Крупным млекопитающим может грозить вымирание из-за накопления вредных мутаций
Слабые мутации, оказывающие только незначительное воздействие на организм, тем не менее могут накапливаться в популяции и даже привести к её вымиранию, если мутации вредные. Вероятность такого хода событий существенно выше в небольших популяциях, содержащих малое число особей. А поскольку у млекопитающих численность популяции и масса тела связаны обратной зависимостью (чем крупнее животные, тем они малочисленнее), крупные виды должны накапливать мутации быстрее, чем мелкие. Это теоретическое предположение в настоящее время подтверждено российскими исследователями, проанализировавшими данные по геномам 110 видов млекопитающих разного размера. Выяснилось, что накопление «слабовредных» мутаций в кодирующих белки митохондриальных генах идет существенно быстрее у крупных видов, чем у мелких. А отсюда очевидно, что прослеживаемая в эволюции многих групп животных тенденция к увеличению размеров тела на самом деле может быть ограничена генетическими факторами.
У любых организмов время от времени возникают ошибки генетического кода — мутации. Если эти мутации слабые (нейтральные и оказывающие незначительное отрицательное либо положительное воздействие), то они могут накапливаться в популяции. Теоретически следует ожидать, что такое накопление возможно только в небольших популяциях, где в силу случайного стечения обстоятельств и генетического дрейфа (например, при прохождении через «бутылочное горлышко» малой численности) слабые мутации могут «закрепиться», то есть начать обнаруживаться у всех особей. В больших же популяциях, насчитывающих множество особей, всегда достаточно эффективно действует так называемый «очищающий отбор», удаляющий всякие отклонения от нормы.
Попытку проверить эту идею на реальных данных по составу генома разных видов млекопитающих недавно предприняли Константин Попадьин, Леонард Полищук (оба с биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова), Лейла Мамирова (Институт проблем передач информации РАН), Дмитрий Кнорре (Институт физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского при МГУ) и Константин Гунбин (Институт цитологии и генетики СО РАН). Авторы исходили из того, что для млекопитающих уже давно хорошо известна четкая отрицательная зависимость между массой тела взрослого животного и их численностью в природе: чем крупнее животные, тем ниже плотность их популяций. Соответственно, массу тела можно было использовать как показатель численности популяций.
Оценить темп накопления «слабовредных» мутаций можно было только построив по молекулярно-генетическим данным небольшие филогенетические деревья, ведущие к современным видам. Исходный материал — это результаты секвенирования митохондриального генома разных видов млекопитающих, сведенные в базу данных, которая поддерживается Национальным центром биотехнологической информации США (National Center for Biotechnology Information). Из 138 видов млекопитающих, для которых известны нуклеотидные последовательности для всех 13 белок-кодирующих генов митохондриального генома, в работе использованы данные по 110 видам.
На основании этих материалов были восстановлены последовательности аминокислот в белках современных видов, а специальная компьютерная программа построила филогенетические деревья, устанавливая генотип их предполагаемых предков. После этого можно было посмотреть, какие изменения произошли в последовательностях нуклеотидов (кодонах), кодирующих ту или иную аминокислоту. Поскольку генетический код избыточен, одну и ту же аминокислоту могут кодировать разные кодоны. Некоторые мутации являются нейтральными: кодон меняется, а аминокислота синтезируется та же. Это так называемое синонимичное замещение. В случае «слабовредной» мутации начинает синтезироваться другая аминокислота. Это так называемое несинонимичное замещение.
Опираясь на имеющиеся данные, авторы обсуждаемой работы определяли для всех современных видов (кончиков веток филогенетического древа) отношение несинонимичных замен к синонимичным. Затем всю совокупность из 110 видов млекопитающих ранжировали по массе тела взрослых особей и разделили на две группы (по 55 видов) — крупных и мелких. Средний вес группы крупных млекопитающих оказался равным 359,5 кг, а средний вес мелких значительно меньше — 275 г. Сравнение этих двух групп показало, что скорость накопления несинонимичных замен относительно синонимичных у крупных видов существенно (на 43%) выше, чем у мелких. Помимо этого показателя авторы использовали еще несколько молекулярно-генетических свидетельств наличия слабых вредных мутаций и почти во всех случаях скорость их накопления была выше у крупных млекопитающих, чем у мелких.
Выявленный эффект интересно рассмотреть в общем эволюционном контексте. Дело в том, что в эволюции нескольких групп наземных позвоночных, в том числе млекопитающих, прослеживается четкая тенденция увеличения размера тела. Крупный размер снижает риск стать жертвой хищника (на носорогов и слонов мало кто рискнет напасть), а кроме того, с увеличением размера уменьшаются удельные траты на обмен. Однако плюсам, связанным с крупным размером тела, противостоят серьезные минусы. Популяции крупных животных не могут быть многочисленными, они характеризуются обычно невысокой плотностью, а уменьшение численности всегда чревато угрозой вымирания — в результате действия как экологических факторов, так и генетических (накопления вредных мутаций). Последнее утверждение в настоящее время можно считать доказанным.
Источник: Konstantin Popadin, Leonard V. Polishchuk, Leila Mamirova, Dmitry Knorre, Konstantin Gunbin. Accumulation of slightly deleterious mutations in mitochondrial protein-coding genes of large versus small mammals // PNAS. 2007. V. 104. P. 13390–13395.
Cм. также:
1) Leila Mamirova, Konstantin Popadin, Mikhail S. Gelfand. Purifying selection in mitochondria, free-living and obligate intracellular proteobacteria (Pdf, 1,3 Мб) // BMC Evolutionary Biology. 2007. V. 7. P. 17. doi:10.1186/1471-2148-7-17 (статья в открытом доступе).
2) Alissa M. Resch, Liran Carmel, Leonardo Mariño-Ramírez, Aleksey Y. Ogurtsov, Svetlana A. Shabalina, Igor B. Rogozin, Eugene V. Koonin. Widespread positive selection in synonymous sites of mammalian genes // Molecular Biology and Evolution. 2007. V. 24 P. 1821–1831 (статья в открытом доступе).
3) J. Damuth. Interspecific allometry of population density in mammals and other animals: the independence of body mass and population energy-use // Biol. J. Linn. Soc. 1987. V. 31. P. 193–246.
4) У фитопланктона соотношение размера и численности то же, что и у млекопитающих, «Элементы», 31.10.2006.
Алексей Гиляров
-
На мой взгляд, несмотря на обстоятельность аргументации авторов статьи, все же, в их выводах кроется какая то базовая ошибка. Ведь по логике авторов, те крупные млекопитающие,которые существуют на Земле миллионы лет, давно вроде бы должны уже вымереть! Ну,например,киты. Однако, этого не произошло! Более того,по некоторым данным, киты даже сумели увеличить свои размеры! Мне кажется, что чисто вероятностный подход к оценке вредных мутаций не совсем верен в принципе. По всей видимости, в живых организмах, в особенности в сложных,высокоразвитых, существуют еще какие то регуляторы правильности направления развития,регуляторы,котрые сегодня пока что неизвестны науке. Впрочем,это тоже гипотеза...
-
мамонты вымерли? вымерли! динозавры вымерли? вымерли! мутация виновата? нет. Сколько динозавры жили? долго и счастливо. Вопросы есть? :)
А если серьёзно, если мутация может приходить, то с не меньшей вероятностью она может и исчезнуть.-
Коллеги, Вы обсуждаете вымирание, а это является лишь кусочком обсуждения в данной работе. То что показано фактически - это бОльшая вероятность фиксации слабо-вредных мутаций у крупных млекопитающих. Само по себе, это лишь красивое подтверждение эффективно-нейтральной теории молекулярной эволюции. Далее идёт обсуждение. Накопление мутаций может быть и не связано с вымиранием (например если эти мутации очень слабо-вредные, то они фактически не влияют на приспособленность зверей; или же действительно одна слабо-вредная мутация может компенсировать (излечивать) другую), но может быть и связано и тогда ,как сказано Гиляровым, генетика наряду с экологическими причинами может объяснять повышенный темп вымирания крупных зверей. Пока ещё не известно, играли ли слабо-вредные мутации какую-либо роль в прошлых и современных вымираниях малочисленных видов.
-
мде... заголовок новости "Крупным млекопитающим может грозить вымирание из-за накопления вредных мутаций" уж больно пафосно для "Накопление мутаций может быть и не связано с вымиранием"... Сильно попахивает очередной "сенсацией".
На эту тему есть хороший анекдот:
- Как вы считаете какова вероятность встретить живого динозвара на улице?
- Думаю, 50 на 50.
- ???
- Либо встретим, либо нет.
Я собственно и статью не стал дочитывать, потому как заголовок, ну ни как не соотвествует содержимому, я хотел увидеть статистику, что столько-то видов млекопитающих вымерло из-за таких-то мутаций, что мол людь тут ни при чём, они мол сами повымерли, что к примеру морская корова сама взяла и вымерла, а человек тут ни причём.
ЗЫ: это моё мнение и я очень уважаю всех авторов, которые публикуют здесь статьи, но как и любому мне что-то нарвится, что-то нет :)-
zg
Полностью с вами согласен. Я тоже очень уважаю авторов этих статей и очень благодарен им за ту работу что они делают. Но, к сожалению, многие новости на элементах подаются как сенсации, хотя оригинальные работы лишь указывают на возможности того или иного события. Хотя может быть такой стиль изложения был специально выбран для того, чтобы поспорить и пообсуждать в коментариях.
Что же касается возможности вымирания крупных животных из-за накопления мутаций - это кажется мне маловероятным. В качестве примера можно привести акул. Некоторые представители этих животных далеко не маленькие (напр. белая, китовая), но динозавров они пережили.
То, что больше мутаций накапливается в геноме крупных животных по сравнению с мелкими довольно логично и данная работа лишь подтверждает этот факт. Но и только. Никаких данных, доказывающих связь вымирания с накоплением мутаций нет. Не забывайте еще и тот факт, что живые организмы способны приспосабливаться путем естественного отбора не только к изменениям окружающей среды, но и к мутациям (если они не являются летальными). Т.е. если практически вся популяция содержит какую-либо условно вредную мутацию (например при прохождении через "бутылочное горлышко"), будут возникать особи, способные компенсировать негативный эффект данной мутации. Причем такие особи получат преимущество при отборе и т.д. Это, кстати, характерно для всех животных, как крупных, так и мелких. Разница лишь во времени адаптации.
-
-
-
-
-
Почему же не подходит вероятностый подход, как раз он то и подходит, вот киты и нарушают общее правило - никак не вымирают.
Кстати говоря, если посмотреть на данные в этой работе более внимательно, то видно, что киты действительно слишком медленно накапливают слабо-вредные мутации. Исходя из их огромной массы ожидалось бы супер быстрое накопление слабо-вредных мутаций. Однако нет, киты тянут регрессию вниз! (если их убрать, то линия регрессии станет круче) Мне кажется, что здесь не правильный переход от массы к численности популяции. Киты действительно большие, но их не так мало, потому что живут они в большом океане и таким образом, связь между массой и численностью у них другая нежели связь между массой и численностью у наземных млекопитающих. Поэтому, если сделать анализ отдельно только на китах, то если и получится положительная регрессия (если хватит статистической мощности), то она будет более пологой. В принципе, конечно теоретически возможно учитвать не только массу, но и трофический уровень, образ жизни и прочие параметры, которые влияют на численность популяции. Чем лучше мы сможем восстановить численность популяции, тем правильнее наши точки лягут на прямую. В принципе можно перевернуть логику работы и рассматривать темп накопления слабо-вредных мутаций как оченку численности популяции и тогда, встанет вопрос объяснить с эколого-генетической точки зрения, почему киты находятся ниже линии регрессии, или медведи, например выше... Здесь видимо и поможет разный ареал, разный трофический уровень и так далее.
(тоже считаю, что причинно-следственные связи в нем, мягко скажем, преувеличены).
Однако не могу не заметить того, что хорошо подметил сам хЕрург:
'..То что показано фактически - это бОльшая вероятность фиксации слабо-вредных мутаций у крупных млекопитающих. Само по себе, это лишь красивое подтверждение эффективно-нейтральной теории молекулярной эволюции'.
Поэтому и саму статью думаю следует рассматривать именно с этой точки зрения и не вдаваться в обсуждение проблем , раскрытие причин которых в рамках данной работы не проводилось и как цель не ставилось.
Все, кто работал над этим проектом - молодые, сильные и перспективные специалисты.
Мои им большие поздравления - результат получился действительно довольно красивый:)
Так держать!!!
З.Ы. : из-за проблем сети мое мнение было высказано ранее самим автором статьи :)
Последние новости
