Расширенный фенотип. Дальнее влияние гена
Шрифт:
Кроу предполагает, что нарушители сегрегации могут встречаться гораздо чаще, чем мы обычно думаем, поскольку методы, которыми пользуются генетики, не слишком приспособлены для выявления таких факторов, особенно если те производят незначительный, количественный эффект. Особенно хорошо изучены гены SD у Drosophila, причем в данном случае имеются и подсказки насчет реального механизма возникновения дисбаланса. «Пока в процессе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют, SD-хромосома, вероятно, успевает сделать что-то со своей партнершей (и соперницей), и позднее это становится причиной дисфункции сперматозоидов, получивших нормальную хромосому… Не исключено, что SD разрушает другую хромосому физически» (Crow, 1979, зловещий курсив мой. — Р. Д.). Есть данные о том, что у особей, гетерозиготных по SD-хромосоме, не содержащие ее сперматозоиды имеют хвосты аномальной формы — по всей видимости, неисправные. Можно было бы подумать, будто испорченный хвост возникает вследствие какой-то диверсии, учиненной по
Факторы, нарушающие сегрегацию, благоденствуют, когда они редки, так как в этом случае высока вероятность того, что их жертвами будут их аллели, а не копии. Распространяясь, такой нарушитель все чаще будет оказываться в гомозиготе, нанося вред собственным копиям и делая организм практически стерильным. На самом деле все несколько сложнее, однако описываемые Кроу компьютерные модели заставляют думать, что стабильная частота нарушающих сегрегацию генов будет поддерживаться на уровне, незначительно превышающем тот, который держался бы только лишь за счет повторных мутаций. Это подтверждают и кое-какие фактические данные.
Для того чтобы называться отщепенцами, нарушающие сегрегацию факторы должны причинять вред большей части остального генома, а не только конкурирующим аллелям. Возможно, они делают это, уменьшая общее число производимых особью гамет. Но даже если они не обладают таким эффектом, существует причина более общего характера, по которой отбор в других локусах должен благоприятствовать подавлению нарушителей (Crow, 1979). Эта аргументация требует постепенного изложения. Начну с того, что различия между действием соперничающих друг с другом аллелей во многих случаях плейотропны. Лeвонтин доходит до того, что говорит о «…бесспорной истине, что каждый ген влияет на каждый признак» (Lewontin, 1974). Возможно, насчет «бесспорной истины», это, мягко выражаясь, восторженное преувеличение, но мне для моих целей достаточно будет допустить, что большинство новых мутаций имеют несколько различных эффектов.
Резонно ожидать, что эти различные эффекты окажутся по большей части вредными — мутации, как правило, вредны. Если отбор благоприятствует какому-то гену в связи с его полезным эффектом, то это означает, что преимущества, сообщаемые этим полезным эффектом, количественно превосходят урон, наносимый остальными эффектами гена. Обычно под «полезным» и «вредным» мы подразумеваем полезное и вредное для всего организма. Однако в случае с фактором, нарушающим сегрегацию, полезный эффект, о котором мы говорим, полезен только лишь для самого этого гена. При этом для выживания и размножения особи все остальные его воздействия очень даже могут быть вредны. Следовательно, говоря в целом, нарушающий сегрегацию фактор вероятнее всего окажется отщепенцем: можно предполагать, что в других локусах отбор станет благоприятствовать генам, действие которых будет выравнивать производимый нарушителем дисбаланс. Это приводит нас к разговору о модификаторах.
Модификаторы
Теория о генах-модификаторах была «обкатана» еще Р. А. Фишером в его рассуждениях об эволюции доминантности. Фишер высказал предположение, что за счет отбора модификаторов благотворные эффекты любого гена стремятся стать доминантными, а вредные — рецессивными (Fisher, 1930а; см., однако, Charlesworth, 1979). Он отметил, что доминантность и рецессивность — это свойства не самих генов, а их фенотипических проявлений. Действительно, при плейотропном эффекте некоторых генов одни обусловливаемые ими признаки могут быть доминантными, а другие рецессивными. Фенотипическое проявление гена формируется совместно: как самим этим геном, так и его окружением, к которому относятся и все остальные гены данного генома. В 1930 г. Фишер был вынужден подкреплять свои представления о взаимозависимом действии генов обстоятельными аргументами, однако к 1958 г. эта точка зрения стала настолько общепринятой, что во втором издании своей великой книги он счел возможным подать ее как непреложный факт. Из факта этого следует, что доминантность и рецессивность гена, как и любой другой фенотипический эффект, сами по себе могут эволюционировать в результате действия отбора на какие-либо другие гены того же генома, что и легло в основу теории доминантности Фишера. И хотя мы называем эти другие гены модификаторами, теперь нам ясно, что не существует какой-то особой категории генов-модификаторов, отличной от «основных генов». Любой ген может оказаться модификатором фенотипических проявлений любого другого гена. Ведь действительно, если взять любой конкретный ген, то его фенотипические эффекты будут видоизменяться под действием множества других содержащихся в геноме генов, которые при этом могут иметь и свои собственные разнообразные проявления, как мощные, так и незначительные (Mayr, 1963). Гены-модификаторы неоднократно использовались при построении самых разных моделей — например, в последовательном ряду теорий старения Медоуэра/Уильямса/Гамильтона (Kirkwood & Holliday, 1979).
О том, что модификаторы имеют непосредственное отношение к теме генов-отщепенцев, мы уже говорили. Поскольку фенотипические эффекты любого гена могут модифицироваться генами из других локусов, а отщепенцы, согласно своему определению, наносят ущерб всему остальному геному, то можно ожидать, что отбор будет благоприятствовать тем генам, действие которых окажется устраняющим вред, причиняемый отщепенцем организму в целом. Такие модификаторы получат преимущество перед аллелями, не влияющими на деятельность отщепенца. Хики и Крейг (Hickey & Craig, 1966), изучая ген, сдвигающий соотношение полов у желтолихорадочного комара Aedes aegypti (см. ниже), обнаружили, что вызываемый этим геном перекос эволюционирует в сторону уменьшения. Их данные вполне можно объяснить отбором, идущим среди генов-модификаторов (хотя объяснение самих авторов несколько иное). Если отщепенцы в принципе способны стимулировать отбор подавляющих их генов, то это значит, что между каждым отщепенцем и направленными против него модификаторами должна завязываться гонка вооружений.
Как и в случае с любой гонкой вооружений (глава 4), зададимся вопросом, имеется ли здесь какая-то фундаментальная причина, по которой верх должна одержать одна из противоборствующих сторон. Ли (Leigh, 1971,1977), Александер и Борджиа (Alexander & Borgia, 1978), Курланд (Kurland, 1979, 1980), Хартунг (Hartung, в печати) и другие полагают, что такая причина есть. Поскольку модификаторы для каждого отдельного отщепенца могут возникнуть в любом участке генома, то отщепенец будет побежден за счет численного превосходства. Вот как это излагает Ли: «Перед нами что-то вроде парламента генов: каждый действует в своих интересах, но если чья-то деятельность задевает интересы всех остальных, то остальные могут объединиться и воспрепятствовать ей… Однако в локусах, которые сцеплены с геном-нарушителем достаточно тесно, чтобы выигрыш от возможности „выехать“ на его успехе перевешивал причиняемый нарушителем ущерб, будет идти отбор на усиление возникшего дисбаланса. Вот почему в геноме вида должно быть много хромосом: чтобы в случае возникновения фактора, нарушающего сегрегацию, отбор благоприятствовал его подавлению в большом количестве локусов. Подобно тому как слишком маленький парламент может пасть жертвой заговора нескольких человек, вид с одной-единственной хромосомой, гены которой хоть сколько-нибудь сцеплены, станет легкой добычей для нарушителей сегрегации» (Leigh, 1971, р. 249). Я еще не определился с отношением к идее Ли насчет количества хромосом, но его более общая мысль о том, что отщепенцы могут быть побеждены «численно превосходящими силами» модификаторов (Alexander & Borgia, 1978, р. 458), представляется мне многообещающей.
Полагаю, что на практике «численное превосходство» может быть реализовано двумя основными способами. Во-первых, если каждый из модификаторов количественно уменьшает действие отщепенца, то эффекты нескольких модификаторов могут суммироваться. А во-вторых, если для нейтрализации отщепенца достаточно одного модификатора, то вероятность появления такого эффективного модификатора тем больше, чем больше локусов имеется в распоряжении у отбора. Метафора Александера и Борджиа о «численном превосходстве», как и предложенный Ли образ «генного парламентского большинства», применимы и к первому, и ко второму случаю, а также к обоим сразу. Для данных рассуждений важно то, что нарушители сегрегации из разных локусов ни в каком смысле не могут «объединить свои усилия». Они не трудятся на благо друг друга во имя «всеобщего нарушения сегрегации». Наоборот, каждый хочет сдвинуть сегрегацию в свою сторону, задевая таким образом интересы других нарушителей не меньше, чем «законопослушных» генов. А вот гены, подавляющие действие факторов, нарушающих сегрегацию, в каком-то смысле способны «объединиться».
Парламент генов — это одна из тех метафор, которые, если не соблюдать осторожность, могут ввести в заблуждение и заставить увидеть в них то, чего на самом деле нет. Подобно всем людям и в отличие от генов, члены человеческого парламента — это замысловатые компьютеры, способные думать наперед и использующие язык, чтобы устраивать заговоры и достигать соглашений. Может создаться впечатление, что подавление отщепенцев происходит благодаря коллективному решению генного парламента, однако на самом деле просто в соответствующих локусах идет естественный отбор, более благоприятствующий модификаторам, чем не оказывающим модифицирующего действия аллелям. Излишне говорить, что Ли и другие сторонники гипотезы «генного парламента» прекрасно об этом осведомлены. А теперь я собираюсь продолжить перечень отщепенцев.
Отщепенцы, сцепленные с полом
Если фактор, нарушающий сегрегацию, возникает в половой хромосоме, то это уже не просто отщепенец, вступивший в конфликт с остальным геномом, и, как следствие, объект для подавляющего действия модификаторов; попутно он еще и грозит вымиранием всей популяции. Это связано с тем, что в дополнение к обычным своим вредным побочным эффектам он сдвигает численное соотношение полов и даже может полностью элиминировать из популяции какой-то один пол. У Гамильтона (Hamilton, 1967) была компьютерная модель, где в популяцию, состоящую из 1000 самцов и 1000 самок, вводился один-единственный мутантный самец со способной к «мейотическому драйву» Y-хромосомой, обладатель которой оставлял в потомстве исключительно сыновей. Этой компьютерной популяции потребовалось всего пятнадцать поколений, чтобы вымереть из-за нехватки самок. Нечто подобное было показано и в лабораторных условиях (Lyttle, 1977). От внимания Хики и Крейга не укрылась возможность использования нарушающих сегрегацию генов Y-хромосомы для того, чтобы регулировать численность некоторых серьезных вредителей, например желтолихорадочного комара (Hickey &: Craig, 1966). Такой метод отличается зловещей элегантностью и крайней простотой: ведь всю работу по распространению средства для истребления вредителя выполняет сам вредитель при помощи естественного отбора. Это напоминает биологическое оружие с той лишь разницей, что в данном случае патоген — не чужеродный вирус, а возникает в собственном генофонде вида. Впрочем, в любом случае эта разница не является принципиальной (глава 9).