Комбинаторика генов или "происхождение видов"

Комбинаторика генов или "происхождение видов"

Не только к элементарным химическим системам, но и к организации биосферы в целом, могут быть отнесены основные условия упорядочения, стационарный характер процессов, непрерывное поступление энергии, микроскопически сопряженное упорядочение, трансформируемое посредством автокатализа в макроскопическое явление, итеративность. Принцип упорядочения, сформулированный во второй главе, предполагает возникновения низкоэнтропийного продукта путем сочетания уже имеющихся форм упорядочения. На уровне генов это означает достаточно широкий генный обмен в масштабах биосферы. Гены должны быть трансферабельны и должен существовать механизм их адаптации.

§ 1. Генный резервуар биосферы

Биосфера представляет собой генный океан. В этом океане преобладающей формой существования генов являются короткие цепочки нуклеотидов, фрагменты ДНК, вирусы, бактерии. Ничтожное по объему место в этом океане занимают сложные геномы. Генный океан является тем резервуаром, в обмене с которым свершается эволюция сложных геномов.

Ген определяет структуру белка Белок контролирует прохождение определенной реакции. Совокупность реакций определяет биологическую функцию. Соответствующая ей совокупность белков определяется блоком генов. В свою очередь, блоки генов объединяются в комплексы, определяющие биологические структуры и функции еще более высокой степени организации.

Модель комбинаторной эволюции предполагает возможность сопряжения чужеродных генных наборов. Существует немало экспериментальных свидетельств изменения генетического состава одного клеточного штамма при обработке его ДНК другого штамма. Однако им не придавалось серьезного значения в качестве фактора эволюции. Классическая генетика утверждала, что нет никакого пути, которым изменения извне могли бы проникнуть в наследственный, т. е. в генный, материал.

Между тем, еще в 1944 году, в тех же экспериментах, в которых О. Авери с коллегами (Avery et al., 1944) впервые получили доказательства генетической роли ДНК, было установлено явление трансформации генома. При введении ДНК вирулентного штамма в безвредный штамм, последний приобретал вирулентность. В большинстве случаев вторгшиеся фрагменты уничтожаются специальными ферментами (restriction enzymes). Но в некоторых случаях ДНК может быть модифицирована пришельцем. Происходит присоединение чужеродного фрагмента к ДНК хозяина.

Известно, что чувствительные к определенному антибиотику болезнетворные бактерии вскоре вырабатывают к нему сопротивление. Возбудители малярии перестали быть чувствительными к хинолиновым препаратам, которые успешно применялись в течение многих предшествующих лет. В результате люди оказались беззащитными перед новыми штаммами. В Африке ежегодно от малярии погибает около двух миллионов человек. Приобретаемая нечувствительность быстро передается другим штаммам (G.White, 1974). Оказалось, что гены, обуславливающие сопротивление антибиотикам, передаются от одних клеток к другим плазмидами.

Плазмиды представляют собой кольцеобразную молекулу ДНК, включающую от 1 500 до 300000 пар нуклеотидов. Она может реплицироваться независимо от бактериальной хромосомы. Плазмиды несут гены, которые поддерживают жизненный цикл хозяина. Но они также могут интегрироваться в геном хозяина и передавать гены, которые влияют на свойства клетки хозяина.

Некоторые вирусы, инфицирующие прокариотов, имеют свойства, подобные плазмидам, в частности, могут встраиваться в хромосому клетки хозяина. Например, геном фага Ми представляет собой линейную ДНК, имеющую приблизительно 37 000 пар нуклеотидов. При инфицировании ДНК вируса инкорпорируется в несколько участков ДНК хозяина. При репликации часть ДНК-хозяина попадает в вирус. Ми-фаг может переместить (transpose) любой сегмент бактериальной хромосомы на плазмид (Matthews, 1991, с. 652). В принципе возможно превращение вируса в плазмид и наоборот, хотя между ними существует то различие, что вирус снабжен, помимо генного материала, необходимого для реплицирования, генами, служащими для обеспечения проникновения в клетку хозяина, и оболочкой, предохраняющей его во внешней среде, в то время как плазмиды в известном смысле являются частью генного материала клетки хозяина, в частности, могут встраиваться в хромосому клетки хозяина (Matthews, 1991).

Способность к генетической реорганизации Р. Матьюз включает в определение вируса: «Вирусы испытывают генетическое изменение. Точечные мутации часто возникают как результат ошибок копирования в ходе репликации генома. Другие виды генетических изменений могут быть обусловлены рекомбинацией, перераспределением частей генома, потерей генетического материала или приобретением нуклеотидных последовательностей от чужеродных вирусов или генома хозяина» (Matthews, 1991, с. 10).

Известным примером соединения чужеродных генов, имевшим эволюционное значение, является формирование клеточных органелл (Margulias, 1970; 1981). Альтман в 1890 г. впервые выдвинул гипотезу о происхождении митохондрий и растительных плазмид из внутриклеточных бактерий симбионтов. В соответствии с ней пластиды (органеллы, в которых осуществляется фотосинтез) и митохондрии (органеллы, в которые осуществляется дыхание) происходят от бактерий, которые в определенный момент геологической истории объединились в единую клеточную структуру. При этом часть генов, присущих исходным бактериям, была утрачена, а часть переместилась в ядро клетки хозяина. Более того, разные сочетания утраченных и присоединенных генов в этом событии дали начало трем генетическим линиям: зеленым растениям, красным водорослям и глаукофитам (Moreira et al., 2000).

Ретровирусы встраивают свой геном в геном клетки хозяина. Обратная транскриптаза является ферментом, способствующим переносу кода РНК вируса в ДНК клетки (Zubay, 1998). Известен эффект трансдукции, когда вирус передает ДНК от одной бактерии к другой (Jiang et al., 1998). Р. Б. Хесин (1984) в своей обширной монографии собрал и обобщил значительное число наблюдений, указывающих на существование обмена генами между неродственными организмами, включая эксппессию генов бактерий в геноме высших животных и растений. Р. Б. Хесин пишет: «чтобы передать свои гены клетке животного, бактерии не должны обязательно использовать гибридные плазмиды или трансдуцирующие фаги: целые бактериальные клетки или их протопласты могут сливаться с клетками животных, передавая им при этом свою ДНК; так что бактериям только нужно преодолеть барьеры внутри организма и добраться до клеток его зачаткового пути» (Хесин, 1984, с. 368). Вероятность этого не так уж мала. Она оценивается величиной 10-7 -- 10-8 (Colbere-Garapin et al., 1981). Транспозоны могут быть причиной вспышки изменчивости, что может приводить к быстрому преобразованию гомеостатической видовой нормы и, возможно, -- к видообразованию (Ратнер, Васильева, 1993; Кордюм, 1982). В. А. Кордюм придавал переносу генов от бактерий к эукариотам особое значение в качестве фактора эволюции, возможно, излишне одностороннее (см. Татаринов, 1988).

Имеются сообщения, что фрагменты ДНК погибших бактерий, растворенные в морской воде, могут встраиваться в чужеродный геном (Chiura, 1997; Paul et al., 1993). Концентрация вирусов в морской воде имеет порядок 1010 в одном кубическом метре (Bergh et al., 1989). Даже если возникновение нового генома этим путем крайне редко, с вероятностью 10"20, то и тогда, как отмечает Дж. Фурман, при объеме населенного организмами моря 3,6-107 км3 и при частоте смены поколений приблизительно в один день, вероятность эволюционного события составит около миллиона ежедневно (Fuhrman, 1999).

В последнее время в литературе появляются предположения, что эволюция может осуществляться путем комбинирования отдельных генов, их блоков и последовательностей еще более высокого уровня (Marcotle et al., 1999; Overbeek et al., 1999; Bork et al., 1998).

Установлено, например, что в составе хромосомы-21 человека 24 гена являются общими с хромосомой-10 мыши (Hattori et al., 2000). В обоих случаях гены встречаются в той же последовательности. Следовательно, трансферабельным является блок генов. Гены в разных сочетаниях могут реализовываться в разных функциях. Поэтому один и тот же ген контролирует, например, цвет мыши и ее размер. Ген, который контролирует цвет глаз дрозофилы, контролирует форму сексуального органа самки дрозофилы (Milton, 1997, с. 181).

Сходство последовательности оснований в генах разных организмов не обязательно обусловлено прямой генетической связью соответствующих организмов. Например, часть последовательности аминокислот в ферменте рибулозо-дифосфат-карбок-силазе фотосинтезирующих растений совпадает с последовательностью аминокислот в покровном белке вируса табачной мозаики (Dietzen & Zaitlin, 1986).

Многие рекомбинации ведут к патологии (Kazazian, 1998; Deiningen & Batzer, 1999). Не любые комбинации могут эволю-ционно закрепиться. Иногда искусственно созданные гибриды могут функционировать, но со временем возвращаться к исходным структурам, как это было показано на примере TMV (вируса табачной мозаики) (Dawson et al., 1980).

По мере расшифровки генетического кода разных организмов, все в большей мере становится очевидным, что одни и те же гены и их последовательности встречаются у разных организмов. Когда в 1996 году был опубликован геном Saccharomyces cerevisiae, состоящий из приблизительно 6 000 генов, около 2 000 из этого числа были распознаны, как встречающиеся у других организмов, еще 2000 имели сходство с ранее известными, а оставшаяся треть рассматривалась как материал, присущий только геному данного организма (Coffean et al., 1996). В геноме Drosophila melanogaster, опубликованном в 2000 году, число генов, не имеющих сходства с ранее изученными, снизилось до 17% из 13 600 (Adams et al., 2000).

На рис. 4.1 изображен схематический поток генов через геном E.coli в течение геологического времени (Martin, 1999). Подсчитано, что число присоединенных чужеродных генов составляло более ста за последний миллион лет.

Наличие общих генов свидетельствует об общем предшественнике. Сопоставляя геномы, можно реконструировать филогенетическое древо, которое изображается как разветвление генетических линий, сводящихся в истоке к одному общему предшественнику. Именно в виде такого древа Ч.Дарвин изобразил графически происхождение видов в своем труде (Darwin, 1859).

Рис. 4.1. Схематическое изображение потока генов через геном E.coli в течение геологического времени (Martin, 1999). С разрешения John Wiley & Sons. ©1999

В недавнем обзоре У. Дулитл (W. Doolitte, 1999) указал на принципиальное осложнение, которое вносит в построение филогенетической классификации явление межвидового горизонтального переноса генов (lateral gene transfer -- LGT), и привел ряд примеров такого переноса, в особенности, относящихся к перекрещиванию генетических линий бактерий, археобактерий и эукариотов (см. ссылки в этой работе). В результате филогенетическая схема, приобретает вид (рис. 4.26), существенно отличный от привычной картины простой трифуркации на три домейна, которую обычно, после открытия К. Вёзе и Дж. Фоксом (Woese & Fox, 1977; Woese, 1998) археобактерий помещают в учебниках.

Рис. 4.2. Филогенетическое древо: (а) представление о разделении на три эволюционные линии, происходящие от общего предшественника (модифицированного из Zubay, 1998); (б) представление о переплетенном древе, или сети, вытекающее из новых данных. Заимствовано из обзора У. Дулитла (Doolittle, 1999). С разрешения American Association for Advancement of Science. ©1999

В научной литературе, тем не менее, все еще доминирует представление об иерархическом строении филогенетического древа, отвечающее логике дарвинизма (рис. 4.2а), хотя все больше данных указывает на то, что геномы организмов черпают генетический материал из общего генетического пула биосферы.

Филогенетическая модель должна, по-видимому, выглядеть не как ветвящееся древо и даже не как двумерная сеть, а как многомерное пространство, в котором возможно перекрещивание дальних генетических связей, хотя в этой паутине могут быть толстые главные линии и тонкие, едва заметные, связи.

§ 2. Адаптационная роль мутаций. Генетический дрейф

Для того чтобы гены в новом сочетании могли дать новую функцию, они должны быть взаимно адаптированы. Современный молекулярный дарвинизм утверждает: «Единственным способом, которым могут возникать новые последовательности ДНК, является мутация. Мутация -- топливо, обеспечивающее продвижение эволюции». (Page and Holmes, 1998, с. 96). Естественный отбор мутантов рассматривается как основополагающий принцип дарвиновской молекулярной генетики (Fisher, 1999). Нам представляется, что роль мутации иная. Как правило, она не является двигателем эволюции, точнее сказать, фактором упорядочения. Мутация имеет адаптационное значение. Если придерживаться вышеприведенной метафоры, то мутация скорее не «топливо», а «смазка», обеспечивающая продвижение эволюции.

Мутацией называют нарушение последовательности оснований в ДНК. Различают разные типы мутаций. В большинстве своем они связаны с замещением или перемещением нуклеинового основания в кодоне: замещение между собой пуриновых или пи-римидиновых оснований (transition), или замещение пуринового основания на пиридиновое (transversion). Иногда, как можно это видеть, рассматривая табл. 3.2, такое перемещение не приводит к замене аминокислоты. Это синонимические мутации. Мутации также могут состоять во включении или, наоборот, утрате основания. Это -- индель-мутации. Индель-мутации, когда они поражают кодирующие ДНК, приводят к тяжелым последствиям для организма, так как при этом происходит смещение всей последовательности оснований (frameshift) и нарушается соответствие триплетов структуре кодонов. С этим видом мутации связаны такие генетические заболевания, как гемофилия, анемия, мускульная дистрофия и др.

Мутации могут иметь место также на хромосомном уровне. К ним относятся полиплоидия, когда клеточные ядра содержат повторяющие наборы хромосом из-за того, что не произошло меотическое деление. Вариантом этого типа мутации является анеоплоидия, когда в наборе оказывается на одну хромосому меньше (monosomy) или больше (trisomy). Хромосомная мутация, связанная с нарушением числа хромосом, например, появление третьей хромосомы в диплоидном наборе хромосомы-22, приводит к генетическому заболеванию, известному, как синдром Дауна.

Мутации могут быть связаны также с разрывом хромосомы. При этом часть оторванной ДНК может быть утрачена, но может воссоединиться разным способом (Дубинин, 1994). Например, если оторванная часть переворачивается и воссоединяется с ДНК в обратном направлении, это приводит к хромосомной инверсии. Инверсия может быть безвредной, если генетический материал не утрачен и не произошло серьезного разрыва генов в месте инверсии. Если оторванная часть хромосомы присоединяется к другой хромосоме, такой процесс называется транслокацией. Наконец, если разрыв хромосомы происходит в процессе репликации, то возможно удвоение этой части в хромосоме.

Появление мутаций и накопление их в генетическом материале является следствием неизбежных сбоев в процессах репликации и наследования, вызванных как внутренними, так и внешними причинами (Дубинин, 1991; Инге-Вечтомов, 1989).

Одноименные белки в организмах, находящихся на разных ступенях эволюции, имеют несколько отличный состав аминокислот (Zuckerkandl & Pauling, 1962). Это различие обусловлено мутациями. Чем дальше эволюционное расстояние между видами, тем больше число замещенных аминокислот. Это явление получило название молекулярных часов эволюции.

Мерой изменения аминокислотной последовательности может служить коэффициент М.Дайхоффа (Dayhoff, 1978). Величина отклонения возрастает по мере увеличения палеонтологического возраста, т. е. времени, прошедшего с момента события, разделившего виды на генетическом древе.

Коэффициент Дайхоффа зависит от числа измененных аминокислот в последовательности по отношению к общему числу аминокислот. Р. Пейдж и Е.Холмс (Page and Holmes, 1998) приводят следующий пример. У коровы участок белка, содержащий 149 аминокислот, отличается 17 аминокислотными остатками (коэффициент Дайхофа 0,131). Разделение генетического древа человека и коровы произошло 80 млн лет назад. У крокодила наблюдается на том же участке различие в 47 аминокислотах (коэффициент Дайхофа 0,445, т.е. в 3,4 раза больше). Это соответствует 270 млн лет. Действительно, ископаемые остатки свидетельствуют о том, что генетические пути человека и аллигатора разошлись приблизительно 300 млн лет назад. Таким образом, как отмечают Р. Пейдж и Е.Холмс, а-гемоглобин ведет себя подобно молекулярным часам.

Молекулярные часы оказываются очень разными для разных типов генов. Например, скорость накопления мутаций сильно отличается в ядерной, митохондриальной и хлоропластовой ДНК растений (Wolferet al., 1987). Существуют весьма консервативные по своему составу белки. Примером может служить юбиквитин (ubiquitin), который состоит из 76 аминокислот, имеющих всего три замещения между животными видами, растениями и дрожжами (Dunigam et al., 1988).

Существенное различие в скоростях накопления мутаций разными белками иллюстрируется табл. 4.1.

В конце 60-х годов японский генетик М. Кимура (1968) выдвинул концепцию, которая была названа нейтральной теорией, так как из нее следовало, что мутации либо нейтральны, либо вредны для организма, т. е. они не являются молекулярной основой естественного отбора. Роль естественного отбора состоит лишь в устранении вредных мутаций. Идеи, близкие к теории нейтральности, высказывались еще в 20-30-е годы Л.С.Бергом (1922), С.С.Четвериковым (1926), И. И. Шмальгау-зеном (1938).

Таблица 4.1 Скорости замещения аминокислот в разных белках: число замещений, отнесенное к числу аминокислот в белке за 109 лет (Dayhoff, I978)

Аргументация М. Кимуры основывалась, главным образом, на скорости проявления мутационных изменений в генах. По его мнению, изменения аминокислотной последовательности некоторых белков встречаются слишком часто в ходе эволюции. Если бы мутации закреплялись путем естественного отбора, это потребовало бы неправдоподобно быстрого вымирания остальной части популяции, чтобы дать дорогу новому геному.

Согласно М. Кимуре, некоторые замещения аминокислот в белках не имеют серьезных следствий. Поэтому они закрепляются и накапливаются. Те изменения, которые существенно сказываются на функциях, удаляются отбором. Отсюда некоторые правила, которые были сформулированы М. Кимурой. В частности, «функционально менее значимые молекулы или части молекул эволюционируют (в терминах мутационного замещения) быстрее, чем более значимые» или «те мутантные замещения, которые менее разрушительны для существующих структуры и функции молекулы (консервативные замещения) встречаются чаще, чем разрушительные» (Kimura, 1983, с. 103).

В целом теория М. Кимуры утверждает, что эволюция совершается путем генетического дрейфа, обусловленного мутационными изменениями. Эта теория получила название нейтральной, так как предполагается, что генетический дрейф осуществляется почти нейтральными мутациями, не нарушающими существенно функцию гена. По-существу, это -- антидарвиновская теория, так как в ней отрицается роль полезной мутации, закрепляемой конкурентным естественным отбором. Дж. Кинг и Т. Джюкс (King & Jukes, 1969), опубликовавшие аналогичные взгляды почти одновременно с работой М. Кимуры, назвали свою статью прямо: «Недарвиновская эволюция».

Теория М. Кимуры достаточно хорошо объясняет многие факты молекулярной генетики, хотя она дискуссионна. Например, Дж. Гиллеспи (Gillespie, 1991) отмечает, что инсулин свиньи и мыши отличается только 4 аминокислотами, а свиньи и гиены -- 18 аминокислотами, хотя обе пары разделяет эволюци-онно 70 миллионов лет, и что нет никаких оснований полагать, что гистоны более важны, чем иммуноглобулин, или что глу-таматдегидрогеназа важнее гемоглобина (как следует из теории М. Кимуры, см. табл. 4.1). Возможно, по мнению Дж. Гиллеспи, гемоглобин эволюционирует быстрее, потому что он более зависим от изменений окружающей среды, чем гистоны. Указывалось и на другие ограничения концепции эволюции путем чисто генетического дрейфа, в том числе, приводились случаи очевидной роли естественного отбора в эволюции (Moriyama & Powell, 1996; Ayala, 2000; Gillespie, 2000; Takahashi et al., 1999). Вообще, в литературе существует полемика между «нейтралистами» и «селекционистами» по поводу относительной роли генетического дрейфа и естественного отбора в эволюции (см. например, специальный номер журнала «Gene» (2000, vol.261, с. 1-196): «Neutralism and Selectionism: the end of debate»).

Но суть проблемы не в том, направляется ли эволюция только генетическим дрейфом или естественный отбор играет свою роль. Факторы естественного отбора, безусловно, налагаются на любой механизм эволюционного упорядочения. Главное состоит в том, что нейтральная теория вообще не может рассматриваться как самостоятельная теория эволюции. Она не предлагает механизм упорядочения, в то время как дарвиновская теория такой механизм содержит. Нейтральные мутации -- это механизм адаптации. Теория Кимуры справедлива и приемлема лишь как теория адаптационной эволюции, но не эволюции жизни вообще.

С другой стороны значение нейтральной теории состоит в том, что она показывает неэффективность дарвиновского механизма эволюции и, следовательно, дарвиновского механизма упорядочения.

Накопление мутаций в течение длительного геологического времени не приводит к изменению главной функции белка. Например, роль гемоглобина состоит в доставке кислорода от легких к тканям и двуокиси углерода от тканей к легким как у лягушки, так и у человека, т. е. мутационное изменение последовательности аминокислот у разных видов, отвечающее мутационному изменению кодонов в соответствующих генах, не могло быть движущей силой эволюции на пути, разделяющем лягушку и человека.

Ю.П.Алтухов (1982) выделяет генетически мономорфные системы, закрытые стабилизирующим отбором от мутационного давления, ответственные за жизненно важные функции, отражающие уникальность вида.

Недавно были открыты так называемые Hox-гены. Эти гены ответственны за пространственное распределение органов. Мутационные нарушения в этих генах вызывают уродства -- ошибочное размещение органов. Например, у мушки Drosophila ножка появляется на голове или отрастает вторая пара крыльев. Выяснилось, что те же самые Hox-гены, того же самого строения, выполняют аналогичную функцию и у других организмов, например, у мыши и у моллюсков. Они как бы размечают пространство вдоль оси эмбриона, указывая место размещения органа. Но при этом органы могут быть совершенно разными, прошедшими разный эволюционный путь. Иначе говоря, Hox-гены сохранили свою функцию, в то время как гены, определяющие строение органов, должны были многократно измениться по мере удаления от общего предшественника.

Плавающий моллюск Nautilus имеет глаза, представляющие собой пару камер с дырочкой вместо хрусталика (линзы). Р. До-укинс, описывающий этот случай, спрашивает: «почему за сотни миллионов лет с того времени, когда прародители снабдили его дырчатым глазом, он не удосужился открыть принцип линзы. Преимущество линзы в том, что она позволяет получить более четкое и яркое изображение. Причем качество ретины Nautilus таково, что он получил бы от линзы значительное и немедленное преимущество. Это подобно Hi-Fi системе с великолепным усилителем, к которому подключен граммофон с тупой иглой. Система буквально взывает к небольшому изменению. В генетическом отношении Nautilus находится непосредственно на пороге этого очевидного усовершенствования, хотя он не сделал этого маленького необходимого шага. Почему нет? Этот вопрос беспокоит Майкла Ленда из Университета Сасекс, нашего самого большого авторитета по органам зрения беспозвоночных, так же, как меня. Неужели необходимая мутация не смогла произойти на том пути, по которому развивался Nautilus. Я не могу поверить в это. Но у меня нет лучшего объяснения» (Dawkins, 1986, с. 86).

Это действительно странно, если эволюция совершается путем естественного отбора через мутации. Трудно представить, что, в то время как успешно произошла эволюция глаза животных, потребовавшая, согласно Р. Доукинсу, десятков тысяч последовательных мутаций, одна единственная ожидаемая мутация не случилась. Но с позиции комбинаторной генетики ситуация выглядит естественной: все устойчивые, обладающие завершенной функцией комбинации генов имеют право на существование. Они присутствуют в генном пуле. Геном Nautilus в сочетании с другими комбинациями генов мог дать начало другим существам. Однако при этом сам геном наутилуса может сохраняться неизменным. Комбинаторная эволюция не требует элиминирования предшественника.

Теория М. Кимуры противоречит дарвиновской концепции, но логично вписывается в концепцию упорядочения, развиваемую в этой работе.

§ 3. Интроны и эксоны

Известно, что не весь генетический материал кодирует синтез белков. Например, у человека считываемая информация содержится лишь в 1-3% кодирующего пространства. Остальные 97-99 % ДНК пассивны.

Если сравнить ген с фразой, то фраза: «я люблю свою собаку» может оказаться записанной как: «я люблю свтруокою красоба жтуку». Осмысленная информация ДНК прерывается участками, не имеющими смысла (для функции данного гена), которые не включаются в производство белка, управляемое этим геном.

Кодирующие участки называются эксонами, некодирующие интронами. Транскрибирующая РНК проходит после репликации ДНК специальную фазу «созревания», где она освобождается от некодирующих участков прежде, чем поступает на рибосому для синтеза белка.

С интрон-эксонной структурой геномов связаны интерсные возможности в эволюции генома, в том числе генного обмена.

Первоначально обнаруженные некодирующие участки рассматривались как бессмысленные и бесполезные последовательности нуклеотидов, засоряющие геном. По отношению к ним вошел в употребление термин «junk» (cop, хлам) (Ohno, 1972).

Значительная часть некодирующего материала ДНК представляет собой просто повторы последовательностей нуклеотидов смысловых генов. Эти повторы могут встречаться тысячи раз. В этой связи возникло представление об эгоистичном гене (selfish gene). Суть его состоит в перенесении дарвиновского принципа конкуренции за выживание на уровень генов. Гены как бы ведут себя, исходя из собственных интересов, не считаясь с потребностями организма, которому они принадлежат. «Интерес» гена состоит в том, чтобы* выжить. Поэтому он стремится как можно чаще воспроизводиться и как можно шире распространиться. Эта концепция была изложена в книге Р. Доукинса «The selfish gene» (Dawkins, 1976) и в двух одновременно появившихся в журнале «Nature» статьях весьма авторитетных авторов (Orgel & Crick, 1980; Doolittle & Sapienza, 1980). «Клетки сами есть та среда, в которой последовательности ДНК могут реплицироваться, мутировать и таким образом эволюционировать... Если существуют пути, которыми мутация может увеличить вероятность выживания внутри клетки без влияния на организменный фенотип, то последовательности (нуклеотидов), чья единственная функция состоит в самосохранении, будут неизбежно возникать и поддерживаться тем, что мы называем "нефенотипическим" отбором» (Doolittle & Sapienza, 1980, с. 601). «Существует растущее убеждение, что большая часть избыточной ДНК есть "сор", другими словами, что она мало специфична и дает мало или вовсе никаких селективных преимуществ своему организму» (с. 604). «Распространение эгоистической ДНК внутри генома можно сравнить с распространением не слишком вредоносного паразита внутри его хозяина» (с. 605). «Короче, мы можем ожидать некую форму молекулярной борьбы за существование внутри хромосомной ДНК с использованием процесса естественного отбора» (Orgel & Crick, 1980, с. 606). Р. Доукинс отмечает: «Удивительно, что только около 1 процента генетической информации, например, в клетках человека, по-видимому, используется... Никто не знает, почему присутствуют остальные 99 процентов» (Dawkins, 1986, с. 116).

Долгое время дебатировался вопрос, являются ли интроны рудиментами, бесполезными обрывками некодирующих последовательностей, сохранившихся от ранней стадий эволюции, (Darnell, 1978; Darnell & Doolittle, 1986; Gilbert, 1986), или интроны эволюционно появились у эукариотов (Crick, 1979; Orgel & Crick, 1980; Cavalier-Smith, 1985; Crch, 1985; Sharp, 1985).

Однако в последние годы был открыт целый ряд свойств интронов, позволяющих думать, что интрон-эксонная структура геномов фактически является проявлением более высокого уровня организованности генома.

Замечательной особенностью интронов является то, что они могут самостоятельно вычленяться (self-splicing) из РНК (рге-mPNA), представляющей собой первичную копию ДНК, так что матричная РНК, поступающая в рибосому для синтеза белка, уже свободна от интронов (Cech, 1985; 1986; Sharp, 1985).

Открытие явления самовычленения интронов было существенно в двух отношениях. Во-первых, процесс происходит без участия белков, т. е. роль управляющего фермента играет сама РНК. Это обстоятельство послужило одним из краеугольных камней концепции первичного «мира РНК». Во-вторых, выявляется возможность формирования новых генов путем перетасовки эксонов (exon shuffeling).

Дж. Джилберт (Gilbert, 1986) в короткой заметке, название которой, между прочим, дало имя современному направлению «The RNA world», указывает на то, что реакция самовычленения интрона должна быть обратима, -- интрон мог как удаляться, так и включаться в реплицирующуюся РНК-молекулу, -- т. е. нитроны представляют собой транспозоны. «Это свойство снабжает РНК важной эволюционной возможностью, которая в противном случае отсутствовала бы -- способностью рекомбинировать гены» (Gilbert, 1986, с. 618).

По мере завершения проектов расшифровки геномов организмов разных видов, все больше данных указывает на то, что объем некодирующего генетического материала, как правило, больше у эволюционно продвинутых видов (Patty, 1999). Eubacteria и Archaea содержат компактные, высокоинформативные геномы. В них мало интронов или они отсутствуют, мало повторяющихся последовательностей. Обилие интронов -- свойство эукариотов. При этом эволюционно наиболее высокостоящие формы, за малым исключением, млекопитающие, позвоночные, имеют геномы, характеризующиеся большим объемом некодирующих ДНК. Трудно принять, что это связано с большим количеством «сора»

у этих видов. Скорее, дело в том, что в многоклеточных организмах интроны реализуют иную форму соответствия, чем кодирование белков. Каким образом интроны осуществляют эту функцию, и в чем она состоит, остается неизвестным. Здесь возможны удивительные открытия, связанные с кооперативной деятельностью клеток и нехимическими формами соответствия. Возможно, высокую степень упорядочения системы ферментов, определяющих содержание соответственно биохимических процессов, эволюция достигла уже на уровне относительно простых организмов.

Отмечено (Patty, 1999), что в многоклеточных организмах конституэнты внеклеточной матрицы: склеивающие клетки белка, рецепторные белки, -- представлены модулярными белками. С другой стороны, большинство модулярных белков образовано путем перетасовки эксонов (exon-shuffeling), т. е. развитие эксон-интронного механизма тесно связано с эволюцией многоклеточных организмов. Л.Патти (Patty, 1999) отмечает, что время расцвета метазоа в начале кембрийского периода совпадает со временем «драматического усиления эффективности эволюции модулярных белков».

Сейчас появляется все больше данных, о том, что интроны служат эффективным фактором генного обмена (Patty, 1999; Brosious, 1999; Cousineau et al., 2000; Eickbush, 2000; Makalowski, 2000). Открытием последних лет явилось доказательство высокой подвижности интронов. Вычленяющийся из pre-mPHK ин-трон может вновь включиться в ДНК, в безинтронный участок (Eickbush, 2000). Этот процесс называют homing. Еще более эффективный механизм был обнаружен недавно (Consineau et al., 2000). Вычлененный интрон может включаться обратно не прямо в ДНК, а в клеточную РНК (рис. 4.3). Эта РНК транскрибируется в ДНК, используя механизм генетической рекомбинации клетки. Возникает возможность эффективного процесса ретротранспози-ции интронов. Подвижность была установлена для самовычленяющейся группы И интронов. Для эукариотов характерны так называемые сплайсеосомные (spliceosomal) интроны. Их вычленение из РНК происходит в ядре эукариота при помощи, представляющих собой комплекс небольших ядерных РНК и ассоциированных с ними белков. Их предшественниками, обеспечившими повсеместное распространение сплайсеосомных интронов по геному, были, возможно, нитроны группы II (Consineau et al., 2000).

Если принять в расчет принцип М. Кимуры, что функционально менее значимые гены эволюционируют быстрее, то интрон является наиболее подходящим местом для накопления мутационных изменений. Высказывались предположения, что гены, повторяющиеся в геноме, иногда выполняют в комбинации с другими генами совершенно иную функцию, чем их копии. Гены-дуплика-ты могли какое-то время присутствовать в геноме в неактивной форме, пока подходящая комбинация с другими генами не активировала их в новой роли (Ohno, 1970; Koch, 1972; Cohen, 1976; Oh-ta, 1987; Walsh, 1995; Xe-син, 1984).

Эти предположения встречались критически (Cavalier-Smith, 1985; Doolottle & Sapi-enza, 1980), поскольку они не согласовывались с логикой дарвинизма: «ДНК без прямой, фено-типической пользы не может дать селективное преимущество ее носителю... эволюция не может предвидеть; структуры не могут эволюционировать только потому, что они могли бы оказаться полезными в будущем» (Doolittle & Sapienza, 1980). Это, однако, возможно в другой логике, если не требовать, чтобы каждое изменение проходило испытание естественным отбором. Накопление в геноме таких генов, которые до поры до времени не проявляют себя, но в определенный момент выступают согласованно, позволяет дать объяснение явлению, на которое часто указывают как на одну из трудностей эволюционизма вообще (см., например, Behe, 1998). Речь идет о многих биосистемах организма, которые состоят из тесно взаимодействующих частей, появление каждой из которых в отдельности не имело эволюционного смысла. С позиции дарвиновской молекулярной эволюции, предполагающей закрепление естественным отбором каждой последовательно возникающей мутации, это явление объяснить трудно.

Еще один возможный поворот в роли скрытых генов дает исследование прионов. С.Лундквист с соавторами в недавно опубликованных работах предположили, что скрытые гены могут активизироваться белками, в частности, белком-прионом дрожжей [PSI+] (True and Lindquist, 2000) и белком-чапероном Hsp 90 (Rutherford and Lindquist, 1998). Прион [PSI+] приводит к наследуемым изменениям в фенотипе без какого-либо изменения собственно в ДНК.

§ 4. Эпидемическое изменение генома

Следует выделить еще один аспект, связанный с эксон-интронной структурой геномов эукариотов и генным обменом.

Нельзя представить себе, чтобы одинакового вида редкая случайная мутация, приводящая к улучшению, произошла у двух или, что еще менее вероятно, у большого числа организмов одновременно. Поэтому естественный отбор начинается с одного индивидуума, а закрепление нового свойства требует сочетания событий, каждое из которых имеет невысокую вероятность.

Но, в отличие от дарвиновского механизма естественного отбора, проистекающего от случайной мутации, механизм эволюции путем присоединения или комбинаторного новообразования генов принципиально допускает коллективный характер изменений. Эволюционные изменения могут носить характер эпидемии.

Генное преобразование одинакового характера может «поразить» одновременно значительное число индивидуумов. Это должно быть подобием вирусной инфекции, в результате которой происходит встраивание гена (набора генов) в геном хозяина. «Болезнь» может быть преодолена, т.е. не иметь видимых последствий для вида, может привести к летальному исходу для части популяции и, наконец, может привести к появлению нового неизвестного генома, несущего новое качество.

У. Джилберт заметил, имея в виду перетасовку эксонов (ехоп-shuffeling), что «транспозоны обеспечивают эквивалент секса -- инфекционную передачу генетических элементов от одного организма к другому» (Gilbert, 1986, с. 618).

Эволюционная роль интронов, может быть, даже более значительна, чем роль секса. Последний позволяет создавать комбинации уже известных свойств, в то время как сочетание интронов может дать совершенно новое свойство. Это подобно тому, как иногда создается впрок математический аппарат и лишь позже оказывается, что существует физическое явление, для описания которого он хорошо подходит. Такова, например, судьба теории групп Э. Галуа, которая долгое время была невостребована, и лишь десятилетия спустя Гаусс применил ее для описания явлений симметрии в кристаллах, где она оказалась исключительно плодотворной. Теория групп Галуа является здесь примером «фенотипически» не выраженного низкоэнтропийного продукта.

Точно также в организме могут присутствовать невостребованные гены. Лишь в сочетании с другими, которым еще только предстоит в ходе эволюции присоединиться к ним, они могут дать новую явную функцию. Это напоминает игру в лото. По мере выбрасывания случайных номеров ряды в карточках игроков заполняются. Но это никак не отражается на положении игрока до тех пор, пока какой-либо ряд не закроется полностью. Только с последним удачным номером наступает выигрыш.

Чем сложнее организм, чем более эволюционно продвинут его геном, тем, очевидно, больше латентных генов он должен содержать. ДНК человека содержит в тысячу раз больше генов, чем ДНК бактерий, но только небольшая часть общего числа генов человека проявлена в конкретных функциях, в то время как у бактерий почти все гены используются.

Возможно, в больших геномах имеется масса неосуществленных проектов: недоделанные крылья, органы для улавливания радиоволн и т. п. Под действием новых присоединенных генов, какой-то из этих замыслов осуществляется. При этом происходит одновременное изменение действия других генов. В результате появляется новый таксон.

§ 5. Модификация путей эволюции в соприкосновении организма со средой. Естественный отбор

Как справедливо отмечает один из критиков дарвинизма М.Дж. Бехе: «Сказать, что дарвиновская эволюция не может объяснить все в природе, не значит сказать, что эволюция, случайная мутация или естественный отбор не имеют места; они наблюдались (по крайней мере, в случае микроэволюции) многократно» (М. J. Behe, 1999, с. 176).

Не случайно в этой книге часто цитировалась работа Дж. Бехе, выступающего в качестве крайнего критика дарвинизма и сторонника концепции Дизайна -- божественного происхождения порядка. Как ни странно, между позицией «креациониста» Дж. Бехе и абсолютно материалистической системой излагаемых мною представлений есть то общее, что и в том и другом случае утверждается объективная природа упорядочения. Я утверждаю лишь, что упорядочение вызвано не божьим промыслом, а присуще определенному классу природных процессов. Иллюстрации к тому и другому иногда оказываются общими. В дарвиновской эволюционной теории упорядочение -- побочное явление, вообще не вытекающее из существа концепции. Совершенно справедливо отмечают Дж. Смит и Ё. Цатмари (Smith & Szath-mary, 1999), что «теория эволюции путем естественного отбора не предсказывает, что организмы будут становиться более сложными. Она предсказывает только, что они будут лучше выживать и воспроизводиться в данной обстановке» (с. 15).

Принципиальное различие между дарвиновской концепцией эволюции и той системой представлений, которая излагалась в этой книге, выявляется в ответе на вопрос: возможна ли эволюция в условиях неизменности внешней среды и неограниченном доступе ресурсов?

В самом деле, положенный в основу дарвинизма принцип конкуренции в борьбе за выживание предполагает ограниченность внешних ресурсов. В математических моделях фактор естественного отбора всегда включается как ограничение некоторого используемого ресурса в условиях растущей популяции. В результате выживают наиболее приспособленные. Сложившаяся стабильная ситуация может быть изменена, только если изменились внешние условия, приспособление к которым провоцирует новый шаг эволюции. Если же упорядочение является, как мы утверждаем, имманентным свойством определенного класса природных процессов, то оно при выполнении условий, обеспечивающих реализацию этих процессов, будет иметь место, даже если среда остается неизменной, а ограничение ресурсов отсутствует.

Р.Ленски и М.Трависано (Lenski & Travisano, 1998) описали следующий эксперимент. В 1988 году в 12 небольших сосудов был помещен один и тот же штамм бактерий Escherihiq coli, которые с тех пор дали 24000 поколений. За время эксперимента они содержались в условиях одинакового режима питания и пр., а затем сравнивались со своим прародителями, которые сохранились в замороженном состоянии. Была обнаружена непохожесть возникших изменений геномов в разных культурах, несмотря на сходство видимых адаптационных изменений.

Если в силу каких-либо обстоятельств возникает географический барьер, разделяющий единый вид, то между разделенными популяциями начинается расхождение, приводящее, в конечном счете, к расщеплению вида. При этом внешние условия могут быть в обоих случаях весьма сходными. Очевидно, что видообразование в этом случае не обусловлено естественным отбором и приспособлением к среде обитания. Как сложатся взаимоотношения новой популяции с предшественником, зависит от обстоятельств.

Новая функция может, дав преимущество в одном отношении, ослабить индивидуум в другом. Новая функция не означает обязательно усовершенствование и безусловное преимущество (что всегда имеет в виду дарвиновская эволюция). Поэтому может статься так, что обе популяции, старая и новая, будут заинтересованы в расширении возможностей за счет вновь приобретенной функции и, одновременно, -- в использовании прежних возможностей предшественников. Тогда возможен симбиоз и взаимопомощь.

Конечно, не исключен вариант, когда выживание популяции будет поставлено в зависимость от исхода конкурентной борьбы. Тогда новая популяция либо полностью вытеснит предшествующую, либо погибнет, и новая функция не закрепится. Последний вариант отвечает дарвиновскому механизму естественного отбора. Он лишь представляет частный случай и наименее эффективен для закрепления эволюционных изменений.

Наиболее естественное решение, что популяция займет экологическую нишу, где ее новая функция наиболее выигрышна. Обладатель нового генома ведет не борьбу за выживание, а перемещается в среду, в которой его новое качество может наиболее эффективным образом использоваться.

Цвет ящерицы, обитающей в пустыне, совпадает с ее цветовым фоном, делая ее незаметной для врагов. Песчаного цвета ящерица генетически могла появиться в зеленом лесу. Но именно в пустыне ее цвет становится ее преимуществом. Поэтому она заняла эту природную нишу. Иначе говоря, естественный отбор может приводить не только к гибели «неприспособленных», но просто к миграции их в среду, в которой они наиболее приспособлены. Это согласуется с идеей эволюции в сторону расширения разнообразия, но не вполне отвечает логике дарвинизма, требующей, как уже упоминалось, истребления предшественника для осуществления эволюции путем последовательных мутационных изменений.

Без механизма селекции вновь возникший геном в потомстве начнет рассеиваться. Однако он может эволюционно закрепиться путем аккреции. Если взять ящик, содержащий черные и белые шарики, и встряхивать его, давая возможность шарикам занять наиболее вероятные положения, то через некоторое время черные и белые шарики равномерно рассеются по всему объему. Это положение отвечает максимуму значения энтропии системы. Совершенно невозможно, чтобы при этом черные шарики скопились в каком-то одном месте. Но, ситуация будет иной, если имеют место внутренние взаимодействия. Если, например, черные шарики, в отличие от белых, склеиваются между собой, то при встряхивании ящика они соберутся все вместе. Если взаимодействие однородных индивидуумов обладает селективным преимуществом, то вследствие механизма, аналогичного механизму аккреции склеивающихся шаров, произойдет сплачивание индивидуумов с однотипным геномом. В результате консолидируется новая популяция, обладающая геномом отличным от предшественников.

Был произведен эксперимент, в котором морские и пресноводные рыбки из Японии и Канады испытывались на предмет размножения. Выяснилось, что пресноводные рыбки из Японии предпочитают в качестве партнеров пресноводных рыбок из Канады, а не своих морских соотечественников. И наоборот, канадские морские рыбки отдавали предпочтение географически удаленным японским морским рыбкам перед своими пресноводными соседями (Morell, 1999, с. 2107). Этот пример иллюстрирует эффективность аккреции -- объединения индивидуумов по общим признакам.

В то же время, видообразование неизбежно сопровождается адаптацией к среде обитания. Адаптация осуществляется путем естественного отбора. Это иногда маскирует относительную роль действующих факторов эволюции. Например, генетические изменения у ящерицы, живущей в густом влажном лесу, могли привести к появлению разновидности, физиология которой отвечает более благоприятному обитанию в сухом светлом лесу. После аккреции и перемещения нового вида в новую среду, выясняется, что в разреженном лесу крупные ящерицы с яркой окраской легко обнаруживаются и поедаются птицами. В результате через некоторое время популяция будет представлена мелкими индивидами с камуфляжной окраской, но эти изменения в окраске и размере являются побочными, адаптивными.

Часто приводится следующий пример. В первой половине XIX века из-за развития промышленности и загрязнения кора деревьев вокруг Манчестера постепенно темнела от сажи. Одновременно, лесная моль стала темнеть, и к концу века практически вся популяция моли стала темной. Этот феномен объясняется тем, что темная моль была в популяции, но была малочисленной. Когда деревья стали темнеть, светлую моль поедали птицы, в то время как темная стала занимать все большее место в популяции. Это -- типичный пример выживания приспособленных.

Исследователи неоднократно обращали внимание на удивительную параллель в эволюции животного мира в Австралии и в остальной части мира, от которой Австралия долгое геологическое время была отделена. В Австралии распространены сумчатые -- млекопитающие, рождающие недоразвитое дитя и донашивающие его в сумке, как кенгуру. В остальной части мира сумчатые практически отсутствуют, и млекопитающие представлены плацентными, т. е. носящими зародыш до полного развития. Интересно, что при этом многие австралийские сумчатые имеют своих планцентных аналогов во всех прочих отношениях весьма с ними сходных. Как могло произойти, спрашивает Р. Милтон, что, развиваясь в "изоляции друг от друга более 65 млн лет, оба сообщества эволюционировали параллельно и привели практически к одному и тому же ряду млекопитающих. «... Как могло существо, подобное мыши, (общий предшественник) эволюционировать в два почти идентичных волкоподобных существа? Это совпадение требует не только крайне маловероятных случайных мутаций, но просто чуда» (Milton, 1997, с. 193). Это сомнение справедливо, если иметь в виду эволюцию путем случайных мутаций. Однако эволюция путем комбинирования генов и генных блоков, при определенном наборе взаимодействий, сужает диапазон возможных путей эволюции. При этом в разобщенных сообществах могут возникнуть, наряду с уникальными видами, подобными кенгуру и коала в Австралии, и весьма сходные виды, такие, как тасманский сумчатый волк и обычный европейский волк.

Еще более удивительным является появление человека в Австралии. Если аборигены Австралии являются продуктом биологической эволюции, происходившей изолированно на Австралийском континенте, то это означает, что человеческий вид возник более или менее одновременно в разных местах Земли.

Исключено, что это могло бы быть результатом мутационных изменений, вследствие их случайного и невоспроизводимого характера. Комбинаторная эволюция, хотя и не воспроизводима в деталях, но допускает значительную степень похожести параллельных путей. Если в игровом примере, описанном выше во 2-й главе, остановить игру на каком либо шаге, а затем продолжить ее в двух независимых играх, то результаты последующего развития окажутся сходными, несмотря на различие случайных комбинаций в каждом случае. Это объясняется тем, что комбинаторика осуществляется в условиях существенного ограничения степеней свободы, достигнутого предшествующей эволюцией. Отсюда давно известные закономерности, которые рассматривались как проявление «предсказуемости» эволюции. Примером являются гомологические ряды Н. И. Вавилова (1922), номогенез Л. С. Берга (1922). Некоторые наблюдения приводятся в современных работах (Богданов, 2000; Воронцов, 1999).

В биоэволюционном процессе выделяют несколько системных уровней: молекулярный, генетический, организменный, популяционный, находящихся во взаимосвязи (Воронцов, 1999). Традиционное рассмотрение микро- и макроэволюции условно и в конечном счете зависит от того, к какой совокупности фактов и природных объектов обращается исследователь для аргументации своих представлений. Микроэволюция в большей степени связана с адаптационными явлениями. В макроэволюции, которую рассматривают как процесс формирования таксонов надвидового ранга (см. Иорданский, 1994), преимущественную роль играет, очевидно, комбинаторный механизм. Н. Н. Иорданский (2001) отмечает, что «в отличие от микроэволюции макроэволюция необратима» (с. 321). Можно согласиться, что в макроэволюции необратимый элемент упорядочения выражен сильнее, чем в микроэволюции. Но принципы эволюции едины. И микро-, и макроэволюция сочетают линию упорядочения и линию деградации, на которые наложено модифицирующее влияние среды, выраженное в большей или меньшей мере.

Отдельное место во взаимодействии организма и среды занимают катастрофы. Разумеется они оказывают влияние на ход эволюции (см., например, Красилов, 1986). Глобальные и резкие изменения среды нарушают адаптационные механизмы, приводя иногда к вымиранию видов и одновременно открывая дорогу более интенсивным генным перестройкам, ведущим к появлению новых таксонов. Связанные с этим факты питают сальтационную концепцию.