Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Регуляторный участок гена svb и области действия энхансеров. a — личинка дрозофилы, вид сбоку. Темным цветом показаны места, где развиваются щетинки. Ген svb управляет развитием одного из типов щетинок, которые занимают на каждом сегменте определенную область. На одном из брюшных сегментов эта область обведена черным контуром. б — расположение энхансеров в регуляторной области гена svb. Серый прямоугольник в правой части схемы — это начало (первый экзон) кодирующей части гена svb. Левее находятся три обычных энхансера (7, E, A), еще левее — два теневых энхансера (Z, DG2). Фигура, нарисованная под каждым энхансером, соответствует области формирования щетинок, которая обведена на верхнем рисунке. Для каждого энхансера показан район в пределах этой области, в котором он срабатывает. Из Frankel et al., 2010.
Теневые энхансеры с «избыточными» функциями обнаружены в окрестностях многих генов — регуляторов развития не только у дрозофил, но и у мышей. Очень может быть, что это общее свойство всех животных. Адаптивное значение помехоустойчивости онтогенеза очевидно. Поэтому отбор, как правило, должен способствовать закреплению мутаций, ведущих к росту независимости результатов развития от возмущающих воздействий. Появление дополнительных энхансеров (например, в результате дупликации регуляторных участков ДНК) является одним из самых простых (вероятных) путей достижения этой цели.
Разумеется, теневые энхансеры и другие «избыточные» регуляторы — не единственный механизм повышения помехоустойчивости онтогенеза. Этой же цели могут служить, например, контуры отрицательной обратной связи в геннорегуляторных сетях (Колчанов, Суслов, 2006), белки-шапероны и микро-РНК (Li et al., 2009).
Чтобы построить новое, нужно расшатать старое
Простейшие эволюционные модели предполагают, что новые адаптивные признаки развиваются по следующей схеме.
• Сначала происходит случайная мутация в ДНК.
• Эта мутация неким вполне определенным образом проявляется в фенотипе, т. е. меняет строение, физиологию или поведение организма.
• Если изменение фенотипа повысило приспособленность организма (т. е. увеличилась эффективность передачи генов следующим поколениям), то с течением времени частота встречаемости мутантного гена в популяции будет расти. Этот автоматический и неизбежный процесс известен под названием естественного отбора.
• В конце концов мутация может зафиксироваться. Это значит, что частота мутантного гена в популяции достигла 100 % и новый признак стал нормой для всех особей.
Нет сомнений, что часто все именно так и происходит. Многие рассмотренные нами примеры появления эволюционных новшеств отлично описываются этой классической схемой.
Однако данная модель основана на допущении, которое не всегда справедливо. Речь идет о том пункте, где предполагается, что фенотипическое проявление мутации является «вполне определенным». Генетики прекрасно знают, что реальные взаимосвязи между генами и признаками часто не столь однозначны. Гены вообще определяют фенотип не строго, а вероятностным образом. В общем случае мутация приводит не к какому-то строго определенному изменению фенотипа, а к изменению вероятностей реализации тех или иных фенотипов, причем эти вероятности зависят не только от самого мутантного гена, но и от «генетического контекста», т. е. от других генов генома. Один и тот же мутантный ген у одних особей может привести к резко измененному фенотипу, у других — не дать видимого эффекта (даже в гомозиготном состоянии), так что фенотип получится «нормальный». Как мы уже знаем, это называют неполной пенетрантностью мутаций.
Для нормального развития необходима слаженная работа всех генов, поэтому, строго говоря, фенотипический признак не может определяться только одним геном — в конечном счете он зависит от всех генов генома. Поэтому обычно между генами и признаками нет ничего похожего на связь «один к одному».
Изменение, произошедшее на уровне ДНК (мутация), влияет не непосредственно на фенотипический признак, а на ход индивидуального развития. Мутация может отклонить ход развития в ту или иную сторону. Однако онтогенез обычно обладает высокой помехоустойчивостью. В ходе эволюции отбор закрепляет такие генетические изменения, которые повышают способность онтогенеза противостоять нарушениям, компенсировать помехи и возвращаться на «магистральный путь». Эту способность онтогенеза невзирая на помехи приходить к одному и тому же итогу («нормальному» фенотипу) называют эквифинальностью онтогенеза.
Низкая пенетрантность многих вредных мутаций — яркое проявление помехоустойчивости онтогенеза. Во многих случаях растущему организму удается справиться с мутациями, которые нарушают нормальный ход развития. Например, мутантные белки, синтезированные на основе мутантных генов, могут тем не менее нормально функционировать, если шапероны «насильно» придадут им правильную трехмерную конфигурацию.
Пример эквифинальности. Если аккуратно разрезать пополам скальпелем ранний эмбрион (бластулу) шпорцевой ляшушки Xenopus, то из каждой половинки разовьется не полголовастика, как можно было бы предположить, а нормальный целый головастик. Нужно только, чтобы в каждую половинку попало по кусочку организатора Шпемана. Как мудро заметил обнаруживший этот факт эмбриолог Эдди Де Робертис из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, естественный отбор не стал бы создавать такую саморегуляцию только на случай, что придет любознательный эмбриолог со скальпелем и начнет резать бластулы пополам (De Robertis, 2009). Разумеется, это результат отбора на стабильность онтогенеза, на его способность противостоять любым помехам: внутренне-стохастическим, мутационным или средовым.
Кроме генов, на ход развития (и соответственно, на итоговый фенотип) влияют и другие факторы: например, температура и химический состав среды, в которой происходит развитие. Самое интересное, что влияние мутаций и изменений внешних условий может быть очень похожим. Одно и то же изменение фенотипа (например, какое-нибудь уродство) можно получить и в результате мутации, и в результате физического воздействия на развивающийся организм. Например, подвергая личинок дрозофилы тепловому шоку, можно получить такие же уродства, как и те, что возникают в результате мутаций. И наоборот: если взять чуть ли не любое уродство, появляющееся в результате перегрева, то в большинстве случаев оказывается, что некоторые мутации могут приводить к такому же уродству без всякого перегрева (или при менее интенсивном перегреве). Это явление называется генокопированием модификаций. Можно сказать, что у организма уже имеется потенциально возможный альтернативный путь развития, который приводит к появлению нового признака (даже если в нормальных условиях этот путь никогда не реализуется). Нужно лишь подобрать условия — внешние (температуру) или внутренние (мутацию), — в которых развитие пойдет по этому альтернативному пути.
Отбор обычно способствует повышению роли внутренних (генетических) и снижению роли внешних регуляторов онтогенеза. Онтогенез под действием отбора стабилизируется и приобретает все большую автономность, становится все более помехоустойчивым. Это значит, что геном постепенно меняется таким образом, чтобы обеспечивать реализацию «нормального» фенотипа со все большей вероятностью.
На основе подобных фактов и рассуждений некоторые исследователи, среди которых следует упомянуть И. И. Шмальгаузена, К. Х. Уоддингтона (1905–1975) и М. А. Шишкина (р. 1936), пришли к выводу, что именно онтогенез (как сложная помехоустойчивая система индивидуального развития) является главным действующим лицом эволюционной драмы. В наиболее абсолютизированной форме эти воззрения отстаивает М. А. Шишкин, который считает, что основной механизм формирования эволюционных новшеств существенно отличается от приведенного выше и выглядит примерно так (Шишкин, 1988, 2006).
• Сильное внешнее воздействие (например, резкое изменение среды) приводит к дестабилизации онтогенеза.
• Это автоматически ведет к появлению разнообразных аномальных фенотипов (реализуются доселе скрытые альтернативные пути развития).
• Если какие-то из аномальных фенотипов окажутся «удачными» (адаптивными в новых условиях), отбор в дальнейшем будет закреплять такие мутации, которые повысят вероятность реализации именно этого альтернативного пути развития. В результате аномалия постепенно станет новой нормой.
