Проблемы теории эволюции в их соотношении с современной генетикой

Вирус "сигма" -- типичный факультативный элемент. Мутации вирусного генома приводят к сложным формам поведения этой двухвидовой системы. Найдены случаи вирусоносительства, при которых дрозофилы остаются устойчивы к СО2, но вместе с тем иммунны к заражению другими штаммами вируса. Эта ситуация вполне сравнима с состоянием профага у бактерий. Локализованные в разных хромосомах дрозофил мутации типа ref резко ограничивают размножение вирусов и делают мух устойчивыми к заражению. Однако у вируса найдены варианты, которые размножаются независимо от действия ref-генов. При некоторых мутациях скорость репликации вируса возрастает, и вирус (и соответственно, признак чувствительности к СО2) начинает устойчиво передаваться не только по материнской линии, но и через самцов.

Взаимоотношения генома дрозофилы и размножающегося в его цитоплазме вируса подчиняются правилам внутриклеточной популяционной генетики (рис. 6). Воздействия в ходе онтогенеза способны произвести внутриклеточный отбор, вызвать сдвиг в соотношении ОК : ФК, а на уровне фенотипа -- изменение наследственного признака.

Повышенная температура блокирует репликацию вирусных частиц. Если содержать самок и самцов в период гаметогенеза несколько дней при температуре 30° С, то потомство от таких подвергшихся тепловой обработке мух будет свободно от вируса и устойчиво к СО2. Очевиден вывод: приобретенный в ходе индивидуального развития признак устойчивости наследуется в ряду поколений (Brun, Plus, 1980; Голубовский, 1985, с. 328; Landman, 1991). Многие аспекты поведения системы рабдовирус "сигма" -- генотип дрозофилы еще мало исследованы. Например, найдено, что присутствие вируса влияет не только на чувствительность к СО2, но и на темп мутирования, скорость развития и т. д.

Данная ситуация -- лишь один из ярких примеров того, какие сложные морфофизиологические изменения генотипа могут быть вызваны факультативными ДНК и реплицирующимися РНК-носителями. Р. Б. Хесин (1984, с. 224) считал возможным вернуться к высказанной в середине 40-х годов мысли К. Дарлингтона о том, что "строгое разграничение между плазмагеном и вирусом представляется несущественным. Высокая частота мутаций плазмагена и вируса, отягчающаяся быстротой их отбора, при ядерном контроле обоих дает почти ламаркистскую окраску их адаптации".

Можно сформулировать общий принцип: наследование приобретенных признаков наблюдается в тех случаях, когда некий фенотипический признак зависит от числа или топографии факультативных элементов.

Ситуация с вирусом "сигма" не единична. Французские генетики исследовали факторы стерильности самок, связанные с поведением мобильных элементов типа "I". Наследование этого признака определяется сложными ядерно-цитоплазматическими взаимодействиями. Если в отцовских хромосомах локализованы активные I-элементы, то на фоне R-цитоплазмы они начинают активироваться, претерпевают множественные транспозиции и в результате вызывают резкие нарушения онтогенеза в потомстве самок с чувствительной цитоплазмой. Такие самки откладывают яйца, но часть эмбрионов не развивается ввиду гибели на ранней стадии дробления еще до образования бластодермы. Линии, выделенные из природных популяций, отличаются по силе действия I-факторов и степени реактивности (или чувствительности) цитоплазмы.

Наследуемые свойства данной линии количественно характеризует процент погибающих эмбрионов и процент самок, проявляющих стерильность. Эти фенотипические показатели могут быть изменены внешним воздействием. Возраст исходных родительских самок, а также воздействие на них повышенной температуры отражается не только на их собственной плодовитости, но и на плодовитости потомства. Вызванные условиями среды изменения реактивности цитоплазмы поддерживаются длительное время на протяжении многих клеточных поколений. "Самое замечательное, что эти изменения реактивности цитоплазмы под влиянием негенетических факторов наследуются: наблюдается наследование "благоприобретенных" признаков" (Хесин, 1984, с. 176).

Рис. 6. Неменделевское наследование признака, который зависит от популяции факультативных элементов генома. Признак СО2 -- чувствительности вызван присутствием в цитоплазме популяции рабдовируса "сигма". Наследование цитоплазматическое. В случае температурного шока на ранних стадиях развития размножение вируса блокируется и выросшие особи становятся устойчивыми к вирусу ("наследование приобретенных признаков").

2.2 Передача в ряду поколений эпигенетических изменений. Опыты П.Г. Светлова

Стойкое наследование свойств цитоплазмы приводит к важному выводу в теории онтогенеза: индивидуальное развитие организма начинается по существу не с момента оплодотворения яйцеклетки и образования зиготы, а включает в себя весь овогенез у самок предшествующего поколения (Хесин, 1984, с. 219). Что значит этот вывод применительно к человеку? Овогенез начинается на стадии 2--3 месячного эмбриона, а заканчивается через 14-15 лет с началом полового созревания. А женский мейоз заканчивается лишь только после оплодотворения. Таким образом, наследственные признаки детей могут зависеть от условий, в которых происходил овогенез у их бабушек!

Именно такого рода факты были установлены П.Г. Светловым на мышах и дрозофиле (о них кратко упоминалось в конце раздела 4.6). Сравнивалась экспрессия мутантного признака в потомстве двух линий мышей, гетерозиготных по рецессивной мутации микрофтальмии: а) гетерозигот "+", у которых матери были мутантные, а отцы нормальные и б) гетерозигот "+", у которых матери были нормальные, а отцы мутантные. Потомство, у которого бабушки были мутантные, отличалось более сильным выражением мутантного признака. П. Г. Светлов дал этому странному факту четкое объяснение: женские гаметы гетерозиготных самок находились еще в теле своих мутантных матерей и испытывали с их стороны мутантное влияние, которое выразилось в усилении мутации у внуков. Процесс подготовки к первому делению созревания ооцитов у млекопитающих начинается в гонадах плодов, и в этот период женские гаметы очень чувствительны к внешнему воздействию.

Можно подобрать воздействие, которое улучшит "плохой" наследственный признак. Так, П.Г. Светлов показал, что кратковременное (20 мин.) прогревание тела 8-дневного мышонка самки, вызывает какие-то стойкие изменения ооцитов, которые ослабляют действие вредной мутации у внуков! "Передача улучшения развития глаз, наблюдаемая в опытах с нагреванием, может быть объяснена только передачей свойств, приобретенных ооцитами нагретых самок по наследству" (Светлов, 1966). Такого рода наследственные изменения Светлов предложил назвать парагенетическими, считая, что термин "эпигенетический" занят противоположением "эпигенез -- преформация". Термин парагенетические изменения иногда употребляют для общего обозначения тех случаев, когда в онтогенезе в ряду клеточных поколений или в потомстве меняется экспрессия гена, а не его структура.

Сходные данные П.Г. Светлов получил и у беспозвоночных, в опытах на дрозофиле при изучении действия температурного шока на изменение характера выражения мутации forked, "вильчатые щетинки". Предварительно в развитии щетинок-макрохет было установлено четыре критических периода. Если в эти периоды подвергать дрозофил резкому нагреву или охлаждению, то происходит либо уменьшение, либо увеличение числа аномальных щетинок. Подобные изменения сохраняются на протяжении 20-30 поколений и наследуются по материнскому типу. Данные наследственные изменения происходят массово, практически у всех особей, поэтому их нельзя отнести к мутациям.

2.3 Наследственные изменения и пищевой режим (генотрофы растений)

Начиная с 1962 г. английский генетик А. Даррент опубликовал серию статей об исследованиях, которые не привлекали особого внимания в течение 15 лет, до тех пор пока не стала меняться парадигма и пока не были получены первые молекулярные факты (Durrant, 1971; Каллис, 1990).

А. Даррент брал проростки разных линий льна и резко менял режим минерального питания (соли калия, натрия, кальция) в самом начале онтогенеза. Затем он высаживал эти проростки из теплиц в поле. Генотипы и фенотипы некоторых линий оказались очень чувствительными к ранним резким изменениям пищевого режима. Появлялись растения с измененными высотой, весом и размером семян, характером опушения. Многие из этих фенотипических вариантов оказались наследственными, хотя характер наследования был неменделевский и неустойчивый.

Такого рода изменения А. Даррент назвал генотрофами. При отборе индуцированные изменением трофики фенотипы удавалось стабилизировать. Лен имеет 30 мелких хромосом. На уровне количества ДНК между разными линиями генотрофов найдены почти 15% различия, причем как среди умеренно повторенных последовательностей, так и среди сателлитных. Изменения в спектре ДНК затрагивали все хромосомы, но особенно чувствительна оказалась одна фракция повторов (Каллис, 1990).

Истолкование происхождения этих генотрофов следующее: у чувствительных к резкому сдвигу режима питания генотипов происходят изменения в числе и топографии ряда факультативных фракций генома. В результате меняется характер регуляции разных генов. На уровне фенотипа это приводит к наследуемым фенодевиантам и вариациям количественных признаков. Такого рода наследственные изменения нельзя отнести к мутациям. Это типичные вариации, которые являются массовыми и сходно направленными. Изменения факультативных элементов генома в ответ на стресс найдены и в случае отдаленной гибридизации и при выращивании растений из культуры клетки (Каллис, 1990).

2.4 Динамическая память и наследование приобретенных признаков

Изменения в рамках динамической памяти, т.е. связанные с переключением эпигенов, убедительно показаны исследованиями на простейших. Если бы генетика с самого начала изучала процессы изменчивости на простейших, то ее облик был бы иной.

У простейших каждая особь в одно и то же время и одна клетка, и индивид, проходящий последовательные стадии онтогенеза. Поэтому снимаются трудности разграничения воздействий на сому и зародышевый путь. При исследовании амеб оказалось, что эпигенетический контроль выявляется у большинства признаков. В опытах А.Л. Юдина и его коллег (Юдин, 1983) сначала селектировались линии с четко различимыми функциональными и биохимическим признаками. Эти признаки в каждой из линий стойко наследовались на протяжении многих вегетативных поколений.

Затем проводились эксперименты, в которых менялись ядерно-цитоплазматические отношения или получались ядерно-цитоплазматические "гибриды": а) трансплантация гетерологичной цитоплазмы, б) обмен ядрами, в) подсадка ядра из другой линии с последующим его удалением, г) разного рода внешние воздействия. Во всех этих ситуациях удалось дестабилизировать проявление большинства изучаемых признаков, которые либо переходили в альтернативное состояние, либо переключались время от времени из одного состояния в другое. А. Л. Юдин справедливо объясняет подобные объяснения эпигенным контролем выражения изучаемых признаков и наличием в цитоплазме регуляторных молекул, способных вызвать переключение эпигенов с одного режима на другой (Юдин, 1983, с. 171-175).

Из теории эпигенов следует, что если ген-регулятор активирует свою транскрипцию, но его продукт биохимически блокирован, то снятие этого блока определенным внешним воздействием может переключить режим работы эпигена. Именно такого рода явления были обнаружены в случае наследственного переключения серотипов (антигенных вариантов) у парамеции. У парамеций известно двенадцать эпигенетически контролируемых вариантов поверхностных антигенов. Каждая особь проявляет один из вариантов, и это свойство клонально наследуется. Однако, при однократном действии резких факторов среды возможно переключение с одного антигена на другой. Например, под действием температуры 36°С в течение 5 часов практически у 100% особей происходит переключение с антигена 41G на антиген 41D. Это новое состояние клонально наследуется. Можно подобрать условия среды, при которых произойдет возврат к исходному антигену (Нэнни, 1960). Аналогичная ситуация найдена у инфузорий дилептусов (Успенская, Юдин, 2000).

Не вызывает сомнений, что подобные эпигенные системы могут определять дискретные выражения самых разных признаков. Тогда в случае, например, 10 разных антигенов, на базе одного и того же генетического текста на уровне ДНК может возникнуть 210 или 1024 альтернативных .варианта генотипа, т. е., генотип может произвести выбор из более чем 1000 возможностей!

3. Наследственность и инфекция. Горизонтальный перенос и симбиоз

По удивительному совпадению практически одновременно в 1953 г. были сделаны два открытия, определившие лицо современной молекулярной и общей генетики: открытие двойной спирали ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком и концепция лизогении у бактерий, созданная Андрэ Львовым.

Для эволюционной генетики открытие Андрэ Львова, на мой взгляд, имеет не меньшее значение, чем открытие двойной спирали ДНК. Андрэ Львов установил, что в ходе взаимодействия фаг лямбда -- кишечная палочка, фаг может встраиваться в хромосому бактерии и передаваться в ряду поколений как ее генетический элемент. Бактерия, включившая фаг в свой геном, называется лизогенной, а встроенный фаг -- профагом. Фаги, способные переходить в латентное интегрированное в геном состояние, называются умеренными. Встроив фаг в свой геном, бактерия приобретает иммунитет к заражению. В некоторых случаях состояние лизогении влечет за собой приобретение признаков вполне посторонних, например, изменение вида колоний или изменение поверхностных антигенов (конверсия штаммов).

Небольшой исторических экскурс показывает, сколь революционным было открытие Андрэ Львова. Уже с начала 20-х годов были известны штаммы, способные нести фаги в скрытом состоянии и вызывать лизис у чувствительных штаммов. Однако открыватель бактериофагов Феликс Д'Эррель (1873-1949) смотрел на фаг или вирус как облигатно летальный для клетки агент. Он считал, что культуры лизогенных бактерий просто загрязнены фагом, и от него можно избавиться путем очистки.

Взгляд на лизогению как на "артефакт" разделяли и исследователи школы классика генетики микроорганизмов М. Дельбрюка. Выше уже упоминалась причина. Эти исследователи работали с так называемыми Т-фагами, которые не способны вызвать лизогенное состояние. В силу авторитета школы М. Дельбрюка лизогенией долго скрупулезно никто не занимался. Андрэ Львов после войны возобновил в Пастеровском институте исследования на лизогенном штамме бактерии, и уже в 1953 г. создал стройную теорию лизогении, полностью сохранившую свое значение до настоящего времени (Lwoff, 1953; Жакоб, Вольман, 1962; Стент, Кэлинджер, 1981).

Трансформацию, трансдукцию и лизогению можно рассматривать как три разных способа "паранаследственного" приобретения новых признаков (Жакоб, Вольман, 1962, с. 48). Термин "паранаследственные" был предложен еще в 1925 г. Эженом Вольманом для обозначения явлений приобретения признаков путем заражения. В 1928 г. Эжен Вольман пришел к выводу, что "оба понятия -- наследственность и инфекция, казалось бы столь различные и в каком-то смысле даже несовместимые..., при некоторых условиях почти совпадают" (Жакоб, Вольман, 1962, с. 48).

Дальнейшее расширение концептуального поля в этой области связано с работами Джошуа Ледерберга, который в 1952 году ввел понятие "плазмида". Плазмидами Д. Ледерберг предложил обозначать все внеядерные генетические элементы, способные к автономной репликации. Сюда входят вирус "сигма" у дрозофилы, "каппа-частицы" у парамеций, экзогенные вирусы. Взгляд на плазмиды как на симбионты и альтернативный взгляд на них как на составную часть генотипа, согласно Д. Ледербергу, зависит от того, насколько широко исследователь трактует границы генотипа и наследственной системы организма.

Следующий важный шаг был сделан в работах Ф. Жакоба и Э. Вольмана (1962) по изучению пола у бактерий и поведению системы фаг-бактерия. Они установили, что мужской половой тип бактерии определяется внехромосомным фактором, который может внедряться в хромосому бактерии и в 1000 раз усиливать способность к хромосомной рекомбинации этой бактерии с другими бактериями.

Поведение фага лямбда во многом напоминало поведение полового фактора бактерий. В 1958 г. Ф. Жакоб и Э. Вольман ввели термин "эписома" для обозначения генетических элементов, которые могут существовать в клетках в двух взаимно исключающих друг друга состояниях -- автономном и интегрированном. К эписомам они отнесли: умеренные бактериофаги, половой фактор бактерий и факторы колициногенности, с помощью которых одни штаммы бактерий убивают другие.

Через некоторое время выяснилось, что термин эписома был ранее предложен генетиком Д. Томпсоном еще в 1931 г. для объяснения поведения некоторых мутаций дрозофилы. Томпсон допускал существование элементов, способных прикрепляться сбоку хромосомы ("почти от каждой бусинки отходят еще боковые цепочки хромосом"). Обнаружив, что термин эписома "занят", Ф. Жакоб и Э. Вольман нисколько не смутились: "В свете современных представлений о тонкой структуре генетического материала и о механизме мутации теория Томпсона представляется устаревшей. Поскольку нет необходимости сохранять за термином эписома то значение, которое ему придавал Томпсон, мы считаем возможным воспользоваться этим термином".

Но и термин эписома, стремительно ворвавшись в генетику в 60-е годы, постепенно стал уходить в тень под напором более размытого, но зато более общего термина "плазмида" (Стент, Кэлинджер, 1981). Ф. Жакоб и Э. Вольман вначале полагали, что состояния интеграции и автономное взаимно исключают друг друга. Но это оказалось справедливым лишь для узкого класса элементов. Спектр взаимопревращений и переходов факультативных элементов широк. Так, некоторые гены, входящие в состав плазмид у одних видов бактерий, у других видов обнаруживаются в интегрированном состоянии (Хесин, 1984). Мобильные элементы семейства мдг4 у дрозофилы в одно и то же время могут существовать в виде встроенных в хромосому последовательностей, в виде их кольцевых аналогов в цитоплазме и, наконец, переходить в ранг инфекционнных ретровирусов (Kim, et al., 1994). Подобная ситуация не столь необычна.

Панорама возможных взаимопревращений и взаимопереходов генетических элементов была прозорливо представлена в книге Ф. Жакоба и Э. Вольмана (1962, с. 418): "Мы приходим к заключению, что в результате определенных генетических событий могут возникать все промежуточные категории между вирусами (структуры экзогенные, инфекционные и внеядерные, т. е. принадлежащие к классу плазмид) и нормальными генетическими детерминантами клетки (структуры эндогенные, неинфекционные и интегрированные). Эписомы, следовательно, перекидывают своеобразный мост между наследственностью и инфекцией, между клеточной патологией и физиологией клетки, между ядерной и цитоплазматической наследственностью" (выделено мною -- М. Г.).

"Эписомные элементы могут либо присутствовать в клетке, либо отсутствовать, находиться в хромосоме, либо в цитоплазме, быть эндогенными или экзогенными, патогенными или безвредными. Таким образом, по своим свойствам эписомы составляют категорию генетических элементов, приближающихся одновременно к нормальным структурам клетки и к внутриклеточным паразитам, к хромосомным компонентам и к цитологическим элементам" (рис. 7).

Авторы предвидели открытие эписомоподобных элементов у эукариот, прозорливо указывая в качестве их аналога на "контролирующие элементы", открытые МакКлинток. Ф. Жакоб и Э. Вольман, обсуждая взаимодействие эписом с геномом клеток хозяина, приходят к сходному с Дарлингтоном выводу, что наследственность и инфекция перестают быть несовместимыми.

С точки зрения рассмотренной здесь концепции, плазмиды представляют собой важный, но частный случай факультативных элементов генотипа. Интересно проследить воплощения или инкарнации фага лямбда в системе фаг -- бактерия (Фаг-лямбда, 1975).

1. Состояние вирулентности, инфекционности -- фаг проникает в клетку и приводит ее к гибели, лизису, так что из одной бактерии образуется 100-200 фаговых частиц;

2. Состояние профага -- когда фаг интегрирован в хромосому, часть его генов активна и блокирует собственное размножение;

3. Облигатно-вирулентное состояние или утрата лизогенного состояния при повреждении или делеции в локусе "c1" у фага;

4. Облигатно-интегрированное в хромосому хозяина состояние при делеции локуса, контролирующего вырезание фага из ДНК хозяина;

5. Состояние плазмиды -- при некоторых делециях фаг утрачивает способность образовывать белки оболочки, но сохраняет свойство репликации.

В рамках генно-инженерных работ на основе участия генома фага "лямбда" создано множество других удивительных конструкций.

6. Космиды -- концевые фрагменты фага (cos-сайты), обеспечивающие упаковку в головку фага всей молекулы со встроенным посредине фрагментом чужеродной ДНК и участком репликации, взятым из бактериальной плазмиды. Такая космида при наличии целого фага-помощника способна проникать в клетку и реплицироваться в ней. В космиды упакован теперь весь разрезанный на фрагменты геном дрозофилы, а также многие части генома человека.

7. Химерный инфекционный агент, активный в отношении про- и эукариот, ДНК вируса полиомы введена в ДНК фага лямбда, и получился вирус-химера, способный вызывать лизис бактерий и рак у мышей (цит. по В. А. Кордюму, 1982, с. 224).

Рис. 7. Мутационные переходы между разными факультативными элементами и обмен генами между ними и геномом хозяина (по: Ф. Жакоб, Ф. Вольман, 1962).

Если К. Дарлингтон в середине 40-х годов высказал мысль о трудности строгого выбора между плазмагеном и вирусом, то исследования, выполненные в последующие два десятилетия утвердили эту мысль. Приведем такие примеры.

У бактерий условно выделяют штаммы мужского и женского пола. Способность мужского пола передавать часть своей ДНК и своих генов женским реципиентным штаммам зависит от факультативной F-плазмиды, которая способна к самовоспроизведению либо в автономном состоянии, либо будучи интегрирована в хромосому бактерии. Топография плазмиды в хозяйской клетке резко меняет свойство плодовитости последней и состав переносимых при конъюгации генов.

Когда плазмида встроена в геном бактерии, то способность клетки-хозяина передавать свою ДНК женским донорам возрастает в десятки раз, а сама рекомбинация происходит совершенно особым образом. F-плазмида способна включаться в хромосому клетки-хозяина в самых разных ее участках и в разной ориентации. При этом возникает большой набор штаммов с разными начальной точкой и направлениями переноса. Исключение фактора F из бактериальной хромосомы приводит к образованию различных автономных производных плазмид , несущих разные по длине фрагменты хромосомы клетки-хозяина, которые соседствовали с местом интеграции этой плазмиды. Некоторые производные варианты F-плазмиды несли в своем составе около четверти всего генома бактерии! (Стент, Кэлинджэр, 1981).

Фаг лямбда оказался подобным плазмиде плодовитости в смысле способности существовать и автономно, и во встроенном в геном состоянии. Но возможны и другие сценарии симбиоза. Фаг Р1 не интегрируется в хромосому бактерии, но стабильно сосуществует в клетках в виде низкокопийной плазмиды. Стабильность передачи в ряду поколений фага Р1 зависит от упорядоченной сегрегации по дочерним клеткам при делении бактерии. Фаг Р1 напоминает широкий класс автономных R-плазмид или плазмид резистентности, которые воспроизводятся автономно и несут в составе своей ДНК гены устойчивости к самым разным антибиотикам.

Как справедливо пишут Г. Стент и. Кэлинджэр, (1981), с эволюционной точки зрения бактериофаги можно рассматривать "как особый класс плазмид, накопивших наследственную информацию, необходимую для синтеза белковой сомы -- головки фага, в которую включается генетический материал. Таким образом, эволюция фаговой ДНК привела к образованию инфекционных плазмид, которые в одеянии фаговых частиц способны переходить вне цитоплазмы и в таком виде переходить от одного хозяин к другому".

На основе подобного рода фактов Л. Маргелис (1983) развивает расширенное представление о симбиозе как разного рода ассоциаций между генетическими системами. Ассоциация понимается на трех уровнях: метаболическом, уровне генных продуктов и генетическом.

Идея симбиоза как фактора прогрессивной эволюции была высказана и обоснована русскими биологами А.С. Фаминцыным и К.С. Мережковским в начале XX в. (Л.Н. Хахина, 1979). Эта идея считалась фантастичной, до тех пор пока в 60-е годы не обнаружили ДНК в составе митохондрий и пластид. Их появление у эукариот в ходе симбиогенеза подробно аргументировано Л. Маргелис (1983). В рамках изложенного здесь взгляда на геном разные варианты внутриклеточного симбиоза могут рассматриваться в аспекте взаимодействия облигатных и факультативных компонентов Оригинальная концепция старения, основанная на переходе симбиотических отношений факультативных элементов при изменении внутриклеточной среды в диссимбиотические предложена Ю.Б. Бахтиным (1985).

Расширенное представление о геноме вносит ясность в понятие "горизонтальный перенос", с которым связан в эволюционных дискуссиях ряд недоразумений. Односторонне понимать под горизонтальным переносом лишь интеграцию чужеродных генов в хромосомы ядра. Интеграция -- это частный случай переноса. О горизонтальном переносе можно говорить всякий раз, когда происходит устойчивая ассоциация двух генетических систем, например, с устойчивым размножением в цитоплазме или ядре плазмид или вирусов, что сопровождается появлением новых признаков и свойств этой ассоциации.

Типичный пример: система дрозофила и вирус "сигма". Колоссальная роль горизонтального потока генов с помощью плазмид выяснилась в связи с массовым применением антибиотиков и инсектицидов, когда человечество приступило к грандиозному эксперименту, поставленному на бактериях и насекомых. Стратегия защиты бактерий от антибиотиковой атаки человечества состояла в следующем. Гены устойчивости по одному или по нескольку сразу попадали в транспозон, а затем на плазмидах-векторах передавались вне рамок полового процесса. В природе есть громадный фонд плазмид, но сравнительно ограниченный набор генов резистентности, переносимых разными плазмидами (Хесин, 1984, с. 89).

Детальные наблюдения характера возникновения опосредованной плазмидами устойчивости сделаны в Японии и Англии. В 1945 г. в Японии для борьбы с дифтерией стали применять сульфаниламид. Он был высоко эффективен только первые 5 лет. Вскоре появились устойчивые штаммы дифтерийной палочки, а уже некоторое время спустя 80-90% изолятов были устойчивыми. Затем сульфаниламид заменили антибиотиками. Но уже в 1952 г. от больного дифтерией был выделен штамм дифтерийной палочки, одновременно устойчивый к тетрациклину, стрептомицину и сульфаниламиду. А в 1964 г. половина всех бактериальных штаммов, выделенных из больных дизентерией, несла гены устойчивости одновременно к четырем антибиотикам. Эти гены устойчивости были собраны в одной плазмиде, способной распространяться среди бактерий горизонтально.

Гены плазмид, в свою очередь, могут перекочевывать на хромосомы клеток-реципиентов. Считают, что таким путем в кишечную палочку попали гены, кодирующие ферменты инактивации антибиотиков (Кордюм, 1982; Хесин, 1984). Возникает вопрос, откуда взялись первые гены устойчивости к антибиотикам? Получены факты в пользу гипотезы, что эти гены впервые появились у почвенных бактерий, живущих рядом с грибами-продуцентами антибиотиков. В почвенных бактериях в плазмидном состоянии находятся детерминанты устойчивости к тяжелым металлам. Из природных резерватов плазмиды с транспозонами, несущие гены устойчивости, попадают к бактериям животных и человека и с помощью их распространяются по всему миру.

Замечательное подтверждение этой идеи получено в последней работе Р.Б. Хесина, посвященной распространению факторов резистентности к ртути у бактерий и других живых организмов, выделенных в районе ртутно-сурьмяного месторождения в Киргизии. Плазмиды с детерминантами устойчивости найдены у почвенных бактерий в центре рудника. И в этой же зоне плазмиды обнаружены у энтеробактерий, выделенных из кишечника живых домовых мышей и зеленых жаб. Таким образом, получено опытное доказательство, что "участки, содержащие яды, послужили центрами происхождения плазмид-факторов резистентности... Можно предполагать, что бактериальные сообщества в природе, несущие плазмиды, служат природными очагами, где они постоянно поддерживаются, и оттуда они систематически поступают через цепи бактерий и животных -- переносчиков к человеку" (Хесин, 1985).

Секвенирование геномов и их сравнительный анализ (геномика) у бактерий показывают большую роль горизонтального переноса в круговороте ДНК в природе. Полностью расшифрованный в 2000 году геном холерной бактерии Vibrio cholera состоит из двух кольцевых хромосом. Большая хромосома имеет длину в 2 961 146 п. н., а малая -- 1 072 314 п. н. Как показал сравнительный анализ, основные гены жизнеобеспечения сосредоточены в большой хромосоме, а малая хромосома рассматривается как "мегоплазмида, захваченная одним из предковых видов рода Vibrio" (Heidelberg, et al., 2000). Таким образом, холерный вибрион напоминает систему земля -- луна. В хромосоме-мегаплазмиде находят комплексы генов, обеспечивающих горизонтальный перенос или так называемые "факторы колонизации", гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам. В мегаплазмиде собирались гены из разных бактерий, прежде чем она была захвачена холерным вибрионом. В природных условиях непатогенные бактерии рода Vibrio живут в эстуариях рек и солоноватых водах и относятся к зоопланктону. Патогенность холерного вибриона -- результат его "одомашнивания" и вхождения в новую экологическую нишу после захвата мегаплазмиды, ставшей из факультативного облигатным компонентом генома, так как в нее перешли некоторые облигатные гены.

Пожалуй, самым замечательным из известных примеров природной генетической инженерии является симбиоз между почвенными бактериями рода Agrobacterium и двудольными растениями. Бактерия А. tumefaciens вызывает опухолевое разрастание -- корончатые галлы на границе стебля и корня. А бактерия A. rhizogenes вызывает заболевание "бородатый корень" -- сверхнормальное разрастание корней в пораненном участке, инфицированном бактерией. Оба феномена были известны еще с начала века, но расшифрованы лишь в 80-е годы и были образно и точно названы "генетическая колонизация".

Галлы и разрастания вызываются горизонтальным переносом -- встраиванием в клетки корня растения-хозяина опухолеродного мультигенного сегмента ДНК из плазмид, которые как факультативный элемент содержатся в природных популяциях бактерий. Опухоль синтезирует производные аргинина, которых нет у растения-хозяина и структура которых полностью определяется штаммом бактерий. Они необходимы для роста бактерий. Agrobacterium представляет собой утонченного паразита, заставляя зараженное растение (посредством встраивания в геном растения своих генов) превращать часть его запасов аргинина в питательные компоненты, которые инфицирующая бактерия избирательно усваивает (Гейзен и др., 1990).

Поразительно, замечают авторы, что в то самое десятилетие, когда человек начал работать с бактериями с целью заставить их синтезировать животные белки, была обнаружена природная генно-инженерная система, позволяющая бактериям передавать свою ДНК и колонизировать их. С эволюционно генетических позиций поразительно и то, что (а) у обоих видов бактерий, вызывающих галлы и "бородатые корни", опухоли связаны с кольцевыми плазмидами бактерий и с встраиванием части ДНК из этой плазмиды в хромосомы растения-паразита; (б) сами плазмиды из двух видов бактерий совершенно несходны между собой по составу ДНК; иными словами, сценарий генетической колонизации возникал в эволюции независимо и неоднократно. Теперь исследователи успешно пытаются "приручить" созданные природой инструменты для направленной генетической трансформации растений, благо фитопатогенные бактерии рода Agrobacterium относятся к семейству клубеньковых бактерий Rhizobiaceaea, столь важным для увеличения фиксации азота у культурных растений (Генетические основы селекции клубеньковых бактерий, 1990).

Горизонтальная передача генов и их блоков, опосредованная транспозонами и плазмидами, может быть сравнима с передачей от одного народа к другому крупных инженерных изобретений. Особенно велика роль плазмидной миграции генов в случае приобретения у бактерий устойчивости к антибиотикам и способности к санации окружающей среды от биосферных и антропогенных загрязнителей. Так ли уж парадоксален вывод Р. Б. Хесина (1984, с. 104), что не будь в природе плазмид, не было бы не только многих видов бактерий, но и нас, "поскольку мы бы уже отравились продуктами своей мощной химической промышленности, которые бы не обезвреживались бактериями".

4. Вирусы и информационный обмен в биосфере

Термин вирус этимологически обозначает яд. Вплоть до 60-х годов вирусы преимущественно рассматривались как болезнетворное начало. Но уже изучение взаимодействия в системе фаг -- бактерия показало сложный спектр отношений с возможным внедрением фага в хромосому, переходом его в ранг плазмиды, приданием новых свойств клетке хозяина и т. д. Изучение вирусов эукариот, открытие большого сходства мобильных элементов с вирусами, а затем повсеместное распространение вирусных последовательностей в геноме каждого изученного вида млекопитающих изменило представление о вирусах. Они зачастую составляют факультативный элемент генотипа.

Представление о повсеместности вирусов в биосфере, высказанное в середине 70-х годов (Жданов, Тихоненко, 1975), в настоящее время полностью подтверждено. По образному замечанию К.Г. Уманского (1981), стоит только начать целенаправленно изучать какой-либо объект, как оказывается, что он "нафарширован самыми разнообразными вирусами... Они вездесущи. Может быть, именно поэтому их можно обнаружить при любом заболевании (у здоровых их, как правило, не ищут)". У человека только в клетках кишечника число обнаруженных в норме и при патологии вирусов больше 120. К 70-м годам в новом свете предстали респираторные заболевания. "Кажущаяся бесконечной последовательность простудных заболеваний, переносимых большинством горожан, является отражением серии малых эпидемических вспышек, каждая из которых связана с вирусом одной из групп, способных вызвать этот синдром или с каким-либо из серотипов риновирусов" (Биология вирусов животных, 1977).

Целенаправленное изучение путей распространения вирусов в природе (то, что называется "environmental virology" и лучше всего перевести как биоценотическая вирусология) вызвало в начале годов 80-х "новую эру в медицинской вирусологии" (Metcalf, et al., 1995). Такие вирусы, как вирус полиомиелита, которые из-за своего видимого патогенного эффекта считались исключительно нейротропными, оказались обнаруженными в сточных водах и, стало быть, входят в группу энтеровирусов. Сточные воды оказались источником вспышки одной из форм вирусного гепатита, детского гастроэнтерита.

Пути распространения вирусов в биоценозах и соответственно пути горизонтального межвидового переноса поразительны (Воинов, 1974). Достаточно сказать, что РНК-содержащий вирус гриппа переносится водоплавающими перелетными птицами, он обнаружен у китов и у планктонных организмов (Жданов, 1990). Исследования С.М. Гершензона и его последователей (Гершензон, Александров, Малюта, 1975) показали, что РНК вируса гриппа вызывает летальные мутации сразу в нескольких локусах хромосомы 2, причем летали именно в этих локусах чаще других распространены в природных популяциях дрозофил (Александров, Голубовский, 1983).

Эволюционные аспекты повсеместностного распространения (убиквитарности) вирусов в природе достойны обсуждения с разных сторон: Вирусы как самый мощный селективный фактор в природе и самый мощный генератор наследственного полиморфизма, возникающего в результате популяционно-генетических взаимодействий типа паразит -- хозяин. Эта идея была выдвинута и всесторонне обоснована Эфроимсоном еще в 60-е годы (Эфроимсон, 1971). По предположению Р. Л. Берг, сходные векторы отбора к инфекционным вирусам могут вызывать параллелизм в составе генофондов относительно изолированных и удаленных популяций, в пользу чего были получены косвенные данные в многолетних популяционно-генетических наблюдениях на дрозофиле (Голубовский и др., 1974; Александров, Голубовский 1983).

Дальнейшее воплощение идея Эфроимсона нашла в переносе популяционно-генетических взаимоотношений типа паразит -- хозяин на внутриорганизменный уровень. Рассматриваются модели коэволюции вирусных антигенов и иммунной системы защиты хозяина, одним из компонентов которой является соматическая гипермутабильность иммуноглобулиновых генов (Родин, Ржецкий, 1990).

Инфекционные вирусы как усилитель мутационного процесса. Это явление было твердо установлено к середине 60-х годов в генетике соматических клеток и при исследовании клеток крови при вирусных инфекциях. При инфекциях, вызванных вирусами кори, герпеса, частота хромосомных аберраций в инфицированных клетках достигала десятки процентов. Уже в учебнике Гершковича (1968) сообщается о 7 вирусах, индуцирующих хромосомные перестройки. Эти данные дали возможность предположить, что вирусы способны индуцировать в природе вспышки хромосомных перестроек, наблюдаемые у некоторых видов (Воронцов, 1984, 1988).

Неинфекционные чужеродные вирусы и вирусные нуклеиновые кислоты действуют как совершенно особый мутагенный фактор, вызывающий вирус-специфичные и сайт-специфичные мультилокусные повреждения хромосом и нестабильность генов. Этот феномен был открыт и тщательно исследован в многолетних исследованиях Гершензона и его коллег (Гершензон, Александров, Малют, 1975; Gershenzon, 1986). Сначала это открытие связывалось с тем, что природные биополимеры действуют на манер эписом. Такой механизм возможен, но видимо, не главный, как показали дальнейшие исследования (Gershenson, Alexandrav, 1997).

Вирусы и вирусные нуклеиновые кислоты как мощный активатор имманентных для клеток хозяина мобильных генетических элементов и как фактор, вызывающий вспышки инсерционных мутаций. В пользу этого сначала было получено множество косвенных популяционно-генетических данных на дрозофиле (Golubovsky, 1980; Голубовский, Беляева, 1985), а также на кукурузе. Затем были получены прямые молекулярно-генетические данные в опытах на дрозофиле, начатых в 80-х годах (Gazaryan, et al., 1987).

Как и предсказывали Ф. Жакоб и Э. Вольман, в природе постоянно происходит переход от инфекций к факультативному и облигатному симбиозу, когда вирус становится элементом ФК клетки (Кордюм, 1983; Маргелис, 1983; Хеши, 1984; Цилинский, 1988; Жданов, 1990).

Особая роль принадлежит ретровирусам или РНК-содержащим вирусам, которые размножаются с помощью обратной транскрипции. Сюда входят онкогенные вирусы млекопитающих, образующие три группы: саркомные, вирусы лейкоза и лимфо-лейкозные вирусы, вызывающие СПИД. Обязательная стадия в репродукции этих вирусов -- образование ДНК-копий и их интеграция (как у профага лямбда у бактерий) в геном клетки хозяина. Эндогенные ретровирусы в интегрированном состоянии передаются через половые клетки.

Суммарно провирусы ДНК могут составлять до 0,03% от всей ДНК генома, и это, как полагают, верхушка большого айсберга. Сравнительно-эволюционный анализ показал, что у млекопитающих и птиц практически идентичные провирусные последовательности в составе их генома появились уже после эволюционного обособления соответствующих видов. Этот поток генов между далекими организмами является реальностью. Он доказан сходством генома самых разных животных по некоторым последовательностям ДНК, одновременно входящим в геном определенных ретровирусов. Так "породнились" между собой, например, крысы, мыши, кошки, свиньи и человек: у них масса общих рудиментов эндогенных ретровирусов". Вопрос заключается только в том, насколько часто организмы их присваивали и использовали в эволюции в качестве благоприобретенных собственных генов (Хесин, 1984).

Первый ретровирус (это стало ясно позднее) обнаружил в 1911 г. Пеутон Роус (или Раус, -- Peyton Rous) в стенах Рокфеллеровского института медицинских исследований. Он показал, что вирусный агент может индуцировать опухоли мышечной и костной ткани у птиц. "Результаты Рауса были встречены таким всеобщим недоверием, что он совсем прекратил исследования ретровирусов, и застой в этой области продолжался вплоть до 50-х годов," -- пишет Р. Галло (1987), выделивший первый ретровирус человека в 1978 г.

В 40-х годах Л. И. Зильбер выдвинул вирусно-генетическую теорию рака, предположив, что трансформация нормальных клеток в опухолевые вызвана включением в геном клетки генетического материала вируса. И именно поэтому его очень трудно обнаружить в опухолевых клетках (Зильбер, 1968). Эта идея была в то время очень смелой, если вспомнить, что еще не было концепции профага. Идея интеграции онкогенного вируса в геном клетки-хозяина оказалась верной. Впоследствии были открыты онковирусы, которые встраивая в свой состав один из ключевых хозяйских генов, регулирующих клеточное деление, превращают нормальную клетку в раковую. В 1966 г., спустя полвека после своего открытия, П. Раус получил Нобелевскую премию за свои работы.

Роберт Галло (1987), изучая последовательности вирусов СПИД, заключил, что вирус недавно проник в геном человека от приматов (зеленых мартышек и шимпанзе). Вспышке эпидемии СПИД способствовало массовое переливание крови, начиная с 50-х годов, миграции и либерализация половых контактов. Неожиданно выясняется, что феномен быстрого глобального распространения синдрома СПИД, обусловленного ретровирусом ВИЧ, уже как бы "промоделирован" на дрозофиле.

В природных популяциях дрозофил вида D. melanogaster, начиная с 60-х годов XX в. стали в глобальном масштабе распространяться активные Р-элементы, которые у гибридов с М-цитоплазмой вызывают целый комплекс наследственных аномалий -- синдром гибридного дисгенеза.

Р-элементы не найдены у видов близнецов комплекса melanogaster, зато весьма близкие по составу Р-копии обнаружены у вида D. willistoni из другой подгруппы. Родина видов комплекса melanogaster -- Африка, и этот синантропный вид, как полагают, попал в Америку около трех столетий назад с кораблями, перевозившими черных рабов из Африки (Engels W. R., 1992). И в Америке же Р-элементы из D. willistoni путем горизонтального переноса попали в геном D. melanogaster. Посредником в этом переносе могут быть виды клещей, как выяснено в исследованиях Маргарет Кидвелл (Kidwell, 1992, 1994). Глобальная экспансия активных Р-копий наблюдается с начала 60-х годов XX в. Сценарий горизонтального переноса Р-элементов и их глобального распространения совпадают с таковым для ретровирусной пандемии синдрома СПИД. Ниже указаны черты сходства в эволюционной судьбе двух разных мобильных элементов.

Таблица 1. Сходство эволюционной судьбы двух факультативных элементов

Данные по дрозофиле (Kidwell, 1994; Engels, 1992), по ретровирусу СПИД (Галло, 1987; Галло, Монтанье, 1988; Эссекс, Канки, 1988).

Заключая этот раздел, заметим, что если бы существовала "Декларация прав клетки", то один из главных ее пунктов мог бы звучать так: "Клетка каждого вида в биосфере Земли имеет право искать, получать и распространять наследственную информацию между любыми структурными компонентами генома как своего вида, так и вне его границ". Таким образом, в отличие от жесткого информационно-видового барьера, что свойственно концепции селектогенеза, современная теория эволюции должна быть основана на демократических принципах Декларации прав клетки.

5. Информационный фактор в эволюции

В конце своей книги "Непостоянство генома" Р.Б. Хесин высказал мысль о том, что благодаря перемещающимся элементам генофонды всех живых организмов потенциально образуют общий генофонд всего живого мира (Хесин, 1984, с. 378). В более резкой форме сходная мысль, разработанная в виде информационной концепции эволюции, представлена в вышедшей ранее вдохновенно и эмоционально написанной книге "Эволюция и биосфера" В.А. Кордюма (1982). Выход этой книги сопровождался бурной реакцией биологов-эволюционистов, Было опубликовано несколько рецензий от умеренно спокойных и в целом положительных (Воронцов, 1984) до резко негативных (Гершензон, 1984).

Негативная реакция, в значительной степени, особенно судя по рецензии (Беляев, Гиляров, Татаринов, 1985) представляет собой в контексте социологии науки проявление феномена "struggle for authority", т. е. борьба за авторитет (Sapp, 1991).

Попытки применения теории информации к эволюции биосферы делались с разных позиций (Колчинский, 1990). Но в области эволюционной генетики они особенно конструктивны. Подобный подход позволяет, во-первых, выделять структурные и динамические способы организации наследственной памяти, а во-вторых, не сваливая все в одну кучу, анализировать разные способы хранения, кодирования и передачи наследственной информации.

Информационный подход здесь -- не дань некой моде. Он связан с самой спецификой организации клетки. В 1990 г. в международном ежегоднике по цитологии опубликованы размышления клеточного биолога Г.А. Бюлера (США) "Почему мы не понимаем живую клетку или мифы молекулярной биологии" (цит. по Л. Маргулис, 1991). Основная мысль автора состоит в том, что при изучении метки как системы, в которой действует множество из примерно 1013 молекул, приоритет должен быть сделан на описании поведения и свойств не молекулярных, а надмолекулярных внутриклеточных структур, среди них органеллы, мембраны, нити цитоскелета, микротрубочки, хромосомы. Ибо все процессы в клетке происходят в особым образом организованной структурированной среде, в депокомпартментах.

Биологические процессы в отличие от физических и химических определяются в значительной степени информацией. Альбрехт Бюлер считает, что клеточная биология призвана объяснить, как 1013 неживых молекул объединяются и взаимодействуют в живой клетке и что их удерживает вместе. Это "что-то" -- информация в клетке. Такая информация, по мысли Г.А. Бюлера, может быть записана в особенностях структуры мембраны, расположения элементов цитоскелета, распространения ионов. Клеточная биология должна анализировать всю записанную в виде таких "текстов" информацию (Маргулис Л., 1991). Информационный подход к анализу организации и функции клеточной наследственности и генотипа вполне соответствует описанию клетки как целого.

Стержнем "информационной концепции" В.А. Кордюма является описание нетрадиционных форм наследственной изменчивости, связанных с поведением перемещающихся генетических элементов и их реальной и потенциальной роли в эволюции. Еще до выхода своей книги В.А. Кордюм (1976) сделал обзор молекулярно-генетических свойств открытых к тому времени подвижных элементов. Но эта изложенная в традиционной академической манере статья осталась незамеченной.

И лишь вышедшая спустя 6 лет его книга (Кордюм, 1982) вызвала бурную негативную реакцию у сторонников традиционных дарвиновских взглядов. В немалой степени это объясняется неакадемическим, раскованным размашистым стилем автора, его сознательным желанием возмутить спокойствие и бросить "красную тряпку", иногда слишком вольными и необязательными эволюционными обобщениями. В разделе 3.4.1 на примере необычной судьбы заметки Гилберта, обсуждались незримые запреты, налагаемые на стиль научных статей и книг (Myers G., 1991). Этот стиль подобен классицизму в искусстве с его канонизацией последовательности изложения, единством места и действия. Каждой определенной эпохе или периоду, каждой научной школе соответствует свой научный стиль (Шрейдер, 1986).

Ранее науковедов на динамику стилей в науке обратил внимание поэт Осип Мандельштам, посвященный в сложные проблемы биологии систематиком Б.С. Кузиным, который стал другом поэта; отсюда стихи "Ламарк" и слова: "Я дружбой был, как выстрелом разбужен" (Материалы из архивов, 1987). В научно-художественном эссе-шедевре "Вокруг натуралистов", который написан в 1932 году, Мандельштам в поразительно изящной, афористичной манере проводит глубокое сопоставление научного стиля Дарвина и предшествующих ему натуралистов -- Ламарка, Бюффона, Палласа (Мандельштам, 1991).

Тонкая ирония над самодовольным и не признающим отступлений научным классицизмом заключена в притче Сент-Экзюпери, вложенной в уста Маленького принца: "Астроном доложил о своем замечательном открытии на Международном астрономическом конгрессе. Но никто ему не поверил, а все потому, что он был одет по-турецки. Уж такой народ эти взрослые". Именно эта фраза приведена в работе, где с позиций науковедения рассмотрено отторжение научным сообществом работ, которые резко диссонируют с принятыми канонами жанра (Alexandrov, Sirotkina, 1993). В данном контексте авторы справедливо называют и книгу В.А. Кордюма.