Кандидат биологических наук В. В. Вельков
Памяти Н.В. Тимофеева-Ресовского
1
Две силы есть, две роковые силы…
Ф.И. Тютчев
Роковые силы существуют не только в нашей повседневной, человеческой жизни, но и в природе. Собственно, первое — это отражение и следствие второго.
В своей последней статье, опубликованной в журнале „Природа“ (1980, № 9), наш выдающийся биолог Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900-1981) две эти силы определил чётко и прямо: естественный отбор и конвариантная редупликация. Сложно? Да нет, сейчас мы во всем разберемся.
Под естественным отбором подразумевают следующее: преимущество в размножении (так называемое селективное преимущество) имеют те особи, которые наиболее приспособлены к конкретным (в полном смысле слова — сегодняшним) условиям внешней среды; это, согласно Тимофееву-Ресовскому, первый общебиологический принцип. А конвариантная редупликация есть процесс наследственной изменчивости: при размножении (точнее, при копировании генетической информации) возникают мутации — изменения структуры ДНК, или, попросту говоря, ошибки. И возникают они из-за того, что системы репликации ДНК не могут работать с абсолютной точностью. Это по Тимофееву-Ресовскому — второй общебиологический принцип. Что в итоге? Популяция вида всегда состоит из организмов, генетически не идентичных. Из этого разнообразия, благодаря силе естественного отбора, и получают наибольшие шансы те особи,которым дана возможность передать свои, сегодня „хорошие“, гены следующему поколению. „Плохие“ гены в данный исторический момент уходят в небытие. В общем, получается так, что эволюция основывается на случайных роковых или счастливых ошибках. И ещё: чем больше разнообразие внутри вида, тем больше шансов для его эволюции. И значит, для эволюции вообще. Для макроэволюции.
2
О сколько их на полях!
Но каждый цветёт по-своему.
В этом высший подвиг цветка.
Басё
Да, есть сугубо общее, но и несомненно индивидуальное. И если о последнем, то выходит, каждый ли из нас „цветёт“ по-своему. Но в какой степени? Ну уж не в такой, наверное, чтобы родиться уродом, хотя таковые, что ж делать, изредка встречаются.
Если перевести эти вопросы на язык генетики, то они будут звучать так: какова нормальная, то есть обычная, степень генетического полиморфизма (многообразия) и каков её диапазон; какова скорость возникновения мутаций, приводящих к этому разнообразию? Интуитивно можно предположить, что чем больше происходит мутаций, тем выше разнообразие — значит, тем больше шансов на выигрыш для вида. И, выходит, кто чаще ошибается, тот и выигрывает. Это действительно так. Но только на первых порах.
Но сначала о том, какими бывают мутации. По эффекту влияния на организм их подразделяют на три типа: полезные мутации, нейтральные и вредные; последние или заметно ухудшают здоровье особи, медленно сживая её со света, или приканчивают сразу (это так называемые летальные мутации). И в общем виде можно сказать, что такая особь — обладатель вредной мутации — элиминируется отбором из популяции в череде поколений; если эта особь не успела размножиться, то она сразу уносит с собой в небытие и мутантный ген.
Но, несмотря на это последнее, сей зловредный ген появляется в природе снова, потому что процесс мутирования идёт постоянно. Сколько убыло, столько и прибудет в обозримом будущем (данный принцип равновесия между мутационным давлением и отбором сформулировал в 30-х годах XX столетия ещё один наш выдающийся генетик В.П. Эфроимсон).
Очень важный вопрос: какой должна быть скорость возникновения мутаций? Оказалось, что если популяцию бактерий, у которой скорость мутирования по каким-то генам повышена в 10 раз, непрерывно растить в хемостате в течение 2000 поколений вместе с популяцией нормальных клеток, то сначала (в течение 200 генераций) вариант с высокой скоростью мутаций доминирует. Именно он оказывается лучше приспособленным к данной среде. Но затем вариант с нормальной скоростью мутирования постепенно берёт верх, а быстро мутирующий вариант начинает расти всё медленней, и доля его клеток уменьшается. Как говорит украинская пословица: „Що занадто — то не добре“ („что чересчур — то не хорошо“; по понятным этнопсихологическим причинам, у русских аналогичной пословицы нет, зато есть другая, время цитирования которой ещё придёт).
Почему же чересчур высокая скорость возникновения мутаций — „то не добре“? На первых порах в некоторых клетках быстро мутирующей популяции образуются полезные мутации, благодаря чему такие клетки размножаются быстрее. Конечно, тут возникают и вредные мутации, но гибель клеток-неудачников сначала незаметна на фоне быстро растущей популяции. Однако проходит время, и из-за высокой скорости мутирования во всех клетках эти „неудачники“ накапливаются в таком количестве, что популяция клеток начинает расти медленее. Таким образом, скорость возникновения мутаций должна быть оптимальной: не слишком низкой, чтобы клетки могли эволюционировать, но и не слишком высокой, чтобы не накапливались вредные мутации. Эта оптимальная частота возникновения мутации составляет примерно от 1 до 10 на 10 млн. клеток (то есть если популяция клеток будет расти из одной клетки, то, когда число клеток достигнет 1-10 млн., среди них будет от 1 до 10 мутантных по какому-то гену клеток).
Но будет ли такая скорость мутагенеза действительно оптимальной для эволюции? Представим, например, ситуацию, когда требуется возникновение сразу двух мутаций в одной клетке (вероятность 1×1012) или трёх мутаций (вероятность 1×1018)? Понятно, что для этого число клеток в популяции должно быть 1018. А такой размер популяции даже для микробов — „це занадто“.
Так как же быть со случайной наследственной изменчивостью,скорости которой для эволюции может быть не достаточно? Как быть со вторым общебиологическим принципом (который для биологов то же, что для физиков второй закон термодинамики)? Опять ссылаемся на последнюю статью Тимофеева-Ресовского: „Мне кажется, что формулировка второго общебиологического принципа ещё недостаточно строга и совершенна“. И затем вопрос: „Какие условия, какие дополнительные воздействия будут направлять характер той прогрессивной эволюции, которая будет создаваться естественным отбором?“
Ответ пришел через двадцать лет. Это воздействие — стресс.
И теперь уточним: не просто стресс, а стресс, который замедляет жизнедеятельность организма. Именно такой, обрушившийся на популяцию стресс в критических ситуациях и приводит к резкому повышению её генетического разнообразия — следовательно, и к увеличению вероятности, что из-за множественных мутаций какой-то из организмов сможет преодолеть кризис и выйти из него „обновлённым“. При этом резкое повышение частоты возникновения мутаций происходит не потому, что механизмы, обеспечивающие точность репликации ДНК, при стрессе просто ослабевают, а потому, что включается специальный механизм мутагенеза, работающий только тогда, когда происходит остановка деления клеток.
3
Остановись, мгновенье!
Ты прекрасно!
Гёте
В эти мгновенья всё и происходит. Хотя клетка не растёт, она тем не менее пребывает в жизнеспособном состоянии. То есть когда стрессовая ситуация (например, голодание) закончится, клетка возобновит свой рост. А если стрессу конца не видно? И неизвестно, что впереди? Что делать: ждать, медленно и необратимо теряя жизнеспособность? Можно и так. Назовём эту стратегию „рискованное ожидание“.
Но есть и другой вариант: не ждать в оцепенении, а попробовать измениться. И закрутить рулетку мутагенеза. Авось повезёт! Повезёт — если в клетке случайно возникнет мутация, одна или несколько, благодаря которым появится возможность преодолеть стрессовую ситуацию и начать деление. Впрочем, тут есть и своя закавыка. А если такая, именно полезная, мутация не возникнет? Вполне может быть. Тогда длительный мутагенез, да ещё идущий в неделящихся клетках и приводящий к резкому накоплению вредных мутаций, настолько повредит нормальные гены, что даже если условия среды вдруг и улучшатся, клетка рост не начнёт. В общем, риск. Поэтому такая стратегия — с рулеткой мутагенеза — и называется „рискованная изменчивость“.
Отсюда законный вопрос: что же для клетки в ситуации стресса лучше — ждать или рисковать? Как известно, на вопрос студентов Института красной профессуры, какой уклон хуже, правый или левый, тов. Сталин ответил: „Оба они — хуже“. И верно: обе рассмотренные выше стратегии поведения популяции клеток при стрессе действительно „хуже“. А если так, то поставьте себя на место эволюции и предложите нам третью стратегию, которая „лучше“. Получилось?
А вот что получилось у природы.
Если популяция микроорганизмов попадает в неблагоприятные условия среды (скажем, в среде нет ни одного из привычных субстратов — компонентов пищи), то клетки, естественно, прекращают рост и преобразуют свой обмен веществ так, чтобы, во-первых, наиболее безопасно пережить голод и, во-вторых, включить особый механизм, чтобы создать мутации, которые смогли бы адаптировать клетку к непривычному для неё субстрату, находящемуся в среде. Этот особый механизм был назван адаптивным мутагенезом.
Вот его суть. Как полагается, в таких неделящихся клетках идёт синтез ДНК. Но необычный: случайно, то в одном, то в другом месте генома, удаляется участок одной нити ДНК (для особо интересующихся: у бактерий кишечной палочки это происходит за счёт систем RecBCD, RecA и SOS-ответа), и на оставшейся нити, как на матрице, происходит синтез второй нити, но с мутациями! (Опять же для особо интересующихся: за счёт снижения активности системы репарации неправильно спаренных оснований, которая сокращённо называется MMR — от английского Mis Match Repair.) В итоге в одной из нитей какого-то участка ДНК накапливаются мутации. Такие мутации, с большой частотой возникающие в неделящихся клетках, были названы гипермутациями.