гамет. У деяких випадках при цих церемоніях відбувається не тільки обмін слуховими і зоровими сигналами, але також виділення самцем, самкою або обома партнерами специфічних феромонів або статевих атрактантів. Четвертий презіготіческій механізм полягає у фізичній несумісності. Цей механізм пов'язаний з величиною і формою статевих органів самця і самки. Наприклад, у тварин з внутрішнім заплідненням статевий член самця повинен відповідати будові статевих органів самки, з тим щоб було можливе введення сперми. У рослин, обпилюваних комахами, кожен вид пов'язаний з певним видом запилювачів, і успіх запилення залежить від величини, форми, забарвлення і запаху квітки і його здатності залучати комах саме цього виду. Нарешті, існує несумісність гамет. Гамети, які продукують організмом з тим, щоб відбулася сингамії, або злиття чоловічого і жіночого пронуклеусов з утворенням диплоїдного ядра зиготи, повинні пізнавати один одного і мати для цього спеціальними розпізнавальними ознаками. Серед тварин це найбільш яскраво виражено у видів із зовнішнім заплідненням, які виділяють гамети у навколишнє середовище, зазвичай водну. Морські їжаки та інші голкошкірі, для яких характерне зовнішнє запліднення, мають розпізнавальними ознаками, що запобігають міжвидової обмін генами. Не можна не випробувати відомого зловісного чарівності, уявивши собі той хаос, який міг виникнути, якщо б викинуті в океан гамети почали з'єднуватися випадковим чином. У рослин несумісність гамет найчастіше проявляється в нездатності пилкового зерна одного виду, що потрапив на рильце іншого виду, прорости в стовпчик, в результаті чого чоловічий пронуклеус позбавляється можливості досягти яйцеклітини. Очевидно, цей же механізм запобігає самозапліднення у багатьох однодомних рослин.
До другої великої категорії - постзіготіческім ізолюючим механізмам - відносяться ті механізми, які вступають в дію після того, як відбулося злиття гамет. Перший з них - це летальність гібридів. Освіта гібридів можливо, по крайней мере в лабораторних умовах, однак вони гинуть на тій чи іншій стадії розвитку. Загибель може відбутися або невдовзі після запліднення, або на досить пізній стадії розвитку; вона буває зазвичай викликана або нездатністю батьківського геному вижити і / або функціонувати в материнській цитоплазмі, тобто в цитоплазмі яйцеклітини, або несумісністю батьківського і материнського геномів. Ці механізми продемонстрували Дені і Браше (Denis, Brachet) у своєму дослідженні причин летальності при схрещуваннях між двома видами голкошкірих - Paracentrotus lividus і Arbacia lixula. Яйця P. lividus можна запліднити спермою A. lixula, і вони починають розвиватися, проте гібридний зародок гине до гаструляції. Причиною припинення розвитку може бути втрата батьківської ДНК роздрібнюється яйцем внаслідок елімінації батьківських хромосом під час клітинних поділів. Крім того, в цих експериментах не спостерігалося посилення синтезу РНК, який зазвичай відбувається при гаструляції або безпосередньо перед її початком. Летальність гібридів дещо іншого роду була виявлена при схрещуваннях між іншою парою видів голкошкірих - Dendraster excentricus і Strongylocentrotus purpuratus (Whiteley, Whiteley). У цьому випадку зародки проходили через стадію гаструли, але не досягали нормальної личинкової стадії. Можливо, що таке припинення розвитку викликано порушенням експресії батьківського геному, тому що при цьому не відбувається синтезу білків, специфічних для батьківського виду.
У міру міграції плити (на північний захід, зі швидкістю приблизно 9 см / рік) над цим місцем виникав ряд вулканів. Так, острів Кауаї з'явився в пліоцені, приблизно 5 млн. років тому, а Оаху - 3 млн. років тому. Три невеликих острови - Молокаї, Мауї і Ланаї, - спочатку складали одне ціле, утворилися 1,5 млн. років тому, а пізніше розділилися. Нарешті, найбільший і наймолодший острів Гаваї все ще знаходиться над "гарячою точкою", про що свідчить триваюча вулканічна активність. Найдавніші частини цього самого молодого острова сформувалися в плейстоцені, дещо менш 1 млн. років тому. Послідовне виникнення цих островів в поєднанні з їх ізольованістю як від азійського, так і від північноамериканського материків створили таку ситуацію, яка дозволяє простежити весь процес заселення новій території і нових ніш, вивчаючи нині існуючі види організмів. Подальше перевага пов'язана з тим, що Гавайські острови знаходяться в тропіках, і тому їх біота вельми різноманітна. Це ясно видно на прикладі сем. Drosophilidae, яке нам належить розглянути. За оцінками Карсона (Carson) і Канешіро (Kaneshiro), на відносно невеликій території названих вище шести островів зустрічається більше 500 ендемічних видів цих мух. Звідси випливає, що та подія, яку ми збираємося вивчати, тобто видоутворення, відбувалося в цій ізольованій, охарактеризованою в часі, середовищі з достатньою регулярністю.
Інший і настільки ж важливий аспект розглянутого дослідження - це організм, який служив його об'єктом. Дрозофіли не тільки дозволяють піддати аналізу велике число видів, але в силу їх генетичних особливостей отримати інформацію про їх філогенетичних взаєминах легше, ніж для більшості інших організмів. У цьому сенсі особливо зручні їх політенні хромосоми. Майже у всіх личинкових тканинах цих двокрилих є клітини, в яких відбувається реплікація ДНК, що не супроводжується клітинним поділом.
Реплицироваться інтерфазних хромосоми збільшуються до такої міри, що їх можна досліджувати під світловим мікроскопом. При цьому видно, що вони складаються з ряду інтенсивно забарвлюються смуг-дисків, розділених більш світлими междіскамі. Кожна хромосома кожного даного виду відрізняється від інших власним дуже характерним розташуванням широких і вузьких смуг по всій своїй довжині. Порівнюючи характер смугастості (Згинач) у різних видів, можна виявити перерозподілу генетичного матеріалу в їх хромосомах. Це спрощується завдяки існуванню у них, як і в інших двокрилих, соматичної кон'югації гомологічних хромосом. Крім того випадках, коли вдається отримати потомство від будь-якого міжвидового схрещування, можна дослідити політенні хромосоми нащадків і виявити наявність у них генетичних перебудов. Цей метод можна доповнити вивченням метафазних хромосом інших більш звичайних клітин розглянутих видів. Карсон і Клейтон (F. Clayton) протягом декількох років вивчали політенні і метафазні хромосоми видів Drosophilidae, ендемічних для Гавайських островів. Вони виявили, що переважна більшість вивчених досі видів мають однаковий основний метафазних каріотип - п'ять паличковидних хромосом і одну точкову, а диплоидное число хромосом одно у них 12. Результати вивчення політенних хромосом, що дозволяють набагато детальніше розглянути морфологію хромосом, що не підтверджують цей уявний консерватизм, так як виявляють велике число хромосомних інверсій. Цікаво, що ці інверсії представляють собою не просто випадкові перебудови хромосом, що виникли у різних видів, а утворюють певні групи і підгрупи; тобто якщо довільно прийняти послідовність хромосомних дисків у будь-якого виду за стандартну, то інші види можна порівнювати з цим стандартом, з'ясовуючи, за скількома інверсія вони розрізняються. У міру зіставлення все більшого числа "нестандартних" видів зі стандартом в спостережуваних відмінностях починає виявлятися певна впорядкованість і виникає можливість побудувати якусь філогенію, допустивши, наприклад, що якщо вид А відрізняється від стандарту групою з п'яти або шести інверсій, а вид В - цими ж п'ятьма-шістьма до того ж ще трьома, то представляється ймовірним, що вид В знаходиться в більш віддаленому спорідненні зі стандартом, ніж вид А. Саме таким способом Карсон зумів побудувати філогенетичне древо для більш ніж 100 видів гавайських Drosophilidae. Невелика ділянка цього заснованого на хромосомних відмінностях древа представлений на рис.3-7; він відповідає так званій групі planitibia цих дрозофіл. На кладограму показані хромосомні взаємозв'язку для 8 з 17 описаних видів цієї групи. Якщо зіставити наведену кладограму з розподілом цих 8 видів з різних островах, то виявляється цікава закономірність, що дозволяє ввести в створену схему можливу тимчасову компоненту. Drosophila picticornis зустрічається тільки на Кауаї - найбільш стародавній з усіх островів, і, судячи зі структури його хромосом, цей вид пов'язаний з D. attigua і D. primaeva більш близьким спорідненням, ніж інші члени групи planitibia. Вважається, що ці два види відносяться до числа найдавніших мешканців Гавайських островів і найбільш близькі до материкового увазі, який, за припущеннями, першим заселив ці острови і поклав початок всієї лінії гавайських представників Drosophilidae. На острові Оаху мешкають два види - D. substenoptera і D. hemipeza. Перший з них ближче до D. picticornis і, ймовірно, походить від якогось схожого з D. picticornis предка, який колонізував острів Оаху незабаром після його утворення, що сталося через приблизно 2 млн. років після виникнення острова Кауаї. Судячи з морфології його хромосом, вид D. hemipeza, мабуть, не пов'язаний прямим спорідненням ні з D. picticornis, ні з D. substenoptera, а походить від якогось предка, який був схожий з D. neopicta і вдруге мігрував з острова Молокаї назад на Оаху. Ця гіпотеза сумісна з наявністю у D. hemipeza групи інверсій, схожих з інверсіями, які є в D. neopicta, а також двох інших інверсій в Х-хромосомі, одна з яких зустрічається тільки у D. hemipeza. Пряме виведення D. hemipeza від D. substenoptera порушило б принцип економії мислення, прийнятий при побудові філогенетичного дерева.
Типи видоутворення
До цих пір наша увага була зосереджена головним чином на швидкостях молекулярної та морфологічної еволюції, і нам вдалося вибрати кількісні показники, прийнятні для декількох еволюційних процесів. Однак такі показники, як швидкість зміни розмірів у Дарвіна або швидкості еволюції ДНК в числі замін нуклеотидів за рік, можуть створити ілюзію безперервності - градуалізму - навіть у тих випадках, коли насправді мав місце переривчастий ряд подій. Якщо еволюція зазвичай відбувається переривчастим чином, то виникає необхідність визначити природу процесу, що викликає швидке і, можливо, радикальне еволюційна зміна. Згідно з найбільш міцно укоріненому думку, що спирається на популяційну біологію і генетику, вирішальну роль в еволюції відіграє видоутворення. У цьому контексті вигляд визначається як група перехресних між собою організмів, що мають загальний генофонд. А від такого визначення невіддільні процес і механізм, за допомогою яких відбувається видоутворення. Якщо члени даного виду мають загальний генофонд, то події, що призводять до поділу одного виду на два, повинні виділяти з цього генофонду окремі частини і перешкоджати обміну генетичною інформацією між двома окремими популяціями. Тому нам необхідно з'ясувати природу механізмів, які поділяють зароджуються види, - природу генетичних змін, їх кількість, необхідну для видоутворення, і необхідний на це мінімальний час. Однак, перш ніж стрімголов кинутися до цієї незайманою цілині, слід зробити два застереження. Як цілком справедливо зазначив Буш, ніхто ніколи не спостерігав процес видоутворення від початку і до кінця, так що саме дослідження видоутворення представляє собою "науку ad hoc". To, що ми спостерігаємо в природі, це тільки окремі моменти, ряд окремих кадрів безперервного процесу, і, маючи лише цими швидкоплинними враженнями, ми змушені відтворювати увесь інший процес і що лежить в його основі механізм. Це дещо нагадує метод Шерлока Холмса, який приводив у подив доктора Ватсона: все минуле майбутнього клієнта виводилася з того, як він кульгає і які курить сигари. Як ми зможемо переконатися, процес видоутворення протікає у різних організмів по-різному, і будь-які відносяться до нього узагальнення даються важко. Справедливості заради слід згадати про те, що в літературі описано декілька випадків лабораторного "видоутворення". Ці випадки здебільшого виникали в результаті експериментального або інтуїтивного зведення перешкод, які перешкоджали схрещування між особинами, що належать до одного й того ж виду. Залишається з'ясувати, однак, якою мірою ці лабораторні події відповідають тому, що відбувається в природі.Інше застереження відноситься до різниці між адаптивними змінами в межах даної популяції і різного роду ізолюючими механізмами, що викликають розщеплення, або кладогенез. Кожна природна популяція володіє відомим запасом мінливості, будь то хромосомний, морфологічний або біохімічний поліморфізм. Можна також показати, що ці каріотіпіческіе, морфологічні чи ферментні ознаки змінюються в часі, зі зміною пір року, або в просторі, наприклад з висотою місцевості. Класичним прикладом адаптивної зміни цього типу служить індустріальний меланізм у п'ядуна Biston betularia. У цьому особливому випадку протягом XIX ст. в результаті розвитку промисловості і забруднення середовища вугільним пилом і кіптявою в популяціях цього метелика в центральних графствах Англії чорна морфа стала переважати над сірою. П'ядуна вдень відпочивають на стовбурах дерев, потемнілих від кіптяви, а тому птахи краще розрізняють на них сірих метеликів і виїдають їх сильніше, ніж чорних. Звичайно, в популяції відбулася зміна, проте вона при цьому не розпалася на дві окремі репродуктивно ізольовані групи. Чорні та сірі метелики продовжують злучатися і виробляють життєздатне плідне потомство. Інший приклад - поліморфізм за хромосомним інверсія у Drosophila pseudoobscura, так витончено проаналізований Добржанський та його учнями. У третій хромосомі цих мух міститься багато різних генних послідовностей, перебудованих в порівнянні з довільно обраної стандартної послідовністю. У багатьох локальних популяціях міститься по декілька таких інвертованих послідовностей. Частота кожної даної послідовності в популяції змінюється, однак, протягом всього сезону, коли ці комахи ростуть. Частота інверсій змінюється також зі зміною висоти місцевості над рівнем моря, так що на різних висотах в популяції переважають різні інверсії, тобто спостерігається клинальної мінливість їх частоти. І в цьому випадку всі мухи, що несуть різні хромосомні послідовності, інтерфертільни, а тому вони не відносяться до різних видів. Створюється враження, що зміни частоти генів або структури хромосом, які відбуваються в межах однієї популяції і не супроводжуються видоутворенням, можливо, грають певну роль у підтриманні адаптованості популяції, але не відіграють істотної ролі в еволюційному процесі.
Межі видів, особливо видів тварин, встановлюються репродуктивної ізоляцією між ними. Це розділення підтримується різноманітними ізолюючими механізмами, які можна розбити на дві широкі категорії - презіготіческіе і постзіготіческіе, в залежності від того, пригнічується чи передача генетичної інформації до або після запліднення.
Презіготіческіе перепони служать для запобігання злиття гамет і можуть зводитися лише до екологічних відмінностей між двома передбачуваними шлюбними партнерами. Якщо дві групи тварин екологічно ізольовані або реальним фізичним відстанню, або тим, що вони займають досить різні ніші в одній і тій же загальній області, то схрещування між ними малоймовірно. Другий тип спостерігається презіготіческой ізоляції - це тимчасова ізоляція. Якщо тварини розрізняються за добовим ритмам активності або якщо рослини розрізняються за термінами цвітіння, то вони позбавлені можливості обмінюватися генетичною інформацією. Третій тип презіготіческой ізоляції специфічний для статевого процесу як такого. У багатьох тварин виробилися досить складні шлюбні церемонії, які повинні бути виконані у всіх деталях, для того щоб могла здійснитися спарювання і відбулося злиття гамет. У деяких випадках при цих церемоніях відбувається не тільки обмін слуховими і зоровими сигналами, але також виділення самцем, самкою або обома партнерами специфічних феромонів або статевих атрактантів. Четвертий презіготіческій механізм полягає у фізичній несумісності. Цей механізм пов'язаний з величиною і формою статевих органів самця і самки. Наприклад, у тварин з внутрішнім заплідненням статевий член самця повинен відповідати будові статевих органів самки, з тим щоб було можливе введення сперми. У рослин, обпилюваних комахами, кожен вид пов'язаний з певним видом запилювачів, і успіх запилення залежить від величини, форми, забарвлення і запаху квітки і його здатності залучати комах саме цього виду. Нарешті, існує несумісність гамет. Гамети, які продукують організмом з тим, щоб відбулася сингамії, або злиття чоловічого і жіночого пронуклеусов з утворенням диплоїдного ядра зиготи, повинні пізнавати один одного і мати для цього спеціальними розпізнавальними ознаками. Серед тварин це найбільш яскраво виражено у видів із зовнішнім заплідненням, які виділяють гамети у навколишнє середовище, зазвичай водну. Морські їжаки та інші голкошкірі, для яких характерне зовнішнє запліднення, мають розпізнавальними ознаками, що запобігають міжвидової обмін генами. Не можна не випробувати відомого зловісного чарівності, уявивши собі той хаос, який міг виникнути, якщо б викинуті в океан гамети почали з'єднуватися випадковим чином. У рослин несумісність гамет найчастіше проявляється в нездатності пилкового зерна одного виду, що потрапив на рильце іншого виду, прорости в стовпчик, в результаті чого чоловічий пронуклеус позбавляється можливості досягти яйцеклітини. Очевидно, цей же механізм запобігає самозапліднення у багатьох однодомних рослин.
До другої великої категорії - постзіготіческім ізолюючим механізмам - відносяться ті механізми, які вступають в дію після того, як відбулося злиття гамет. Перший з них - це летальність гібридів. Освіта гібридів можливо, по крайней мере в лабораторних умовах, однак вони гинуть на тій чи іншій стадії розвитку. Загибель може відбутися або невдовзі після запліднення, або на досить пізній стадії розвитку; вона буває зазвичай викликана або нездатністю батьківського геному вижити і / або функціонувати в материнській цитоплазмі, тобто в цитоплазмі яйцеклітини, або несумісністю батьківського і материнського геномів. Ці механізми продемонстрували Дені і Браше (Denis, Brachet) у своєму дослідженні причин летальності при схрещуваннях між двома видами голкошкірих - Paracentrotus lividus і Arbacia lixula. Яйця P. lividus можна запліднити спермою A. lixula, і вони починають розвиватися, проте гібридний зародок гине до гаструляції. Причиною припинення розвитку може бути втрата батьківської ДНК роздрібнюється яйцем внаслідок елімінації батьківських хромосом під час клітинних поділів. Крім того, в цих експериментах не спостерігалося посилення синтезу РНК, який зазвичай відбувається при гаструляції або безпосередньо перед її початком. Летальність гібридів дещо іншого роду була виявлена при схрещуваннях між іншою парою видів голкошкірих - Dendraster excentricus і Strongylocentrotus purpuratus (Whiteley, Whiteley). У цьому випадку зародки проходили через стадію гаструли, але не досягали нормальної личинкової стадії. Можливо, що таке припинення розвитку викликано порушенням експресії батьківського геному, тому що при цьому не відбувається синтезу білків, специфічних для батьківського виду.
Час і генетична дивергенція
Швидкості і способи видоутворення дуже зручно розглянути на прикладі великої групи видів род. Drosophilidae, ендемічних для Гавайських островів, яку так відмінно вивчив Карсон (Н. Carson) зі своїми співробітниками і студентами. Наш вибір диктується кількома винятковими особливостями як Гавайського архіпелагу, так і що мешкають на ньому дрозофіл. Ці острови добре ізольовані від материка і тому, так само як і дарвінівського Галапагоси, можуть служити природною лабораторією для дослідження еволюції. Крім того, геологічний вік різних островів, складових Гавайський архіпелаг, добре встановлений калій-аргоновим і палеомагнітним методами. Якщо рухатися по сучасній карті архіпелагу з півночі на південь, то острова стають все молодшим. Це обумовлено переміщенням тихоокеанської литосферной плити над "гарячою точкою" під поверхнею Землі.У міру міграції плити (на північний захід, зі швидкістю приблизно 9 см / рік) над цим місцем виникав ряд вулканів. Так, острів Кауаї з'явився в пліоцені, приблизно 5 млн. років тому, а Оаху - 3 млн. років тому. Три невеликих острови - Молокаї, Мауї і Ланаї, - спочатку складали одне ціле, утворилися 1,5 млн. років тому, а пізніше розділилися. Нарешті, найбільший і наймолодший острів Гаваї все ще знаходиться над "гарячою точкою", про що свідчить триваюча вулканічна активність. Найдавніші частини цього самого молодого острова сформувалися в плейстоцені, дещо менш 1 млн. років тому. Послідовне виникнення цих островів в поєднанні з їх ізольованістю як від азійського, так і від північноамериканського материків створили таку ситуацію, яка дозволяє простежити весь процес заселення новій території і нових ніш, вивчаючи нині існуючі види організмів. Подальше перевага пов'язана з тим, що Гавайські острови знаходяться в тропіках, і тому їх біота вельми різноманітна. Це ясно видно на прикладі сем. Drosophilidae, яке нам належить розглянути. За оцінками Карсона (Carson) і Канешіро (Kaneshiro), на відносно невеликій території названих вище шести островів зустрічається більше 500 ендемічних видів цих мух. Звідси випливає, що та подія, яку ми збираємося вивчати, тобто видоутворення, відбувалося в цій ізольованій, охарактеризованою в часі, середовищі з достатньою регулярністю.
Інший і настільки ж важливий аспект розглянутого дослідження - це організм, який служив його об'єктом. Дрозофіли не тільки дозволяють піддати аналізу велике число видів, але в силу їх генетичних особливостей отримати інформацію про їх філогенетичних взаєминах легше, ніж для більшості інших організмів. У цьому сенсі особливо зручні їх політенні хромосоми. Майже у всіх личинкових тканинах цих двокрилих є клітини, в яких відбувається реплікація ДНК, що не супроводжується клітинним поділом.
Реплицироваться інтерфазних хромосоми збільшуються до такої міри, що їх можна досліджувати під світловим мікроскопом. При цьому видно, що вони складаються з ряду інтенсивно забарвлюються смуг-дисків, розділених більш світлими междіскамі. Кожна хромосома кожного даного виду відрізняється від інших власним дуже характерним розташуванням широких і вузьких смуг по всій своїй довжині. Порівнюючи характер смугастості (Згинач) у різних видів, можна виявити перерозподілу генетичного матеріалу в їх хромосомах. Це спрощується завдяки існуванню у них, як і в інших двокрилих, соматичної кон'югації гомологічних хромосом. Крім того випадках, коли вдається отримати потомство від будь-якого міжвидового схрещування, можна дослідити політенні хромосоми нащадків і виявити наявність у них генетичних перебудов. Цей метод можна доповнити вивченням метафазних хромосом інших більш звичайних клітин розглянутих видів. Карсон і Клейтон (F. Clayton) протягом декількох років вивчали політенні і метафазні хромосоми видів Drosophilidae, ендемічних для Гавайських островів. Вони виявили, що переважна більшість вивчених досі видів мають однаковий основний метафазних каріотип - п'ять паличковидних хромосом і одну точкову, а диплоидное число хромосом одно у них 12. Результати вивчення політенних хромосом, що дозволяють набагато детальніше розглянути морфологію хромосом, що не підтверджують цей уявний консерватизм, так як виявляють велике число хромосомних інверсій. Цікаво, що ці інверсії представляють собою не просто випадкові перебудови хромосом, що виникли у різних видів, а утворюють певні групи і підгрупи; тобто якщо довільно прийняти послідовність хромосомних дисків у будь-якого виду за стандартну, то інші види можна порівнювати з цим стандартом, з'ясовуючи, за скількома інверсія вони розрізняються. У міру зіставлення все більшого числа "нестандартних" видів зі стандартом в спостережуваних відмінностях починає виявлятися певна впорядкованість і виникає можливість побудувати якусь філогенію, допустивши, наприклад, що якщо вид А відрізняється від стандарту групою з п'яти або шести інверсій, а вид В - цими ж п'ятьма-шістьма до того ж ще трьома, то представляється ймовірним, що вид В знаходиться в більш віддаленому спорідненні зі стандартом, ніж вид А. Саме таким способом Карсон зумів побудувати філогенетичне древо для більш ніж 100 видів гавайських Drosophilidae. Невелика ділянка цього заснованого на хромосомних відмінностях древа представлений на рис.3-7; він відповідає так званій групі planitibia цих дрозофіл. На кладограму показані хромосомні взаємозв'язку для 8 з 17 описаних видів цієї групи. Якщо зіставити наведену кладограму з розподілом цих 8 видів з різних островах, то виявляється цікава закономірність, що дозволяє ввести в створену схему можливу тимчасову компоненту. Drosophila picticornis зустрічається тільки на Кауаї - найбільш стародавній з усіх островів, і, судячи зі структури його хромосом, цей вид пов'язаний з D. attigua і D. primaeva більш близьким спорідненням, ніж інші члени групи planitibia. Вважається, що ці два види відносяться до числа найдавніших мешканців Гавайських островів і найбільш близькі до материкового увазі, який, за припущеннями, першим заселив ці острови і поклав початок всієї лінії гавайських представників Drosophilidae. На острові Оаху мешкають два види - D. substenoptera і D. hemipeza. Перший з них ближче до D. picticornis і, ймовірно, походить від якогось схожого з D. picticornis предка, який колонізував острів Оаху незабаром після його утворення, що сталося через приблизно 2 млн. років після виникнення острова Кауаї. Судячи з морфології його хромосом, вид D. hemipeza, мабуть, не пов'язаний прямим спорідненням ні з D. picticornis, ні з D. substenoptera, а походить від якогось предка, який був схожий з D. neopicta і вдруге мігрував з острова Молокаї назад на Оаху. Ця гіпотеза сумісна з наявністю у D. hemipeza групи інверсій, схожих з інверсіями, які є в D. neopicta, а також двох інших інверсій в Х-хромосомі, одна з яких зустрічається тільки у D. hemipeza. Пряме виведення D. hemipeza від D. substenoptera порушило б принцип економії мислення, прийнятий при побудові філогенетичного дерева.