Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Низкая пенетрантность многих вредных мутаций — яркое проявление помехоустойчивости онтогенеза. Во многих случаях растущему организму удается справиться с мутациями, которые нарушают нормальный ход развития. Например, мутантные белки, синтезированные на основе мутантных генов, могут тем не менее нормально функционировать, если шапероны «насильно» придадут им правильную трехмерную конфигурацию.
Пример эквифинальности. Если аккуратно разрезать пополам скальпелем ранний эмбрион (бластулу) шпорцевой ляшушки Xenopus, то из каждой половинки разовьется не полголовастика, как можно было бы предположить, а нормальный целый головастик. Нужно только, чтобы в каждую половинку попало по кусочку организатора Шпемана. Как мудро заметил обнаруживший этот факт эмбриолог Эдди Де Робертис из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, естественный отбор не стал бы создавать такую саморегуляцию только на случай, что придет любознательный эмбриолог со скальпелем и начнет резать бластулы пополам (De Robertis, 2009). Разумеется, это результат отбора на стабильность онтогенеза, на его способность противостоять любым помехам: внутренне-стохастическим, мутационным или средовым.
Кроме генов, на ход развития (и соответственно, на итоговый фенотип) влияют и другие факторы: например, температура и химический состав среды, в которой происходит развитие. Самое интересное, что влияние мутаций и изменений внешних условий может быть очень похожим. Одно и то же изменение фенотипа (например, какое-нибудь уродство) можно получить и в результате мутации, и в результате физического воздействия на развивающийся организм. Например, подвергая личинок дрозофилы тепловому шоку, можно получить такие же уродства, как и те, что возникают в результате мутаций. И наоборот: если взять чуть ли не любое уродство, появляющееся в результате перегрева, то в большинстве случаев оказывается, что некоторые мутации могут приводить к такому же уродству без всякого перегрева (или при менее интенсивном перегреве). Это явление называется генокопированием модификаций. Можно сказать, что у организма уже имеется потенциально возможный альтернативный путь развития, который приводит к появлению нового признака (даже если в нормальных условиях этот путь никогда не реализуется). Нужно лишь подобрать условия — внешние (температуру) или внутренние (мутацию), — в которых развитие пойдет по этому альтернативному пути.
Отбор обычно способствует повышению роли внутренних (генетических) и снижению роли внешних регуляторов онтогенеза. Онтогенез под действием отбора стабилизируется и приобретает все большую автономность, становится все более помехоустойчивым. Это значит, что геном постепенно меняется таким образом, чтобы обеспечивать реализацию «нормального» фенотипа со все большей вероятностью.
На основе подобных фактов и рассуждений некоторые исследователи, среди которых следует упомянуть И. И. Шмальгаузена, К. Х. Уоддингтона (1905–1975) и М. А. Шишкина (р. 1936), пришли к выводу, что именно онтогенез (как сложная помехоустойчивая система индивидуального развития) является главным действующим лицом эволюционной драмы. В наиболее абсолютизированной форме эти воззрения отстаивает М. А. Шишкин, который считает, что основной механизм формирования эволюционных новшеств существенно отличается от приведенного выше и выглядит примерно так (Шишкин, 1988, 2006).
• Сильное внешнее воздействие (например, резкое изменение среды) приводит к дестабилизации онтогенеза.
• Это автоматически ведет к появлению разнообразных аномальных фенотипов (реализуются доселе скрытые альтернативные пути развития).
• Если какие-то из аномальных фенотипов окажутся «удачными» (адаптивными в новых условиях), отбор в дальнейшем будет закреплять такие мутации, которые повысят вероятность реализации именно этого альтернативного пути развития. В результате аномалия постепенно станет новой нормой.
• В ходе стабилизации новой нормы возникнут новые скрытые альтернативные пути развития, которые смогут реализоваться при следующем «кризисе».
Главная особенность этой модели в том, что эволюционное преобразование не начинается с генетических изменений, а заканчивается ими. Новый фенотип сначала появляется как редкая аномалия (морфоз) — отклонение онтогенеза от нормального пути при неизменном геноме. В дальнейшем отбор постепенно вписывает новый путь онтогенеза в геном, фиксирует его на генетическом уровне, т. е. делает его все более генетически детерминированным, стабильным и помехоустойчивым. По мнению М. А. Шишкина, «эволюционные изменения начинаются с фенотипа и распространяются по мере их стабилизации в направлении генома, а не наоборот». Главное — не путать эти взгляды с ламаркизмом и помнить, что фиксация эволюционных изменений в геноме происходит на основе «дарвиновского» механизма, т. е. путем закрепления естественным отбором случайных мутаций.
Впрочем, ясно, что первоначальное «возмущающее воздействие» в этой схеме не обязательно должно быть внешним — это может быть и мутация, но не такая, которая сразу приводит к появлению нового стабильного признака, а такая, которая вносит хаос в систему индивидуального развития (дестабилизирует онтогенез). В этом случае отличие модели Шишкина от классической становится менее контрастным.
Чего этой теории сильно не хватает, так это хороших иллюстраций, т. е. детальных исследований (в том числе молекулярно-генетических), показывающих реальность такого эволюционного механизма. Исследование американских микробиологов, выполненное в 2009 году на почвенной бактерии Bacillus subtilis, отчасти восполняет этот пробел (Eldar et al., 2009). Разумеется, авторы пользуются другой терминологией и не цитируют ни Шмальгаузена, ни Шишкина, хотя, надо отдать им должное, Уоддингтона они все-таки упомянули.
Бактерия Bacillus subtilis — излюбленный модельный объект генетиков и молекулярных биологов. О повадках этого микроба мы немного рассказали в книге «Рождение сложности». При наступлении неблагоприятных условий бактерии переходят к каннибализму, причем у некоторых особей (вот она, клеточная стохастика!) отключаются защитные механизмы, что позволяет другим их съесть. Если это не помогает и голод продолжается, бактерии производят споры, способные переждать тяжелые времена. Процесс образования спор (споруляция) у B. subtilis подробно изучен.
Исследователи работали с 53 мутантными штаммами B. subtilis. Штаммы были сконструированы при помощи генно-инженерных методов. В геном бактерии вносились различные мутации, нарушающие работу гена spoIIR. Этот ген необходим для того, чтобы формирующаяся спора могла передать в материнскую клетку сигнал, блокирующий формирование второй перегородки-септы (см. рисунок).
Схема споруляции у B. subtilis. Серыми стрелками показано образование септы (перегородки), которая отделяет будущую спору от материнской клетки. Кольцевые хромосомы показаны в виде двух перекрученных петель. Регуляторный белок F, образующийся в будущей споре, активизирует ген spoIIR, который на рисунке для краткости обозначен IIR. Это приводит к тому, что другой сигнальный белок, Е, блокирует формирование второй септы на противоположном конце материнской клетки. Из Eldar et al., 2009.
Хотя мутации были разные, фенотипический эффект у них оказался похожим. Во всех случаях произошла дестабилизация системы спорообразования. Вместо одного-единственного пути развития, который характерен для «диких» бактерий (образование одной споры в каждой клетке), бактерии-мутанты демонстрировали несколько вариантов развития, причем выбор того или иного варианта осуществлялся случайным образом. Генотип влиял только на вероятность, т. е. частоту реализации каждого из них. Варианты были следующие.
1. Нормальная споруляция. В этом случае, несмотря на мутацию, «пытающуюся» нарушить нормальный ход развития, белок E все равно образуется в материнской клетке в нужное время и в достаточном количестве. Поэтому образование второй септы своевременно блокируется, и дальнейшее развитие идет так же, как у «диких» бактерий. Это можно считать проявлением помехоустойчивости онтогенеза, а можно назвать неполной пенетрантностью вредной мутации, что по сути одно и то же.