кандидат биологических наук В. В. Вельков
На мутациях без тормозов

Эволюция микробов… Оказалось, у них вполне гусарский характер: в моменты опасности (например, в условиях стресса, то есть при резком изменениии условий внешней среды) они ещё быстрей, чем в норме, раскручивают рулетку генетической изменчивости. Зачем? Авось повезёт со следующей мутацией! Следующей, то есть счастливой, которая позволит не только выжить при стрессе, но и расширить свою генетическую изменчивость для противостояния всяческим напастям в будущем.

Именно так. Поэтому напомним, что такое эволюция у микроорганизмов. Это:

    1) случайная генетическая изменчивость,
    2) её расширение в неблагоприятных условиях окружающей среды, включая повышение частоты перестроек генома и частоты межвидового генетического переноса,
    3) естественный отбор.
Совокупность именно таких механизмов и позволяет конкретно ответить на вопрос, поставленный Н.В. Тимофеевым-Ресовским в его последней публикации. „Какие условия, какие дополнительные воздействия будут направлять характер той прогрессивной эволюции, которая будет создаваться естественным отбором?

О том, есть ли у микробов прогрессивная эволюция, можно долго и приятно спорить. Будем полагать, однако, что у многоклеточных организмов она всё же есть (если считать, что прогрессивная эволюция направлена на усложнение строения организмов и на увеличение количества связей между его частями).

И как же прогрессивная эволюция у нас происходит? Благодаря тому же ускорению рулетки мутагенеза при ударах судьбы? Но если у микробов стресс ускоряет мутационный процесс во всём геноме всего организма (а их организм — это одна клетка, одновременно и соматическая, и репродуктивная!), то для многоклеточных это непозволительно. Мутации, внезапно возникшие в соматических клетках, потомкам, то есть детям, как известно, не передаются, но свести в могилу хозяина могут запросто. Классический и очень печальный пример последнего — злокачественный рост. Так что мутаций в соматических клетках „очень не надо“.

Тихо, тихо ползи,
Улитка, по склону Фудзи,
Вверх до самых высот
.
Исса

Есть (и всегда была) у нашей российской интеллигенции теория малых добрых дел. Этой теорией интеллигенция утешает себя в периоды периодических обострений авторитаризма, тоталитаризма и номенклатурного криминализма. Суть проста: малые добрые дела пусть сразу и незаметны, но если делать их постоянно и повсеместно, то они обязательно приведут к эволюции общества в положительном, с позиций интеллигенции, направлении.

В биологии такая точка зрения соответствует теории непрерывной и постепенной эволюции — градуализма. Но есть и другая теория — пунктуализм (от латинского „to punctuate“ — ставить знаки препинания, перемежать), или сальтационизм („saltuatim“ — скачкообразно). Тут речь о прерывистой, точнее, скачкообразной эволюции, автором которой считается немецкий генетик Рихард Гольдшмидт. Споры между градуалистами и пунктуалистами во все времена и до сих пор обычно проходят очень живо. И впрямь, предмет для дискуссий есть: если правы градуалисты, то хоть ляг и умри, а между соседними видами в эволюционной линии развития должны быть переходные формы. А их нет! Значит, утверждают сторонники пунктуализма, эволюция происходит прерывисто, скачками. Кто тут прав? Последние, то есть пунктуалисты? Не исключено, поскольку они действительно глубоко копают, ибо в большинстве своём по профессии палеонтологи и палеоботаники.

Вот фрагмент типичной дискуссии.
— Посмотрите, — запальчиво говорит с трибуны очередной и очень известный в науке пунктуалист, — посмотрите на этот царствующий вид. (Тут демонстрируются красивые слайды!) А после него — тоже царствующий, но другой. (Прекрасные слайды!) И между ними — никаких промежуточных форм, никаких! Значит, эволюция идёт скачками.

— Этого не может быть потому, что не может быть никогда! — снисходительно улыбается оппонент-градуалист. И тоже слайд: дифференциальные уравнения, где представлены постоянная скорость изменчивости, коэффициенты селективности, ну и так далее. — Посмотрите на эту непрерывную плавную линию, бесконечно идущую вверх, — это и есть эволюция! А то, что вы не нашли промежуточных форм, так лучше надо копать, господа!

Кстати, читатель, а лично вам что больше нравится: теория осторожных малых добрых дел или смелый путь реформизма?

А вот что нравится биологической эволюции.

Есть у нас, человеков, такой метод мышления — по аналогии. Вот и воспользуемся им. Итак: если повышение скорости мутагенеза в соматических клетках может вызвать их быстрый рост (например, рост злокачественный — рак), то пусть тогда стресс вызывает мутации только в репродуктивных клетках — именно в этих последних, а ни в коем случае не в соматических! К нашему счастью, этого не происходит. И, как известно, по своей эффективности метод „мышление по аналогии“ стоит на втором месте после мычания простого. Слава Богу, природа гораздо хитроумней, чем мы можем предположить.

Поэтому давайте зададим такой простой вопрос: что больше нравится не нам, существам разумным, а именно биологической эволюции?

Нет ничего тайного, что не сделалось бы явным, и ничего не бывает потаённого, что не вышло бы наружу.
Марк, 4, 22

Хитроумные и изощрённые механизмы утаивания важной информации в нашей общественной жизни разработаны давно и совершенствуются постоянно. А вот о молекулярных механизмах утаивания генетической информации стало известно совсем недавно.

Впрочем, то, что значительная часть генетической информации содержится в геноме в скрытом состоянии, было установлено ещё в начале прошедшего века. Торможение генетической информации — точнее, торможение её проявления. Наверное, именно так следует перевести на русский язык новый термин „buffering of genetical information“, которым теперь обозначают целый комплекс фундаментальных биологических явлений, обнаруженных Н.В. Тимофеевым-Ресовским ещё в 1923 году, когда на Звенигородской гидрофизиологической биостанции он исследовал проявление скрытых мутаций в природной популяции мушек Drosophila funebris.

Речь идёт о двух, с тех пор ставших в генетике классическими, понятиях. Первое из них — пенетрантность: иногда мутации проявляются не у всех её носителей, а только у части таких особей, большей или меньшей. То есть среди мутантов-носителей эти аномалии в определённой доле случаев никак не проявляются. Второе — экспрессивность: если мутации всё же проявляются, то у разных особей с различной степенью выраженности.

Это — факты, отмеченные не только среди дрозофил, но, к сожалению, и среди людей. Да, часть из нас (спасибо, малочисленная) тоже отягощена доминантными мутациями, определяющими развитие целого ряда тяжёлых наследственных заболеваний — например, нейрофиброматоза, ахондроплазии, синдрома Марфана. Родословные с такими болезнями генетики изучают издавна и очень внимательно, и в этих семьях отмечено то же: 1) ребёнок — носитель мутантного гена не всегда заболевает данной болезнью (то есть пенетрантность конкретной мутации равна не единице, а, скажем, 0,9 или 0,8); 2) если такая доминантная наследственная аномалия всё же проявляется (а проявляется она клинически, как правило, всё-таки в подавляющем большинстве случаев), то степень выраженности симптомов у разных больных далеко не одинакова — от мягких форм, особо не мешающих жить и творить (классические примеры — Х.К. Андерсен, К.И. Чуковский, А. Тулуз-Лотрек) до крайне тяжёлых.

Так вот: почему всё это и, главное, для чего? Какую генетическую информацию надо скрывать, а если проявлять, то по-разному?

Мутации, в большинстве своём, нарушают нормальную трёхмерную конформацию белковых молекул. Такой мутантный белок или не может хорошо выполнять свою функцию, или не активен вообще. И если белок, о котором речь, жизненно важен (ничто в клетке не может заменить его важной функции), то организм погибает.

Отсюда вполне понятно, для чего организму надо скрывать, точнее, тормозить проявление генетической информации. Для того чтобы возникшие вредные мутации не могли реализовать своего действия, то есть не портили жизнь белковым молекулам, соответственно их хозяину — особи.

Как это может происходить? Логика подсказывает хорошо бы трёхмерную структуру жизненно важных белков сделать нечувствительной к точечным мутациям, то бишь к аминокислотным заменам. И в ходе эволюции такой механизм был изобретён! Тут всем нам на помощь приходят особые белки — шапероны. Так, например, одна из функций шаперона HSP90 состоит в том, что он присоединяется к тем белкам, у которых из-за возникшей мутации сформировалась ненормальная трёхмерная конфигурация и выправляет её. Да, мутация в гене произошла, однако мутантный белок работает как в норме, организм вполне жизнеспособен, но мутация передаётся потомкам!

Молекул шаперона HSP90 в цитоплазме клеток много. И вот что принципиально, хотя это стрессовый белок, но его много и при нормальных условиях среды. Именно в нормальных условиях он исправляет конфигурацию жизненно важных мутантных белков. А это — и белки-регуляторы активности генов (факторы транскрипции), и белки трансдукции сигнала, то есть белки, передающие регуляторный сигнал по цепочке от первого белка рецептора к следующему, и так до крайнего, который и есть фактор транскрипции.

Итак, с одной стороны, очень хорошо, есть механизм защиты от вредного действия мутаций. А с другой стороны? Да хорошо не очень, точнее, плохо, мутации хоть и не вредят, но накапливаются безнаказанно, ибо естественный отбор не удаляет их из популяции.

Законный вопрос, и как же тогда эволюционировать? Ведь что нужно для прогрессивной эволюции, которая не занимается мелкими улучшениями (микроэволюцией), а сразу открывает пространство новых возможностей (это и есть макроэволюция)? Нужно, наверное, чтобы мутации не изменяли уже существующие признаки (скажем, длину лапы), а приводили к возникновению новой формы (крыла, например). Но можно ли представить себе, чтобы мутации происходили преимущественно в генах, ответственных за формообразование, то есть морфогенез? Скорее всего, нет. Такие мутации окажутся в итоге более вредными, чем те, что слегка удлиняют лапу, поскольку они (их иногда называют макромутациями) могут нарушить всю программу развития тела, всю!

Тогда, может быть, лучше наоборот предохранить гены морфогенеза от мутаций? Получается, именно так, тот же шаперон HSP90, как полагается, исправляет ещё и структуру мутантных белков, ответственных (внимание, сейчас будут сказаны ключевые слова!) за реализацию программы морфогенеза. Ибо ошибка в реализации этой программы — это если не верная и быстрая смерть, то серьёзное уродство. Макромутация, одним словом.

И прогрессивная эволюция, выходит, шаперонами предотвращается?

Смертельный номер!
Слабонервных женщин и детей просят не смотреть
!
Объявление в цирке

А вот сейчас будут сказаны уже самые ключевые слова. При стрессе, когда из-за резкого ухудшения условий среды в клетке появляется много белков с аномальной трёхмерной структурой, шапероны, чтобы спасти клетку от неминуемой гибели, мобилизуются на исправление белков, утративших правильную трёхмерную структуру из-за мутаций. И уже вскоре число молекул HSP90 становится ниже критического уровня — того именно, который необходим для исправления мутантных белков, ответственных за морфогенез. Торможение генетической информации (торможение её проявления) прекращается, и частота мутантов уже на уровне фенотипа в популяции резко возрастает. То есть происходит взрывное проявление ранее накопленных, молчащих мутаций. Именно это и приводит к резкому изменению морфогенеза! (Для особо интересующихся см. Rutherford SL, Linguist S., „Nature“, 1998, 396, 336–342) В цирке это называется сальто-мортале — смертельный прыжок. В биологии — сальтационизм.

Это доподлинно показано на дрозофиле. Когда число молекул шаперона HSP90 становится меньше критического, то у 90% особей, у которых изначально были скрытые мутации, проявляются резкие морфологические изменения. А если такую популяцию вернуть в нормальные условия внешней среды то все эти морфологические изменения сохранятся и те мутации, которые раньше были скрытыми, станут явными. Для естественного отбора. Уж если мутантный белок морфогенеза хоть раз реализовался де-факто, то он становится „нормальным“ де-юре и шаперон его аномальным уже не признаёт.

И что в общем? А в общем то, что прогрессивная эволюция происходит скачками. Путём реализации при стрессе ранее накопленных, но не проявившихся мутаций. И поэтому, градуалисты и пунктуалисты, обнимитесь и пожмите другу другу руки! Мутационный процесс идёт непрерывно и постепенно, но реализуется скачками и резко.

И вот как теперь выглядят основные постулаты эволюции, и эволюции именно прогрессивной. Это:

    1) случайная генетическая изменчивость, которая
    2) накапливается в генах, ответственных за морфогенез, но проявляется только в неблагоприятных условиях окружающей среды, то есть при стрессе, и
    3) его величество естественный отбор.

Так звучит ответ на вопрос, который в своём научном завещании поставил Н.В. Тимофеев-Ресовский. Ответ получен через двадцать лет.

На этом можно было бы и закончить, если бы не один нюанс.

В конце той самой, последней своей статьи мэтр озадачил нас ещё одним, теперь уж действительно последним вопросом „Обязательно ли длительное действие естественного отбора ведёт к прогрессивной эволюции?

И сам ответил: „Хочется думать, что ведёт.

То есть он хотел бы так думать, но не мог. Почему?

Химия и жизнь — XXI век

Статьи близкой тематики:
Стресс — ускоритель эволюции.  В. В. Вельков.
Смысл эволюции и эволюция смысла  В. В. Вельков.
Опять актуален вопрос: что такое ген?  В. В. Вельков.
Для чего нужно половое размножение.  В. В. Вельков.
Куда идёт эволюция человечества?  В. В. Вельков.
По ту сторону эволюции.  В. В. Вельков.
Закодированная эволюция.  Стивен Фриленд, Лоренс Херст.
Молекулярный механизм эволюции.  Рафаил Нудельман.
Происхождение эукариотной клетки.  Владимир Малахов.
Логика и аналогии в теории эволюции.  А. К. Скворцов.
Благоприобретённые призраки.  А. А. Махров.
Об отражении эволюционных идей в массовом сознании.  Борис Жуков.
Пух и кролик: два взгляда на изменчивость и эволюцию биологических форм.  Владимир Черданцев.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования