Об адаптивном мутагенезе и эволюции способности к эволюции

В последние годы высказывают сомнения в том, что мутации – просто неизбежное следствие несовершенства механизмов репликации и репарации ДНК, и прокламируют мысль, что возможен отбор на усиление мутагенеза, что высокий уровень мутагенеза может быть адаптивным (Kirschner, Gerhart, 1998; Radman, 1999; Radman et al., 1999, 2000; Giraud et al., 2001; Rattray, Strathern, 2003; Earl, Deem, 2004). При том, что в случайном мутагенезе частота вредных мутаций превышает частоту благоприятных мутаций на 4-5 (Taddei et al., 1997), а то и 6 (Roth et al., 2003) порядков величины, эта мысль не выглядит тривиальной даже при одобрительном отношении ко всякой эволюции. И вопрос не только в том, как могут быть полезны вредные мутации (это еще можно себе представить), а в том, как возможна эволюция способности к эволюции? Это был бы процесс с положительной обратной связью. Динамика таких процессов имеет характер катастрофы. Организмы устроены целесообразно. Их цель – выжить и оставить потомство (т. е. сохраниться в будущих поколениях). Эта цель вложена в них эволюцией, и все системы организма служат этой и только этой цели. Служит ли этой цели способность к эволюции? Эволюционировать (т. е. меняться) и сохраняться – вещи противоположные. Мысль, что сама эволюция является целью организмов, находится за пределами естественнонаучной парадигмы. Онтогенез осуществляется под управлением генетических программ организма, и его адаптивные реакции на действия среды предусмотрены этими программами; филогенез всегда осуществляется впервые. Это процесс, движимый энтропией, “той силой, что вечно хочет зла”. Можно ли предполагать существование механизмов ускорения роста энтропии, чего-то вроде филогенетического апоптоза?

То, что проблема эта всерьез обсуждается на страницах весьма уважаемых изданий («Nature», «Genetics», «Proc. Natl. Acad. Sci. USA»), означает, конечно, что общие гносеологические аргументы не могут противостоять человеческой потребности в чудесах (и сенсациях). Cуществуют ли, однако, достаточные эмпирические данные или теоретические соображения, позволяющие говорить о механизмах ускорения эволюции, создаваемых в ходе эволюции? У бактерий известны особые высокомутагенные системы синтеза и репарации ДНК, функционирующие только в стрессовых условиях, грозящих организмам гибелью (Friedberg et al., 1995; Drake et al., 1998; Radman, 1999), из которых наиболее изучена система SOS-репарации у кишечной палочки. УФ-облучение или другие воздействия, повреждающие или блокирующие репликацию ДНК, индуцируют экспрессию около 20 генов, продукты которых участвуют в рекомбинации и репарации ДНК. Среди них есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся от репликативных полимераз гораздо меньшей точностью репликации. Мирослав Радман, главный адепт эволюции эволюционируемости (evolution of evolvability), предложил называть их ДНК-мутазами (Radman, 1999) ^[1]. Индуцируемые системы типа SOS-репарации и ДНК-мутазы найдены и у других микроорганизмов, включая дрожжи. Интерпретация сторонников адаптивного мутагенеза следующая: организмы, попавшие в стрессовую ситуацию и оказавшиеся перед альтернативой “умереть или измениться”, выбирают последнее и включают мощную мутагенную машину в надежде, что хотя бы один из миллионов новых мутантов окажется способным выжить в новых условиях, например в условиях сильной радиации. Подобный альтруизм мне представляется невозможным даже для Homo sapiens, разве что при тоталитарном режиме. Репарационная парадигма выглядит более естественной: SOS-ответ служит репарации повреждений и спасению репликации ДНК ценою пониженной точности, а ДНК-мутазы – это всего лишь нестрогие полимеразы, способные использовать неидеальные матрицы. С помощью такого механизма спастись пытаются все клетки, а не лучшие из лучших. Возможно, что иногда ускоренный мутагенез приводит к появлению организма, приспособленного к среде, вызвавшей стрессовую реакцию, но это не более преднамеренно, чем возникновение сложности при росте энтропии (хотели как хуже, а вышло хорошо). Но и это не очень реалистично. Чтобы, например, стать сверхустойчивым к облучению, организм должен создать сверхмощные системы репарации ДНК, которые как раз и обеспечивают сверхнизкую скорость мутагенеза. Это потруднее, чем вытащить себя из болота за волосы.

Есть еще одна экспериментальная система, в которой бактерии как будто бы обнаруживали «адаптивный мутагенез» (Cairns et al., 1988; Cairns, Foster, 1991; Foster, Cairns, 1992). У lac-мутанта кишечной палочки наблюдался очень высокий уровень реверсий к Lac⁺ при посеве мутантной культуры на чашки с лактозой в качестве единственного источника углерода. Эти результаты были сначала интерпретированы как способность бактерии направлять мутагенез на селективно важные области генома (Stahl, 1988; Boe, 1990). Позднее была предложена более изощренная модель (Hall, 1992; Rosenberg, 2001), предполагающая существование механизма, который реагирует на стресс индукцией общего (ненаправленного) мутагенеза в небольшой части популяции, подвергнутой стрессу, так сказать созданием передового отряда эволюции. На количественных моделях показана несостоятельность этой гипотезы (Roth et al., 2003), но сторонники направленного мутагенеза не складывают оружие. По-видимому, я поторопился, сказав, что в биологии ламаркизм преодолен. Ламаркизм бессмертен.

Другая группа данных касается систем локального (прицельного) мутагенеза. Лимфоциты, продуцирующие антитела, имеют высокую скорость мутирования вариабельных сегментов иммуноглобулиновых генов, в миллионы раз превышающую нормальный темп мутагенеза благодаря их интенсивной рекомбинации с молчащими псевдогенами (Weil, Reynaud, 1996). Аналогичный механизм используют некоторые паразитические простейшие для прицельного мутагенеза генов, кодирующих поверхностные антигены (Pays, 1989). Гены патогенных бактерий, кодирующие поверхностные антигены, проявляют наследственную повышенную мутабильность (Moxon et al., 1994). Эти гены содержат короткие повторы оснований, на которых нормальные ДНК-полимеразы делают много ошибок (ошибки проскальзывания), что ведет к мутациям типа сдвига фазы. Эти случаи “намеренного мутагенеза” являют собой действительно пример использования мутагенеза в качестве приспособительного признака. Это специализированный вариант приспособительного использования генетического разнообразия, которое в конечном счете не ведет к эволюции вида, а напротив, обеспечивает его стабильность во времени, подобно тому, как полиморфизм популяций позволяет им устойчиво сохраняться в варьирующей среде.

Приводят и другие доводы косвенного характера в пользу отбора на повышенный мутагенез: возможность отбора у бактерий на повышение точности синтеза ДНК (Fijakowska et al., 1993) интерпретируют в пользу отсутствия жесткой эволюции на точность репликации ДНК (Radman et al., 2000); важность генетического разнообразия для выживания интерпретируют в пользу возможности отбора на повышенный мутагенез (Radman, 1999). Но такая интерпретация представляется излишней. Точность репликации у бактерий достаточно высока для устойчивого, неопределенно долгого сохранения вида, и более высокая точность означала бы неоправданные затраты энергии. Что касается генетического разнообразия популяций, то его полезность для долговечности вида достаточно обоснована. Природные популяции, даже бесполые, сильно полиморфны, но надо полагать, что полиморфизм служит экологической пластичности вида, его устойчивости в меняющейся среде. Это не мутационный груз, а богатство генофонда. Множественные аллели уже отобраны на совместимость, на условную полезность и т. п.

В феномене биологической эволюции кроется фундаментальное диалектическое противоречие, очевидное уже в исходной дарвиновской триаде – наследственность, изменчивость, отбор. Изменчивость предполагает несовершенную наследственность. Моя мысль состоит в том, что в ходе эволюции идет преодоление изначального несовершенства наследственности, в пределе – уничтожение изменчивости. Необходимо, однако, различать изменчивость как отражение уровня мутагенеза (неизбежное зло) и разнообразие как богатство генофонда вида, генетическую адаптируемость (как способность к микроэволюции) и приспособленность (адаптированность) как совершенство генофонда, тормозящее дальнейшую эволюцию (Leigh, 1973). На мой взгляд, различение этих понятий позволит избежать логической ошибки, несомненно лежащей в предположении о возможности отбора на повышенную способность к эволюции. Это мое утверждение не означает, что в ходе эволюции объективно не возрастает способность к эволюции. Усложняющаяся биосфера в силу именно своей сложности становится, с одной стороны, все более уязвимой для энтропии, а с другой стороны, создает все увеличивающееся разнообразие экологических ниш, что должно вести к увеличению вероятности успешных попыток возникновения и закрепления новых форм. Но в ходе эволюции в геологических масштабах времени сохраняются только те виды, которые достаточно успешно противостоят росту энтропии. Такова диалектика эволюции.

Полезные мутации – вредны. Генетика популяций изучает эволюцию адаптаций, тогда как содержание эволюции – противостояние энтропии. Для победы над энтропией необходимо (помимо всего прочего) устоять против «соблазна приспособленчества», устоять против давления среды, не стать ее отпечатком, остаться самим собой! Только верные наследуют землю! Верные самим себе.

Дата добавления: 2015-06-30