Эволюция как сопротивление энтропии ч.2 Печать E-mail
Виктор Прохорович Щербаков, доктор биологических наук, зав. лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН I. Механизмы видового гомеостаза Гомеостаз Это тоже своего рода равновесие. Рисунок Маурица Корнелиса Эшера (1898–1972). (С сайта www.enseignement.polytechnique.fr)Развитие и последующая жизнь индивида идут под управлением генетических программ, обеспечивающих целенаправленное использование энергии и веществ окружающей среды для построения своего тела, поддержания его в стационарном состоянии и оставления потомства. Я буду использовать выражение «под управлением генов» ради удобства, хотя мы всегда должны помнить, что сами по себе гены — текст, приобретающий смысл только в контексте организма. Несмотря на видимую гибкость генетических инструкций и пластичность в отношении средовых эффектов, конечная цель онтогенеза достигается с поразительной точностью. Это означает, что онтогенез в своих существенных чертах — детерминированный процесс. Это не механическая детерминированность, а детерминированность стохастическими средствами. Биологический детерминизм условен в том смысле, что результат в определенной мере зависит от внешних условий. Тем не менее это детерминизм, так как в определенных условиях результат будет определенным. Вторая сторона условности биологического детерминизма в том, что генетический «замысел» об организме может быть раскрыт только эмпирически и не может быть вычислен исходя из начальных условий. Предопределено, но непредсказуемо. Случаи пороков развития и вызванных внешними условиями уродств, как и абортивное развитие, — следствие либо несовершенства данного конкретного генома, либо наличия таких средовых факторов, которые находятся за пределами адекватной реакции генетической программы.Итак, организмы способны противостоять стремлению к хаосу, противополагая ему умение использовать энергию и другие компоненты внешней среды для поддержания своих структур и функций, то есть в конечном счете для сохранения себя во времени. Организмы, однако, представляют собой сложные системы, далекие от максимума энтропии. Они энтропийно напряжены. Механизмы гомеостаза не являются совершенными, поэтому ни один индивидуальный организм не может избежать термодинамического равновесия, то есть смерти. Организмы слишком сложны, слишком маловероятны, чтобы долго выдерживать давление энтропии. Простые атомы и молекулы существуют почти столько же, сколько существует Вселенная, а жизнь индивидуального организма конечна.Отчего гибнут организмы? Концепция естественного отбора и борьбы за существование настолько овладела нашим сознанием, что мы не придаем важности тому, что при самых благоприятных условиях жизни, в отсутствие всякой конкуренции, при изобилии источников энергии и вещества организмы всё равно неизбежно погибают. Они погибают от энтропии. Живые системы обходят термодинамический запрет с помощью размножения, то есть копирования самих себя, снятия реплик. Иногда одноклеточные организмы в отличие от многоклеточных рассматривают как бессмертные. Это недоразумение. Они тоже спасаются размножением.Каждая индивидуальная реплика существует сравнительно недолго, но виды потенциально бессмертны и фактически некоторые существуют неизменными десятки и сотни миллионов лет, а докембрийские организмы, жившие три миллиарда лет назад, видимо, мало отличались от современных цианобактерий (Fox, Dose, 1972). На обратную сторону процесса эволюции — сохранение уже существующей, сформировавшейся в ходе предшествующей эволюции организации биологических систем, стасигенез или стазис, — обращали внимание многие эволюционисты (Huxley, 1957; Шмальгаузен, 1968; Dobrzhansky, 1970; Gould, Eldredge, 1977; Расницын, 1986; Северцов, 1986, 1987, 1990). Однако в увлечении идеей прогрессивного хода эволюции мы не склонны придавать значение тому, как мало меняются организмы, как они на самом деле устойчивы к эволюции. Весь современный органический мир состоит из эволюционных долгожителей. Человек среди них самый молодой, но и нам уже может быть миллион лет.Копирование, репликация — не совсем точные слова. Реплицируются только гены, а организмы воспроизводятся de novo в соответствии с генетическим «замыслом» (см. ниже). Вместо безнадежного дела сохранения сложных материальных структур организма сохраняется информация о нём. Это гораздо более простая задача — организм несравненно сложнее (и значит, уязвимее для энтропии), чем его ДНК. Хранение информации, а не тел — важнейший атрибут живого и неодолимый довод против возможности сведения биологии к физико-химии. Всякое кодирование связано с использованием символов, но символ связан с символизируемым не физико-химически, а семантически. Здесь — параллель между аналоговыми и цифровыми системами связи. Замена одной пары оснований, скажем, пары АТ на пару ТА в молекуле ДНК, содержащей миллиарды таких пар, ничего собой не представляет ни с точки зрения физико-химии, ни с точки зрения теории информации. А между тем указанная замена может оказаться смертельной, приведет к гибели весь организм, сложную, высокоорганизованную систему.Биологические виды намного более стабильны, чем индивидуальные организмы. Более того, мы не знаем принципиальных препятствий для их вечного существования при условии сохранения адекватной окружающей среды. Виды также представляют собой системы, далекие от равновесия, и потому должны обладать механизмами гомеостаза. Именно в этом ключе, с позиции совершенствования гомеостаза вида, нужно рассматривать эволюцию (Slobodkin, Rapoport, 1974).Размножение организмов позволяет им избежать неизбежного, казалось бы, распада и сохраниться во времени, несмотря на свою сложность, на температуру, превышающую 300° и агрессивную окружающую среду, причем организмы не находятся в состоянии консервации, а активно живут в этих условиях. Главный секрет этого термодинамического чуда в самом размножении, то есть в получении тысяч, миллионов, миллиардов копий генетической информации. Любой онтогенез, любой жизненный цикл имеет своим фокусом получение этих копий. На этой задаче сосредоточены в конце концов все системы организма и все его затраты. Копирование, однако, сопряжено с возможностью ошибок, а копирование с ошибками не решает задачу создания совершенного гомеостаза вида.Точность копирования генетического материала. Это первый и главный антиэволюционный барьер, созданный эволюцией. Теоретически ясно, что точность репликации должна быть такой, чтобы большинство потомков получали не содержащую ошибок генетическую информацию. Наиболее надежные измерения скорости мутирования выполнены на микроорганизмах, как прокариотических, так и эукариотических. Точность репликации ДНК оказалась поразительно высокой. Например, скорость спонтанных мутаций в растущих клетках кишечной палочки составляет всего лишь около 0,003 ошибки на геном на одну репликацию ДНК (Drake, 1991; Drake et al., 1998). Это около 6 ? 10–10 мутаций на пару оснований ДНК. Другие микроорганизмы, в том числе эукариотические, имеют не менее высокую точность репликации (таблица).Точность копирования ДНК у микроорганизмов(Drake, 1991; Drake et al., 1998)ОрганизмРазмер генома(нуклеотиды)Частота мутацийна пару нуклеотидовна геномБактериофаг М136,4 ? 1037,2 ? 10–7 0,0046Бактериофаг ?4,9 ? 1047,7 ? 10–8 0,0038Бактериофаги Т2 и Т41,7 ? 1052,4 ? 10–8 0,004Escherichia coli4,6 ? 1065,4 ? 10–10 0,0025Saccharomyces cerevisiae1,2 ? 1072,2 ? 10–10 0,0027Neurospora crassa4,2 ? 1077,2 ? 10–11 0,003В среднем0,0034Интересно, что самые разные организмы — бактериофаги, бактерии, грибы — дают близкие величины числа мутаций на геном на репликацию, хотя размер генома (и соответственно скорость мутирования на пару оснований) варьируют в пределах четырех порядков величины. Это показывает, что эволюционно значимым параметром является скорость мутирования в расчете на геном на поколение. Для одноклеточных организмов достигнутой высокой точности копирования и эффективности репарации ДНК достаточно для надежного превышения скорости размножения над скоростью мутирования (так, чтобы подавляющее большинство потомков не имело ни одной новой мутации) и обеспечения, таким образом, потенциального бессмертия вида.У многоклеточных организмов (Drake et al., 1998; Crow, 1997) точность синтеза ДНК приблизительно такая же, как у одноклеточных эукариот (до 5 ? 10–11 на пару оснований), однако число мутаций на геном на половое поколение оказывается очень высоким. Например, у человека число новых мутаций на зиготу составляет более 60. Трудно себе представить, как такое размывающее действие мутагенеза совместимо с жизнью. Проблема связана с огромными размерами генома у высших эукариот и большим числом клеточных делений в зародышевом пути (Crow, 1997).Одно из объяснений переносимости столь высокого уровня мутагенеза у высших организмов состоит в предположении, что огромная доля их генома — это не функциональные гены, а внутригенные вставки (интроны) и межгенные последовательности, мутации в которых нейтральны или почти нейтральны. Пересчет числа мутаций на половое поколение на «эффективный геном» дает величины от 0,036 у мелкой нематоды Caenorhabditis elegans до 1,6 у человека (Drake et al., 1998) — всё еще угрожающе высокий груз мутаций. Селективная нейтральность большинства мутаций (следовательно, и их практическая безвредность) была даже положена в основу теории молекулярной эволюции (Кимура, 1985). Я, впрочем, думаю, что нейтральные изменения вообще не представляют собой эволюцию. Практическая нейтральность мутаций означает только то, что так называемая молекулярная эволюция уже в основном завершена, и мы видим только вариации, не имеющие эволюционного значения (вырожденность связи структура—функция).Цена точности. Почему скорость мутирования не падает до нуля? Дело, по-видимому, в том, что в конце концов стремление к увеличению точности копирования генов оказывается уравновешенным всё возрастающей ценой этой точности (Kimura, 1967; Kondrashov, 1995). Это следует и из общих термодинамических соображений: очевидно, что для достижения абсолютной точности понадобились бы бесконечные энергетические затраты. Уже достигнутая точность копирования — одна ошибка на десятки миллиардов знаков — очень высока. Сложные и разнообразные механизмы сохранения и копирования генетической информации находятся в ряду главных достижений биологической эволюции, но их функционирование является и главной статьей энергетических затрат клетки (Cox, 1994). Представляется вероятным, что достигнутая у высших организмов точность синтеза ДНК и эффективность репарации ее повреждений близки к предельным. И это означает, что организмы с большим размером генома должны обладать дополнительными механизмами, позволяющими виду сохраняться в условиях сильного мутационного давления.Очищающий отбор. Термин «усеченный (или отсекающий) отбор» (truncated selection) обычно используют для обозначения однонаправленной селекции, когда для размножения отбирают особей с количественным признаком выше или ниже определенной пороговой величины. Позднее этим термином стали обозначать также отбор, при котором отбраковываются особи с мутационным грузом выше определенной пороговой величины. Это отбор на сохранение дикого генотипа, противоположный однонаправленному. Во избежание путаницы я буду называть его очищающим отбором. Мутагенез — случайный процесс, и число новых мутаций, приобретаемых потомками, варьирует в соответствии с пуассоновым распределением. Иначе говоря, среди потомков всегда присутствуют особи с числом мутаций меньше и больше среднего. Поскольку мутации чаще всего вредны, то есть снижают жизненность, а вредный эффект мутаций может быть аддитивным или даже синергическим (положительный эпистаз), особи с повышенным числом мутаций будут иметь низкую жизненность, тогда как особи с малым числом мутаций или без таковых получают преимущества. Формула «побеждает наименее отягощенный мутациями» более точна, во всяком случае, более конкретна, чем «побеждает сильнейший». Так идет очищение популяции от мутационного груза, но популяция при этом платит определенную цену, производя нежизнеспособное потомство. Цена тем выше, чем выше скорость мутагенеза. Здесь тоже ожидается предельная мутагенная нагрузка, выше которой цена очищающего отбора становится несовместимой с выживанием вида. Эффективность очищающего отбора существенно возрастает, а цена его падает при наличии полового размножения и генетической рекомбинации (Crow, Kimura, 1979; Kondrashov, 1982, 1988).Стабилизирующий отбор. В популяциях, хорошо адаптированных к условиям обитания, действует стабилизирующий, или нормализующий, отбор (Шмальгаузен, 1968), при котором уклоняющиеся варианты оказываются менее приспособленными, чем «средний» фенотип.Яркая иллюстрация идеи В.П.Щербакова о неизбежном замедлении эволюции — рост средней продолжительности существования родов морских животных в течение последних 540 млн лет, подтверждаемый данными палеонтологии. По горизонтальной оси: геологическое время; по вертикальной оси: средняя продолжительность существования родов морских животных. Рис. из статьи А.В.Марков, 2000Пределы адаптационной эволюции. Есть важная сторона эволюции, автоматически снижающая возможность дальнейшей эволюции. Общей предпосылкой неизбежного замедления эволюции является то, что организм представляет собой целостную, интегрированную, когерентную систему, в которой любое изменение так или иначе нарушает общую отлаженность и согласованность систем организма и либо должно быть отброшено отбором, либо компенсировано другими изменениями (отрицательные обратные эволюционные связи) (Kauffman, 1973; 1983; Zuckerkandl, 1976; Brooks, Wiley, 1986; Robertson, 1991; Seaborg, 1999). Чем более совершенны онтогенетические программы организма, тем менее вероятно, что случайная мутация может их улучшить, и в пределе мы должны ожидать полной невозможности дальнейших позитивных изменений подобно тому, как в стихотворении, написанном гением, нельзя изменить ни одного слова без того, чтобы его не ухудшить. Здесь потребности адаптации к меняющимся условиям среды сталкиваются с необходимостью удержать достигнутое внутреннее совершенство. Чем важнее система для внутреннего совершенства, тем менее способна она к изменению. Примером такой стабильности является универсальность генетического кода во всём живом мире. Возможно, впрочем, что дело не во внутреннем совершенстве генетического кода (интуитивно кажется, что могли бы быть и другие, не менее совершенные варианты кода). Может быть, само появление полноценного генетического кода поставило его владельца вне конкуренции и сделало родоначальником всей биосферы (эффект основателя). Весьма консервативны все фундаментальные генетические процессы: синтез, репарация и рекомбинация ДНК, транскрипция, синтез белка. Мутации в них должны быть крайне вредными или летальными.Устойчивому существованию вида грозят не только вредные мутации, но и «полезные», потенциально способные превратить один вид в другой, что для данного вида означает исчезновение. Быстро эволюционирующий вид становится жертвой «приспособленчества». В пределе должен быть достигнут такой уровень совершенства, когда полезные мутации становятся невозможными.Диплоидия. Для высших организмов, растений и животных, характерен жизненный цикл со сменой гаплоидной и диплоидной фаз, причем протяженная гаплоидная фаза характерна для организмов с простым развитием, тогда как для организмов со сложным онтогенезом (многоклеточные животные и семенные растения) характерна протяженная диплоидная фаза. У высших животных гаплоидными являются только гаметы. Существуют различные (не исключающие друг друга) точки зрения на механизмы происхождения и поддержания диплоидного состояния (Crow, Kimura, 1965; Charlesworth, 1991; Kondrashov, Crow, 1991; Perrot et al., 1991; Goldstein, 1992; Orr, 1995). Для обсуждаемой здесь проблемы существенным является общее соображение, что диплоидия может представлять собой путь повышения долговечности вида. У гаплоидов генетическая информация хранится в двух копиях, на двух комплементарных нитях ДНК, у диплоидов — в четырех копиях, что, разумеется, повышает надежность ее сохранения. Мутации в двух наборах хромосом редко затрагивают одни и те же сайты, так что всегда сохраняется принципиальная возможность восстановления исходного текста. Практическая возможность такого восстановления существует у видов с половым размножением, и значение диплоидности следует рассматривать в контексте полового размножения и рекомбинации. Отметим, что гаплоидный геном характерен как раз для организмов, размножающихся бесполо, а облигатное половое размножение у высших животных неразрывно связано с их диплоидностью. Корреляция между сложностью развития и большим геномом, с одной стороны, и преобладанием диплоидной фазы — с другой понятна. У одноклеточного организма нет проблемы избавления от мутационного груза, поскольку большая часть потомков не несет ни одной мутации. Но эта проблема существует у организмов с большим геномом и длинным зародышевым путем.Кроме увеличения надежности сохранения генов в поколениях, диплоидность делает существенный вклад в сохранение индивидов в ходе онтогенеза (Orr, 1995), который важен и для половых, и для бесполых видов. Большая часть новых мутаций в той или иной мере рецессивна, и диплоидность резко повышает толерантность к мутациям, как к унаследованным от родителей, так и к соматическим (Crow, Kimura, 1965; Kondrashov, Crow, 1991; Drake, 1991; Orr, 1995). Выгода не ограничивается маскированием рецессивных мутаций. Диплоидность обеспечивает возможность рекомбинационной репарации повреждений в ДНК, в том числе таких, которые не репарируются более простыми системами репарации.Существенным фактором повышения жизнеспособности вида в результате диплоидности является преимущество гетерозигот (Lerner, 1954; Goldstein, 1992). Полиморфные популяции свободно скрещивающихся организмов обычно более устойчивы к средовым влияниям, чем инбредные линии. Гетерозиготные комбинации аллелей обеспечивают более высокий морфогенетический гомеостаз, чем гомозиготы (Lerner, 1954). В эволюции явно имел место отбор на хорошую комбинационную способность аллелей. (О механизмах поддержания полиморфизма в популяциях см. Kaplin, McGregor, 1972; Северцов, 1990.) В свете этого содержание понятия мутационного груза выглядит слишком большим упрощением. Возможность рекомбинационной репарации, маскирование рецессивных мутаций и взаимодействие аллелей могут намного перекрывать вредные последствия более высокого мутагенеза, связанного с двукратным содержанием ДНК у диплоидов. Таким образом, диплоидность повышает гомеостаз как на уровне организма (более надежный онтогенез), так и на уровне вида: новые мутации могут входить в общий генофонд вида, не нарушая существенно его онтогенетических программ. Преимущество гетерозигот может существенно тормозить эволюцию вида даже при условии высокой приспособленности гомозиготных типов (Michod, 1999). Эволюционные преимущества диплоидии явно не могут быть объяснены с позиции адаптационной эволюции. Есть данные, показывающие, что гаплоидные популяции обладают большей способностью к адаптации в меняющихся условиях среды, чем диплоидные (Zeyl et al., 2003).Шапероны. Есть еще одно удивительное изобретение эволюции, важность которого не вполне оценена. Это шапероны — класс белков, которые, препятствуя неправильным ассоциациям полипептидных групп, помогают правильному свертыванию или сборке других белков in vivo, но сами не входят в состав зрелых структур (см. обстоятельный обзор Rutherford, 2003). В первую очередь это, конечно, механизм ускорения правильного свертывания полипептидных цепей и сборки белковых структур, замена стохастических процессов (медленных и чреватых ошибками) упорядоченными и целенаправленными. Мало того, шапероны обладают очень важной способностью обеспечивать правильное свертывание и сборку белков при наличии мутаций, которые в отсутствие шаперонов приводили бы к нефункциональным или сильно дефектным структурам. Благодаря этому организмы способны выдерживать большой мутационный груз без утраты жизнеспособного фенотипа.Типичные шапероны относятся к так называемым белкам теплового шока. Они позволяют организмам успешно преодолевать периоды потенциально летального теплового стресса. Первичная антиэнтропийная и антиэволюционная направленность шаперонов очевидна: шапероны позволяют видам сохранить самоидентичность, несмотря на накопление мутаций. Обратной стороной этого явления оказывается увеличение эволюционного потенциала вида за счет скрытого накопления фенотипически нейтральных мутаций. Полагают, что в периоды внешне-средовых стрессов конкуренция за шапероны со стороны поврежденных белков может приводить к массовой экспрессии ранее скрытых мутаций, что иногда может привести к эволюционному скачку (Ali et al., 1998; Zou et al., 1998). Эти взрывы мутантной экспрессии могут действительно помочь дать ответ на многие трудные вопросы в феноменологии эволюции, но было бы ошибкой рассматривать шапероны как созданный эволюцией механизм ускорения эволюции. Очевидно, что для ныне существующих видов обладание шаперонами есть мощный фактор стабильности и устойчивости к дальнейшей эволюции. Как мы обсуждали выше, для организмов с большим геномом и сложным онтогенезом невозможно достижение такой точности репликации генома, которая сама по себе обеспечивала бы устойчивость вида во времени. Мутации идут неизбежно и неотвратимо, и шапероны помогают видам сохраняться, подавляя фенотипическую экспрессию мутаций, давая время для выработки их более надежной нейтрализации за счет, например, супрессорных дополнительных мутаций. А если какая-то популяция такого стабильного вида, попав в стрессовую ситуацию, не справится с экспрессией ранее скрытых мутаций и породит новый и, возможно, сильно отличный от родительского вид, то это не помешает прежнему виду продолжать свое устойчивое существование во времени.Фенотипическая пластичность. Наиболее успешно задача сохранения вида неизменным без потери способности адаптироваться к меняющимся условиям жизни решается в эволюции на путях совершенствования регуляторных механизмов. Известно, что чем ниже наследуемость признака, тем ниже эффективность идущего по нему отбора. Уже у бактерий широко распространены ненаследственные адаптации, и чем сложнее организмы, чем выше они стоят на эволюционной лестнице, тем большую роль у них играют ненаследственные модификации, от физиологических адаптаций к внешним условиям и образу жизни до выработки сложных поведенческих реакций на основе жизненного опыта. Пресловутое ненаследование приобретенных признаков, которое так огорчало ламаркистов, — это ведь мощное сопротивление хаосу безрассудной эволюции, вынуждаемой меняющимися обстоятельствами жизни.Независимость от среды. Дополнительным к рассмотренной выше пластичности фенотипа является другой путь уклонения от эволюции, состоящий в целенаправленной модификации среды обитания, создании искусственных экологических ниш: муравейники, гнезда пчел, плотины бобров, норы грызунов и других животных, гнезда птиц, наконец человеческая культура. Эволюционное значение этих явлений — в оптимизации среды, в приспособлении ее к потребностям вида, а тем самым — в ослаблении давления отбора. Сюда же относится и К-стратегия размножения, когда родители имеют небольшое число детей, но благодаря эффективной заботе о потомстве надежно обеспечивают их выживание. При r-стратегии самки откладывают огромное число яиц, но при этом до взрослого состояния могут доживать единицы на миллион. Очевидно, что K-стратегия в значительной мере выводит потомство из-под давления отбора, обеспечивая выживание всех, кто не погибает от внутреннего несовершенства. К-стратегия, кроме того, позволяет уменьшить количество половых продуктов, а следовательно, и длину зародышевого пути, а следовательно, и конечную частоту мутаций в гаметах. Если на физиологическом уровне фенотипическая пластичность позволяет организмам адаптироваться к меняющимся условиям среды, не меняя генотипа, то на поведенческом уровне организмы могут приспосабливать среду к своим потребностям. Антиэволюционная направленность всех этих усилий природы, от точности репликации ДНК до человеческой цивилизации (с ее комфортом и медициной), очевидна и понятна: выживает, сохраняется лишь то, что не изменяется. Это верно, что вид может оказаться как бы перед выбором: измениться или вымереть. Но это кажущаяся альтернатива. В обоих случаях прежний вид исчезает. Действительным совершенством, к которому влечет эволюция, является «способность выжить, не меняясь».
 
« Пред.   След. »
Подключиться к кабельному телевидению