что находится подо льдом антарктиды
Что скрывается подо льдами Антарктиды?
Антарктида — самый малоизученный материк на планете, за которым закреплены сразу несколько рекордов. Так, именно в Антарктиде дуют самые сильные ветра на планете, именно там была зарегистрирована самая низкая температура — 89 градусов ниже нуля, а еще именно в этом месте расположен самый большой кратер на Земле. Несмотря на то, что поверхность материка-рекордсмена на протяжении нескольких миллионов лет была покрыта льдом и снегом, ученые смогли показать облик цветущей Антарктиды прошлого.
Подо льдами на Южном Полюсе планеты скрывается целый материк
Что находится подо льдами Антарктиды?
Антарктический ледяной щит настолько тяжелый, что поверхность самого холодного материка на планете прогнулась под тяжестью веса льда и снега почти на 500 метров. Еще бы: ледяной щит Антарктиды хранит в себе до 90 % всего льда на Земле! В настоящие дни самый холодный материк планеты начинает постепенно открывать миру свои секреты: в результате глобального потепления его поверхность постепенно обнажается, открывая миру неизученные и таинственные территории.
Одним из наиболее интересных открытий стало обнаружение долины под ледником Берд. В настоящее время долина считается самой глубокой точкой, расположенной внутри континента, так как уникальное место находится на глубине 2780 метров.
Озеро Восток, расположенное вблизи одноименной антарктической станции, в настоящее время находится под толщей льда в 4000 метров. Ученые считают, что несмотря на гигантское давление воды в озере, которое приблизительно равно 300 атмосферам, в этом водоеме могут обитать организмы, наделенные по-настоящему уникальными свойствами. Из-за того, что озеро Восток много миллионов лет находилось в изоляции от внешнего мира, местная фауна может радикально отличаться от уже изученной.
Озеро Восток находится прямо под одноименной станцией в Антарктиде
Как выглядела Антарктида в прошлом?
Найденный в Антарктиде криолофозавр совмещает в себе особенности тираннозавров и аллозавров, достигая в длину более 8 метров
Что произойдет, если льды Антарктиды растают?
Исследователи считают, что если весь сосредоточенный в Антарктиде лед полностью растает, уровень моря на нашей планете вырастет примерно на 60 метров. В результате такого катаклизма под воду рискуют уйти множество крупных городов, среди которых значатся Лондон, Нью-Йорк, Санкт-Петербург и Сидней. Кроме того, под воду уйдет и часть прибрежных европейских стран, таких, как Нидерланды и Дания. Сама же Антарктида понесет значительные территориальные потери: западная часть континента превратится в архипелаг со множеством островов, сформировав абсолютно новую карту древнего материка.
Антарктида будущего рискует превратиться во вполне комфортный для жизни архипелаг
Согласно официальным данным, на Антарктическом полуострове уже сейчас отмечается появление тундровой зоны. Ученые считают, что в связи с возрастанием средней температуры на планете, на материке вскоре начнут расти деревья, а количество представителей животного мира с каждым днем будет только увеличиваться.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Миллионы людей по всему миру работают в ночную смену. Такой режим характерен для охранников, продавцов, поваров и представителей многих других профессий. Даж…
Наш мир полон суеверий, причем некоторые из них вызывают особый интерес. Известно, например, что Майкл Джордан носил шорты Университета Северной Каролины под…
Кровь, хотя и скрыта от наших глаз и составляет примерно 8% от массы тела, играет важнейшую роль в организме человека. Однако о том, что кровь одного человека может не подходить другому и почему, человечество узнало только в 1900 году.
Что прячется подо льдами Антарктиды и как она стала ледяным материком
Чуть больше 200 лет назад, а именно 28 января 1820 года, русские моряки Фаддей Беллинсгаузен и Михаил Лазарев открыли один из самых малоизученных материков на сегодняшний день — Антарктиду. Недавно ученые выяснили чуть больше о ее прошлом. Рассказываем полную историю Антарктиды.
Читайте «Хайтек» в
Антарктида — какая она сейчас?
Антарктида — континент, расположенный на самом юге Земли. Ее центр примерно совпадает с Южным географическим полюсом. Омывается Атлантическим, Индийским и Тихим океанами. Многие считают Антарктиду ледяной пустыней. Но это не совсем верно. Да, льда там и правда много, но формации его настолько разные и красочные, что на пустыню это совсем не похоже. Например, айсберги Антарктики — самые большие и красивые на планете, в Арктике таких не увидишь. Многие сравнивают айсберги с ледяными скульптурами — их формы могут быть самыми причудливыми.
Также там есть целые «здания» из айсбергов — с «окнами», «арками», «колоннами» и пещерами. Цвет ледяных «скульптур» и «архитектуры» — всех оттенков синего, от голубого до бирюзового и даже сиреневого. Даже в пасмурную погоду можно увидеть мерцание айсберга, идущее откуда-то изнутри. А на солнце синева льда сияет так, что без солнцезащитных очков не взглянешь.
Сейчас на Антарктиде холодно. Но не везде. Рекорд низкой температуры и вправду зарегистрирован на континенте Антарктида (около –90 °С), но глубоко внутри восточной части континента. Если же вы решите открыть для себя Антарктиду, то сделаете это, скорее всего, в западной части континента, на Антарктическом полуострове. И вот здесь вас ждет сюрприз — настоящее антарктическое лето, с шумным многообразием жизни и +15 °С на солнце. Пик «жары» приходится на конец декабря — начало января.
А что было в прошлом?
А прошлом Антарктида сильно отличалась от ледяного материка, который существует сейчас.
В юрский период, 180 млн лет назад, Антарктида была частью Гондваны. Этот древний суперконтинент распадался и больше не существует. 180 млн лет Гондвана, состоящая из Африки, Антарктиды, Австралии, Индии и Новой Зеландии, начинает распадаться. Динозавры правят миром уже почти 30 миллионов лет. После начинают появляться первые цветущие растения, а также млекопитающие и птицы. Южная Атлантика рождается вместе с распадом Гондваны.
С наступлением меловой эры, около 100 млн лет назад, Антарктиду покрывают обширные леса. В основном они состоят из огромных папоротников и хвойных деревьев. Примерно 96 млн лет назад Австралия и Новая Зеландия отделились от Антарктиды, и она начала свое одиночное плавание. Около 70 млн лет на материке господствует полутропический климат, а сам он продолжает дрейфовать на юг. 65 млн лет назад астероид врезался в землю у побережья Юкатана, Мексика. Ученые уверены, именно это и убило динозавров. Они больше не господствующий вид — на их место пришли млекопитающие.
Во время палеоцена, 60 млн лет назад, на Антарктиде становится заметно холоднее. На материке господствует прохладный умеренный климат, как в современной Великобритании. Массовое вымирание в конце мелового периода оставляет пустые ниши, которые раньше занимали ныне мертвые динозавры, гигантские морские рептилии и другая флора и фауна. Чтобы заполнить эти ниши, появляется множество новых видов.
Во время эоцена, около 40 млн лет, появляются первые большие ледяные шапки. Антарктида обосновывается над Южным полюсом. Считается, что отчасти это связано с тем, что климат планет Земля становится холоднее по мере падения уровня углекислого газа в атмосфере.
Эпоха олигоцена (38-26 млн лет назад) окончательно закрепило за Антарктидой звание самого холодного, ветренного и южного материка на Земле.
А 25 млн лет назад, во время миоцена, весь антарктический континент покрывается льдом. Спустя 20 млн лет назад формируется Антарктическая конвергенция — зона Южного океана, окружающая Антарктику, в которой холодные, текущие на север воды встречаются с более теплыми водами Тихого и Атлантического океанов.
Когда Антарктида отделилась от других массивов суши, возникло антарктическое циркумполярное течение, которое привело к тому, что континентальные погодные системы стали более изолированными от остального мира, температура продолжала падать, и ледяная шапка начала расти. Антарктическое циркумполярное течение — холодное поверхностное океаническое течение протяженностью до 30 тыс. км при ширине до 2,5 тыс. км в Южном полушарии, огибающее между 40° и 50° ю. ш. с запада на восток земной шар. Это единственное на Земле течение, которое проходит через все меридианы.
Именно циркумполярное течение изолирует погодные системы Антарктиды от остального мира.
Что скрывается подо льдами Антарктиды?
Довольно долго ученые считали, что Антарктида представляет собой цельный континент, который некогда был един с Австралией, а потом покрылся километровым слоем льда. Но последние данные дали новую почву для размышлений: геология под ледниками говорит о том, что Антарктида состоит из множества древних континентов.
Команда геофизиков из Кильского университета в Германии провела новое исследование ледяного материка. Оказалось, что Восточная Антарктида состоит из нескольких кратонов, которые являются ядрами континентов, существовавших ранее. Кратон — древняя платформа, стабильный участок континентальной коры архейского времени. Кратоны занимают большую часть объема всех континентов, располагаясь в центральной части плит и распространяясь на миллионы квадратных километров. Эти участки земной коры неспособны к преобразованию путем смятия слоев горных пород и их складывания.
По словам ученых, из-за того, что континент настолько удален и погребен подо льдом, Антарктида является чем-то вроде белого пятна на геологической карте. Исследователи использовали данные гравитационного поля Европейского космического агентства (ESA) и стационарного спутника Ocean Circulation Explorer (GOCE), чтобы заполнить пробелы.
В ходе научного проекта ученым удалось удалить лед в виртуальной модели Антарктиды и сосредоточить внимание на литосферных плитах. Кора восточной части материка толще, чем в западной: ее толщина составляет от 40 до 60 километров. Области имеют совершенно четкую границу толщин, что говорит о наличии осколков горных массивов под толщей замерзшей почвы. Чтобы более точно понять форму этих образований, геофизикам необходимо пробурить скважины и получить пробы из породы.
Что скрывается подо льдами Антарктиды?
Антарктические подледные озера простираются в кромешной тьме и в полной изоляции от окружающего мира, и потому могут таить в себе уникальные экосистемы. Ученые не исключают, что подо льдом может быть жизнь. Почему озера не замерзают и как они помогут нам в освоении космоса.
Сотни озер, возможно, были герметично закрыты от солнечного света очень и очень долгое время
Хотя Антарктический континент покрыт льдом толщиной в несколько километров, он скрывает ландшафт с сотней больших и маленьких озер с незамерзающей водой.
Самое известное среди них — Восток, крупнейшее озеро, которое ученые обнаружили под слоем льда на глубине более 4 тысяч метров. Его длина — 250 километров, а глубина — 900 метров.
Некоторые из этих озер простираются в кромешной тьме и в полной изоляции от окружающего мира, и потому могут таить в себе экосистемы, очень долгое время никак не контактировавшие с известными нам. Согласно новому исследованию, опубликованному в издании Science Advances, между льдом и скальной породой в Антарктиде скрываются около 250 озер.
Эти озера очень интересны ученым, которые исследуют возможности существования жизни в других местах нашей Солнечной системы. Например, подо льдом на замороженном спутнике Юпитера Европе вполне могут быть жидкие моря, и НАСА недавно решило послать туда зонд в 2024 году.
Два исследователя из Кембриджского университета теоретически оценили, насколько вероятно, что эти озера с их экстремальными условиями могут породить и поддерживать жизнь.
Жизнь подо льдом?
Несколько озер уже исследовали на предмет наличия микроорганизмов, и, хотя точных выводов пока нет, похоже, что кое-где там может быть микроскопическая жизнь — например, бактерии.
По информации Nature, бактерии были обнаружены в озере Мерсер, расположенном на глубине 1000 метров подо льдом. Но это озеро менее изолировано, чем, вероятно, другие подледные озера.
В то же время вполне возможно, что в озере Восток есть пока не обнаруженные бактерии. Но, согласно исследованию, проведенному в 2016 году, очень трудно добыть оттуда совершенно чистые пробы воды, не загрязнив их микроорганизмами по дороге.
Как сообщалось на интернет-ресурсе Livescience, в 2017 году в озере Восток обнаружили микроорганизмы нескольких типов.
Могут ли в этих озерах существовать более сложные формы жизни, пока не ясно.
Но откуда там вообще берется жидкая вода?
Давление и тепло
Сверху на эти озера всем весом давит лед. Между тем у льда есть свойство таять под давлением — это явление называется режеляцией.
Таким образом, крайний слой льда тает, но давление при этом остается настолько сильным, что вода в подледных озерах не замерзает обратно, хотя ее температура и опускается сильно ниже нуля.
Кроме того, озера находятся в глубине земной коры, и их нагревают недра планеты. Например, озеро Восток расположено на 500 метров ниже уровня моря.
Этот нагрев снизу создает течения, которые могут разносить по озеру питательные вещества. Согласно новому исследованию в Science Advances, питательные вещества поступают в том числе и из тающего сверху льда.
Течения вполне могут создать достаточную для распространения питательных веществ и кислорода циркуляцию. Вероятно, ее хватает, чтобы поддерживать жизнь в микроорганизмах.
Новые исследования дают подсказки, где в этих озерах лучше искать потенциальную жизнь. У озер, расположенных под толщей льда менее 3,1 тысяч метров, будет довольно застойный верхний непосредственно соприкасающийся со льдом слой воды. Он мало смешивается с остальной водой. Поэтому ученые рекомендуют брать пробы из слоя минимум на метр ниже.
Все равно остается много вопросов о том, что происходит в этих подледных озерах. В будущем, возможно, ученые пробурят скважины к одному из них — озеру CECs, названному в честь Научно-исследовательского центра в Чили (Centro de Estudios Cientificos i Chile), чьи сотрудники его обнаружили.
Материалы по теме
А вот ещё:
Есть ли «мусор» в человеческой ДНК?
Геном рыбы фугу примерно в восемь раз меньше, чем геном человека, и в 330 раз меньше, чем геном двоякодышащей рыбы протоптер. Какие «призраки» живут на «кладбищах геномов», и сколько мусора в нашей с вами ДНК?
Известный молекулярный биолог Дэвид Пенни из Центра молекулярной экологии и эволюции Аллена Вилсона в новозеландском Университете Массей как-то сказал: «Я бы весьма гордился работой в группе, которая разработала геном кишечной палочки. Однако я бы никогда не признался, что участвовал в проектировании генома человека. Ни в одном университете этот проект не смогли бы настолько испортить». Тема о количестве мусора в нашей ДНК — одна из самых «горячих» тем в научном сообществе. Вокруг этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии.
Репликация (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской. При следующем за этим делении каждая из дочерних клеток получает по одной копии молекулы ДНК, идентичной ДНК исходной материнской клетки. Репликацию ДНК осуществляет реплисома — сложный ферментный комплекс, состоящий из 15−20 различных белков.
Немного молекулярной генетики
Напомним, что в основе передачи наследственной информации лежит двухцепочечная молекула ДНК. Она представляет собой полимер из четырех типов мономеров (нуклеотидов): аденина (A), тимина (T), цитозина (С) и гуанина (G) — и уложена в хромосомы. У человека 23 пары расположенных в ядре хромосом (22 пары неполовых и одна пара половых). Они и составляют основу нашего генома (еще 37 генов содержат кольцевые ДНК митохондрий). Если бы мы взяли одну клетку человека, сшили весь диплоидный (парный) набор хромосом вместе и вытянули в нить, то получили бы молекулу длиной в два метра, состоящую из шести миллиардов пар оснований (нуклеотидов). Три миллиарда от папы и три — от мамы.
Плодовая муха дрозофила Drosophila melanogaster. Геном модельной мухи. Геном: 120 млн пар оснований. Генов: 13 500.
Наиболее изученный тип функциональных последовательностей ДНК — гены, кодирующие белки. С таких генов считывается молекула РНК, которая затем играет роль матрицы для синтеза белков и определяет их аминокислотную последовательность. Кодирующая часть молекулы РНК может быть разделена на тройки нуклеотидов (кодоны), которые либо соответствуют некоторой аминокислоте, либо определяют место окончания синтеза белка (стоп-кодоны). Правило соответствия кодонов аминокислотам называется генетическим кодом. Например, кодон GCC кодирует аминокислоту аланин.
Частично синтетическая бактерия Mycoplasma laboratorium. Синтетический геном, в котором закодированы имена синтезировавших его ученых. Геном: 580 000 пар оснований. Генов: 381.
Померимся генами?
Когда-то думали, что у столь сложного организма, как человек, должно быть очень много генов. Когда проект «Геном человека» подходил к завершению, ученые даже устроили тотализатор: сколько генов будет обнаружено? Каково же было их удивление, когда оказалось, что количество генов у человека и маленького круглого червя Caenorhabditis elegans примерно одинаковое. У червяка около 20 000 генов, а у нас — 20−25 тысяч.
Для «венца творения» факт довольно обидный, особенно если учесть, что существует много организмов как с бОльшим по размеру геномом (геном двоякодышащей рыбы протоптер, Protopterus aethiopicus, в 40 раз больше человеческого), так и с бОльшим количеством генов (у риса — 32−50 тысяч генов).
Свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans. Маленький модельный геном животного. Геном: 100 млн пар оснований. Генов:
Но на самом деле у человека менее 2% генома кодируют какие-либо белки. Для чего же нужны остальные 98%? Может, там скрывается секрет нашей сложности? Оказалось, что существуют важные некодирующие участки ДНК. Например, это участки промоторов — последовательностей нуклеотидов, на которые садится фермент РНК-полимераза и откуда начинается синтез молекулы РНК. Это участки связывания транскрипционных факторов — белков, регулирующих работу генов.
Это теломеры, защищающие концы хромосом, и центромеры, необходимые для правильного расхождения хромосом по разным полюсам клеток при делении. Известны некоторые регуляторные молекулы РНК (например, микроРНК, препятствующие синтезу белков соответствующих генов на матричной РНК — копии гена-исходника), а также молекулы РНК, входящие в состав важных ферментативных комплексов — например, рибосом, которые собирают из отдельных аминокислот белки, передвигаясь по матричной РНК. Есть и другие примеры важных некодирующих участков ДНК.
Резуховидка Таля Arabidopsis thaliana. Маленький модельный растительный геном. Геном: 119 млн пар оснований. Генов:
Тем не менее бОльшая часть нашего генома напоминает пустыню: повторяющиеся последовательности, останки «мертвых» вирусов, которые когда-то давно встраивались в геномы наших предков; так называемые эгоистичные мобильные элементы — последовательности ДНК, способные перескакивать из одного участка генома в другой; различные псевдогены — нуклеотидные последовательности, утратившие способность кодировать белки в результате мутаций, но все еще сохранившие некоторые признаки генов. Это далеко не полный список «призраков», обитающих на «кладбище генома».
Вдвое умнее мух
Идея тотализатора по поводу числа человеческих генов пришла в голову доктору Эвану Бирни в баре при лаборатории в Колд-Спринг-Харбор незадолго до завершения проекта «Геном человека». По мере приближения к финалу, с 2000 по 2002 год, ставки выросли с 1 доллара до 20. В результате банк разделили «на троих»: Пол Дир из Британского совета по медицинским исследованиям, который еще в 2000 году поставил на дату своего рождения — 27.04.1962 — 27 462, Ли Роуэн из Института системной биологии в Сиэтле — в 2001 году она поставила на число 25 947, и Оливер Джейлон из французской компании Genoscope (26 500).
Когда главного победителя — доктора Дира — спросили, как ему удалось еще три года назад, когда все думали, что генов у человека не меньше 50 000, угадать число с такой точностью, он ответил: «Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям вполне достаточно».
Минимальная мышь
Существует точка зрения, что бОльшая часть генома человека нефункциональна. В 2004 году журнал Nature опубликовал статью, описывавшую мышей, из генома которых были вырезаны значительные фрагменты некодирующей ДНК размером в 0,8 и даже 1,5 млн нуклеотидов. Было показано, что эти мыши не отличаются от обычных строением тела, развитием, продолжительностью жизни или способностью оставлять потомство.
Разумеется, какие-то отличия могли остаться незамеченными, но в целом это был серьезный аргумент в пользу существования «мусорной ДНК», от которой можно избавиться без особых последствий. Конечно, было бы интересно вырезать не пару миллионов нуклеотидов, а миллиард, оставив только предсказанные последовательности генов и известные функциональные элементы. Удастся ли вывести подобную «минимальную мышь», и сможет ли она нормально существовать? Может ли человек обойтись геномом длиной лишь в полметра?
Возможно, когда-нибудь мы об этом узнаем. Тем временем еще один важный аргумент в пользу существования мусорной ДНК — наличие достаточно близких организмов с очень разными размерами геномов. Геном рыбы фугу примерно в восемь раз меньше, чем геном человека (хотя генов в нем примерно столько же), и в 330 раз меньше, чем геном уже упомянутой рыбы протоптер. Если бы каждый нуклеотид в геноме был функционален, то непонятно, зачем луку геном в пять раз больший, чем у нас?
На колоссальные различия в размерах геномов сходных организмов обратил внимание эволюционный биолог Сусуму Оно. Считается, что именно Оно ввел термин «мусорная ДНК» (junk DNA). Еще в 1972 году, задолго до того, как был прочитан геном человека, Оно высказал правдоподобные представления как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве «мусора» в нем
В своей статье «Столько мусорной ДНК в нашем геноме» он отмечает, что в геноме человека должно быть около 30000 генов. Это число, на тот момент совсем не очевидное, оказалось удивительно близко к реальному, которое узнали десятки лет спустя. Кроме того, Оно приводит оценку функциональной доли генома (6%), объявляя более 90% генома человека мусором.
Мимивирус Acanthamoeba polyphaga mimivirus. Самый большой известный геном вируса. Геном: 1 181 404 пар оснований. Генов: 979.
Находка или мусор?
Вызов представлению о существовании мусорной ДНК бросил проект ENCODE — The Encyclopedia of DNA Elements, «Энциклопедия элементов ДНК» (первые его результаты опубликованы в журнале Nature в 2012 году).
Получив многочисленные экспериментальные данные о том, какие части генома человека взаимодействуют с различными белками, участвуют в транскрипции — синтезе РНК-копий генов для последующей трансляции (синтеза белка из аминокислот на матрице информационной РНК) — или других биохимических процессах, авторы пришли к выводу, что более 80% генома человека так или иначе функциональны. Разумеется, данный тезис вызвал бурное обсуждение в научном сообществе.
Двоякодышащая рыба протоптер Protopterus aethiopicus. Самый большой известный геном. Геном: 133 млрд пар оснований. Генов: много.
Одна из наиболее ироничных статей, опубликованная Дэном Грауром, специалистом по молекулярной эволюционной биоинформатике, профессором Хьюстонского университета, и его коллегами в 2013 году в журнале Genome biology and evolution, называется так: «О бессмертии телевизоров: «функция» в геноме человека по лишенному эволюции Евангелию от ENCODE». Ее авторы отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся в том, какая часть генома функциональна.
Так, один из них вскоре уточнил в журнале Genomicron, что речь идет не о 80% функциональных последовательностей в геноме, а о 40%, а другой (в статье в Scientific American) и вовсе снизил показатель до 20%, но при этом продолжал настаивать, что термин «мусорная ДНК» нужно устранить из лексикона.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Быстро меняющийся геном вируса иммунодефицита человека. Геном: 9749 пар оснований (но уже мутировал). Генов: 9, но они кодируют 18 белков.
По мнению авторов статьи «О бессмертии телевизоров», члены консорциума ENCODE слишком вольно интерпретируют термин «функция». Например, существуют белки, которые называют гистонами. Они могут связывать молекулу ДНК и помогают ей компактно укладываться. Гистоны могут подвергаться определенным химическим модификациям.
Согласно ENCODE, предположительная функция одной из таких модификаций гистонов — «предпочтение находиться в 5′-конце генов» (5′-конец — это конец гена, от которого движутся ферменты ДНК- и РНК-полимеразы при копировании ДНК или при транскрипции). «Примерно так же можно сказать, что функция Белого дома — занимать площадь земли по адресу 1600, Пенсильвания-авеню, Вашингтон, округ Колумбия», — отмечают оппоненты.
Каша ехала на мотоцикле
Иногда в СМИ можно услышать некорректную фразу «генетический код мутировал». Но мутации происходят не в коде, а в молекуле ДНК (в геноме). В результате меняются нуклеотидные последовательности. Это можно сравнить с заменой буквы в слове. Например, фраза «Маша ехала на мотоцикле» превращается во фразу «Саша ехала на мотоцикле», если одна буква М «мутировала» в букву С.
Изменение генетического кода намного серьезней — это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буква М внезапно превратилась в букву К. Теперь у нас «Каша ехала на котоцикле». Понятно, что такие изменения приводят к значительным последствиям и поэтому в природе происходят крайне редко. Но происходят! Например, у некоторых инфузорий один из стоп-кодонов может кодировать аминокислоту глутамин. Но это скорее исключение, чем правило. У большинства организмов один и тот же генетический код: например, у человека, у червяка или огурца. А вот геномы у этих организмов различаются очень сильно. Тот же алфавит, но другой текст.
Возникает проблема и с приписыванием функции участкам ДНК. Предположим, что к определенному участку ДНК способен прикрепляться важный для функционирования клетки белок, и поэтому ENCODE приписывает этому участку «функцию». Например, некоторый транскрипционный фактор — белок, инициирующий синтез информационной (матричной) РНК — связывается со следующей последовательностью нуклеотидов: TATAAA. Рассмотрим две идентичные последовательности TATAAA в разных частях генома.
После того как транскрипционный фактор связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, служащей матрицей для синтеза другого важного белка. Мутации (замены любого из нуклеотидов) в этой последовательности приведут к тому, что РНК будет считываться плохо, белок не будет синтезирован, и это, скорее всего, негативно скажется на выживании организма. Поэтому правильная последовательность TATAAA будет поддерживаться в данном месте генома с помощью естественного отбора, и в этом случае уместно говорить о наличии у нее функции.
Рыба фугу Fugu rubripes. Самый маленький известный геном позвоночного. Геном: 390 млн пар оснований. Генов: 20–28 тысяч.
Другая последовательность TATAAA возникла в геноме по случайным причинам. Поскольку она идентична первой, с ней тоже связывается транскрипционный фактор. Но никакого гена рядом нет, поэтому связывание ни к чему не приводит. Если в этом участке возникнет мутация, ничего не изменится, организм не пострадает.
В данном случае говорить о функции второго участка TATAAA нет смысла. Впрочем, может оказаться, что наличие в геноме большого количества последовательностей TATAAA вдали от генов нужно просто для того, чтобы связывать транскрипционный фактор и уменьшать его эффективную концентрацию. В таком случае отбор будет регулировать число таких последовательностей в геноме.
Лук репчатый Allium cepa. Один из самых больших растительных геномов. Геном: 16 млрд пар оснований. Генов: неизвестно.
Чтобы доказать, что некоторый участок ДНК функционален, недостаточно показать, что в этом участке происходит некий биологический процесс (например, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что функцией обладают участки ДНК, которые вовлечены в транскрипцию. «Но почему нужно акцентировать внимание на том, что 74,7% генома транскрибируется, в то время как можно сказать, что 100% генома принимает участие в воспроизводимом биохимическом процессе — репликации!», — снова шутит Граур.
Антарктические бескрылые комары-звонцы Belgica antarctica. Самый маленький геном членистоногих. Геном: 99 млн пар оснований. Генов:
Хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что мутации в нем достаточно вредны и значительные изменения этого участка не наблюдаются из поколения в поколение. Как определить такие участки? Здесь на помощь и приходит биоинформатика, современная наука на стыке биологии и математики об анализе последовательностей генов и белков. Мы можем взять геномы человека и мыши и найти в них все похожие участки ДНК. Окажется, что у этих двух видов какие-то участки последовательностей нуклеотидов очень похожи.
Например, гены, необходимые для синтеза рибосомальных белков, довольно консервативны, то есть мутации в них достаточно вредны, чтобы носители новых мутаций вымирали, не оставляя потомства. Про такие гены говорят, что они находятся под отрицательным отбором, очищающим от вредных мутаций. Другие участки геномов будут иметь значительные расхождения между видами, что указывает на то, что мутации в этих участках, скорее всего, безвредны, а значит, их функциональная роль невелика или не определяется конкретной последовательностью нуклеотидов.
В ряде работ оценили долю участков ДНК человека, находящихся под давлением отрицательного отбора. Оказалось, что к ним относятся только около 6,5−10% генома, причем некодирующие участки, в отличие от кодирующих, гораздо меньше подвержены отрицательному отбору. Получается, что с точки зрения эволюционных критериев функциональны менее 10% генома человека. Обратите внимание, как близок к этой оценке был Оно в 1972 году!
Бактерия Hodgkinia cicadicola. Самый маленький известный геном бактерии. Бактерия-симбионт с нестандартным генетическим кодом. Геном: 144 000 пар оснований. Генов: 189.
Мусорная крепость
Но неужели остальные 90% генома человека — мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. У бактерий репликация генома служит серьезным ограничивающим фактором, требующим значительных затрат энергии. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются.
У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергозатрат организма на фоне расходов на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и т. д. В то же время большой геном может быть важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций, потенциально полезных в процессе эволюции.
Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. То есть организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим у отдельного организма, но он может играть важную роль на уровне популяции.
Человек разумный Homo sapiens. Геном предположительно на 90% состоит из мусора. Геном: 3 млрд пар оснований. Генов: 20–25 тысяч.
Наличие крупного генома может также уменьшать вероятность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и в ряде случаев к раку). Иными словами, не исключено, что естественный отбор может действовать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на сохранение определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и т. д.
Впрочем, хотя идея, что только 80% или даже 20% генома человека функциональны — спорна, это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В его рамках получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и т. д. Эти данные представляют большой интерес для специалистов. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.