эволюция

Художник Иван Лаппер "Эволюция лондонского Тауэра"

via  Ivan Lapper 

Лавкрафт был прав!

Вы сейчас видите многощетинкового червя Eulagisca gigantea, которого достали из-под толщи Антарктического льда из глубин в 520-670м.

Правда ли, что человечество глупеет?

Есть такая шутка: количество интеллекта на планете — величина постоянная, а население всё время растёт. Но действительно ли это стопроцентная шутка? Или мы всё-таки становимся глупее? Дело в том, что за последние 25 тыс. лет наш мозг стал меньше. Об этом и о превратностях эволюции человека рассказывает в очередном выпуске наших друзей — канала Sci-One TV — антрополог Станислав Дробышевский. 

Если проследить эволюцию мозга от австралопитеков, первых двуногих, до современности, то оказывается:

- Рост мозга шёл нелинейно, всплесками, быстрее, то медленнее, иногда уменьшаясь.

Настенная роспись, Рим, Италия.

Радиоактивные люди

  В аргентинских Андах шведские учёные нашли людей, организм которых за несколько тысячелетий приспособился к токсичному воздействию мышьяка 

  Аргентинская деревушка Сан-Антонио-де-лос-Кобрес находится высоко в горах, в пустыне Атакама. Сюда, на высоту 4 тысячи метров, можно добраться по официально «самой страшной железной дороге мира», убегающей серпантином вверх. По прибытии отчаянных туристов у поезда встречают местные жители, продающие яркие полосатые пончо из шерсти гуанако. Интересно, что все эти люди мутанты в буквальном смысле слова. Благодаря наличию AS3MT в организме местного населения (а их в аргентинской деревне порядка 5 тысяч человек) удивительным образом утилизируется мышьяк. Они могут принять смертельную дозу яда и даже не заметить этого: большая часть отравы выводится организмом с мочой.

  Результаты открытия опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

— Ген AS3MT(Аrsenite methyltransferase) обеспечивает выработку фермента, нейтрализующего токсическое действие мышьяка. Это первый в истории науки случай естественного отбора людей по принципу толерантности к мышьяку, — рассказала «Огоньку» генетик Каролинского института Швеции Карин Броберг, которая стала первооткрывателем нового типа человека. — Можно сказать, что нам удалось увидеть недавние эволюционные изменения в организме современного человека.

  Сделать открытие ученым помогли мумии, обнаруженные в пустыне Атаками пару лет назад. Высушенные тела возрастом 7000 лет неплохо сохранились под масками из глины и рыбьего клея, но особенно поразил ученых химический состав волос — они были пропитаны мышьяком. Оказалось, что почва здесь представляет собой километры вулканических пород, содержащих огромное количество тяжелых металлов, в том числе мышьяка. В подземных источниках его здесь примерно в 20 раз больше безопасного уровня (0,01 микрограмма на литр). Люди пришли сюда около 11 тысяч лет назад, а полезная мутация закрепилась, судя по всему, примерно 7-8 тысяч лет назад — в образцах более ранних захоронений ген AS3MT не обнаружен.

— Мы планируем найти подобные случаи адаптации к мышьяку в других местах, — говорит профессор Карин Броберг. — Кроме того, было бы интересно узнать, какие еще токсичные вещества из окружающей среды или пищевых продуктов человек научился усваивать в процессе эволюции.

 Великий и ужасный

 Тот факт, что люди научились усваивать именно мышьяк — удивителен, ведь это одно из самых ядовитых веществ на Земле. Для летального исхода человеку достаточно вдохнуть или проглотить несколько миллиграммов производного мышьяка арсина. Опасность мышьяка и его соединений в том, что они, как правило, не имеют ни запаха, ни вкуса. Именно эти свойства сделали мышьяк идеальным средством отравления. Историки до сих пор спорят, почему у Наполеона, официально умершего от рака желудка, в волосах оказалось повышенное содержание мышьяка: то ли его постепенно подмешивали в пищу, то ли это следствие вдыхания частичек обоев, покрашенных популярной в то время зеленой краской, содержащей мышьяк. Более или менее сносно химики научились выявлять факт отравления мышьяком только к середине XIX века.

  Сегодня мышьяк в том или ином виде постоянно попадает в организм человека — вместе с материалом зубных пломб, морепродуктами, аэрозолями для уничтожения насекомых и сигаретным дымом. Если мышьяк попадает в почву, то им оказывается заражена питьевая вода, овощи, фрукты, особенно виноград и виноградные вина.

— В человеческой популяции, как мы видим, есть люди, предки которых сумели приспособиться к новым условиям окружающей среды, а есть те, кто наоборот слишком чувствителен к токсическим веществам, — говорит профессор Карин Броберг из Каролинского института. — Ведь во множестве стран есть районы, где люди подвергаются длительному воздействию мышьяка, содержащегося в питьевой воде, и при этом так и не приспособились к нему. Их тоже нужно исследовать, потому что это зона риска, о которой должны предупреждать токсикологи.

 Модифицированный рабочий

  Сколько людей имеют геном, особо чувствительный к химикатам, вопрос сложный. По данным российских ученых из Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека, таковых примерно 10 процентов. Здесь уже в течение 7 лет изучают геном человека и находят маркеры, которые могут определить, насколько человек подвержен вредному влиянию токсичных веществ.

— Современные методики позволяют выявить людей, у которых генетически обусловлена повышенная восприимчивость к вредным факторам предприятий химической и нефтехимической отрасли, — рассказывает руководитель лаборатории молекулярно-генетических исследований Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека Денис Каримов. — Если у человека обнаруживается какой-либо маркер в геноме, мы можем посоветовать ему избегать каких-то профессий, чтобы предотвратить развитие профессионального заболевания. Правда, тут возникает этический момент: эту информацию должен знать только пациент, потому что, если она попадет к работодателю, может возникнуть дискриминация по генетическому принципу — никто не хочет лишний раз оплачивать страховку.

  Оказывается, что одинаковая доза того же кадмия для человека с одним генотипом совершенно безвредна, а с другим — грозит сильнейшей аллергией и поражением печени.

  Изучение подобных особенностей генома дало и другой результат — ученые этой лаборатории разрабатывают генно-инженерные препараты для выведения тяжелых металлов. Известно, что у большинства людей они накапливаются в тканях и вызывают хроническое отравление. Уфимские ученые придумали особую генно-инженерную конструкцию, которая будет встроена в бактерию — основу препарата. Попав в организм, белковая часть препарата будет связываться с ионами тяжелых металлов и выводить их из организма.

 Новый поворот

— В последнее время в США появились работы о людях, которые чрезвычайно быстро адаптировались к новым химическим веществам в окружающей среде, — говорит профессор Карин Броберг. — В связи с этим очень интересен вопрос: сможем ли мы приспособить человеческий геном к все более загрязняющейся окружающей среде? Если да, то это приведет к новому витку естественного отбора.

  Из относительно недавней истории человечества нам известны подобные случаи: например, в Африке некоторые люди выработали устойчивость к малярии, а в Европе в геноме человека произошли изменения, позволившие взрослому организму переваривать молоко. Но сегодня важным фактом адаптации становится именно скорость реакции на изменяющуюся среду — в науке подобный феномен называется «поворот на универсализацию». Пока на этом пути человека сильно обгоняют другие существа — тараканы, крысы и городские птицы.

Елена Кудрявцева

1. Human Adaptation to Arsenic-Rich Environments. Doi: 10.1093/molbev/msv046. — http://mbe.oxfordjournals.org/content/early/2015/02/26/molbev.msv046.full.pdf+html

Источник — http://kommersant.ru/doc/2692856

Что поведал ардипитек

  В октябре 2009 года вышел в свет специальный выпуск журнала Science, посвященный результатам всестороннего изучения костей ардипитека — двуногой обезьяны, жившей на северо-востоке Эфиопии 4,4 млн лет назад. Вид Ardipithecus ramidus был описан в 1994 году по нескольким зубам и фрагментам челюсти. В последующие годы коллекция костных остатков ардипитека значительно пополнилась и сейчас насчитывает 109 образцов. Самой большой удачей стала находка значительной части скелета особи женского пола, которую ученые торжественно представили журналистам и широкой публике под именем Арди. В официальных документах Арди значится как скелет ARA-VP-6/500.

  Одиннадцать статей, опубликованных в спецвыпуске Science, подвели итоги многолетней работы большого международного исследовательского коллектива. Публикация этих статей и их главная героиня Арди были широко разрекламированы, но это отнюдь не пустая шумиха, потому что изучение костей ардипитека действительно позволило подробнее и точнее реконструировать ранние этапы эволюции гоминид.

  Подтвердилось предположение, высказанное ранее на основе первых фрагментарных находок, что A. ramidus — прекрасный кандидат на роль переходного звена (кандидат, а не просто переходное звено, потому что нельзя строго доказать по ископаемым костям, что кто-то был чьим-то предком или потомком. Однако во многих случаях об этом можно судить с большой степенью уверенности, как, например, в случае Арди) между общим предком человека и шимпанзе (к этому предку, по-видимому были близки оррорин и сахелянтроп) и более поздними гоминидами — австралопитеками, от которых, в свою очередь, произошли первые представители рода людей (Homo).

  Вплоть до 2009 года самым древним из детально изученных гоминид была Люси, афарский австралопитек, живший около 3,2 млн лет назад (Джохансон, Иди, 1984). Все более древние виды (в порядке возрастания древности: Australopithecus anamensis, Ardipithecus ramidus, Ardipithecus kadabba, Orrorin tugenensis, Sahelanthropus chadensis) были изучены на основе фрагментарного материала. Соответственно, наши знания об их строении, образе жизни и эволюции тоже оставались фрагментарными и неточными. И вот теперь почетное звание самой древней из хорошо изученных гоминид торжественно перешло от Люси к Арди.

➡  Датировка и особенности захоронения

  Кости A. ramidus происходят из одного слоя осадочных отложений толщиной около 3 м, заключенного между двумя вулканическими прослоями. Возраст этих прослоев был установлен при помощи аргон-аргонового метода (один из самых надежных способов радиометрического датирования вулканических пород. Является результатом усовершенствования калий-аргонового метода, основанного на постоянстве скорости превращения радиоактивного изотопа 40К в 40Аr) и оказался одинаковым (в пределах погрешности измерений) — 4,4 млн лет. Это значит, что костеносный слой образовался (в результате наводнений) сравнительно быстро — максимум за 100000 лет, но вероятнее всего — за несколько тысячелетий или даже столетий.

  Раскопки были начаты в 1981 году. Всего добыто более 140 000 образцов костей позвоночных, из которых 6000 поддаются определению до семейства. Среди них — 109 образцов А. ramidus , принадлежавших как минимум 36 индивидуумам. Фрагменты скелета Арди были рассеяны по площади около 3 м2. Кости были необычайно хрупкими, поэтому извлечь их из породы стоило немалых трудов. Причина смерти Арди не установлена. Она не была съедена хищниками, но ее останки, судя по всему, были основательно растоптаны крупными травоядными. Особенно досталось черепу, который был раскрошен на множество фрагментов.

➡  Окружающая среда

  Вместе с костями A. ramidus найдены остатки разнообразных животных и растений. Среди растений преобладают лесные, среди животных — питающиеся листьями или плодами деревьев (а не травой). Судя по этим находкам, ардипитек жил не в саванне, а в лесистой местности, где участки густого леса чередовались с более разреженными. Соотношение изотопов углерода 12С и 13С в зубной эмали пяти особей A. ramidus свидетельствует о том, что ардипитеки питались в основном дарами леса, а не саванны (для трав саванны характерно повышенное содержание изотопа 13С). Этим ардипитеки отличаются от своих потомков — австралопитеков, которые получали от 30 до 80 % углерода из экосистем открытых пространств (ардипитеки — от 10 до 25 %). Однако ардипитеки все-таки не были чисто лесными жителями, как шимпанзе, пища которых имеет лесное происхождение почти на 100 %.

  Тот факт, что ардипитеки жили в лесу, на первый взгляд противоречит старой гипотезе, согласно которой ранние этапы эволюции гоминид и развитие двуногого хождения были связаны с выходом из леса в саванну. Аналогичные выводы ранее делались в ходе изучения оррорина и сахелянтропа, которые тоже, по-видимому, ходили на двух ногах, но жили в лесистой местности. Однако на эту ситуацию можно посмотреть и с другой точки зрения, если вспомнить, что леса, в которых жили ранние гоминиды, были не очень густыми, а их двуногое хождение — не очень совершенным. По мнению С. В. Дробышевского, комбинация «переходной среды» с «переходной походкой» не опровергает, а, как раз наоборот, блестяще подтверждает старые взгляды. Гоминиды переходили из густых лесов на открытые пространства постепенно, и столь же постепенно совершенствовалась их походка.

➡  Череп и зубы

  Череп Арди похож на череп сахелянтропа. Для обоих видов характерен небольшой объем мозга (300—350 см3), смещенное вперед большое затылочное отверстие (то есть позвоночник крепился к черепу не сзади, а снизу, что указывает на двуногое хождение), а также менее развитые, чем у шимпанзе и гориллы, коренные и предкоренные зубы. По-видимому, сильно выраженный прогнатизм (выступание челюстей вперед) у современных африканских человекообразных обезьян не является примитивной чертой и развился у них уже после того, как их предки отделились от предков человека.

  Зубы ардипитека — это зубы всеядного существа. Вся совокупность признаков (размер зубов, их форма, толщина эмали, характер микроскопических царапин на зубной поверхности, изотопный состав) свидетельствует о том, что ардипитеки не специализировались на какой-то одной диете — например, на фруктах, как шимпанзе. По-видимому, ардипитеки кормились как на деревьях, так и на земле, и их пища не была слишком жесткой.

  Один из важнейших фактов состоит в том, что у самцов A. ramidus , в отличие от современных человекообразных (кроме человека), клыки были не крупнее, чем у самок. Самцы обезьян активно используют клыки и для устрашения соперников, и как оружие. У самых древних гоминид (Ardipithecus kadabba, Orrorin, Sahelanthropus) клыки у самцов, возможно, тоже были не больше, чем у самок, хотя для окончательных выводов данных пока недостаточно. Очевидно, в человеческой эволюционной линии половой диморфизм (межполовые различия) по размеру клыков очень рано сошел на нет. Можно сказать, что у самцов произошла "феминизация" клыков. У шимпанзе и гориллы диморфизм, по-видимому, вторично усилился, самцы обзавелись очень крупными клыками. У самцов бонобо клыки меньше, чем у других современных человекообразных. Для бонобо характерен также и самый низкий уровень внутривидовой агрессии. Многие антропологи считают, что между размером клыков у самцов и внутривидовой агрессией существует прямая связь. Иными словами, можно предположить, что уменьшение клыков у наших далеких предков было связано с определенными изменениями в социальном устройстве. Например, с уменьшением конфликтов между самцами.

➡  Размер тела

  Рост Арди составлял примерно 120 см, вес — около 50 кг. Самцы и самки ардипитеков почти не различались по размеру. Слабый половой диморфизм по размеру тела характерен и для современных шимпанзе и бонобо с их сравнительно равноправными отношениями между полами. У горилл, напротив, диморфизм выражен очень сильно, что обычно связывают с полигамией и гаремной системой. У потомков ардипитеков — австралопитеков — половой диморфизм, возможно, усилился (см. ниже), хотя это не обязательно было связано с доминированием самцов над самками и установлением гаремной системы. Авторы допускают, что самцы могли подрасти, а самки — измельчать в связи с выходом в саванну, где самцам пришлось взять на себя защиту группы от хищников, а самки, может быть, научились лучше кооперироваться между собой, что сделало физическую мощь менее важной для них.

➡  Посткраниальный скелет

  Арди передвигалась по земле на двух ногах, хотя и менее уверенно, чем Люси и ее родня — австралопитеки. При этом у Арди сохранились многие специфические адаптации для эффективного лазанья по деревьям. В соответствии с этим в строении таза и ног Арди наблюдается сочетание примитивных (ориентированных на лазанье) и продвинутых (ориентированных на ходьбу) признаков.

  Кисти рук Арди сохранились исключительно хорошо (в отличие от рук Люси). Их изучение позволило сделать важные эволюционные выводы. Как мы уже знаем, долго считалось, что предки человека, подобно шимпанзе и гориллам, ходили, опираясь на костяшки пальцев рук. Этот своеобразный способ передвижения характерен только для африканских человекообразных обезьян и орангутанов; прочие обезьяны при ходьбе опираются обычно на ладонь. Однако кисти рук Арди лишены специфических черт, связанных с «костяшкохождением». Кисть ардипитека более гибкая и подвижная, чем у шимпанзе и гориллы, и по ряду признаков сходна с человеческой. Теперь ясно, что эти признаки являются примитивными, исходными для гоминид (и возможно, для общего предка человека и шимпанзе). Строение кисти, характерное для шимпанзе и горилл (которое, между прочим, не позволяет им так ловко манипулировать предметами, как это делаем мы), напротив, является продвинутым, специализированным. Сильные, цепкие руки шимпанзе и горилл позволяют этим массивным животным эффективно передвигаться по деревьям, но плохо приспособлены для тонких манипуляций. Руки ардипитека позволяли ему ходить по ветвям, опираясь на ладони, и лучше подходили для орудийной деятельности. Поэтому в ходе дальнейшей эволюции нашим предкам пришлось не так уж сильно «переделывать» свои руки.

  В строении ступни ардипитека наблюдается мозаика признаков, свидетельствующих о сохранении способности хвататься за ветки (противопоставленный большой палец) и одновременно — об эффективном двуногом хождении (более жесткий, чем у современных человекообразных обезьян, свод стопы). Потомки ардипитеков — австралопитеки — утратили способность хвататься ногами за ветки и приобрели почти совсем человеческое строение стопы.

  Ардипитек преподнес антропологам немало сюрпризов. По признанию авторов, такую смесь примитивных и продвинутых черт, которая обнаружилась у ардипитека, никто не смог бы предсказать, не имея в руках реального палеоантропологического материала. Например, никому и в голову не приходило, что наши предки сначала приспособились ходить на двух ногах за счет преобразований таза и лишь после отказались от противопоставленного большого пальца и хватающей функции ступней.

  Таким образом, изучение ардипитека показало, что некоторые популярные гипотезы о путях эволюции гоминид нуждаются в пересмотре. Многие признаки современных человекообразных оказались вовсе не примитивными, а продвинутыми, специфическими чертами шимпанзе и гориллы, связанными с глубокой специализацией к лазанью по деревьям, повисанию на ветвях, «костяшкохождению», специфической диете. Этих признаков не было у наших с ними общих предков. Те обезьяны, от которых произошел человек, были не очень похожи на нынешних.

Марков А.В. «Эволюция человека. Обезьяны, кости и гены». М.: Астрель: CORPUS, 2011. Стр. 72-79.

Зарождение языка и речи

  "Дети способны создавать собственные, никогда не существовавшие языки. В 1986 г. лингвисту из Университета Южного Мэна Джуди Кегль(русский интернет не знает Джуди Кегль,он знает лишь Judy Shepard-Kegl,если кто искать будет) удалось наблюдать рождение одного такого языка.

  В тот год Кегль отправилась в Никарагуа, намереваясь побывать в школах для глухих детей. Никарагуанское правительство организовало несколько таких школ в начале 1980-х, но дело шло туго. Попадая в школу, дети, как правило, знали только несколько простых жестов, придуманных ими в общении с родителями. В школах детей не обучали настоящему языку жестов, а пытались ограничиться лишь «пальцевым письмом», где различные знаки представляют отдельные буквы. Считалось, что пальцевое письмо должно помочь ученикам перейти к произнесению слов, но, поскольку дети совершенно не представляли, чему их пытаются научить, проект провалился.

  Учителя заметили, что, хотя дети достигают понимания с ними с большим трудом, между собой они общаются свободно. Никто из них уже не пользовался жалким набором жестов, привезенных из дома. Общение шло при помощи богатой новой системы, непонятной учителям. Кегль попросили приехать в школы и помочь учителям разобраться в происходящем.

  Выяснилось, что тинейджеры в средней школе пользовались примитивным пиджином, собранным из придуманных ими жестов, понятных им всем. Но младшие дети в начальной школе занимались гораздо более сложными вещами. Кегль с изумлением увидела, как они сигналят друг другу с пулеметной скоростью, причем их «фразы» несли в себе ритм и логику. Все свидетельствовало о том, что между ними в ходу настоящий язык жестов, обладающий собственной грамматикой. Чем младше были дети, тем более бегло они изъяснялись на этом таинственном языке. «По одному тому, как были организованы и структурированы их жесты, можно было понять, что здесь происходит что-то необычное, — рассказывает Кегль. — Вскоре стало ясно, что я наблюдаю раннюю стадию рождения языка».

  Первые несколько лет Кегль работала над расшифровкой этого языка без особенного успеха. Иногда удавалось узнать расшифровку знака или фразы у детей, иногда приходилось просто наблюдать за долгими разговорами. В 1990 г. Кегль вместе с детьми начала смотреть мультфильмы; она просила детей объяснить ей, что происходит на экране. Мультфильмы и стали для ученого новым Розеттским камнем.

  Кегль обнаружила, что жесты детей изящны, умны и выразительны. На пиджине, которым пользовались подростки, слово «говорить» обозначалось жестом, в котором все пять пальцев разводились и вновь соединялись перед губами. Дети воспользовались этим подражательным жестом и усилили его: они открывали пальцы на позиции говорящего и вновь смыкали на позиции того, к кому была обращена речь. Они также изобрели способ пользоваться предлогами вместо глаголов. Фраза «Чашка стоит на столе» (The cup is on the table) жестами никарагуанцев выражалась примерно как «Стол чашка на» (Table cup ons). Хотя англоговорящему человеку такое построение может показаться диким, другие языки — к примеру, язык индейцев навахо — регулярно им пользуются.

  Много лет, с самого первого своего визита в Никарагуа, Кегль вместе с общиной глухонемых составляла словарь нового языка жестов. На настоящий момент в словаре более 1600 слов. Одновременно она разработала теорию происхождения этого языка. Дети приезжали в школы, не имея других средств общения кроме нескольких простых жестов, причем у каждого жесты были свои. Дети объединили их в общий набор и получали пиджин, которым в момент появления ученого уже пользовались подростки. Затем в школе появились дети помладше, чей мозг был настроен на восприятие языка; они подхватили жесты старших детей и обогатили их грамматикой. Маленькие дети вдруг, на пустом месте создали язык, который с самого начала был не менее сложным и полным, чем любой из традиционных звуковых языков. А стоило настоящему языку появиться, и новые впечатления детей начали обогащать его новыми словами.

<..>

  Мы, люди современного типа, используем для членораздельной речи очень своеобразный анатомический аппарат; ни у одного млекопитающего, помимо человека, ничего подобного нет. У других млекопитающих — включая шимпанзе — гортань располагается высоко в горле. Такое устройство позволяет животным дышать одновременно с поглощением пищи или питья, потому что дыхательные пути и пищевод полностью разделены. Но по этой же причине голосовой тракт — от гортани до рта — получается очень коротким. Языку просто не хватает места для того, чтобы свободно двигаться и производить сложные звуки.

  Скорее всего, в какой-то момент эволюции гоминид гортань опустилась в то нижнее положение, которое она и сегодня занимает в человеческом горле. Такое анатомическое устройство связано с риском, поскольку пища и питье у нас гораздо легче попадают в дыхательные пути, чем у других млекопитающих, и могут вызвать удушье. Зато при этом возникает дополнительное пространство, в котором язык может двигаться и создавать весь тот репертуар звуков, без которого невозможен устный язык.

  Это не означает, что развитие языка не могло начаться, пока гортань не заняла свое нынешнее место. Гоминиды могли, к примеру, общаться жестами, ведь судя по орудиям, изготовленным 2,5 млн лет назад, руки у них уже были способны на тонкие и точные движения. Они могли сочетать эти жесты с простыми звуками и движениями; из сочетания всего этого вполне мог появиться некий протоязык. А когда такая система общения возникла и утвердилась, включился естественный отбор в пользу большого мозга, способного оперировать еще более сложной системой символов, и низкой (человеческой) гортани, способной издавать более разнообразные звуки.

  Никто не знает точно, в каком порядке шла эволюция речи и языка, поскольку характер речи почти не оставляет на человеческом скелете следов. Гортань — непрочная хрящевая конструкция, которая, конечно, не сохраняется. Гортань подвешена на тонкой подковообразной подъязычной кости, но разрушительное действие времени, как правило, затрагивает и ее. Вместо этого многие исследователи обращаются к косвенным данным, которыми могут поделиться с нами древние кости гоминид. Ученые смотрят на угол основания черепа в надежде рассчитать длину голосового тракта. Они измеряют величину отверстия, через которое в череп входит нерв, управляющий языком. Они рассматривают отпечаток мозга на черепной коробке в поисках речевых центров. В каждом случае исследователи заявляли, что нашли свидетельства зарождения языка. Но скептики показали, что ни одно из этих свидетельств не может считаться надежным указанием на существование в тот момент речи.

  Имея в виду, что даже сохранившиеся материальные свидетельства — впрочем, довольно жалкие — вызывают такие дебаты, неудивительно, что специалисты не могут прийти к единому мнению в вопросе о том, когда язык и речь человека обрели современную форму. К примеру, Лесли Айелло из лондонского Юниверсити-колледжа уверен, что увеличение размеров мозга, начавшееся 500 000 лет назад, принесло с собой членораздельную речь. Робин Данбар, с другой стороны, предполагает, что речь возникла всего лишь 150 000 лет назад. По его мнению, только к этому времени группы, которыми жили наши предки, выросли настолько, что груминг как социальный инструмент утратил смысл. Язык и членораздельная речь заменили в сообществах гоминид груминг и другие примитивные формы взаимодействия, призванные поддерживать социальную структуру.

  Язык помогает человеку отслеживать, чем занимаются другие и что они говорят о вас. Кроме того, при помощи слов можно манипулировать другими людьми и удерживать свое место в большом обществе. Даже сегодня язык в основном служит инструментом сплетни. Данбар давно прислушивается к разговорам людей в кафе и электричках и неизменно находит, что темой для двух третей подобных разговоров служат другие люди. Язык, утверждает Данбар, — тот же груминг, только другими средствами.

  Некоторые исследователи считают, что даже возраст 150000 лет, предложенный Данбаром, — это слишком много, и речь возникла значительно позднее. Эти ученые убеждены, что настоящий развитый язык, возможно, появился всего лишь 50000 лет назад. Только тогда материальные останки человека показывают серьезный ментальный скачок, едва ли не взрыв; именно в этот момент люди начали понимать себя и окружающий мир так, как не могли даже вообразить предыдущие поколения. Именно тогда родилось современное сознание, и решающим фактором его возникновения вполне могла стать членораздельная речь".

Циммер К. «Эволюция. Триумф идеи». М.: Альпина нон-фикшн, 2012. Стр. 441-449.

Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек

С помощью имитации куска пористой породы из сети крошечных стеклянных капиллярных трубок, которые нагревали с одной стороны, группа немецких ученых создала условия, в которых может быть достигнута стабильная репликация длинных цепочек нуклеиновых кислот (главная предпосылка для возникновения жизни на Земле) и преодолены термодинамические причины их деградации. Ученые предполагают, что на ранних стадиях эволюции Земли такие условия могли возникать в потоке тепловой энергии через пористые породы вблизи гидротермальных источников.

Механизмы репликации нуклеиновых кислот занимают центральное место в теории происхождения жизни на Земле. Согласно этой теории, функцию хранения генетической информации и катализа химических реакций первоначально выполняли комплексы молекул рибонуклеиновых кислот. В ходе дальнейшей эволюции они были заменены комплексами ДНК-РНК-белок, обособленными от внешней среды мембраной. В ходе первичной эволюции на Земле полимеры нуклеиновых кислот должны были постепенно увеличиваться в размере, для того чтобы они смогли принять на себя функцию хранения и воспроизведения информации, которая необходима для нормального функционирования живых организмов. Например, даже самый маленький известный в науке геном бактерии Carsonella (внутриклеточный симбионт насекомых листоблошек) насчитывает 159 662 пар оснований, что в тысячи раз длиннее «геномов» самореплицирующихся рибозимов.

Однако еще в конце 1960-х эксперименты по искусственной эволюции нуклеиновых кислот in vitro (в пробирке) показали, что генетическая информация из длинных молекул нуклеиновых кислот быстро теряется. Происходит это потому, что для самовоспроизведения коротких молекул полимеров требуется меньше материала. Скорость их синтеза намного выше, и это приводит к тому, что короткие молекулы постепенно вытесняют из реакционной среды более длинные молекулы генетических полимеров. Более того, если мутации в процессе репликации могут изменить длину последовательности нуклеинового полимера, то «выживание» только коротких последовательностей — практически неизбежный эволюционный финал.

Так, Сол Шпигельман с коллегами в своих классических исследованиях ввели РНК, выделенную из простого бактериофага Qв, в реакционную смесь, которая содержала фермент репликации РНК того же вируса Qв (так называемая РНК-зависимая РНК полимераза, или РНК-репликаза) и материал для построения новых РНК — одиночные нуклеотиды. В этой среде запустился процесс синтеза новых молекул-копий вирусной РНК. Через некоторое время из исходного раствора небольшая часть синтезированной РНК была перенесена в пробирку со свежей реакционной смесью. Этот процесс регулярно повторяли (см. D. Kacian et al., 1972. A Replicating RNA Molecule Suitable for a Detailed Analysis of Extracellular Evolution and Replication).

В результате через 74 цикла подобных переносов оригинальная цепь, состоявшая из 4500 нуклеотидных оснований, трансформировалась в карликовый геном, содержавший всего 218 оснований. Полученный таким образом Шпигельмановский монстр был способен к очень быстрому размножению. Позднее, в 1997 году, было показано, что в ходе дальнейшей эволюции монстр Шпигельмана становится еще короче. Его «геном» редуцируется всего до 48 или 54 нуклеотидов, которые просто являются местами связывания фермента РНК-репликазы (F. Oehlenschläger, M. Eigen, 1997. 30 Years Later — a New Approach to Sol Spiegelman's and Leslie Orgel's in vitro EVOLUTIONARY STUDIES Dedicated to Leslie Orgel on the occasion of his 70th birthday).

Следовательно, возникает совершенно закономерный вопрос: каким же образом в ходе ранних стадий земной эволюции самопроизвольно протекающий процесс редукции наследственного материала мог бы быть преодолен? Как раз на него и попытались ответить немецкие ученые из Центра нанонауки Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана. Они предположили, что довольно простые физические процессы, которые лежат в основе модели выживания более длинных молекул (рис. 1), могут встречаться в естественных условиях в пористых горных породах вблизи гидротермальных источников.

Прежде всего, необходим тепловой поток через небольшие поры, который создает внутри пор температурный градиент. Внешний поток приносит в открытую пору молекулы полимеров разной длины. Подогрев с одной стороны поры слегка уменьшает плотность жидкости, она начинает подниматься по этой стороне. Молекулы полимеров растут, получая строительный материал из внешнего потока, перемещаются в результате диффузии к более холодной части поры и там осаждаются более холодным нисходящим потоком жидкости (движение молекул из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой называют термофорезом). В итоге, из-за разности температур, возникает микроциркуляция воды, которая и удерживает более длинные молекулы полимеров, а более короткие молекулы вымываются из поры. Авторы отмечают также, что местная конвекция, которая переносит молекулы постоянно между теплой и холодной зонами, вызывает их циклическую денатурацию. Денатурация ДНК заключается в расплетании и разделении цепей (без разрыва ковалентных связей), что способствует репликации молекул полимеров. Таким образом, сочетание внешнего притока, термофореза и конвекции избирательно улавливает длинные молекулы и вымывает короткие, а общая скорость внешнего притока определяет предельный размер молекул, которые будут «выживать» в данных условиях.

Рис. 1.Локальное снижение энтропии является ключевой особенностью живых систем и может быть вызвано потоком тепловой энергии.
a — современные клетки питаются химической энергией, что позволяет им содержать, поддерживать и реплицировать кодирующие информацию полимеры, что необходимо для дарвиновской эволюции.
b — поток тепловой энергии через геологические трещины вблизи источника тепла.
c — (1) температурный градиент в пределах трещины миллиметрового размера индуцирует накопление молекул посредством термофореза и конвекции; (2) внешний поток приносит строительные материалы в открытую пору; (3) экспоненциальная репликация облегчается местной конвекцией, которая переносит молекулы постоянно между теплой и холодной зонами и, таким образом, вызывает циклическую денатурацию нуклеотидов; (4) сочетание внешнего притока, термофореза и конвекции избирательно улавливает длинные молекулы и вымывает короткие. Скорость притока определяет предельный размер молекул в результате отбора по их длине. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Chemistry

Чтобы проверить эту гипотезу, Браун и его коллеги создали имитацию куска пористой породы из сети крошечных стеклянных капиллярных трубок, которые нагревали с одной из сторон. Они проделали целую серию опытов, в которых отдельно исследовали накопление молекул в капиллярах и фракционирование молекул в тепловом фильтре (рис. 2).

Рис. 2.«Тепловой фильтр», отбирающий нити по длине.
a. Открывание ассиметрично подогреваемой поры запускает постоянный восходящий «пищевой» поток. Маркер длин двухцепочечных молекул ДНК (от 20 до 200 пар нуклеотидов с шагом 20 пар нуклеотидов), был введен в капилляр-ловушку для оценки длины цепей улавливаемых молекул. Последующая промывка капилляра чистым буфером с постоянной скоростью (v_s = 6 микрометров в секунду) продемонстрировала пороговое свойство фильтра — цепочки меньше или равные 80 пар нуклеотидов вымывались из поры, в то время как более длинные цепочки удерживались внутри.
b. Несимметричная структура потока создается наложением восходящего потока и конвекции. Термофорез толкает длинные цепочки в нисходящий поток и захватывает их: накапливает более длинные молекулы в нижней части нисходящего потока. Короткие цепочки подвергаются влиянию общего восходящего потока и покидают пору. Захват цепочек фильтром является функцией скорости общего «пищевого» потока.
c. Скорость внешнего потока v_s регулирует разделение нуклеиновых кислот (в поре остаются более длинные молекулы). Как и в эксперименте (a), маркер длин двухцепочечных молекул ДНК был вначале введен при малой скорости потока, которую затем последовательно увеличивали. Высвобожденные из теплового фильтра ДНК измеряли с использованием гель-электрофореза.
d. Удержанные фильтром фракции ДНК, полученные из электрофорезного геля, составляют ландшафт отбора (в двухмерном пространстве факторов: скорость потока — размер молекулы) в пользу длинных олигонуклеотидов в этой термальной среде обитания. Зависящая от скорости захватываемая фракция (то есть молекулы определенной длины: чем выше скорость потока, тем более тяжелая фракция задерживается в поре) описывается моделью динамики в жидкости. Линии разброса отражают соотношение сигнал/шум изображений геля.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Chemistry

И конечно же, они изучали действие отбора в созданных ими условиях в популяции реплицирующихся молекул (рис. 3). В последнем эксперименте в раствор вводили термостабильную ДНК-полимеразу (см. также Taq polymerase). В экспериментах они использовали не фрагменты РНК, а фрагменты ДНК. Фрагменты ДНК намного проще получить в лабораторных условиях, а процессы взаимодействия молекул ДНК и РНК со средой очень сходны.

Рис. 3.Отбор в популяции реплицирующихся молекул ДНК, населяющих термальные местообитания.
a. Молекулы ДНК подвержены температурным колебаниям, которые обусловлены совместным влиянием термофореза, конвекции, «пищевого» потока и диффузии. Моделирование случайных траекторий молекул продемонстрировало, что цепочки длиной 75 пар оснований циркулируют в системе в среднем 18 минут. Цепочки длиной 36 пар оснований из-за их повышенной диффузии демонстрируют более быструю циркуляцию, но вымываются из системы после пяти минут.
b.Термостабильная ДНК-полимераза участвует в репликации двухцепочечных молекул ДНК длиной 80 пар оснований в процессе температурной конвекционной циркуляции. Количественные измерения ДНК, окрашенные флуоресцентным красителем (SYBR Green I), демонстрируют экспоненциальную репликацию с временем удвоения 102 секунды.
c. Открытая пора (см. рис. 1c) была заселена популяцией, состоящей из двух типов нуклеиновых кислот (36 и 75 пар оснований). Количественный электрофорез в геле показал устойчивую репликацию (сохранение в среде в течение 7 часов, до конца эксперимента) только более длинных молекул. Более короткие цепочки снижали численность и затем исчезали (вымывались из реакционной среды), вопреки их более быстрой репликации (меньшему времени удвоения числа молекул).
d. Относительные концентрации двух конкурирующих видов внутри термальных местообитаний. Давление отбора, вызванное термальным градиентом, изменяет в течение времени структуру популяции, состоящей из двух типов молекул (желтые прямоугольники), в соответствии с аналитической моделью репликации. Значения абсолютной приспособленности 1,03 и 0,87 для более длинных и более коротких цепочек соответственно. Без температурного градиента более короткие нуклеотиды выигрывают у более длинных молекул (синие кружки), аналогично данным экспериментов Шпигельмана. Линии разбросаотражают соотношение сигнал/шум изображений геля.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Chemistry

Как только исследователи стали проводить эксперименты, они тут же обнаружили, что более длинные цепочки ДНК чаще сохранялись в капиллярах, чем более короткие (рис. 2). В результате более длинные цепочки полимеров воспроизводились намного лучше внутри поры и их число увеличивалось, в то время как более короткие последовательности сократили «численность» настолько, что в итоге они вымерли (рис. 3).

Таким образом, Брауну и его коллегам удалось подобрать такие экспериментальные условиях, в которых стабильно сохранялись цепочки нуклеиновых кислот длиннее монстра Шпигельмана приблизительно в 4 раза. Более того, так как скорость притока определяет предельный размер сохраняющихся в капиллярах молекул, то принципиально возможно подобрать такие условия, при которых будут «выживать» еще более длинные молекулы полимеров.

Другой интересной особенностью проведенного эксперимента был процесс «расселения» полимеров. Когда репликация и захват молекул внутри поры достигают устойчивого состояния, то вновь реплицированные молекулы покидают ловушку-пору вместе с «кормовым» потоком. Это обеспечивает эффективную передачу генетических полимеров в соседние системы пор.

Авторы публикации отмечают, что если в представленную систему ввести процесс мутирования, то такие эксперименты предоставляют захватывающую возможность изучать механизмы дарвиновской эволюции, которые могли бы протекать среди населения молекул в температурных градиентах ранней Земли.

Обсуждаемая статья: Moritz Kreysing, Lorenz Keil, Simon Lanzmich & Dieter Braun. Heatflux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length // Nature Chemistry. Published online 26 January 2015. Doi:10.1038/nchem.2155.

Автор:Владимир Гриньков

Источник: http://elementy.ru/news/432432