Один из основных вопросов, на который необходимо ответить для выяснения филогенетических взаимоотношений между различными формами жизни, состоит в следующем: содержат ли далекие друг другу виды идентичные, или гомологичные, гены, или же сходные фенотипические признаки развиваются у них под влиянием аналогичных (т. е. сходных, но не тождественных) генов, определяющих появление одинакового внешнего признака или функции различными путями.
Методы экспериментальной генетики позволяют сравнивать генетическую природу только тех видов, которые скрещиваются друг с другом. Так, например, мы знаем, что зрительные пигменты многих видов содержат одно и то же светочувствительное вещество. Однако генетические методы не дают возможности установить, контролируется ли синтез этого соединения у различных организмов одним и тем же набором генов, которые, возможно, слегка различаются по структуре, но, по существу, идентичны, или же этот синтез контролируется совершенно различными генами, совместное действие которых приводит к тому же конечному результату.
Генетический анализ во всех случаях основывается на наличии в фенотипе изучаемых организмов каких-либо хорошо различимых признаков, будь то морфологические, физиологические или биохимические признаки. Если признак, служащий критерием наличия или отсутствия функционального гена или набора генов, представляет собой какой-либо ясно выраженный морфологический признак, то в таком случае невозможно выяснить, имеем ли мы дело с гомологичными или аналогичными генами. Невозможно это установить даже и в случае наличия у весьма далеких видов идентичных химических соединений, как, например, креатинфосфат, содержащийся в тканях всех позвоночных. Образование такого вещества у различных видов, по-видимому, обеспечивается аналогичными, а не гомологичными ферментативными системами, и гены, осуществляющие основной контроль над процессами его синтеза, могут быть совершенно различны по своей химической природе. Тем не менее существует способ, позволяющий получить некоторые данные о присутствии определенных генов у всех видов в пределах той или иной крупной систематической группы. Современные методы выделения и структурного анализа позволяют сравнивать строение белков, выделенных из самых разнообразных биологических объектов. Если согласиться с тем, что белки представляют собой первичный, хотя, быть может, и несколько расплывчатый «отпечаток» генетической информации, то можно сделать заключение, что два организма имеют один и тот же ген или набор генов в том случае, если они содержат одинаковую белковую молекулу.
Ясно, что «один и тот же» белок у разных видов может обладать некоторыми отличительными особенностями; это, в частности, связано с тем, что для проявления той или иной функции некоторые участки биологически активных белковых молекул менее «необходимы», чем другие. Так, например, мутации, которые ведут к изменению последовательности чередования трех аминокислотных остатков на карбоксильном конце полипептидной цепи рибонуклеазы, могут лишь слегка повлиять на жизнеспособность или плодовитость мутантных особей. Однако мутация, вызывающая серьезное нарушение последовательности чередования аминокислот в так называемом «активном центре» фермента, может оказаться летальной, и изменившийся подобным образом ген не сохранится в потомстве.
Сопоставление структуры гомологичных белков (т. е. белков, обладающих одинаковой биологической активностью или функцией) у различных видов важно по двум причинам: 1) сходство между этими белками дает представление о минимальной структуре молекулы, необходимой для осуществления той или иной биологической функции; 2) различия между ними могут дать важные сведения о частоте благоприятных мутаций в процессе эволюции и, кроме того, могут помочь в установлении филогенетических взаимоотношений между видами.
В настоящее время полное сравнение первичной структуры возможно лишь для относительно небольшого числа белков и полипептидов, в том числе для инсулина, адренокортикотропина, меланотропина, вазопрессина, окситоцина и гипертенсина. Полностью расшифрована также структура глюкагона (гипогликемического фактора), однако сравнительное изучение строения этого гормона у разных видов до сих пор не проведено. Среди ферментов одна лишь рибонуклеаза настолько хорошо изучена, что можно провести более или менее полное сравнение ее структуры у разных видов. Структура тетрадекапептидной части цитохрома с, расположенной вблизи его гемсодержащей простетической группы, была исследована для многих организмов. В заключение необходимо подчеркнуть, что в настоящее время накопилась большая литература, посвященная аминокислотному составу, концевым группам и анализу последовательности концевых аминокислот у различных гомологичных белков, а также изучению их физических, ферментативных и иммунологических свойств. Полученные данные позволяют нам сделать хотя бы некоторые более или менее обоснованные догадки о сходстве и различии этих белков.