Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Возможно, самый поразительный известный механизм эволюционируемости представлен прионными белками грибов (Halfmann and Lindquist, 2010; Masel and Bergman, 2003). Подробно исследованный дрожжевой прион (PSI+) является фактором терминации (освобождения полипептидной цепи) трансляции и может самопроизвольно переходить в прионную форму, которая затем запускает автокаталитическое формирование агрегатов амилоида. В составе прионных агрегатов фактор терминации трансляции не активен, что приводит к частому проскоку стоп-кодонов и, соответственно, к образованию разнообразных белков, удлиненных на конце. В результате проявляется скрытая изменчивость в последовательностях 3’-НКР, эволюция которых лишь в слабой степени контролируется очищающим отбором. Образование прионов в сильной степени стимулируется различными видами стресса (Tyedmers et al., 2008), а прионное состояние наследуемо, это удивительная форма наследственности на основе белка [95].

Следует отметить, что механизм действия прионов увеличивает фенотипическую изменчивость через совместный эффект фенотипических мутаций (проскок стоп-кодона во время трансляции) и проявления скрытой генетической вариабельности. Повышенная выживаемость прион-несущих линий в условиях стресса была прямо продемонстрирована в эксперименте (Tyedmers et al., 2008). Пока еще не ясно, насколько типично опосредованное прионами усиление эволюционируемости. Что наиболее примечательно, прионная форма фактора терминации трансляции, похоже, не имеет каких-либо иных функций и, таким образом, вероятно, возникла именно под давлением отбора на эволюционируемость [96].

Конденсаторы, по всей видимости, работают как настоящие регуляторы эволюции . С одной стороны, эти гены обеспечивают устойчивость биологическим системам и смягчают воздействие мутаций. Несколько парадоксальным образом, однако, капацитация также способствует эволюционируемости через эффект усиления, позволяя эволюционирующим организмам увеличивать размер почти нейтральных сетей и, следовательно, потенциал для адаптивной эволюции (Wagner, 2008b).

Связь между устойчивостью и эволюционируемостью является ключевым аспектом эволюции в целом. Это сопряжение представляется «системным свойством», в котором устойчивость как защищает эволюционирующие системы от вредных эффектов изменчивости, так и увеличивает их эволюционный потенциал (Kaneko, 2007). Количественный анализ популяционно-генетических моделей показывает, что устойчивость может увеличивать или уменьшать эволюционируемость в зависимости от динамики численности популяции и структуры адаптивного ландшафта. В частности, было продемонстрировано, что адаптивная эволюция ускоряется с увеличением размера нейтральной сети (устойчивость), если фенотипы с высокой приспособленностью ограниченно доступны для эволюционирующих организмов (иными словами, ландшафт приспособленности имеет сложную структуру с множеством локальных пиков) (Draghi et al., 2010).

В рамках концепции адаптивного ландшафта явление отбора на устойчивость и эволюционируемость стало известно как «выживание наиболее плоских» [97]. Моделирование эволюции цифровых организмов показало, что при высокой скорости мутаций генотипы с относительно низкой частотой репликации, но большими почти нейтральными сетями – то есть занимающие сравнительно низкие, но плоские участки поверхности приспособленности – вытеснили генотипы, реплицирующиеся быстрее, но занимающие высокие, крутые пики (Wilke et al., 2001). С другой стороны, при низкой скорости мутаций эволюция происходит за счет выживания наиболее приспособленных – генотипов, находящихся на самых высоких пиках; были обнаружены и промежуточные режимы эволюции, в которых выживали как наиболее приспособленные, так и наиболее плоские (Beardmore et al., 2011). Таким образом, устойчивость и эволюционируемость приходят к оптимальному соотношению с приспособленностью. Эволюция максимизирует то или другое из этих свойств фенотипов или все сразу (тем самым поощряя разнообразие), в зависимости от условий.

В этой главе мы обсудили целый спектр разноплановых данных, моделей и гипотез, объединенных общей темой: они уводят эволюционную биологию в сторону от важной, но упрощенной триады «наследственность – изменчивость – отбор», центральной в синтетической теории эволюции. Даже более реалистичная концептуальная структура сегодняшней эволюционной биологии, куда включена важная роль дрейфа, рекомбинации и горизонтального переноса, представляется существенно неполной. Исследования, рассмотренные в данной главе, открывают более сложное, непредвиденное влияние как со стороны случайности и хаотичности, так и со стороны адаптивных, даже направленных процессов (см. рис. 9–5).

Говоря о случайности, энтропия (шум) на всех уровнях биологической передачи информации может быть конструктивным фактором эволюции, в значительной степени из-за устойчивости биологических сетей. В какой степени такая устойчивость является эволюционно возникшим, адаптивным качеством, а не фундаментальным свойством сетей, это глубокий, интересный вопрос, который еще предстоит тщательно расследовать. Важно отметить, что, хотя никто до сих пор не открыл прямого пути от фенотипических мутаций в геном, фенотипический шум также оказывается потенциально важным фактором эволюции благодаря опережающему эффекту, а также специальным механизмам усиления эволюционируемости, которые действуют посредством фенотипических мутаций, как, возможно, происходит в случае прионов грибов [98].

Рис. 9–5. Структура эволюционного процесса: многофакторное представление.

В другом плане многочисленные явления эпигенетической наследственности, как те, что связаны с РНК-интерференцией (см. выше), так и лучше изученные, основанные на наследуемых закономерностях метилирования ДНК, являются важными механизмами эволюции (Johnson and Tricker, 2010; Richards, 2006). Отчасти эпигенетические явления (которые мы не имеем возможности обсуждать здесь подробно) играют ту же роль, что и опережающий эффект фенотипических мутаций: они образуют буфер пластичности, что дает популяции шанс пересечь глубокие долины в неровном адаптивном ландшафте.

Что касается «необходимости», тщательное изучение различных, повсеместно идущих процессов, которые способствуют возникновению геномных вариаций, показывает, что эволюция не полагается всецело на стохастические мутации. Напротив, изменчивость часто управляется сложными молекулярными механизмами, которые инициируют адаптивную реакцию на вызовы окружающей среды разной степени специфичности. Геномная эволюция, как выясняется, охватывает весь спектр сценариев, от чисто дарвиновского, основанного на случайных изменениях, до истинно ламарковского, в котором конкретный механизм ответа на стимул фиксируется в эволюционирующей популяции через специфическое изменение в геноме. В широком смысле все эти пути изменения генома отражают взаимодействие между эволюционирующей популяцией и окружающей средой, где активная роль принадлежит либо только отбору (чисто дарвиновский сценарий), либо направленной изменчивости, которая сама может стать объектом отбора (ламарковский сценарий).