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

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.

Эволюционный процесс конечно же не может «знать», что произойдет в каждый следующий момент, но в среде с часто возникающим стрессом организмы, которые вырабатывают способность временно поднять частоту мутаций, получают дополнительный шанс на выживание. Этот эффект еще более усиливается за счет кластеризации мутаций, чему содействует привлечение стресс-индуцированных репарационных ферментов к поврежденным участкам ДНК (Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001). В дополнение к этому эволюционные эксперименты показывают, что в условиях стресса повышенная частота мутаций, вызванная мутациями в генах репарации, может обеспечить селективное преимущество организмам, несущим аллели-мутаторы.

Позволив себе антропоморфизм, можно сказать, что эволюция не способна предвидеть, что произойдет в действительности, однако может экстраполировать исходя из трудностей прошлого, что неприятности рано или поздно обязательно случатся, так что единственный шанс выжить состоит в том, чтобы быть подготовленным и включать ускоренное мутирование при появлении проблемы. Это рискованная стратегия, но, по всей видимости, единственная, которая может развиться эволюционно. Реализуется ли аналогичная стратегия на уровне фенотипических мутаций, менее ясно, но такая возможность выглядит реалистичной, учитывая исследования по индуцированию ошибок трансляции, возможно специфических, в условиях стресса.

Ярким доказательством в поддержку эволюции эволюционируемости служат АПГ, специализированные вирусоподобные агенты горизонтального генетического переноса у бактерий и архей (см. гл. 4 и 10). Учитывая, что горизонтальный перенос является доминирующим эволюционным процессом у прокариот, наличие специальных устройств, которые, насколько мы понимаем, эволюционировали исключительно под селективным давлением для усиления переноса, показывает, что механизмы эволюции сами эволюционируют и, в некоторых случаях, могут рассматриваться как адаптации.