В исследовании, опубликованном на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, Ричард Вольфенден, доктор философии, и его коллеги обнаружили, что скорость определенного химического изменения в ДНК — ключевой фактор скорости спонтанных мутаций организмов и, следовательно, эволюции. темп — чрезвычайно быстро увеличивается с повышением температуры. Объединив это открытие с недавними доказательствами того, что жизнь возникла, когда наша планета была намного теплее, чем сейчас, ученые пришли к выводу, что скорость спонтанных мутаций была по крайней мере в 4000 раз выше, чем сегодня.«При более высоких температурах, которые, кажется, преобладали на ранней стадии жизни, эволюция отчаянно трясла кубиками», — сказал Вольфенден, заслуженный профессор биохимии и биофизики Медицинской школы UNC.
Гораздо более быстрый темп эволюции означает, что виды могли размножаться гораздо быстрее, чем сейчас, давая флоре и фауне Земли достаточно времени, чтобы обрести свое огромное разнообразие и сложность.Этот вопрос — могла ли жизнь развиться до нынешнего уровня сложности за отведенное время — остается с тех пор, как Дарвин опубликовал свою теорию более полутора веков назад. На протяжении этих дебатов как скептики, так и сторонники эволюционной теории часто предполагали, что скорость эволюции оставалась более или менее постоянной на протяжении эонов.
Планета образовалась около 4,6 миллиарда лет назад из облака пыли и газа, окружавшего раннее Солнце, и начиналась как адский мир расплавленных горных пород. Он остыл, пока кора не сконденсировалась, и, в конце концов, около 4,3 миллиарда лет назад жидкий рассол начал заполнять более низкие возвышенности, образуя океаны.
«Недавние доказательства из образцов горных пород в Австралии показывают, что формы жизни возникли на Земле уже 4,1 миллиарда лет назад — почти в мгновение ока после появления жидких океанов», — сказал Вулфенден.В то время средняя температура на поверхности Земли была близка к температуре кипения воды — 100 градусов по Цельсию, что примерно на 75 градусов выше, чем сегодня.Чтобы получить некоторое представление о влиянии таких высоких температур на скорость эволюции, команда Вольфендена исследовала химическую реакцию, известную как дезаминирование цитозина, которое время от времени происходит во всех клетках и может быть единственной наиболее частой причиной спонтанных мутаций ДНК. .В реакции дезаминирования цитозин — основная молекула ДНК, известная в генетическом коде как «С» — теряет аммиачно-подобную «аминовую» группу атомов.
Дезаминирование приводит к мутации цитозина в тимин, основание ДНК («Т» в генетическом коде).Команда Вольфендена экспериментально определила скорость спонтанного дезаминирования цитозина и нескольких связанных с цитозином молекул при разных температурах. В сотрудничестве с лабораторией UNC Рональда Свонстрома, доктора философии, Чарльза П. Постелла младшего, заслуженного профессора биохимии в UNC, исследователи также измерили скорость дезаминирования цитозина и спонтанных мутаций C-to-T в одноцепочечной ДНК из вирус ВИЧ, вызывающий СПИД. Результаты показали, что скорость дезаминирования цитозина для изолированных молекул и для одноцепочечной ДНК очень резко возрастала с повышением температуры.
Затем ученые добавили предположение, что температура поверхности Земли сама изменилась экспоненциально — в соответствии с законом охлаждения Ньютона — за период существования жизни.«Мутации на основе цитозина при температуре около 100 градусов по Цельсию происходили более чем в 4000 раз быстрее, чем сейчас», — сказал Вулфенден. «Для меня это было удивительно. Я думал, что древняя скорость будет быстрее, чем современная, но не так быстро».
Как могли ранние формы жизни справиться с высокотемпературной средой, в которой их генетический материал изменялся так быстро?«Этот вопрос все еще не решен», — сказал Вулфенден. Однако он отметил, что даже сейчас есть микроорганизмы, которые обычно живут в горячих источниках или глубоководных термальных источниках и каким-то образом выживают и размножаются при температурах до 120 ° C.
Первоначально ДНК была в некоторой степени стабилизирована наличием комплементарной цепи ДНК, и по мере развития жизненных форм у них развивались все более сложные механизмы восстановления повреждений ДНК.«Эти открытия дают нам некоторое представление о бремени, с которым столкнулись первобытные организмы до того, как они развили сложные системы восстановления», — сказал Вулфенден. «И они предлагают еще один ключ к разгадке того, как эволюция положила начало созданию разнообразного мира, который мы видим сегодня».