Эволюция как сопротивление энтропии ч.5 Печать E-mail
Виктор Прохорович Щербаков, доктор биологических наук, зав. лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН II. Консервативная роль полового размножения Генетическая рекомбинация Необратимость эволюции. Храповик Мюллера Генетическая рекомбинация  Важное значение для поддержания жизнеспособности вида имеет существование гаплоидной фазы в жизненном цикле. У высших животных эта фаза ограничена гаметами. В гаплоидной стадии новые комбинации генов подвергаются проверке на жизнеспособность, по крайней мере в отношении базовых клеточных функций, которые связаны с обеспечением жизнедеятельности самих гамет. На одной из стадий мейоза пары гомологичных хромосом соединяются друг с другом. В это время между отцовской и материнской молекулами ДНК происходит интенсивный обмен информацией. Несколько огрубляя реальную ситуацию, можно сказать, что последовательности нуклеотидов в двух гомологичных молекулах ДНК обмениваются между собой случайным образом, и в результате образуются две молекулы ДНК, состоящие каждая на 50% из последовательностей обоих родителей, сменяющих друг друга случайным образом. В действительности обмены могут быть распределены по хромосоме неравномерно (горячие точки рекомбинации) и не совсем случайно (интерференция и отрицательная интерференция обменов, стимуляция рекомбинации в местах, где гомологичные хромосомы не идентичны).Даже при совершенно случайном распределении обменов по хромосоме рекомбинация может приводить к интересным и весьма важным статистическим последствиям. Если обе гомологичные хромосомы имеют по одной новой мутации, которые, конечно, окажутся разными, то в результате реципрокного кроссинговера возникнут дочерние хромосомы, одна из которых несет две новые мутации, а другая не несет ни одной мутации. Вместо двух хромосом с одной ошибкой каждая мы получаем одну неповрежденную (неизмененную) хромосому и одну хромосому с двумя дефектами. Это верно и в общем случае, практически для любого числа новых и ранее бывших мутаций. Их рекомбинация приводит к тому, что вместо пуассонова распределения мутаций по хромосомам мы получаем распределение, в котором выше вероятность как нулевого класса, не содержащего ни одной мутации, так и класса с числом мутаций больше среднего. Менделевская рекомбинация (перетасовка гомологичных хромосом) ведет к тем же последствиям на уровне генома в целом. Всё это происходит перед образованием гаплоидных гамет, где мутации не защищены нормальными аллелями. Гаметы с множественными дефектами и образованные ими зиготы скорее всего окажутся маложизнеспособными и погибнут, принесенные в жертву сохранению полноценной, неизмененной зиготы. Перед нами феномен космического масштаба: случайное событие (рекомбинация) делает неслучайными результаты другого случайного процесса — распределения мутаций по хромосомам. Что это напоминает? Похоже на снос плохой карты после взятия прикупа. Или на демона Максвелла, разделяющего горячие и холодные молекулы газа на две части, создавая, таким образом, вечный двигатель второго рода в обход второго закона термодинамики. Только он делает это совершенно вслепую, подобно демону Больцмана. Обычно акцент делается на том, что половое размножение дает возможность популяции освобождаться от вредных мутаций (Kimura, Maruyama, 1966; Kondrashov, 1984; 1988), но для нас здесь более существенна вторая сторона медали — возможность восстановления исходного генетического текста.Насколько эффективна генетическая рекомбинация в осуществлении этой функции демона Максвелла? У разных видов уровень рекомбинации разный. Но вот что интересно: удельная скорость рекомбинации (частота рекомбинации на единицу физического расстояния) тем выше, чем короче расстояние между сайтами и чем больше имеется различий между рекомбинирующими хромосомами (стимуляция рекомбинации участками неправильного спаривания). Эта так называемая высокая отрицательная интерференция (Chase, Doermann, 1958; Pritchard, 1955; Shcherbakov et al., 1995) — сильное превышение частоты множественных обменов в сравнении с ожидаемой для независимых одиночных обменов — приводит к тому, что вероятность восстановления аллеля дикого типа остается высокой даже при множественных различиях между рекомбинирующими хромосомами.Необратимость эволюции. Храповик Мюллера«Энтропия Плоткина». Рисунок назван в честь биофизика Стивена Плоткина (Steven S. Plotkin) и изображает хаотическую энергию нового белка на заключительной стадии его сборки. (Открытка с сайта www.donnabellas.com)Ген состоит из тысяч или даже миллионов пар нуклеотидов. На структурном уровне любое изменение последовательности нуклеотидов: замена одной пары нуклеотидов на другую, вставка или делеция одной или более нуклеотидных пар, инверсии — представляют собой прямые мутации данного гена. На функциональном уровне не все структурные мутации ведут к изменению функциональной активности гена и соответственно к изменению фенотипа, но значительная часть таких структурных изменений ведет к изменению (чаще всего к утрате) функции гена. На структурном уровне мутации обратимы: если мы, к примеру, имеем в каком-то сайте замену пары AT на пару GC, мы вправе ожидать, что эта пара GC может быть заменена на пару АТ, вернув ген в исходное состояние. Хотя скорость прямого и обратного мутирования, вообще говоря, различается в зависимости от типа мутации и ее положения (окружения), можно принять, что в среднем прямые и обратные изменения идут с одинаковой частотой, иначе говоря, на структурном уровне процесс мутирования является обратимым микропроцессом.На функциональном уровне, однако, дело выглядит совершенно иначе. Чтобы восстановить исходную функцию мутантного гена должно произойти событие, в точности противоположное данной прямой мутации, тогда как многие прямые мутации дают одинаковые или сходные изменения на функциональном уровне. Так, для гена в 1000 пар нуклеотидов длиной прямые мутации типа замены основания могут происходить в любом из 1000 сайтов тремя способами (например, пара АТ может быть заменена на пары ТА, GC или CG), но, чтобы вернуть ген в исходное состояние, необходимо, чтобы в одном конкретном сайте произошла замена, обратная той, что привела к прямой мутации. Такая замена, следовательно, в несколько тысяч раз менее вероятна, чем прямое мутирование. Можно привести и реальный пример сравнения частоты прямых и обратных мутаций. В генах rII бактериофага Т4 прямые функциональные мутации, приводящие к одному и тому же фенотипу, возникают с частотой около 10–3, тогда как обратные функциональные мутации имеют скорость 10–6–10–8, а то и меньше, в зависимости от типа и положения прямой мутации. Это означает, что на функциональном уровне мутагенез практически необратим. Каждый мутантный ген имеет на несколько порядков величины большую вероятность приобрести еще одну прямую мутацию, чем ревертировать. Именно на функциональном уровне мутагенез представляет собой энтропийный макропроцесс с таким же формальным описанием, как молекулярная диффузия.Что означает необратимость мутагенеза для эволюции? Она означает в конце концов то же самое — необратимость. Поскольку большинство мутаций вредны, последствия этой необратимости должны быть фатальными. Положение спасает очень высокая точность воспроизведения генов, так что мутации — явление редкое. Тем не менее однажды мутировавший ген либо будет элиминирован, если окажется слишком вредным или летальным, либо будет унаследован, но никогда не сможет вернуться в исходное состояние. Так обстоит дело в бесполой популяции. Этот недостаток бесполого размножения был впервые осознан Г. Мюллером и в окончательной форме сформулирован в 1964 г. как «храповой механизм» (Muller, 1964): бесполая популяция включает род храпового механизма, так что она никогда ни в одной из своих линий не может прийти к грузу мутаций, меньшему, чем тот, который уже существует в наименее отягощенных линиях. Если в результате генетического дрейфа класс наименее отягощенных мутациями особей утратится, храповик сделает один щелчок. Храповик никогда не вращается в обратную сторону. Внимание к этому открытию Мюллера была впоследствии привлечено Дж. Фелсенстейном (Felsenstein, 1974), который на математических моделях подтвердил реальность храпового механизма.Легко себе представить, как бесполая популяция, толкаемая энтропией (мутагенезом) и влекомая нуждами адаптации, движется через лабиринт будущего и в конце концов оказывается в тупике без возможности вернуться назад, хотя бы к предыдущей развилке. Эволюция бесполой популяции как бы каждый раз сжигает за собой мосты, она оппортунистична и близорука.Половое размножение не столь опрометчиво. Поскольку мутации даже в одном и том же гене, будучи функционально схожими, обычно локализованы не в одном и том же сайте, практически всегда существует возможность восстановления исходного генотипа с помощью рекомбинации. Благодаря рекомбинации эволюция в пределах вида становится потенциально обратимой. Половые популяции обладают как бы нитью Ариадны, и тупики не являются для них фатальными. Замечательным модельным примером такого действия рекомбинации является феномен множественной реактивации, когда жизнеспособные частицы бактериофага образуются после заражения бактериальной клетки двумя или более частицами, каждая из которых несет множественные летальные повреждения, например в результате облучения ультрафиолетом (Luria, 1947). Создав огромный объединенный генофонд, половые виды эволюционируют очень медленно, и таким образом, имеют время и генетические возможности для увеличения приспособленности без потери своей идентичности. Давление энтропии в конце концов побеждает, и репродуктивно изолированная небольшая группа особей (или всего одна пара) начинает иногда новое и независимое движение по лабиринту будущего. Вселенная делает еще один необратимый шаг в направлении увеличения разнообразия.Этот шаг сделан поначалу как событие случайное, например в результате географической изоляции пары разнополых особей. Потомки этой пары будут вынуждены скрещиваться между собой, что приведет к сильной гомозиготизации популяции. Гомозиготные особи обычно бывают с пониженной жизненностью вследствие утраты гетерозиготности как таковой (преимущества гетерозигот) и обнажения рецессивных (вредных) аллелей. Это (наряду с еще малой численностью зарождающегося вида и спецификой экологической ниши, в которую попали изоляты) ставит популяцию в критическую ситуацию. С одной стороны, идет гибель особей с плохим здоровьем и неадекватным поведением, с другой стороны, идет быстрое накопление мутаций, компенсирующих дефектность гомозигот. Через какое-то исторически короткое время изолированная популяция (если не вымрет, что наиболее вероятно) окажется в той или иной мере не похожей на вид, к которому принадлежала родоначальная пара. В этот начальный период быстрой эволюции новые благоприятные мутации быстро закрепляются. Но по мере роста численности и совершенствования генофонда вероятность успешного закрепления новшеств становится всё меньшей — скорость эволюции стремится к нулю.В биосфере мы видим две противоположные тенденции. Мутагенез и неспособность организмов и видов к надежному самовоспроизведению — это никогда не прекращающиеся попытки вторжения хаоса в упорядоченные и организованные структуры и процессы жизни. Термодинамическая стрела времени. Но парадоксальным образом идет непрерывное совершенствование систем сопротивления хаосу. Обе эти тенденции нарастают во времени. Усложняющаяся биосфера в целом и появление всё более сложных и высокоорганизованных организмов и систем повышают их чувствительность к энтропии, их термодинамическую напряженность. Но параллельно создаются всё более сложные и разнообразные, всё более совершенные механизмы защиты от хаоса на разных уровнях — от молекулярного до духовного, всё дальше уводя природу от термодинамического равновесия. Забавно, что генеративная сторона биологической эволюции (неизбежные уступки хаосу) обычно воспринимается как главное (и позитивное) содержание эволюции, а успехи эволюции на путях борьбы с энтропией характеризуют как стазис, застой, эволюционный тупик.http://elementy.ru/lib/430413/430414
 
« Пред.   След. »
Подключиться к кабельному телевидению