Введение

Техника определения времени дивергенции двух или более форм жизни в преисторические времена. Молекулярные часы – это образный термин для метода, использующего скорость мутации биомолекул для определения времени дивергенции двух или более форм жизни в преисторические времена. Биомолекулярные данные, используемые для таких расчетов, как правило, представляют собой нуклеотидные последовательности ДНК, РНК или аминокислотные последовательности белков.

Раннее открытие и генетическое равнорасстояние

Идея существования так называемых "молекулярных часов" впервые была сформулирована Эмилем Цукеркандлом и Линусом Полингом, которые в 1962 году заметили, что число различий в аминокислотной последовательности гемоглобина между разными линиями изменяется приблизительно линейно со временем, согласно оценкам, основанным на палеонтологических данных. Они обобщили это наблюдение, предположив, что скорость эволюционных изменений любого конкретного белка примерно постоянна во времени и в разных линиях (это известно как гипотеза молекулярных часов). Феномен генетического равнорасстояния был впервые отмечен в 1963 году Эмануэлем Марголиашем, который писал: "Похоже, что число различий в остатках между цитохромом c любых двух видов в основном определяется временем, прошедшим с момента расхождения эволюционных линий, ведущих к этим двум видам. Если это так, то цитохром c всех млекопитающих должен быть в одинаковой степени отличен от цитохрома c всех птиц. Поскольку рыбы отделились от основной ветви эволюции позвоночных раньше, чем птицы или млекопитающие, цитохром c как млекопитающих, так и птиц должен быть в одинаковой степени отличен от цитохрома c рыб. Аналогично, цитохром c всех позвоночных должен быть в одинаковой степени отличен от белка дрожжей". Например, разница между цитохромом c карпа и лягушки, черепахи, курицы, кролика и лошади остается очень стабильной – от 13% до 14%. Аналогично, разница между цитохромом c бактерии и дрожжей, пшеницы, мотыльков, тунца, голубя и лошади колеблется от 64% до 69%. В сочетании с работами Эмиля Цукеркандля и Линуса Полинга, результат, касающийся генетического равнорасстояния, непосредственно привел к формальной постановке гипотезы молекулярных часов в начале 1960-х годов. Подобным образом, Винсент Сарих и Аллан Уилсон в 1967 году показали, что молекулярные различия между современными приматами в белках альбумина демонстрируют приблизительно постоянную скорость изменений во всех исследованных ими линиях. Основная логика их анализа заключалась в том, чтобы признать, что если одна линия видов эволюционировала быстрее, чем родственная линия, начиная с их общего предка, то молекулярные различия между внегруппой (более отдаленно родственным видом) и быстрее эволюционирующим видом должны быть больше (поскольку на этой линии накопилось бы больше молекулярных изменений), чем молекулярные различия между внегруппой и медленнее эволюционирующим видом. Этот метод известен как тест относительных скоростей. В статье Сариха и Уилсона, например, сообщалось, что иммунологические перекрестные реакции альбумина человека (Homo sapiens) и шимпанзе (Pan troglodytes) указывают на то, что они примерно одинаково отличаются от Ceboidea (обезьян Нового Света) (в пределах экспериментальной погрешности). Это означало, что они оба накопили примерно одинаковое количество изменений в альбумине с момента их общего предка. Такая закономерность была обнаружена и для всех сравнений приматов, которые они провели. При калибровке с использованием нескольких хорошо задокументированных точек ветвления на основе ископаемых данных (например, отсутствия ископаемых приматов современного типа, найденных до границы КТ), Сарих и Уилсон пришли к выводу, что расхождение между человеком и шимпанзе, вероятно, произошло всего лишь около 4–6 миллионов лет назад.

Связь с нейтральной теорией

Наблюдение за скоростью молекулярных изменений, подобной часовой, изначально было чисто феноменологическим. Позже, в работах Мотоо Кимуры была разработана нейтральная теория молекулярной эволюции, которая предсказала существование молекулярных часов. Пусть в популяции насчитывается N особей, и для упрощения расчетов предположим, что особи гаплоидны (то есть имеют одну копию каждого гена). Пусть скорость нейтральных мутаций (то есть мутаций, не влияющих на приспособленность) у новой особи равна μ. Вероятность того, что эта новая мутация закрепится в популяции, тогда составит 1/N, поскольку каждая копия гена равноценна любой другой. Каждое поколение каждая особь может получить новые мутации, таким образом, в популяции в целом возникает N новых нейтральных мутаций. Это означает, что каждое поколение μ новых нейтральных мутаций будут закрепляться. Если большинство изменений, наблюдаемых в ходе молекулярной эволюции, являются нейтральными, то фиксации в популяции будут накапливаться со скоростью, равной скорости нейтральных мутаций у отдельной особи.

Калибровка

Чтобы использовать молекулярные часы для оценки времени расхождения, молекулярные часы необходимо "калибровать". Это связано с тем, что молекулярные данные сами по себе не содержат информации об абсолютном времени. В вирусной филогенетике и исследованиях древней ДНК – двух областях эволюционной биологии, где возможно получение последовательностей на протяжении эволюционного времени – даты промежуточных образцов можно использовать для калибровки молекулярных часов. Однако для большинства филогенетических деревьев требуется калибровка молекулярных часов с использованием независимых данных о датах, таких как ископаемые свидетельства. Существует два основных метода калибровки молекулярных часов с использованием ископаемых: калибровка узлов и калибровка ветвей.

Калибровка узла

Иногда называемая датировкой узлов, калибровка узлов — это метод временной шкалы филогенетических деревьев, основанный на указании временных ограничений для одного или нескольких узлов дерева. Ранние методы калибровки молекулярных часов использовали лишь одно ископаемое ограничение (например, непараметрическое сглаживание скорости), но более современные методы (BEAST) позволяют использовать несколько ископаемых для калибровки молекулярных часов. Самая древняя окаменелость клады используется для установления минимального возможного возраста узла, представляющего последнего общего предка этой клады. Однако, из-за неполной сохранности ископаемых и других факторов, клады обычно старше, чем их самые древние окаменелости. В качестве альтернативы, вместо указания максимального и минимального возраста, можно использовать функцию плотности вероятности для представления неопределенности в отношении возраста клады. Эти калибровочные функции плотности могут иметь вид стандартных распределений вероятностей (например, нормального, логнормального, экспоненциального, гамма), которые позволяют выразить неопределенность, связанную с оценками времени дивергенции. Определение формы и параметров распределения вероятности – непростая задача, но существуют методы, которые используют не только самую древнюю окаменелость, но и более обширную выборку ископаемой летописи клад для эмпирической оценки функций плотности калибровки. Исследования показали, что увеличение числа ископаемых ограничений повышает точность оценки времени дивергенции.

Калибровка кончиков

Иногда называемая датировкой по вершинам, калибровка по вершинам – это метод калибровки молекулярных часов, при котором ископаемые рассматриваются как таксоны и размещаются на вершинах филогенетического дерева. Это достигается путем создания матрицы, включающей молекулярный набор данных для существующих таксонов, а также морфологический набор данных как для вымерших, так и для существующих таксонов. Древние расширения популяций, хорошо задокументированные и датированные в геологической летописи, могут быть использованы для калибровки скорости молекулярной эволюции аналогично калибровке узлов. Однако, в отличие от калибровки по известному возрасту узла, калибровка по расширению использует двухэпоховую модель постоянного размера популяции, за которой следует рост популяции, при этом время перехода между эпохами является параметром, представляющим интерес для калибровки. Калибровка по расширению работает в более коротких, внутривидовых временных масштабах по сравнению с калибровкой узлов, поскольку расширения могут быть обнаружены только после существования последнего общего предка рассматриваемого вида. Датировка по расширению была использована для демонстрации того, что скорости молекулярных часов могут быть завышены в короткие периоды времени. Модель FBD нова тем, что позволяет учитывать "выборочных предков" – ископаемые таксоны, являющиеся прямыми предками живого таксона или линии. Это позволяет размещать ископаемые на ветви над существующим организмом, а не ограничивать их размещение вершинами дерева.

Методы

Байесовские методы могут давать более точные оценки времени дивергенции, особенно при использовании больших наборов данных, например, полученных с помощью филогеномики.

Применение

Техника молекулярных часов — важный инструмент в молекулярной систематике, макроэволюции и сравнительных филогенетических методах. Оценка времени филогенетических событий, включая те, которые не подтверждены ископаемыми данными, например, время расхождения между существующими таксонами, позволила изучать макроэволюционные процессы у организмов с неполной палеонтологической летописью. Сравнительные филогенетические методы в значительной степени опираются на откалиброванные филогенетические деревья.