Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
В целом, по-видимому, борьба с энтропией является одним из важнейших аспектов эволюции. Отбор на уменьшение и контроль энтропии носит универсальный характер и последовательно распространяется по этапам передачи информации, от репликации до укладки и сортировки белков и РНК. Антиэнтропийная эволюция частично ведет к снижению самой частоты мутаций/ошибок, а частично действует на уровне контроля повреждений. Эволюционные эксперименты показывают, что отбор на повышение частоты мутаций действительно происходит. Тем не менее остается неясным, широко ли распространен такой отбор на повышение шума и достаточен ли уровень шума, который антиэнтропийные механизмы не способны устранить, чтобы обеспечить изменчивость, необходимую для эволюции. Мы обсудим эту ключевую проблему в следующих разделах.
Шум в биологических системах и его созидательная роль в эволюции
Никакой информационный канал не может быть свободным от шумов (см. гл. 4 и 8, и предыдущий раздел). Этот фундаментальный, обусловленный законами термодинамики аспект передачи информации делает эволюцию возможной благодаря достаточно высокой частоте ошибок репликации, даже в отсутствие отбора на повышение изменчивости (см. гл. 2). Как отмечалось в гл. 4, практически нейтральные мутации, накапливающиеся по чисто энтропийным причинам, образуют почти нейтральные сети, которые служат резервуарами эволюции, в том числе положительного отбора, особенно в изменяющихся условиях. Подчеркнем еще раз, что не только фиксирующиеся мутации, но и полиморфизмы, которые особенно многочисленны в больших популяциях, вносят вклад в важные для эволюции нейтральные сети. Кроме того, мы неоднократно видели, что увеличение частоты мутаций может быть полезно – и поддерживается отбором, как это имеет место в случае стресс-индуцированного мутагенеза и аллелей-мутаторов.
Здесь я хочу сосредоточиться на фенотипических мутациях и их возможной роли в эволюции. Стандартное, само собой разумеющееся представление сводится к тому, что фенотипический шум не имеет значения для эволюции (до тех пор, пока его вредные эффекты находятся под контролем), по той очевидной причине, что фенотипические мутации не наследуются. Тем не менее такой взгляд может страдать близорукостью благодаря так называемому упреждающему эффекту фенотипических мутаций. Как мы неоднократно наблюдали на страницах этой книги, ключевая проблема в ходе эволюции заключается в том, чтобы лавировать по неровному эволюционному ландшафту, двигаясь от локальных пиков приспособленности или плато к большим высотам на других пиках или плато. Этот путь часто проходит через расщелины, порой глубокие. Чтобы их преодолеть, необходима фиксация двух или более мутаций.
Очевидно, что это нетривиальная задача, учитывая, что первая мутация приводит к снижению приспособленности. В принципе такие трюки могут быть проделаны с помощью дрейфа, но шансы на фиксацию нескольких мутаций чрезвычайно низки, если первая требуемая мутация вредна; они падают до нуля, когда первая мутация оказывается летальной. Именно в этих случаях фенотипические мутации могут прийти на помощь. Когда для приобретения признака требуются две мутации, фенотипические мутации способны обеспечить незначительный уровень второй мутации, как только случилась первая. Если первая мутация вредна или даже летальна, в то время как две мутации, взятые вместе, дают преимущество, фенотипические мутации могут спасти организм и обеспечить для него выгодный фенотип (позволяя достичь труднодоступной высокой точки в ландшафте), пусть и с низкой частотой. Математическое моделирование показывает, что такой упреждающий эффект реализуем в достаточно широком диапазоне эффективных размеров популяции и коэффициентов отбора (Whitehead et al., 2008).
Насколько распространен и важен упреждающий эффект? Мы не знаем, но, если бы он был важен и имел адаптивное значение, можно было бы предсказать, что стресс должен вызывать ошибки трансляции в управляемом режиме, подобно тому как он вызывает мутагенез (см. обсуждение стресс-индуцированного мутагенеза ранее в этой главе). Как это ни удивительно, дело обстоит именно так, как показали недавние исследования, в которых окислительный стресс приводил к резко возросшей частоте ошибочной трансляции, по крайней мере отчасти за счет нарушения корректирующей функции АРСаз (Ling and Soll, 2010; Netzer et al., 2009).
Подвержены ли стресс-индуцированные фенотипические мутации регуляции и контролю того же типа, что и стресс-индуцированный генетический мутагенез, только предстоит выяснить. Тот факт, что частота ошибок включения метионина, аминокислоты, которая защищает белки от окислительного повреждения, специфически усиливается в условиях окислительного стресса (Netzer et al., 2009), наталкивает на вывод, что механизмы управления фенотипическими мутациями существуют, так что стресс-индуцированный фенотипический мутагенез можно рассматривать как адаптивную стратегию.
Эволюционная значимость фенотипических мутаций – потенциально широкая и важная тема, и недавние исследования едва успели ее коснуться. Однако практически не вызывает сомнений, что фенотипический шум (энтропия) не является эволюционно несущественным. На самом деле за пределами очевидного селективного давления, держащего его в узде, шум может быть конструктивным фактором в разнообразных эволюционных процессах. Фенотипические мутации являются частью более общей, всеобъемлющей тенденции, которую мы затрагивали в гл. 8. Основная идея состоит в том, что шум, присутствующий на всех уровнях и во всех каскадах передачи биологической информации – типичные генетические и фенотипические мутации, ложная транскрипция, ошибки сплайсинга, неправильная укладка белка, – будучи бременем для эволюционирующих организмов, в то же время повышает их эволюционный потенциал. Простое, но важнейшее следствие заключается в том, что популяции с низкой интенсивностью очищающего отбора, который не в состоянии устранить или существенно снизить уровень шума, обладают наибольшим эволюционным потенциалом.
Эволюция эволюционируемости, надежность биологических систем и реализуемость эволюционного предвидения
Эволюционируемость, потенциал биологических систем изменяться в ходе эволюции, является одной из многих важных концепций, введенных Ричардом Докинзом (Dawkins, 2006). В первом десятилетии XXI века «эволюционируемость» стала модным термином и предметом интенсивных дебатов (Brookfield, 2009; Kirschner and Gerhart, 1998; Masel and Trotter, 2010; Radman et al., 1999). Как таковая, способность к эволюционированию не представляет проблемы в качестве неотъемлемого свойства реплицирующихся систем (см. принцип подверженной ошибкам репликации (ПОР), введенный в гл. 2).
Как говорилось ранее в этой главе, эволюция любого организма (с некоторыми оговорками в случае РНК-вирусов) предполагает отбор на уменьшение частоты геномных и фенотипических мутаций. Тем не менее этот отбор относительно неэффективен по причинам, которые для случая геномных мутаций находят объяснение в рамках популяционной генетики, но которые менее ясны в случае фенотипических мутаций, учитывая наличие сложных, специализированных систем, предназначенных для устранения аберрантных продуктов. Таким образом, эволюционируемость, несомненно, является объектом отбора, в очевидном смысле поддержания достаточно низкого уровня шума.
Нулевая гипотеза в отношении эволюционируемости, следовательно, сводится к тому, что остаточный шум, не устраненный очищающим отбором, достаточен (и, более того, необходим), чтобы обеспечить изменчивость, являющуюся первичным материалом для эволюции. Такой «конструктивный» шум представляет собой неадаптивный побочный продукт эволюции. Яблоком раздора служит интригующая возможность, что эволюционируемость эволюционирует нетривиальным образом – иначе говоря, повышенная изменчивость при определенных обстоятельствах и/или в некоторых генных локусах может быть признаком, подверженным отбору. Идея «адаптивной эволюционируемости» звучит как анафема для многих биологов, поскольку отдает «эволюционным предвидением» или временной нелокальностью эволюции, тогда как общепринятая догма состоит в том, что эволюция «близорука», то есть носит строго локальный характер. Однако, невзирая на это общее убеждение, выводы, представленные в данной главе, ясно показывают, что определенные формы эволюционируемости могут эволюционировать и быть адаптивными и что в широком смысле эволюция способна к предвидению.
Попробуем кратко суммировать свидетельства в поддержку адаптивной эволюции эволюционируемости. Возможно, наиболее сильные свидетельства содержатся в обширной серии экспериментальных данных по системам подверженной ошибкам стресс-индуцирован ной репарации; фактически они представляют собой механизм стресс-индуцированного мутагенеза. Эти системы, в частности аппарат SOS-репарации и мутагенеза у бактерий, по-видимому, не обладают механизмами инициировать мутации именно в тех генах, что задействованы в борьбе с конкретной формой стресса. Тем не менее они определенно способствуют выживанию, увеличивая общую частоту мутаций и повышая тем самым вероятность адаптации. Сложно организованная регуляция этих систем и их широкое распространение у микробов, особенно обитающих в изменчивых условиях, не оставляют сомнений, что стресс-индуцированный мутагенез является адаптивным явлением и представляет собой характерную форму эволюционного предвидения – или, точнее, эволюционной экстраполяции.
