Биологические часы и эволюционное вpeмя

(Доклад на семинаре А.П. Левича по темпорологии, МГУ, 2 марта 1999 г.)

Проблема биологического времени уже обсуждалась на нашем семинаре применительно к эмбриональному развитию пойкилотермных животных. Темпы такого развития существенно зависят и от внешних факторов, в первую очередь от температуры, и от внутренних, например, от видовой принадлежности эмбриона. Для сопоставимости наблюдений за развитием животных при разных температурных режимах, а также за развитием животных из разных видов оказалось удобно ввести специальную единицу измерения времени развития — детлаф. Эта единица не зависит ни от температурных условий в широком диапазоне оптимальных температур, ни от видовой принадлежности для обширных систематических групп — от иглокожих до костистых рыб, — а характеризует именно стадию онтогенеза.

Возникает вопрос: можно ли ввести аналогичные «биологические времена» не только для организма, но и для популяции, расы, вида, сообщества? Можно ли говорить о молодой и старой популяции, молодой и старой расе или виде, выделить характерные возрастные этапы в становлении экологического сообщества?

Необходимое условие для введения такого рода «биологического времени» — наличие развёрнутого во времени плана развития некого класса живых систем, плана, реализуемого быстрее или медленнее в зависимости от индивидуальных свойств данной системы, случайностей и непредсказуемых внешних воздействий, но проходящего через предопределенные и чётко выделяемые этапы. В этом случае предсказуема бывает лишь последовательность событий, а не длительности разделяющих эти события интервалов. На языке математики это означает, что задана лишь топология времени, а не его метрика.

Первым такое топологическое время в биологии ввёл С.В. Мейен; он же подчеркнул необходимость наличия развёрнутого во времени плана развития для введения времени, которое действительно можно назвать эволюционным, т.е. отражающим важнейшее специфическое свойство биологических систем — эквифинальность, или гомеостаз развития. Согласно формулировке Мейена, время в биологии — это изменчивость индивида, или время без часов.

В самом деле, под часами мы обычно понимаем некий эталонный равномерный процесс. Чем он равномернее, тем более он пригоден на роль эталона. Само существование такого рода биологических часов не вызывает сомнения, но чем лучше некий биологический процесс удовлетворяет требованиям, предъявляемым к часам, тем менее механизм этого процесса должен зависеть от ключевых событий, последовательность которых определяет эволюционное время. Например, для определения времени расхождения филогенетических линий используют количество накопившихся нейтральных мутаций, которыми отличаются между собой гомологичные структурные белки или ферменты, или количество расхождений в нуклеотидных последовательностях митохондриальных ДНК. Чем селективно нейтральнее такие изменения, тем более они подходят для этой цели.

Существование развернутого во времени плана связано с общей особенностью происхождения сложных систем — необходимостью завершить определенные подготовительные процессы, прежде чем станут возможны последующие. Например, в экологии есть понятие сукцессии — закономерной смены видового состава природных сообществ после нарушения экологического равновесия, а также понятие терминального сообщества, или климакса, — т. е., зрелого, устойчивого состояния биоценоза, способного существовать неограниченно долго без заметных изменений. Так, выделяют раннесукцессионные, среднесукцессионные и позднесукцессионные виды, наличие и обилие которых могут служить маркёрами определенных стадий развития сообщества данного типа.

Каждый временный набор видов в ходе сукцессии в буквальном и переносном смысле готовит почву для следующего за ним, изменяет ее так, что она становится менее пригодной для него самого, но более благоприятной для тех, что придут ему на смену. Одни виды фиксируют азот, другие разрыхляют почву, третьи привлекают животных и птиц, приносящих семена последующих вселенцев, и т.д. Процесс завершается после того, как сложится сообщество, в котором все кругообороты вещества и энергии замкнуты и сбалансированы, т.е. сообщество, воспроизводящее само себя. Оно и называется терминальным, или климаксным, так как оно способно существовать неограниченно долго без существенных структурных изменений.

В какой степени подобная схема применима к становлению и развитию вида?
Основываясь на чисто генетических соображениях, японский генетик Суцумо Оно в 1970 г. в книге «Evolution by gen duplication» (в русском переводе «Генетические механизмы прогрессивной эволюции») предложил схему филогенеза, основанную на идее чередования длительных периодов устойчивости генома и кратких периодов его дестабилизации, создающих множество вариантов исходного генома. Эти варианты после их стабилизации становятся относительно медленно эволюционирующими дочерними филогенетическими линиями.

Исследования по молекулярной генетике, ставшие возможными благодаря разработке методов анализа нуклеотидных последовательностей ДНК, подтвердили правоту многих положений теории Суцумо Оно, и в настоящее время большинство генетиков-эволюционистов разделяют эти взгляды. Однако признание этой теории влечёт за собой радикальное изменение наших представлений о движущих силах, темпах и формах эволюции. На первый план выходят теперь генетические механизмы обеспечения устойчивости вида. Об одном таком механизме мне хочется рассказать подробнее, так как он существенно дополняет схему Суцумо Оно. Этот механизм предлагает возможные решения нескольких давно поставленных проблем теории эволюции, непосредственно связанных со структурой эволюционного времени, времени, понимаемого как изменчивость индивида. При этом индивидом можно считать не только особь, но и вид. Структура биоразнообразия предстаёт перед нами тогда как структура самого времени.

Устойчивость вида бывает иногда совершенно поразительной. Есть виды, практически не эволюционирующие и переходящие из одной геологической эпохи в другую без всяких видимых изменений. Это так называемые «живые ископаемые», или филогенетические реликты. Для некоторых форм время их существования в неизменном виде превышает сотни миллионов лет. Итак, какой же механизм может защитить вид и от трансформации, и от вырождения на протяжении десятков, а иногда и сотен миллионов поколений, и сделать его потенциально бессмертным? Если мы сможем найти такой сверхнадёжный способ передачи генетического текста по эстафете поколений, то анализ исключительных ситуаций, в которых этот способ не срабатывает, и даст нам общую теорию эволюции.

Во-первых, необходим дискретный помехоустойчивый код, исправляющий ошибки. ДНК-белковый код именно таков.

Во-вторых, нужно отбраковывать дефектные копии генома, чтобы эти дефекты не передавались следующим поколениям. Эту функцию осуществляют зародышевый отбор и ранний отбор, проверяющие каждый индивидуальный геном на способность построить нормально развитый организм, могущий участвовать в половом размножении.

В-третьих, новая копия генома делается на основе не одной родительской копии, а двух — отцовской и материнской, — дошедших по независимым каналам передачи и, значит, с малой вероятностью имеющих одинаковые дефекты. Сопоставление этих копий позволяет отбраковать обе в случае значительных расхождений (стерильность гибридов).

Можно предположить, что именно стерильность гибридов и является первичным изолирующим механизмом, защищающим вид и от внесения в него чужеродных генов извне, и от макромутаций — хромосомных перестроек, лежащих, согласно теории Оно, в основе видообразования и макроэволюции вообще. В этом случае должен существовать некий структурно-генетический инвариант, охраняющий единство вида и сохраняемый видом при всех исторических изменениях его генофонда. Такой инвариант можно тогда считать единственным существенным фактором при определении видовой принадлежности, подобно тому, как отпечаток пальца человека служит надежным свидетельством его индивидуальности при любых изменениях его внешнего облика.

ГИПОТЕЗА О ПРИРОДЕ СТРУКТУРНО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО ИНВАРИАНТА ВИДА

Можем ли мы найти подобные «отпечатки пальцев» вида, которые свойственны всем особям данного вида, но отличны у других, даже близких видов? Попробуем. Возможно, это генетическая карта — инвариант вида, известный еще Моргану, хотя его биологический смысл долго оставался недооцененным. Генетическая карта показывает относительное расположение генов (точнее, их аллелей) на хромосомах. Именно Морган установил, что не все пары признаков ведут себя так, как те, что изучал Мендель, они могут быть «сцепленными», т.е. вероятность унаследовать один признак из данной пары зависит от того, унаследован ли другой. Менделю просто повезло, что все рассмотренные им семь признаков гороха были независимыми, несцепленными и свободно рекомбинировали. Поэтому у него и получились такие простые и повторяющиеся соотношения расщепления пар признаков.

Но для других пар это не так, и степень сцепления оказалась константой для данной пары признаков и варьировала для разных пар от полной независимости, как в опытах Менделя, до абсолютной зависимости, когда признаки вовсе не расщеплялись и передавались или только вместе, или не передавались совсем. Оказалось также, что все признаки данного вида разбиваются на несколько групп сцепления: любые пары признаков из одной группы в той или иной степени сцеплены, а признаки из разных групп свободно рекомбинируют. Кроме того, внутри каждой группы можно линейно упорядочить признаки на отрезке прямой таким образом, что чем ближе признаки друг к другу, тем выше сцепление между ними, и это упорядочение не только топологическое, но и метрическое: есть прямая математическая зависимость между сцеплением и расстоянием.

Вот это расположение генов на хромосомах и называется генетической, или хромосомной, картой, так как число групп сцепления оказалось равным числу хромосом, а длины отрезков соответствующих групп пропорциональны наблюдаемым в микроскоп длинам хромосом. Именно так было доказано, что гены не как попало плавают внутри клетки, а локализованы на хромосомах в определенном порядке.

Естественный вопрос: в чем биологический смысл такого упорядочивания? Обычно его усматривают в том, чтобы гены не потерялись, чтобы можно было скопировать хромосому как единый текст целиком и затем растащить дочерние хромосомы к противоположным полюсам клетки при ее делении, т.е. что такая аранжировка нужна для процесса репликации генов. Это верно, но важно ли при этом, в каком именно порядке гены будут расположены на хромосомах? Скажется ли это на функционировании генов? Как правило, нет. Генетический текст никогда не читается весь целиком, в каждой клетке в каждый данный момент активно считывается лишь ничтожная часть генов, места считывания расположены по длине хромосомы совершенно нерегулярно.

Хромосому можно уподобить большой библиотеке, в которой читатели запрашивают те или иные книги по названиям или авторам, понятия не имея, как они расставлены на полках. Способ расстановки не имеет никакого отношения к содержанию книг и не связан с порядком, в котором их запрашивают, а подавляющая часть книг вообще ни-когда никем не спрашивается. Фиксированное расположение генов на хромосомах — это избыточная информация, пока не совсем понятно для чего нужная, но регулярно воспроизводимая при репликации хромосом. А может, в ней все-таки есть некий скрытый смысл?

Да, конечно, он имеется. Ведь хромосомы почти никогда не передаются потомкам целиком — иначе все гены в одной хромосоме были бы сцепленными абсолютно. Но они рекомбинируют, то есть хромосомы половых клеток любой особи представляют собой случайную мозаику из кусков хромосом, доставшихся этой особи с отцовской и материнской стороны: начало, например, с материнской, следующий за ним кусок — с отцовской, затем с произвольного места — снова с материнской и так далее. Ведь у большинства видов эукариот имеется диплоидный набор хромосом во всех соматических клетках, каждый ген представлен дважды, но каждая особь передает потомку лишь один экземпляр каждого гена, иначе количество ДНК в клетках возрастало бы вдвое от поколения к поколению. Какой именно экземпляр, унаследованный от матери или от отца, дело случая: при созревании половых клеток происходит так называемое редукционное деление, или мейоз, уменьшающий вдвое число хромосом в половых клетках по сравнению с соматическими.

Предположим, что на протяжении всей эволюции вида, во всех его поколениях сохраняется неизменной генетическая карта, т.е. тот самый порядок расстановки книг на полках, хотя само содержание этих книг может меняться удалением и вставкой новых страниц. Пусть он одинаков и синхронически, и диахронически — один и тот же у всех особей данного вида в настоящий момент времени и по всем ро-дословным. Тогда это и будет искомый не эволюционирующий эталон вида. Но как же ему сохраниться в гигантской череде поколений, не изменившись ни на йоту? Какие генетические механизмы способны решить эту, на первый взгляд неразрешимую, задачу? Оказывается, они действительно существуют и хорошо исследованы, хотя их биологический смысл до сих пор оставался не вполне понятным. Речь идет о механизме мейоза и кроссинговера.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ СОХРАНЕНИЯ ЭТАЛОНА ВИДА

Ответ прост — сам способ хранения и передачи эталона должен математически гарантировать его сохранность. Такой способ давно известен в теории передачи информации по каналам связи. Во-первых: дискретный помехоустойчивый код. Во-вторых: многократное дублирование каналов передачи. В-третьих: сравнение на каждом этапе передачи двух копий сообщения, пришедших по разным каналам, с отбраковкой обеих в случае обнаружения расхождения. Это своего рода глубоко эшелонированная оборона — множество порогов защиты.

В передаче генетического текста по эстафете поколений каналами связи являются родословные, этапами — поколения, механизмами сличения — оплодотворение и мейоз, являющийся необходимой стадией созревания половых клеток.

Фактически порогов защиты здесь неограниченно много — столько, сколько поколений. Ошибка, пропущенная в неком поколении, будет исправлена в следующем — или в том, что придет ему на смену. Пока идет обмен генами внутри всей популяции данного вида, идет и сличение копий; прекращение общения между некоторой частью популяции и всем остальным видом может нарушить это сличение, но ведь отколовшаяся часть имеет структуру, идентичную исходной, ее она и будет воспроизводить, пока общение не восстановится.

Это можно назвать голографическим кодированием — когда любая часть некоторого объекта несет в себе всю существенную информацию об этом объекте, как любой осколок голограммы воспроизводит запечатленный на нем образ целиком, с большей или меньшей подробностью.

Уместно вспомнить, что структурная информация никак не выявляется фенотипически — для функционирования генов несущественно их расположение, — так что она вообще не находится под давлением любого отбора, естественного или искусственного, не говоря уже о том, что и выбирать-то не из чего, вид не полиморфен по данной структуре. Это значит также, что все видовое разнообразие может быть воспроизведено из сколь угодно малого количества особей данного вида — даже из пары особей, как в легенде о Ноевом ковчеге. Описанную выше модель можно просчитать и найти скорость угасания отклонений как функцию от исходной численности диссидентов. Более того, существует исторический пример реализации такой схемы сохранения канонического текста при его копировании и передаче по цепочке поколений.

Речь идет об истории сохранения канонических текстов Ветхого Завета, известной специалистам. Ведь процедура переписки свитков Торы четко регламентирована каноническими правилами и полностью укладывается в указанную модель голографического кодирования: дискретный текст, жесткий контроль соответствия копии оригиналу и периодическая сверка копий различного происхождения между собой.

В данном случае конечный результат известен. В многочисленных типографских перепечатках текстов Торы можно найти маленькую заметку мелким шрифтом: «Сверено с Ленинградским кодексом». Это ссылка на прекрасно сохранившуюся древнюю рукопись, ныне находящуюся в Российской национальной библиотеке в Санкт-Петербурге. Последним владельцем манускрипта перед тем, как он попал в библиотеку, был ученый и собиратель древних рукописей Авраам Фиркович, который вывез книгу из путешествия по странам Ближнего востока. С тех пор манускрипт хранится в Отделе рукописей, ему тысяча лет, и долгое время он считался единственным дошедшим до нас полным списком такой древности.

Но когда во время засухи и голода в Эфиопии израильские добровольцы-проводники вывозили самолетами в Израиль затерянные в пустыне еврейские общины, в течение двадцати веков не имевшие связи с другими еврейскими общинами, они также вывезли и свитки Торы, все это время переписывавшиеся независимо от всех остальных свитков. Специалисты были в восторге от столь важной находки, свитки были сличены с дошедшим до наших дней каноническим текстом, и что же оказалось? Отличия были самые минимальные — текст, состоящий из сотен тысяч букв и переписанный за это время более сотни раз, разошелся лишь в нескольких буквах! Причем речь шла о небольшой общине, и число независимых цепочек передачи было минимально. Это не идет ни в какое сравнение с обычно наблюдаемым количеством несовпадений при переписывании столь древних рукописей, когда применялись менее строгие правила охраны аутентичности текста. Такова мощь голографического кодирования.

Но теперь, когда мы можем с помощью гипотезы о структурно-генетическом инварианте вида и способе его неограниченно долгого сохранения объяснить существование «живых ископаемых», нам нужно объяснить, почему этот сверхнадёжный способ сохранения вида иногда не срабатывает, и образование новых видов всё же происходит.