Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы

Марков Александр Владимирович

На выходе новый регуляторный контур должен взаимодействовать с одним из элементов старого контура. В случае наступления условий У₂ новый контур будет просто-напросто блокировать старый, отключать его. Программа поведения клетки будет теперь выглядеть так:

Если условия = У₁, то

если я — передняя из двух клеток, то

я делюсь быстрее.

Таким образом, теперь система ускорения митоза в передней клетке будет срабатывать только в том случае, если условия = У₁ (или, что то же самое, если условия ≠ У₂), то есть в случае присутствия хищника. Если же хищника нет, ускорение митоза в передней клетке блокируется и восстанавливается исходная ситуация случайного выбора одного из двух вариантов развития.

Это уже самая настоящая способность к адаптивной модификации, хотя и не доведенная до полного совершенства. Если хищник присутствует, все особи развиваются по двухклеточному пути; если хищника нет, то часть особей развивается по двух-, а часть — по четырехклеточному пути. Думаю, что читатели, особенно те из них, кто немного знаком с программированием, легко смогут сами придумать, как довести эту систему до совершенства, то есть заставить организмы в условиях У₁ (когда хищника нет) всегда выбирать четырехклеточный путь развития.

Похоже на то, что, добавляя понемножку новые «если» в программу поведения клетки, можно получить из нашего Metazoon организм чуть ли не любой степени сложности. Мне кажется, на этой основе можно было бы сделать занятную компьютерную игру.

Теперь уже никак нельзя сомневаться в том, что на наших глазах система стала сложнее — произошло рождение новой сложности. По-видимому, именно таким способом — путем создания дополнительных регуляторных контуров, новых «операторов условного перехода» в программе поведения клетки — усложнялось в ходе эволюции строение многоклеточных организмов, в особенности животных, о которых пойдет речь в следующей главе.

Перейти от достигнутого нашим Metazoon высокоразвитого состояния к одному фиксированному жизненному циклу очень просто. Для этого не надо создавать ничего нового, напротив, нужно упростить систему. Это называют «генокопированием модификаций». В результате «генокопирования» один из вариантов развития будет жестко закреплен в геноме. Он начнет реализовываться всегда, вне зависимости от условий. Представим себе, что условия У₂ (хищника нет) перестали возникать, среда стала более стабильной: всегда существуют только условия У₁ (хищник есть). Четырехклеточный вариант жизненного цикла становится ненужным. Регуляторный контур, обеспечивающий отключение ускорения митоза передней клетки в отсутствие хищника, больше не задействуется и просто отмирает под грузом случайных мутаций. Мы вернулись к тому же состоянию, которое существовало после первого этапа нашего мысленного эксперимента (когда первая регуляторная связь уже сформировалась, а вторая — еще нет).

Регуляторную цепочку можно представить себе как последовательность переключателей, где изменение регистра первого переключателя приводит к переключению следующего, и т. д. Если в течение многих поколений все переключатели остаются в одном и том же положении, они «ржавеют» и застопориваются в нем навсегда, а затем могут и вовсе «рассосаться». Случайные мутации и отбор — точнее, в данном случае, его отсутствие, поскольку особи с «ржавыми» переключателями перестают выбраковываться — прекрасно объясняют этот процесс упрощения. В конце концов остается последний «ржавый», навсегда включенный переключатель, вплотную примыкающий к регулируемому процессу. В нашем случае это будет выражаться в том, что в определенном месте регуляторной цепочки, идущей от «порядкового номера клетки» к митозу — а именно там, где раньше эта цепочка сливалась с другой, идущей от «внешних условий», — будет стоять «ржавый переключатель», якобы показывающий, что условия = У₁

Вот у нас и унаследовалась модификация. Правда, не сразу («по Ламарку»), а за ряд поколений («по Дарвину»). Как видим, ничего хитрого в механизме наследования модификаций нет, одно сплошное упрощение.

—————

Почему эволюция иногда сохраняет «ненужные» регуляторные контуры? Любопытно, что в некоторых случаях регуляторные контуры могут в течение миллионов лет сохранять способность адекватно реагировать на изменения положения тех «переключателей», которые давным-давно «заржавели» или вовсе исчезли. Современные методы иногда позволяют «воскресить» отмерший переключатель, и тогда появляется возможность наглядно убедиться в том, что система по-прежнему в рабочем состоянии. Таким способом, например, удалось вырастить зачатки зубов у куриного эмбриона, воздействовав на ткани челюсти соответствующими регуляторными веществами, взятыми у других животных. Предки курицы утратили зубы десятки миллионов лет назад, но многие компоненты регуляторного контура, необходимого для роста зубов, сохранились! Почему они не рассыпались под грузом случайных мутаций? Дело в том, что у животных важнейшие блоки регуляторных каскадов являются многофункциональными, то есть входят в разных комбинациях в состав множества регуляторных контуров. Поэтому отбор оберегает эти блоки, отсеивая мутации, ведущие к их повреждению. Еще один пример «воскрешения отмершего переключателя» мы рассмотрим в главе «Животные» (см. сюжет «Разгадан механизм регенерации конечностей»): активировав один-единственный регуляторный ген, ученым удалось вернуть куриному эмбриону способность к регенерации конечности, давным-давно утраченную предками птиц.

—————

Что же касается нашего Metazoon со способностью к адаптивной модификации, то он — существо весьма перспективное.

Возникшие у него новые регуляторные каскады открывают великолепные возможности для дальнейшей эволюции. Сначала новшества могут появляться за счет мелких мутаций в регуляторных генах, чуть меняющих реакцию белков на различные сигналы, или в результате попадания организма в непредвиденную ситуацию, на которую не были рассчитаны регуляторные связи и в которых они начнут работать немного иначе. В дальнейшем эти новые «случайные отклонения» могут закрепляться или как основная норма, или как новая адаптивная модификация.

—————

Выведена гусеница, меняющая цвет при нагревании. Недавно возможность появления новой адаптивной модификации (полифенизма) под действием отбора была продемонстрирована экспериментально. Американские ученые путем искусственного отбора вывели гусениц, цвет которых дискретно меняется в зависимости от температуры: в тепле развиваются зеленые гусеницы, на холоде — черные.

—————

Норма реакции и полифенизм. Многие далекие от генетики люди полагают, что в генах «записано» строение организма (генотип определяет фенотип). Это не совсем так. В действительности генотип определяет не фенотип как таковой, а норму реакции — определенный спектр возможностей развития. Какая из этих возможностей будет реализована, зависит уже не от генов, а от условий, в которых будет происходить развитие организма.

Обычно эти предусмотренные генотипом допустимые варианты фенотипа образуют непрерывный, плавный ряд, но иногда они бывают дискретны. В таком случае говорят о явлении полифенизма. Это значит, что при одном и том же генотипе в зависимости от условий будет реализован один из нескольких дискретных вариантов фенотипа. Например, из муравьиного яйца с одним и тем же генотипом могут развиться и рабочий муравей, и крылатая самка — в зависимости оттого, как будут кормить личинку. Другие примеры полифенизма — одиночная и стайная формы перелетной саранчи, бескрылая и крылатая формы тлей.

Полифенизм — одна из форм адаптации к переменчивым условиям среды. Известно, что пороговые значения внешних факторов, вызывающие «переключение» развития на альтернативный путь, могут меняться под воздействием отбора. Однако сам механизм этого переключения пока мало изучен.

—————

В качестве объекта выбрали бабочку Manduca sexta. У этого вида полифенизма нет, однако он есть у близкородственного вида М. quinquemaculata, у которого при 20 °C развиваются черные гусеницы, а при повышении температуры до 28 °C — зеленые.

Цвет гусениц после теплового шока в ходе отбора становился все более зеленым в полифенной линии и все более черным — в монофенной.

У Manduca sexta вне зависимости от температуры гусеницы зеленые, однако встречаются и мутанты — черные гусеницы. Но это не полифенизм, а обыкновенная наследственная изменчивость (полиморфизм), поскольку цвет гусеницы определяется генотипом, а не внешними условиями.

Мутация black («черная окраска») приводит к уменьшению выработки так называемого ювенильного гормона, что в свою очередь ведет к меланизации (почернению) покровов. Нормальные (не мутантные) зеленые гусеницы не меняют свой цвет ни при каких обстоятельствах, однако ученые обнаружили, что окраска черных мутантов менее стабильна. Если подвергнуть гусеницу- мутанта в определенном возрасте шестичасовому тепловому шоку (нагреванию до 30–33 °C), то после очередной линьки гусеницы получаются разные — черные, с прозеленью или почти нормального зеленого цвета.

Ухватившись за это обстоятельство, ученые приступили к искусственному отбору гусениц с мутацией black. В одной линии отбирались гусеницы, реагирующие на тепловой шок минимально (т. е. остающиеся черными или почти черными). В другой линии, наоборот, отбирались те особи, которые реагировали на перегрев максимальным позеленением. Уже в седьмом поколении в первой линии была полностью утрачена способность реагировать на тепловой шок изменением окраски (полный монофенизм).

Во второй линии за 13 поколений возник настоящий полифенизм. Все гусеницы в этой линии теперь становились ярко-зелеными при постоянной температуре 28 °C. Теплового шока, нагревания до 30–33 °C, уже не требовалось. При более низких температурах гусеницы оставались черными.

Чтобы проверить, связано ли изменение окраски у полифенных гусениц с ювенильным гормоном, ученые провели следующий жестокий эксперимент: туго перевязали гусениц поперек брюшка, чтобы гормон, синтезирующийся в голове и груди, не мог попасть в заднюю часть тела. Гусеницы стоически перенесли издевательство и доказали правильность предположений своих мучителей, позеленев спереди и оставшись черными сзади. Гусеницы из монофенной линии, естественно, оставались черными хоть с перевязками, хоть без.

Результаты продемонстрировали тот путь, который проделывает случайная мутация (такая как мутация black) под действием отбора до настоящего полифенизма, и что изменения гормональной регуляции могут играть важную роль в подобных эволюционных преобразованиях.

Более общий эволюционный вывод, который можно сделать на основании этой работы, состоит в том, что генотип может содержать в себе в скрытом виде разнообразные новые возможности (варианты развития), до поры до времени не проявляющиеся, замаскированные различными регуляторными механизмами — например, той же гормональной регуляцией. Но в экстраординарных условиях, в результате мутации или стресса, регуляторные механизмы могут дать сбой, и тогда скрытая изменчивость станет явной и может стать основой для развития новых полезных адаптаций.

(Источник: Suzuki Y., Nijhout H. F. Evolution of a Polyphenism by Genetic Accommodation // Science. 2006. V. 311. P. 650–652.)

—————

Что почитать на эту тему в Интернете

Н. А. Колчанов, В. В. Суслов. Кодирование и эволюция сложности биологической организации. 2006. // Эволюция биосферы и биоразнообразия (к 70-летию А. Ю. Розанова), http://evolbiol.ru/r_kolchanov.htm

Н. А. Колчанов, В. В. Суслов, В. К. Шумный. Молекулярная эволюция генетических систем. 2003. http://evolbiol.ru/r_kolchanov2003.htm

А. В. Марков. 2003–2007. Обзоры и подборки литературы на сайте «Проблемы эволюции»:

Проблема эволюционных новообразований. http://evolbiol.ru/news.htm

Причины прогресса. http://evolbiol.ru/progress.htm

А. П. Расницын. Процесс эволюции и методология систематики. 2002. // Труды Русского энтомологического общества. Т. 73. С. 1–108. http://www.palaeoentomolog.ru/Publ/Rasn/methodology.html

И. И. Шмальгаузен. Факторы эволюции. Теория стабилизирующего отбора. 1968. 450 с. http://evolbiol.ru/factory.htm

И. И. Шмальгаузен. Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии. 1982. http://rogov.zwz.ru/Macroevolution/org_kak_tsel.doc