Per molto tempo, la questione di come, a seguito di cambiamenti casuali (mutazioni) nel genoma degli esseri viventi, appaiano nuove informazioni, è rimasta aperta. Tuttavia, gli scienziati sono stati ancora in grado di capire come avviene l'espansione e il rifornimento del genoma. Uno dei meccanismi più importanti per ottenere nuove informazioni è il processo di duplicazione genica
Nella foto: aquila calva. Vede il mondo in una gamma di colori più ampia di una persona.
Parla di lui Alexander Markov, dottore in scienze biologiche, ricercatore principale dell'Istituto Paleontologico dell'Accademia delle scienze russa.
In che modo le nuove scoperte nel campo della genetica ci consentono di comprendere il meccanismo della comparsa di nuovi geni e nuove proprietà nel corpo?
- Uno degli argomenti più tipici delle persone che negano l'evoluzione suona più o meno così: non possiamo immaginare come possano sorgere nuove informazioni a seguito di mutazioni casuali nel genoma. A molti sembra intuitivamente che le modifiche casuali apportate, ad esempio, a un testo, non possano creare nuove informazioni. Possono solo portare rumore o caos. Nel frattempo, la scienza oggi è già molto ben consapevole di come, nel corso dell'evoluzione, compaiano nuove informazioni nel genoma, nuovi geni, nuove funzioni, nuove caratteristiche in un organismo e così via. E uno dei meccanismi più importanti per l'emergere di nuove informazioni genetiche è la duplicazione dei geni e la successiva divisione delle funzioni tra di loro. L'idea è molto semplice: c'era un gene, ora ce ne sono due come risultato di una mutazione casuale. All'inizio, i geni sono gli stessi. E poi, come risultato dell'accumulo di mutazioni casuali in due copie di questo gene, diventano leggermente diverse e c'è la possibilità che condividano le funzioni tra di loro.
Fornisci un esempio dell'emergenza di un nuovo gene
- Ora ci sono molti esempi ben studiati. In generale, questa stessa idea è piuttosto vecchia, negli anni '30, il grande biologo, il genetista John Haldwin suggerì che la duplicazione, cioè la duplicazione dei geni, gioca un ruolo importante nell'emergere delle innovazioni evolutive. E negli ultimi anni, in relazione allo sviluppo della genetica molecolare, alla lettura dei genomi, sono apparsi molti esempi convincenti, buoni esempi di come ciò avvenga effettivamente. Uno dei più brillanti, è associato all'evoluzione della visione dei colori nei mammiferi, o meglio, ancora più in generale, nei vertebrati terrestri. Quando i vertebrati terrestri apparvero per la prima volta, arrivarono a terra nel periodo devoniano, avevano ancora la cosiddetta visione tetrocromatica, che sorgeva a livello dei pesci. Cosa significa? La visione dei colori è determinata dalle proteine fotosensibili della retina - ci sono tali cellule coniche,che sono responsabili della visione dei colori e in questi coni ci sono proteine sensibili alla luce chiamate opsine. Il pesce da cui si sono evoluti i vertebrati, ei primi vertebrati terrestri, avevano quattro di queste opsine. Ogni opsina è sintonizzata su una lunghezza d'onda specifica.
Possiamo dire che i pesci vedono esattamente quattro colori?
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- Questo non significa che una data opsina reagisce solo a una data onda, significa che una data lunghezza d'onda eccita maggiormente questa opsina, e più la lunghezza d'onda è diversa, più debole reagisce. Il sistema di visione dei colori tetracromatico è un ottimo sistema, fornisce una distinzione molto netta delle sfumature dell'intero spettro e in molti vertebrati moderni è stato preservato, ad esempio, negli uccelli. Gli uccelli sono bravi a distinguere i colori, apparentemente migliori di noi. Molti possono vedere nella gamma degli ultravioletti e alcune specie hanno modelli UV sul loro piumaggio. E forse gli uccelli hanno trovato il sistema di trasmissione del colore dei nostri televisori e monitor estremamente povero. Poiché utilizziamo un sistema tricromatico, mescolando tre colori, la nostra visione è organizzata allo stesso modo. L'uccello ne ha quattro, non tre.
Cioè, le persone rispetto agli uccelli vedono il mondo più primitivo
- Dal punto di vista degli uccelli, siamo un po 'daltonici. Negli esseri umani, come ho detto, il sistema tricromatico è costituito da tre opsine, sintonizzate su tre diverse onde. Uno per il blu, un altro per il verde e il terzo, spostato verso il giallo. Ma la cosa più interessante è che altri mammiferi, oltre agli umani e alle scimmie, hanno una visione dicromatica, hanno solo due opsine. Non hanno un terzo, che è il più vicino all'estremità rossa dello spettro, e quindi distinguono il blu dal verde, ma non distinguono il verde dal rosso. Come è successo? Perché i mammiferi hanno perso due opsine?
È noto che gli antenati ne avevano quattro e i mammiferi hanno due opsine. Apparentemente, la perdita di due opsine è stata associata al fatto che i mammiferi sono passati a uno stile di vita notturno all'alba della loro storia. Perché sono passati a uno stile di vita notturno? Ciò era dovuto alle vicissitudini di una lunga competizione tra le due principali linee evolutive dei vertebrati terrestri. Queste linee sono chiamate sinapside e diapside. La linea sinapsidica è lucertole simili ad animali, rettili simili ad animali. E questo gruppo era dominante tra i vertebrati terrestri nei tempi antichi, nel periodo Permiano, più di 250 milioni di anni fa. Poi, nel Triassico, avevano forti concorrenti, rappresentanti della linea diapside. Negli animali moderni, tutti i rettili, i coccodrilli, le lucertole e gli uccelli appartengono alla linea dei diapsidi. Nel periodo Triassico apparvero predatori attivi, che correvano veloci, anche su due gambe. Rettili diapsidi, coccodrilli iniziarono ad affollare i nostri antenati di rettili sinapsidi o dai denti di animale. E questa competizione finì all'inizio non a favore dei nostri antenati. Alla fine del periodo Triassico, apparvero rettili diapsidi veloci, diedero origine a un nuovo gruppo, un nuovo gruppo sorse da loro: i dinosauri, che divennero per molto tempo i predatori diurni dominanti e gli erbivori dell'intero pianeta. Occupavano tutte le nicchie diurne, nicchie di animali nella classe di grandi dimensioni. Alla fine del periodo Triassico, apparvero rettili diapsidi veloci, diedero origine a un nuovo gruppo, un nuovo gruppo sorse da loro: i dinosauri, che divennero per molto tempo i predatori diurni dominanti e gli erbivori dell'intero pianeta. Occupavano tutte le nicchie diurne, nicchie di animali nella classe di grandi dimensioni. Alla fine del periodo Triassico, apparvero rettili diapsidi veloci, diedero origine a un nuovo gruppo, un nuovo gruppo sorse da loro: i dinosauri, che divennero per molto tempo i predatori diurni dominanti e gli erbivori dell'intero pianeta. Occupavano tutte le nicchie diurne, nicchie di animali nella classe di grandi dimensioni.
La linea sinapside è stata costretta ad entrare nella notte, sottoterra, si è schiacciata. Nel periodo Permiano c'erano rettili sinapsidi giganti, alla fine del periodo Triassico rimaneva una piccola cosa. Allo stesso tempo, alla fine del periodo Triassico, è stato completato il processo della cosiddetta mammificazione dei rettili sinapsidi, cioè, grosso modo, sono comparsi i primi mammiferi. Tutti gli altri rettili sinapsidi si estinsero e un gruppo divenne mammiferi e sopravvissero. Ma sono sopravvissuti, diventando piccoli e notturni. Durante il periodo Giurassico e Cretaceo, i mammiferi erano notturni: sembravano una specie di toporagni, topi. Poiché erano notturni, la visione dei colori è diventata quasi inutile per loro. Poiché i coni ancora non funzionano di notte, la selezione naturale non poteva supportare quattro visione descrittiva, tetrocromatica,perché quella visione non era necessaria.
La selezione naturale non può guardare al futuro, funziona così: o usi il gene o lo perdi. Se il gene non è necessario qui e ora, le mutazioni che sorgono e lo danneggiano non vengono eliminate dalla selezione e il gene prima o poi fallisce.
La perdita di geni è probabilmente finalizzata a preservare eventuali forze nel corpo, alla massima economia, massima efficienza, cioè, nulla dovrebbe funzionare inattivo nel nostro corpo
- In linea di principio, sì, certo, questa è economia: le proteine in eccesso non vengono sintetizzate. Devo dire che in generale nel corpo vengono sintetizzate molte proteine in eccesso, che sono diventate inutili, ma non hanno ancora avuto il tempo di morire, questo non avviene così velocemente, ma alla fine succede. All'inizio, si pensava che entrambi i geni dell'opsina fossero stati persi dagli antenati dei mammiferi o dai primi mammiferi molto rapidamente e praticamente contemporaneamente. Ora nel genoma dell'ornitorinco - e questo è un rappresentante dei mammiferi più primitivi, c'è uno dei geni perduti. Cioè, l'ornitorinco ha altre tre opsine, mentre i mammiferi più avanzati ne hanno solo due. I geni sono stati persi, quindi a loro volta. L'antenato comune dei mammiferi aveva ancora tre opsine, e placentali e marsupiali, esclusi l'ornitorinco oviparo e l'echidna, solo due opsine.
In che modo, allora, i nostri antenati, le scimmie, hanno riacquistato la loro visione tricromatica? E qui il meccanismo di duplicazione genica ha funzionato. Quando l'era dei dinosauri finì ei mammiferi furono di nuovo in grado di tornare diurni, rimasero con la loro visione dicromatica, perché non c'era nessun posto dove portare i geni perduti.
E questo continua nella maggior parte dei gruppi di mammiferi, anche se sarebbe utile per loro distinguere i colori, ma non c'è nessun posto dove prendere il gene. Ma gli antenati delle scimmie del Vecchio Mondo furono fortunati. Avevano uno dei due geni rimanenti dell'opsina in fase di duplicazione, duplicazione e selezione naturale che sintonizzavano rapidamente due copie del gene risultante su diverse lunghezze d'onda. Ci sono volute solo tre mutazioni per farlo: sostituire tre amminoacidi in una proteina, un cambiamento piuttosto minore. Una piccola operazione, a causa della quale la lunghezza d'onda a cui reagisce una delle opsine si è spostata sul lato rosso. Questo ci basta per poter distinguere tra rosso e verde. Ciò ha permesso agli antenati delle prime scimmie del Vecchio Mondo di passare a mangiare frutta e fogliame fresco nelle foreste tropicali: è molto importante distinguere il rosso dal verde,frutti maturi da foglie acerbe e giovani da foglie vecchie.
Ma questo è successo solo alle scimmie del Vecchio Mondo. Questo è un evento felice: la duplicazione del gene è avvenuta negli antenati delle scimmie del Vecchio Mondo dopo che l'America si separò dall'Africa e nuotò, tra loro c'era l'Oceano Atlantico. Le scimmie americane sono state sfortunate e la maggior parte di loro ha avuto una visione bicromatica. E vivono ancora così. Certo, sarebbe anche utile per loro distinguere i frutti rossi da quelli verdi, ma cosa puoi fare se non c'è un gene.
Si scopre che le scimmie del Nuovo Mondo non distinguono tra rosso e verde, commettono errori, mangiano qualcosa?
- Risulta così. Forse è per questo che le scimmie del Vecchio Mondo sono diventate persone, e le scimmie del Nuovo Mondo no.
Autore: Olga Orlova
