Молекулярная эволюция и родство видов

Урок о том, как сравнение молекул позволяет восстановить родословное древо всего живого.

Молекулярная эволюция изучает изменения последовательностей ДНК и белков во времени; число различий между видами говорит об их родстве.

Молекулы как летопись

Чем дольше два вида эволюционируют отдельно, тем больше различий накапливается в их ДНК. Сравнив один и тот же ген у разных видов, можно оценить, как давно они разошлись. Это идея молекулярных часов: мутации копятся примерно с постоянной скоростью, поэтому число различий служит «секундомером».

Считаем расстояние между последовательностями

Простейшая мера различия — число позиций, в которых две выровненные последовательности не совпадают (расстояние Хэмминга). Чем оно больше, тем дальше родство.

def hamming(a, b):
    return sum(1 for x, y in zip(a, b) if x != y)

human  = "ATGCGTACGTTAGC"
ape    = "ATGCGTACGTTGGC"  # 1 отличие
mouse  = "ATGCATACGATAGC"  # 3 отличия
print("Человек vs обезьяна:", hamming(human, ape), "отличий")
print("Человек vs мышь:    ", hamming(human, mouse), "отличий")
print("Ближе родство у:", "обезьяны" if hamming(human, ape) < hamming(human, mouse) else "мыши")

Вывод:

Человек vs обезьяна: 1 отличий
Человек vs мышь:     3 отличий
Ближе родство у: обезьяны

Меньше различий — ближе родство. По одному короткому участку видно то же, что подтверждают полные геномы: человек ближе к обезьянам, чем к мышам.

Оценка времени расхождения

Если известна скорость накопления мутаций $\mu$ (мутаций на позицию за год), то время расхождения двух видов оценивают как:

$$ t \approx \frac{d}{2\mu} $$

где $d$ — доля различающихся позиций. Множитель 2 учитывает, что мутации копятся в обеих ветвях.

d = 0.06           # доля различий между видами
mu = 1e-8          # мутаций на позицию в год (на ветвь)
t = d / (2 * mu)
print("Доля различий d:", d)
print("Оценка времени расхождения, лет:", round(t))

Вывод:

Доля различий d: 0.06
Оценка времени расхождения, лет: 3000000

Как работает под капотом

Молекулярные часы работают лучше всего по нейтральным мутациям — тем, что не влияют на приспособленность и потому накапливаются с почти постоянной скоростью (вспомните синонимичные замены из раздела про мутации). Участки под сильным отбором меняются неравномерно и для датировки годятся хуже. Поэтому биологи выбирают для «часов» консервативные или нейтральные участки. Так абстрактная статистика мутаций превращается в инструмент датировки эволюции.

Частые ошибки

Сравнивают невыровненные последовательности. Сначала нужно их выровнять.
Считают молекулярные часы абсолютно точными. Это оценка со своей погрешностью.
Берут для датировки быстро меняющиеся под отбором участки вместо нейтральных.

Итог

Число различий между последовательностями отражает родство видов.
Молекулярные часы: время расхождения $t \approx d / (2\mu)$.
Лучше всего часы идут по нейтральным мутациям.
Молекулы подтверждают эволюционное древо, построенное по анатомии.