Эволюция как эпигенетический процесс

ЭВОЛЮЦИЯ КАК ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

В основе непротиворечивой эволюционной теории должен лежать общий исходный принцип, позволяющий объяснить все многообразие биологических закономерностей. Ни одна из них (в том числе и наследственность) не может быть противопоставлена остальным как нечто независимое от эволюционного процесса. Единственно приемлемой основой для такого общего объяснения представляется дарвиновская идея естественного отбора.

В понимании Ч. Дарвина субстрат естественного отбора составляют целостные организмы, конкурирующие в борьбе за существование и возможность оставить потомство. Результат отбора -- возникновение все новых устойчивых и дискретных типов организации, которые регистрируются исследователями как ныне живущие или вымершие биологические виды. Именно высокая устойчивость этих типов, или адаптивных норм [1184], в пространстве и во времени создает возможность их сравнительного изучения и классифицирования и делает их следы, сохраняемые в геологической летописи, надежным средством для возрастных и биогеографических сопоставлений.

Говоря об этом свойстве адаптивных норм, мы в действительности подразумеваем, что их историческое существование поддерживается в поколениях непрерывной сменой особей, надежно реализующих в своем индивидуальном развитии данную видоспецифичную организацию. Каким образом создается эта устойчивость онтогенетического осуществления? На этот вопрос и должна ответить эволюционная теория. Объяснить эволюцию на основе естественного отбора -- значит показать, что именно он ответствен за создание механизмов индивидуального развития, ведущих к детерминированному конечному результату (т. е. к норме). В классическом дарвинизме эта проблема не разработана, но необходимость ее решения очевидна. Поэтому любая концепция, претендующая на роль нового этапа в развитии дарвинизма, должна оцениваться, прежде всего, по тому, насколько она способна объяснить происхождение устойчивости нормального онтогенеза.

Первую попытку вскрыть соотношения между естественным отбором и индивидуальным развитием представляет теория зародышевой плазмы А. Вейсмана, в которой организм как объект отбора был заменен совокупностью наследственных зачатков (детерминантов), передаваемых в поколениях независимо от онто-генеза, через зародышевый путь. Развитие рассматривалось как пассивный результат действия этих зачатков, разделяющихся в ходе клеточных делений и однозначно детерминирующих по отдельности все части организма (что и объясняет его устойчивость). Причины возникновения этих предопределяющих свойств зачатков теория не объясняла. Эта попытка отделить развитие как область «соматогенных» (ненаследственных) изменений от процесса передачи половых клеток как сферы действия отбора оказалась в решительном противоречии с фактами. Во-первых, зародышевый путь во многих случаях не обособляется от соматического развития или же является его итогом (вегетативное размножение, чередование половых и бесполых поколений). Во-вторых, очевидно, что между структурой зародышевой клетки и исходом нормального развития нет однозначного соответствия. Удаление частей развивающегося зародыша вместе с их предполагаемыми детерминантами может не мешать регуляции развития к норме и, наоборот, одна и та же клетка способна дать начало разным устойчивым типам организации в случаях адаптивного полиморфизма. Необходимость обойти эти противоречия, сохраняя принцип мозаичной детерминации, заставила ввести в теорию дополнительные допущения:

1) об избыточности зародышевой плазмы по отношению к фактическому исходу развития;

2) о переносе части ее (резервной идиоплазмы) вместе с соматическими клетками в ходе развития;

3) об изменении ее состава с помощью отбора (борьбы) детерминантов под действием внешних факторов [159, 247I].

Таким образом, вопреки исходному пункту своей концепции А. Вейсману фактически пришлось признать, что именно индивидуальное развитие является источником изменений, вызываемых естественным отбором. Эти трудности в понимании эволюционной роли онтогенеза, по существу, разрушившие теорию А. Вейсмана, перестали, однако, казаться актуальными на следующем этапе развития идеи дискретной наследственности. После переоткрытия менделеевских законов, казалось бы, все стало ясно. Если все признаки независимо определяются генами, то онтогенез можно рассматривать как несущественную промежуточную инстанцию между теми и другими, не представляющую специального интереса. Чтобы понять историческую роль отбора, достаточно оценить его действие непосредственно на гены.

Оценка этой роли, характеризующая представления раннего менделизма, может быть суммирована в нескольких общеизвестных положениях: 1),наследственная изменчивость подчиняется исключительно правилам менделеевских расщеплений; 2),новые варианты могут вноситься в нее лишь за счет мутаций (эта возможность, впрочем, также оспаривалась); 3) естественный отбор способен лишь отсеивать наследственные факторы, уменьшая разнообразие форм и, таким образом, не может выполнять той созидательной функции, которая приписывается ему дарвинизмом.

Принято считать, что эти упрощенные воззрения были преодолены в ходе развития моргановской хромосомной генетики и что ее объединение с дарвинизмом привело к созданию новой синтетической теории, реабилитировавшей идею отбора. Для оценки сущности этой теории необходимо, прежде всего, установить, какие принципы лежат в ее основе и как она объясняет главную эволюционную проблему--устойчивость нормального индивидуального развития.

Очевидно, что ее исходным пунктом, как и у А. Вейсмана, служит принцип отбора наследственных факторов (в данном случае -- менделеевских аллелей). Хотя уже с 40-х годов в изложениях теории одновременно подчеркивается, что объектами отбора являются фенотипы, тем не менее «ее идеалы остались прежними» [750]. Движущий отбор и сегодня определяется в ней как процесс замещения аллелей, а скорость эволюции -- как скорость этого замещения [269]. В результате отбора ожидается увеличение однородности генетического состава популяций [999, 1164], а наличие в них высокой гетерогенности, несмотря на все попытки альтернативных объяснений (частотно-зависимый отбор и т. п.), приравнивается, прежде всего, к вмешательству факторов, действующих «несмотря на силы отбора» [7, с. 51]. Все это равносильно признанию, что подлинными единицами отбора предполагаются именно гены.

С этим принципом неразрывно связано принятие теорией и другого вейсмановского представления -- об однозначных соотношениях гена и признака (хотя формально оно отрицается моргановской генетикой). Гены здесь обычно наделяются постоянными маркерами в виде коэффициентов приспособленности, сохраняемых ими во всех рекомбинациях. Кроме того, поскольку давление отбора оценивается только по изменению частоты форм в поколениях [1164], то ясно, что судить таким путем об изменениях генного состава можно лишь при наличии прямой связи между признаками и генами.

Следующий важный момент в оценке синтетической теории касается ее представлений о взаимоотношениях мутационного процесса и отбора, а также о причинах фенотипической устойчивости. Позиция теории по всем этим вопросам однозначно вытекает из отождествления ею менделеевских факторов с хромосомными локусами, в силу которого мутация рассматривается как акт создания элементарного менделеевского различия. А поскольку такое различие должно контролировать пару альтернативных (аллельных) наследственных признаков, то мутация приравнивается к появлению нового устойчивого фенотипа. Хотя сторонники теории часто не замечают ее сальтационистской природы [594, 898], в действительности она очевидна и имеет ограничения лишь технического характера. Там, где две устойчивых морфы или расы различаются только по одному менделеевскому фактору, это считается прямым указанием на происхождение одной формы из другой путем единичной мутации [1509, 269]; если же предполагается множество таких различий (например, у преемственных видов), то путь их приобретения представляется как цепь мутаций [1509, с. 52].

Это означает, что для синтетической теории вопрос об устойчивости нормального фенотипа и реализующего его онтогенеза вообще не является предметом рассмотрения; эффект всякого генетического изменения по определению считается ею наследственным, т. е. устойчивым. Хотя и признается влияние на него внешней и внутренней среды, сам факт его существования в виде особого маркера полагается очевидным и не зависящим от отбора (последний лишь оперирует такими наследственными признаками). Подлинной причиной появления нового признака считается мутация, а не отбор.

Следовательно, в основе синтетической теории лежит не столько реальный мир фактов хромосомной генетики, сколько редукционистские упрощения, унаследованные от А. Вейсмана и ранних менделистов (отбор генов, линейные связи генов и признаков, появление устойчивых новшеств путем мутаций). Такие важные эмпирические обобщения генетики, как устойчивость нормы («дикого типа»), по сравнению с мутационными аномалиями и тенденция к их поглощению в скрещиваниях; нарушения менделеевского наследования, выражаемые в понятиях экспрессивности и пенетрантности; гетерогенность однотипных природных аномалий; зависимость признаков от генома в целом; лабильность доминирования -- не находят самостоятельного выражения на языке синтетической теории и низводятся ею на уровень несущественных помех, затемняющих правильную картину менделеевских расщеплений.

Эти выводы вполне согласуются с сегодняшней тенденцией к переоценке синтетической теории в глазах генетиков. Ее все чаще характеризуют лишь как удобную абстракцию [465] или временное упрощение [999], а само определение эволюции как изменения генетического состава популяции признается редукционистским [597]. Иногда прямо указывают, что видеть здесь синтез генетики и дарвинизма -- значит «выдавать желаемое за действительность» [39, с. 413]. К числу «вынужденных упрощений» теории относят сегодня наиболее существенные ее принципы: отбор аллелей, оценку их по вкладу в приспособленность, однозначное соответствие генотипа и фенотипа, возможность суждения о генном составе без учета закономерностей онтогенеза; используемые теорией модели действия отбора на частоты локуса с двумя аллелями характеризуются как «совершенно нереалистичные» [999].

Формальное признание фенотипа объектом отбора неизбежно заставляет признавать и эволюционную роль модификационной изменчивости [596], что на самом деле равносильно «пересмотру основных положений генетической концепции эволюции популяций» [353, с. 373] и означает введение в синтетическую теорию чужеродной пристройки ad hoc [487]. Характерно также нынешнее стремление теории отказаться от идеи генетического груза [269, 596, 669, 214], вызванное трудностями объяснения генетического полиморфизма, который обнаруживается внутри нормальных популяций. Но вместе с концепцией груза исчезает и неотъемлемое для синтетической теории объяснение движущего отбора как уменьшения генетической дисперсии популяции по приспособленности. Понятие отбора аллелей становится бессодержательным. Одним из косвенных и независимых признаний этого факта является предложение о замене генов хромосомными континуумами в качестве будущей основы популяционной генетики и эволюционных построений [1879].

Все эти попытки модернизировать синтетическую теорию объективно отражают невозможность совместить дарвиновское представление об отборе целых организмов (и их онтогенезов) с редукционистскими принципами ортодоксального менделизма и указывают на стремление ограничить роль последних. Но иногда возникшее противоречие пытаются решить и противоположным путем--за счет дарвинизма. Так, М.Д. Голубовский [255], почти повторяя слова В. Иогансена, считает, что развитие учения о наследственности привело к последовательному ограничению постулатов селектогенеза. Место дарвиновской неопределенной изменчивости заняла строгая упорядоченность расщеплений, ограниченная менделеевскими правилами и не зависящая от отбора. Поэтому созидательной роли отбора не существует--но сохраняет лишь то, что создается мутациями. А значит, нет и постепенности эволюции -- ее суть составляют мутационные скачки, оцениваемые отбором. Этот призыв вернуться к представлениям Г. де Фриза и В. Иогансена неслучаен: он отражает ясное понимание несовместимости принципов, положенных в основу существующего «синтеза».

Все это вновь заставляет нас обратиться к поискам теоретического обобщения, которое позволяло бы решить главную проблему дарвиновского учения об отборе -- проблему возникновения устойчивости индивидуального развития. Одновременно оно давало бы возможность уяснить смысл эмпирических закономерностей, вскрываемых генетикой. Ибо явления наследственности, составляющие ее предмет, означают передачу признаков [310], т. е. не что иное, как их реализацию в онтогенезе потомков. Правильное наследование есть осуществление типичного (стабильного) развития [354, 670, 1194, 1196, 1684], тогда как нарушения наследования суть нарушения онтогенетической устойчивости. Поэтому наследственность и способность к устойчивому развитию составляют одну и ту же проблему [280, 922], и у нее может быть только одно решение, которое должно выражаться в понятиях, пригодных для описания онтогенеза.

Теория, удовлетворяющая в своей основе указанным требованиям, существует. Это -- учение о стабилизирующем (канализирующем) отборе И.И. Шмальгаузена--К.X. Уоддингтона, которое исходит из представления, что отбор по фенотипам ведет к созданию помехоустойчивого развития, реализующего эти фенотипы. Устойчивость признаков рассматривается здесь «не как свойство генов, а как выражение взаимозависимости частей в корреляционных системах развивающегося организма» [1196, с. 174]. Поскольку источником эволюционных изменений здесь признаются уклонения самого процесса развития, эта теория заслуживает названия эпигенетической. «Не изменения генотипа определяют эволюцию и ее направление. Наоборот, эволюция организма определяет изменение его генотипа» [1185, с. 57]. Несмотря на неизжитость в языке теории ряда чуждых или избыточных понятий, она в принципе позволяет раскрыть онтогенетический смысл фактов генетики.

Если стабильность итога развития представляет собой продукт эволюции, то же самое касается и наследственности. Это -- одно из центральных положений эпигенетической теории. Создание наследственного признака описывается ею как накопление генетических изменений в пределах, допускающих осуществление отбираемого фенотипа [1186, 1196], или как генетическая ассимиляция последнего [2440, 2441]. В соответствии с этим сырой материал эволюции должны составлять неустойчиво наследуемые изменения, т. е. такие, которые могут быть охарактеризованы как дарвиновская неопределенная изменчивость. Согласно И.И. Шмальгаузену [1192], это лабильные неадаптивные морфозы (модификации) нормы, реализуемые на гетерогенной основе. Следовательно, созидательная роль отбора заключается в стабилизации первично неустойчивых типов онтогенетических реакций. Чтобы понять механизм этого процесса, необходимо сначала охарактеризовать главные свойства стабильного и нестабильного типов развития, найдя им адекватное выражение на языке генетики.

Прежде чем сделать это, суммируем сущность различий в понимании природы наследственности (устойчивости), разделяющих синтетическую и эпигенетическую теории. Для первой наследственность есть свойство особых элементарных носителей, не требующее причинного объяснения в рамках самой теории. Законы наследственности здесь действуют независимо от естественного отбора [255], т. е. эти два фактора рассматриваются как самостоятельные партнеры в осуществлении эволюционного процесса. Напротив, для эпигенетической теории наследственность есть выражение стабильности целостного индивидуального развития, создаваемой только отбором. Полагать, что эволюционно значимые наследственные свойства возникают помимо отбора -- значит, принимать продукты эволюции за ее сырой материал.

Устойчивое (типичное) развитие. Теория устойчивого развития (или детерминации нормального фенотипа) составляет традиционную задачу экспериментальной эмбриологии. Свои попытки в этой области она начинала с уже упомянутой ранее преформистской (мозаичной) модели, предполагающей, что свойства взрослого организма могут быть сведены к сумме независимых линейных следствий из такой же суммы начальных причин (одними авторами они локализовались в ядре зиготы, другими -- в цитоплазме). Эта механистическая модель, более всего связанная в эмбриологии с именем В. Ру, не выдержала экспериментальной проверки; явления регуляции при нарушениях эмбриогенеза показали, что итог развития до известной степени не зависит от вариаций составляющих его процессов [2184]. Что касается явлений цитоплазматической прелокализации зачатков, характеризующих «мозаичный» тип дробления, то они оказываются результатом предшествующих эпигенетических взаимодействий в эмбриогенезе и могут вновь сменяться в дальнейшем развитии регуляционными процессами [357, 922, 1199].

Все это привело к представлению о существовании целостной причины развития--сначала в виде энтелехии Г. Дриша [1524], а затем в форме концепции биологического поля [280]. Признание такого механизма детерминации означает, что признаки организма не имеют специфических коррелятов в зародышевой клетке и определяются взаимодействием всех ее частей; каждому частному акту дифференцировки предшествует детерминация целого. Отсюда следует, что предопределение целостных свойств зачатка должно происходить при неопределенном состоянии его элементов, как это и было впервые показано А. Г. Гурвичем [1683]. Это же логически вытекает из чисто сравнительного обобщения, сделанного столетием раньше и известного как одна из формулировок закона К. М. Бэра: «Общее в развитии предшествует специальному». Этот принцип определяющей роли целого -- основа современного учения об эмбриональной детерминации [920, 922].

Если для эмбриологии приемлемо только такое решение, то оно не может быть иным и для генетики. Это выразилось в сходной эволюции ее представлений, приведших к возникновению гипотезы генного баланса [709, 1377], согласно которой каждый признак определяется всем геномом. Идея детерминации признака отдельным геном характеризуется поэтому как «ошибка Вейсмана» [353, с. 238], или как «генетика горохового мешка», отражающая воззрения раннего менделизма [594, с. 216], или же просто как некомпетентное мнение, ошибочно приписываемое генетике [1057].

Обусловленность нормального развития целостным начальным фактором, не сводимым к простой сумме его элементов, означает, что итог всего процесса является устойчивым, или эквифинальным по отношению к вариациям этих элементов. Последние детерминированы лишь статистически как совокупность, или, по А.Г. Гурвичу [280], «нормированы». Многочисленные проявления онтогенетической эквифинальности хорошо знакомы эмбриологам как в нормальном развитии (включая случаи разных путей размножения, дробления, гаструляции и т. п. при одинаковой взрослой организации у одних и тех же видов), так и при экспериментальных нарушениях, вплоть до регенерации целых особей из фрагментов специализированных тканей или самосборки зародышей из разделенных клеток (например, воссоединение клеток гаструлы морских ежей, ведущее к формированию нормальных личинок-- плютеусов). Но обычно упускается из виду, что эта закономерность неизбежно должна иметь и генетическое выражение. Если устойчивое развитие определяется, в конечном счете, целостными свойствами зародышевой клетки, основанными на неопределенности (вариабельности) состояния ее частей, включая и строение ее хромосомного аппарата, то следует ожидать, что нормальный фенотип будет осуществляться в пределах широкого спектра геномных вариаций.

Остановимся на фактах, подтверждающих этот вывод. Общеизвестна генетическая гетерогенность («насыщенность мутациями») природных амфимиктических популяций, скрытая под покровом адаптивного фенотипа и выявляемая инбридингом [1141]; непрерывная рекомбинация индивидуальных геномов в ходе смены поколений не меняет этих соотношений. Это означает, что отбор стремится преобразовать индивидуальные циклы развития в популяции таким образом, чтобы независимо от различий в их стартовых точках (зиготах) привести их к одному финалу--адаптивной норме [1178, см. рис. 23]. Но такие же соотношения должны существовать и там, где они не могут быть выявлены менделеевским анализом, т. е. внутри автогамных и клональных популяций, которые на уровне разрешающей способности этого метода представляются генетически однородными. Это действительно доказывается многочисленными опытами по выращиванию жестко отселектированных сортов самоопылителей (злаков, бобовых) и партеногенетически размножающихся насекомых (например, тлей) в экстремальных условиях. Здесь неизменно обнаруживается разнообразие индивидуальных физиологических реакций, среди которых наиболее жизнеспособные варианты поддаются закреплению отбором [5, 909, 1149]. Хотя эти опыты истолковываются по-разному, вполне очевидно, что речь идет о генетической неоднородности, в норме скрытой канализирующими механизмами развития и получающей фенотипическое выражение в экстремальных условиях, где эти механизмы теряют эффективность. Результаты этих опытов принципиально ничем не отличаются от результатов, полученных при селективной стабилизации структурных или физиологических модификаций у ксеногамных организмов, например у дрозофилы [464, 2441], где они заведомо основаны на гетерогенности исходных линий. Все это позволяет сделать следующие выводы.

1. Создавая адаптивную норму, т. е. стабильный итог развития, естественный отбор неизбежно создает в ее основе генетическую вариабельность. Последняя является выражением помехоустойчивости нормального развития и не требует для своего объяснения дополнительных допущений--о силах, противодействующих отбору или о каких-то особых формах отбора (разнонаправленной, частотно-зависимой и т. п.), к которым вынуждена прибегать синтетическая теория, исходящая из селекции генов [7, 999, 1839]. Итог отбора при формировании адаптивной нормы--не сохранение фиксированной совокупности состояний геномных локусов, а создание новой организации генотипа, в рамках которой эти состояния непрерывно варьируют от особи к особи, не нарушая исхода развития.

2. Понятие нормального видоспецифичного генотипа не может быть описано в терминах генов, подобно тому, как свойства целого не сводимы к характеристикам его элементов [443]. Сущность генотипа как функциональной системы выражается лишь через характер контролируемого им индивидуального развития [461]. Такое определение по смыслу соответствует первичному иогансеновскому пониманию генотипа как «нормы реакции», или совокупности возможностей развития особи [443, с. 124].

Неустойчивое (аберрантное) развитие и эпигенетическая система. Вся область изменчивости, лежащая за пределами нормы и составляющая потенциальный материал отбора, представляет собой совокупность аберраций нормального развития. Теоретически для отдельного онтогенеза возможны два их источника -- изменение условий развития и нарушение структуры самой зародышевой клетки, в первую очередь ее генома. В обоих случаях возникающее пространство аберраций не беспредельно; в частности, любой мутант остается особью своего вида [594]. Другой общей чертой подобных нарушений является снижение их устойчивости (наследуемости) по сравнению с нормой. Для мутаций это подтверждается всем опытом экспериментальной генетики [463], для уклонений же, индуцированных средой, отсутствие устойчивости самоочевидно. Эти факты и особенно явления параллелизма между мутационными и модификационными изменениями (фенокопиями) позволяют предположить, что в обоих случаях пространство аберраций имеет одни и те же ограничения, т. е. что возможности реализации любого мутантного генома не выходят за пределы, доступные его «нормальным» вариантам. Другими словами, все зиготы одного вида должны иметь одно и то же потенциальное пространство возможностей развития и различаются лишь по относительной вероятности их осуществления (см. рис. 23).

Правомерность этого вывода доказали феногенетические исследования Р. Гольдшмидта [1649, 1650, 1651], основанные на анализе фенокопий у дрозофилы. Выявленная им возможность фенокопирования практически любых мутационных эффектов вместе с их плейотроптными проявлениями позволила заключить, что развитие есть система с ограниченным набором возможных результатов и что все реализуемые в этих рамках аномалии, независимо от их начальных причин, имеют одну и ту же основу-- неспецифические нарушения нормальной координации процессов онтогенеза (рассогласование скоростей реакций, изменение количеств, концентраций и времени взаимодействия реагирующих веществ).

Любой из таких количественных сдвигов, вызывающий при определенных пороговых значениях изменение фенотипа, может вызываться как мутациями, так и внешними факторами, т. е. действие мутаций на развитие выражает не их непосредственную специфику, а свойства самой реагирующей системы, которые могут быть выявлены и иными путями. Например, градациями температурных воздействий на личинку дрозофилы можно получить фенотипы всего ряда аллелей для мутаций Bar или vestigial, причем усиление аномалии в этом ряду связано с отодвиганием момента начального отклонения развития на все более ранние стадии. Ясно, что характер нарушения определяется здесь изменением онтогенеза, а не состоянием хромосомного локуса. Во многих случаях природа количественного изменения, вызывающего подобную специфическую аномалию, выявляется более непосредственно. Например, действие мутации aristopedia у дрозофилы, превращающей перистый придаток антенны в структуру, подобную tarsus, основано на повышении темпов роста и сегментации имагинального диска антенны до уровня, свойственного диску конечности. При задержке роста с помощью колхицина развитие мутанта остается в рамках нормы [1649, 1651]. У мышей действие мутации Dh, вызывающей полидактилию задних конечностей, основано на замедлении гибели клеток апикального эктодермального гребня, вследствие чего пролонгируется его индуктивное действие на почку конечности. Напротив, мутация Os, ускоряющая отмирание гребня и сокращающая срок индукции, ведет к олигодактилии или даже редукции самой почки [505].

Если все нарушения фенотипа суть лишь реакции системы развития, непосредственно не отражающие специфики первичных возмущающих факторов, то одни и те же аномалии должны возникать при самых различных воздействиях на развитие. Это действительно имеет место. Многие типы шоков, задевающие один и тот же чувствительный период онтогенеза, дают одинаковый результат и, наоборот, один и тот же шок может вызывать качественно разные аномалии в зависимости от момента его действия и степени интенсивности [1651]. Кроме того, практически не известно мутаций, уникальных по своему эффекту, и в соответствии с этим исследователями выделяются «гетерогенные группы генов» по принципу общности выражения их мутаций, например группа minute у дрозофилы, охватывающая около 60 локусов в трех хромосомах [1057]. По существу, это лишь иная формулировка вывода Р. Гольдшмидта о неспецифическом воздействии гена на систему развития. Точно так же и при анализе природных фенотипических уклонений одни и те же их типы оказываются связанными с изменениями в разных хромосомах или просто с внешними воздействиями [449, 777]. Эта асимметрия причин и следствий ясно показывает, что при исследовании индивидуального развития мы имеем дело с системным объектом, обладающим устойчивым поведением, т. е. ограниченным набором возможных конечных состояний. Мы убеждаемся в том, что не только нормальный, но и любой аберрантный исход развития не может быть сведен к определенной совокупности элементарных начальных причин, а является выражением целостных свойств данной эпигенетической системы.

Значение выводов Р. Гольдшмидта для эволюционной теории самоочевидно. Они разрушили непреодолимую грань между мутационными и экзогенными изменениями, существовавшую в классической генетике, и свели их к реакциям единой системы развития, определяющей весь спектр осуществимых уклонений. Это открыло путь для совершенно нового понимания формообразовательной роли внешних факторов в эволюционном процессе, воплотившегося в теории И.И. Шмальгаузена. Был создан фундамент для идеи стабилизирующего отбора, рассматривающей наследственные изменения фенотипа не как эффекты определенных мутаций, а как продукты постепенного закрепления отбором целостных онтогенетических реакций, реализуемых гетерогенными носителями. Наследственность из статического и изначально данного свойства генов превратилась в исторически обусловленную характеристику системы развития. Неудивительно, что принцип неспецифического воздействия локусных мутаций на онтогенез занял важнейшее место в обосновании эпигенетической концепции И.И. Шмальгаузена [1196].

Чтобы понять, каким образом естественный отбор создает наследуемые эволюционные новшества, необходимо уяснить, как соотносятся лабильные (аберрантные) и устойчивые (нормальные) онтогенетические пути в пределах одной системы развития. Ответ на этот вопрос облегчает предложенная К.X. Уоддингтоном [2441, 2442] концепция эпигенетического ландшафта, позволяющая описать главные свойства системы развития. Ограниченность и значительная дискретность пространства аберраций, вскрываемая феногенетикой, столь же очевидна и на эмбриологическом уровне, где она особенно наглядно демонстрируется поведением эксплантатов зародышевых тканей, способных дать в каждом случае лишь определенный набор дифференцировок [920]. Эта видоспецифичная совокупность возможностей развития зачатка (и в конечном итоге--всего организма), включающая нормальный для него путь и потенциальные уклонения, может быть наглядно выражена с помощью трехмерной модели эпигенетического ландшафта -- в виде системы наклонных ветвящихся долин, дивергирующих во времени из начальной точки и символизирующих основные области притяжения, к которым стремится траектория развития (рис. 24--26).

Помехоустойчивость типичного онтогенетического пути, ведущего к адаптивной норме, выражается в резком заглублении его долины (креода). Все случайные возмущения, не выходящие за пределы последней, оказываются зарегулированными, т. е. отклонившаяся траектория вновь «скатывается» на следующих стадиях в сторону русла. При наличии нескольких адаптивных норм в ландшафте имеется соответствующее число таких креодов, выбор среди которых каждый раз контролируется либо действием среды (при модификационном полиморфизме), либо закономерным рекомбинированием хромосомного аппарата (например, при определении пола). Всякое необратимое уклонение процесса развития в сторону одной из более сглаженных аберративных долин связано с преодолением более или менее высокого защитного порога, отделяющего ее от русла креода (см. рис. 24, а). Области ответвления этих долин соответствуют понижениям стенок креода и, таким образом, отражают фазы относительной неустойчивости, т. е. те чувствительные периоды, с воздействием на которые связано получение экспериментальных аберраций.

Как уже отмечалось, ни один из возможных путей в системе развития не контролируется каким-то особым зародышевым фактором. Весь эпигенетический ландшафт как целое, или фазовый портрет системы [66], представляет собой «свойство высшего порядка», основанное на взаимодействии всех элементов генотипа [2441, с. 34]. Поэтому возникновение такой системы невозможно приписать элементарным мутациям. Элементарные воздействия на эту систему либо забуфериваются ею, либо меняют в ней выбор реализуемой онтогенетической траектории, но они не способны изменить исторически сложившуюся структуру самой системы. Все они, независимо от их природы, могут вызывать лишь два типа количественных сдвигов, нарушающих развитие: 1) снижение помехоустойчивости того или иного участка (временного отрезка) креода ниже критического порога, допускающего регуляцию к норме; 2) повышение интенсивности повреждающего фактора выше порога, допустимого для данного участка. Поскольку возможности регуляции в целом снижаются в ходе онтогенеза, то чем сильнее будут эти нарушения, тем более ранний из чувствительных отрезков креода (т. е. мест ответвления аберративных долин) окажется задетым и тем более глубоко дивергентным и дискретным по отношению к норме окажется реализованный путь развития (см. рис. 24, а, б). Отсюда следует, что дискретность фенотипических изменений, вызываемых мутациями одного и того же хромосомного локуса, выражает не свойства его аллельных состояний как таковых, а специфику реагирования всей системы развития, способной отвечать качественно различным образом на разные степени повреждающего воздействия. К этому выводу фактически привели еще ранние исследования Р. Гольдшмидта по механизму определения пола и С. Райта [2505] по феногенезу мутаций альбинизма, показавшие, что в основе аллельных изменений лежат непрерывные градации одного и того же морфогенетического фактора (например, количества вещества или скорости реакции), действующие с пороговым эффектом.

Исходя из сказанного, можно описать возможные результаты воздействия отдельного повреждающего фактора на индивидуальные циклы развития в нормальной гетерогенной популяции. Все зиготы одного вида принадлежат к одной и той же системе развития, различаясь лишь по относительной вероятности осуществления отдельных траекторий. Для нормальных зигот эти различия минимальны, т. е. путь, ведущий к адаптивной норме, для них наиболее устойчив (канализирован) и обнаруживает лишь частные вариации, выражаемые на эпигенетическом ландшафте как локальные различия в глубине креода (высоте его защитных порогов). Для воздействий, способных вызвать уклонения, возможны три основные ситуации.

Первая -- резкое изменение структуры генома, приводящее к столь сильному снижению защитного порога (на определенном участке креода), что независимо от его вариаций развитие неизменно уклоняется на один и тот же боковой путь (см. рис. 25, б). Это -- идеальная мутация, наиболее удобная для генетического анализа, т. е. такое локусное изменение, которое при введении в любой вариант генома вызывает с максимальной вероятностью определенную аномалию развития. Однако результат все же должен оказаться не вполне устойчивым, поскольку сглаженность аберративных долин ландшафта сама по себе исключает эффективную регуляцию ими онтогенетических траекторий. И действительно, на практике выражение даже сильных «сырых» мутаций остается изменчивым, т. е. неидеально наследуемых [1079] .

Вторая (противоположная) ситуация -- предельно сильное внешнее воздействие на ход развития, преодолевающее любой порог его устойчивости и приводящее в данном цикле развития к тому же результату, что и сильная мутация (см. рис. 25, а). Это -- классическая фенокопия.

Наконец, третий вариант охватывает всю область промежуточных состояний между двумя ранее описанными крайними случаями, когда характер и сама возможность уклонения зависят от конкретного соотношения между особенностями эпигенетического ландшафта и условиями развития (см. рис. 25, в). Действие одной и той же мутации будет либо лежать ниже порога нарушения, либо преодолевать этот порог в различных точках креода, ведя к разным фенотипическим уклонениям--в зависимости от индивидуальных особенностей ландшафта (определяемых исходной конституцией генома) и колебаний факторов среды. И, наоборот, одни и те же уклонения должны возникать при различных комбинациях внешних и внутренних условий развития. В этих случаях говорят о мутациях с неустойчивым выражением и проявлением, т. е. не показывающих при анализе правильного менделеевского наследования.

Справедливость этой модели подтверждается реальной картиной неопределенной изменчивости, наблюдаемой в природных популяциях. Общеизвестен факт отсутствия или редкости в них той категории аберраций, которая может быть охарактеризована как доминантные мутации, с хорошим проявлением [242]. При этом даже крупные однотипные аберрации при анализе оказываются связанными с разными хромосомами или индуцированными извне, как например. Abnormal abdomen у дрозофилы [см. 449]. При наличии достаточно больших выборок таких фенотипов выявляются самые различные их градации по устойчивости наследования-- от соотношений, близких к менделеевским, до полной потери проявления (например, фенотип «пятнистые глаза» у дрозофилы [2]). Поэтому внутри таких групп изореагентов авторы часто вообще не решаются провести границу между наследственными (мутационными) и ненаследственными (модификационными) изменениями [43], или же ищут ее между линиями с минимальным наследованием аберрации и линиями с полным его отсутствием.

Вполне очевидно, что речь здесь идет о границе, которой нет в природе. Все фенотипы одного класса представляют собой варианты реализации одной и той же онтогенетической траектории, различающиеся по степени устойчивости и обусловленные самыми различными сочетаниями индивидуальной генетической конституции и факторов среды. Понятия «мутации» и «модификации» относятся, по существу, к разным объектам: первое--к сравнению особей, второе--к сравнению возможностей развития одной особи. Все одинаковые фенотипы (как и любые другие) всегда генетически неидентичны и потому могут рассматриваться как скрытые мутанты по отношению друг к другу независимо от результатов гибридного анализа. И наоборот, любой фенотип, оцениваемый на основе такого анализа как мутантный, представляет собой лишь одну из возможностей развития в пределах эпигенетической системы данной зиготы, т. е. одну из альтернатив (модификаций) по отношению к нормальной для вида траектории. Последнее особенно очевидно для тех случаев, когда возвращение на эту траекторию легко осуществимо путем изменения условий развития (например, у дрозофилы--мутации pennant, vestigial, Abnormal abdomen и др. [1192]).

Эпигенетическая система как объект воздействия отбора. Все сказанное позволяет оценить роль элементарной мутации в эволюционном процессе. Мутация не может дать стабильного эффекта, ибо всякое индивидуальное уклонение от нормального пути развития есть нарушение устойчивости. Тем более она не может создать и ничего нового, поскольку ни один путь развития, реализуемый при ее участии, не выходит за пределы пространства возможностей, свойственного данной эпигенетической системе. Поэтому утверждение, что эволюция идет за счет случайных мутаций, по выражению К.X. Уоддингтона, «представляется пустым» [2441 с. 188]. Как бы ни был широк диапазон случайных изменений на нуклеотидном уровне, возможности их воздействия на онтогенез всегда ограничены исторически сложившимися свойствами системы развития.

Подлинное эволюционное изменение--это изменение структуры (ландшафта) самой системы, т. е. в конечном счете реорганизация контролирующего ее генотипа. Результатом такой перестройки является превращение одной из прежних аберративных областей эпигенетического пространства в область наиболее вероятных событий. Иначе говоря, в ней должен сформироваться новый креод вместе со специфическим для него рисунком главных потенциальных уклонений (см. рис. 26). Фенотипически это должно выражаться в преобразовании адаптивной нормы и спектра ее аберративной изменчивости. Ближайший путь для достижения такого результата--канализация одной из уже существующих в данной системе аберративных траекторий. И если сама система есть продукт отбора, то и любое дальнейшее ее преобразование должно осуществляться тем же путем. Другими словами, эволюционная стабилизация аберрантного фенотипа достигается отбором среди его носителей.

Прямым подтверждением этого являются опыты К.X. Уоддингтона по генетической ассимиляции (стабилизации) структурных морфозов у дрозофилы [2441], а также многие другие аналогичные эксперименты, связанные с закреплением физиологических аберраций и приводящие к созданию линий, устойчивых к непривычным условиям развития, например [464, 1147, 1148]. Все они, по существу, сводятся к перестройке эпигенетического ландшафта путем отбора на устойчивость отдельных его траекторий.

Так, в опытах К.X. Уоддингтона исходным материалом послужили крыловые морфозы у дрозофилы (например, фенотипы dumpy и bithorax), полученные с помощью теплового воздействия на нормальных личинок. Сначала отбирались носители одного из морфозов, затем полученные от них личинки вновь подвергались тепловому шоку, а взрослое потомство -- отбору в прежнем направлении. После ряда поколений отбора резко повышалась устойчивость такого фенотипа как к внутренним, так и к внешним факторам развития. Первое выражалось в возрастании частоты его наследования (т. е. в снижении чувствительности его развития к эффекту рекомбинации родительских геномов), второе--в уменьшении его зависимости от температурного фактора (аберрация начинает передаваться и при отсутствии шока). В итоге первично индуцированное изменение превращается в наследственное и при контрольном скрещивании с исходной линией выщепляется с той или иной частотой.

Таким образом, возникла новая организация генотипа, обусловившая канализированное развития прежней аберрации. Этапы перестройки эпигенетического ландшафта здесь достаточно очевидны. В исходной линии все его варианты характеризуются одним и тем же креодом, ведущим к норме, или дикому фенотипу N (см. рис. 26, а). В условиях шока устойчивость креода резко падает, т. е. ландшафт размывается, и наряду с нормой реализуются различные индивидуальные аберрации, например Ni (см. рис. 26, б). Отбор в пользу последней еще более стирает различия в вероятности осуществления прежней нормы и ее уклонений--уже безотносительно к температурному фону развития. В то же время постепенная стабилизация отбираемого фенотипа (A^i) преобразует шаг за шагом его траекторию в наиболее устойчивый путь развития (см. рис. 26, в, г).

Этот обобщенный механизм элементарного эволюционного изменения может быть описан несколько иначе -- по изменению разнообразия индивидуальных систем развития на отдельных этапах становления новой нормы. Поскольку возможности осуществления одних и тех же путей развития для разных зигот неодинаковы, то в любом конкретном диапазоне условий, выходящем за рамки обычных, каждая из них обнаруживает свой собственный спектр реализуемых фенотипических уклонений (морфозов). С этой точки зрения популяция нормальных зигот может быть представлена как серия разнородных модификационных спектров, в которых основную часть всегда составляет адаптивный фенотип (рис. 27).

В обычных условиях все зиготы развиваются эквифинально, реализуя норму (см. рис. 27, I). По мере изменения среды в сторону критического порога канализированное развитие сменяется разнонаправленным, т. е. возникает все большее число морфозов в соответствии со спецификой индивидуальных спектров (см. рис. 27, II). Это--стадия вскрытия «мобилизационного резерва» индивидуальной изменчивости [1186, 1192]. При сохранении таких условий в ряду поколений начинается отбор в пользу наиболее жизнеспособного морфоза, ведущий к постепенному росту его устойчивости и дестабилизации прежней нормы (см. рис. 27, II, III). Элиминация остальных типов аберрантных реакций вначале малоэффективна, поскольку они вновь возникают в потомстве отбираемого варианта ввиду его слабой онтогенетической устойчивости. Но по мере стабилизации этого фенотипа его наследование становится более однозначным и он (в случае ксеногамного размножения) все в большей степени поглощает в скрещиваниях остальные аберрации, остающиеся неустойчивыми.

Это закрепление адаптивно ценной реакции, превращающее ее в новую норму, приводит к тому, что в модификационных спектрах последовательных поколений зигот она занимает все большее место за счет старой нормы. Таким образом, обе нормы сосуществуют на определенном этапе в индивидуальных спектрах как две адаптивные модификации, реализуемые в зависимости от колебаний условий (см. рис. 27, III), пока новая, наконец, полностью не возобладает. Возможность реализации прежнего нормального фенотипа если не исчезает совсем, то низводится до уровня аберрантной атавистической реакции (см. рис. 27, IV).

Наиболее наглядное экспериментальное подтверждение такого хода преобразований дают примеры стабилизации физиологических реакций, поскольку они обычно позволяют судить о возможностях реагирования одних и тех же особей в разных условиях. Кроме того, объектом отбора здесь является не произвольно выбранный признак (как в случае морфологических уклонений), а жизнеспособность особи в целом, что приближает ситуацию к природной. Таковы, например, опыты М.М. Камшилова [464] по воспитанию холодоустойчивости у дрозофилы, И.В. Кожанчикова [498] по выращиванию жуков-листоедов на непривычном корме и в особенности эксперименты Г.X. Шапошникова по смене хозяина у тлей [1147, 1148]. Во всех этих случаях нарушение среды развития приводит к реализации экстремальных неустойчивых физиологических состояний, из которых наиболее жизнеспособное превращается путем отбора в стабильную адаптацию.

Первой реакцией исходной популяции на подобную смену условий обычно является резкое повышение изменчивости, включая дифференциальную плодовитость и выживаемость. Это--описанная выше фаза перехода от эквифинального развития к разнонаправленному, т. е. вскрытие мобилизационного резерва (см. рис. 23, 27,1, II). Далее вновь наблюдается повышение однородности физиологического реагирования, очевидно, за счет стабилизации наиболее жизнеспособного варианта. При этом, как показывают опыты с тлей Bysaphis anthrisci majkopica [1148], ряд поколений не отдает предпочтения старому или новому типу условий. Это -- переходный этап сосуществования старой и новой норм в виде двух адаптивных модификаций (рис. 27, III). В дальнейшем стойкая способность к прежней реакции обычно утрачивается, а новая норма стабилизируется как единственная (рис. 27, IV). Обособление ее носителей от исходной линии иногда может достигать уровня репродуктивной изоляции, как это наблюдалось в опытах Г.X. Шапошникова [1150].

Во всех подобных случаях имеет место создание отбором именно нового приспособления, а не просто сохранение «готовой» адаптивно ценной вариации, как это часто полагают. Например, в опытах с Dysaphis вплоть до 8--11 поколений воспитания на новом хозяине не существовало особей, предпочитающих его старому [1148], точно так же, как в опытах с охлаждением личинок дрозофилы исходная популяция заведомо не содержала особей, устойчиво толерантных к снижению температуры или предпочитающих его [464, 465]. Отбор ведет не к сохранению гена, «детерминирующего» новое свойство, или же определенного варианта генома (набора аллельных состояний локусов), а к преобразованию организации всего генотипа данной линии, т. е. к созданию нового пространства вариаций индивидуальных геномов, допускающего эквифинальное (устойчивое) осуществление изменившейся нормы (см. рис. 23, 27).

Для рассмотренных экспериментов известна масса природных аналогий, связанных чаще всего с «привыканием» различных форм насекомых к пестицидам, где в итоге отбора возникают резистентные расы [353, 1509]. Нет никаких оснований полагать, что процесс их становления отличается от вышеописанного.

Изложенная концепция преобразования нормы созвучна со многими частными обобщениями классической генетики. В них, во всяком случае, признается, что отдельный локус не детерминирует признака [709] и что изменение последнего требует перестройки генотипа [594]. Однако об этих выводах забывают, когда дело касается биохимических мутаций, так как их часто рассматривают именно как доказательство скачкообразного возникновения новых устойчивых приспособлений. В этом, по существу, отражается противоречие между моргановской генетикой, декларирующей множественную обусловленность признака, и принципом молекулярной генетики «один ген -- один фермент».

Примеры такого рода достаточно известны. Например, путем пересева штамма кишечной палочки, живущего на галактозе, на среду с лактозой можно выделить жизнеспособную в новых условиях мутацию, причем методом реплик демонстрируется, что она существовала уже в исходной культуре. Налицо как будто бы спонтанное появление новой адаптации. Но нетрудно видеть, что в действительности здесь выделено не стойкое приспособление, а элементарный морфоз, входящий в спектры реагирования ряда клеток наряду с типичной реакцией. Он реализуется у мутантов с той или иной вероятностью только на соответствующем провокационном фоне, тогда как на исходной галактозной среде осуществляется нормальная функция; иначе такие клетки погибли бы до пересева. Выбор между двумя реакциями определяется здесь типом среды. Закрепление же вскрытой формы реагирования может происходить лишь в ходе размножения измененного штамма в новой среде по мере отбора среди множества индивидуальных клеток. При высокой скорости размножения бактерий такой отбор идет крайне быстро, затемняя исходную неустойчивость морфоза.

Этот вывод о путях биохимической эволюции основан не только на рассмотренной эпигенетической концепции отбора. Его подтверждают факты, свидетельствующие о поливариантности и множественной обусловленности всех ступеней матричного синтеза [311, 441]. Вследствие этого одна и та же матрица ДНК соответствует различным модификациям конечного продукта в зависимости от состояния аппарата синтеза. И наоборот, различные нарушения кода (мутации) могут в эпигенезе регулироваться к норме--как на уровне трансляции (в частности изменение свойств тРНК, приобретающей способность «узнавать» чуждые кодоны), так и при посттрансляционных изменениях (например, комплементация гомологичных полипептидных субъединиц, исправляющая либо их первичную структуру, либо конформацию, от которой зависит биохимическая активность белка). Все это наблюдается как при нормальной работе клеток, так и при экспериментальных воздействиях, причем неспецифическими агентами регуляции («фенотипической супрессии») мутаций могут быть антибиотики, изменения температуры, рН осмотического давления и т. д. [311, 442]. Они воздействуют, несомненно, на самые различные элементы системы синтеза -- например, на рибосомные белки, состояние которых влияет на супрессорные свойства тРНК [441].

Все это показывает, что, несмотря на резкое сокращение дистанции между локусом и признаком, отличающее процессы матричного синтеза от целостного онтогенеза, и, конечно, неизмеримо большую роль локуса в определении конечного результата, здесь действуют в принципе те же самые законы, что и в индивидуальном развитии вообще (см. рис. 23). Функциональная устойчивость реализуемого продукта основана не на идеальной стабильности нуклеотидной последовательности матрицы, а на способности целостной системы синтеза к саморегуляции. Синтезируемая макромолекула является итогом взаимодействия всех элементов такой системы и ее адаптивные свойства устойчивы (эквифинальны) по отношению к вариациям этих элементов. Яркое проявление этих соотношений -- способность белковой молекулы к сохранению своей функциональной значимой пространственной структуры при множестве вариаций ее первичной структуры (обусловленных ошибками кода, а также транскрипции и трансляции) [1078]. Таким образом, принцип однозначного соответствия между локусным «геном» (цистроном) и его продуктом, лежащий в основе представлений о чисто мутагенном происхождении биохимических адаптации, представляет собой грубое упрощение.