Проблемы Эволюции

Проблемы Эволюции

В поисках третьего фактора

Тихоненко Т. И.

Вирусолог о горизонтальном переносе как важнейшем факторе эволюции, ускоряющем прогресс.

Т.Тихоненко, доктор биологических наук

В ПОИСКАХ ТРЕТЬЕГО ФАКТОРА

Рассуждения известного советского вирусолога Томаса Иосифовича Тихоненко об основных эволюционных факторах вызваны весьма важным и настойчивым вопросом, который мы предпочитаем дать не в собственной формулировке: «…Оценивая существование жизни на Земле примерно в три миллиарда лет, невозможно допустить, чтобы для образования одного только нового гена потребовалось время, исчисляемое миллионами лет (а именно эта величина соответствует расчетам), даже при смене поколений через каждые десять дней. Для позвоночных эта оценка вырастает уже до сотен миллионов лет. Обычно подчеркивают, что популяционные процессы и генетический обмен сокращают эти сроки. Это, безусловно, верно. Но на какую величину? Достаточна ли эта величина для того, чтобы нейтрализовать огромный расход времени, которое должно уходить на «пробы и ошибки» при только случайном присоединении нуклеотидов?..»

Статья, из которой взята цитата, напечатана в журнале «Вопросы философии», в дискуссионной подборке, посвященной эволюции. Авторы ее разрешают это «арифметическое» противоречие в эволюционной теории, выдвигая гипотезу о некоторой самообучающейся системе, накапливающей в ходе эволюции опыт и далее уже направляющей саму эволюцию. Но нужна ли в данном случае такая гипотеза? Может быть, можно найти объяснения этой задаче в материале, уже имеющемся в руках исследователей?

В написанной Томасом Иосифовичем совместно с академиком АМН СССР В. М. Ждановым главе сборника «Методологические проблемы вирусологии» была сказана сенсационная в своем роде мысль. Вот первый ее тезис: «Будучи строгими внутриклеточными (генетическими) паразитами, вирусы поражают, вероятно, все существующие виды на Земле». А вот второй: «Мутации и рекомбинации не могут объяснить образование видов и прогрессивную эволюцию». И, наконец, третий: «Сказанное и является основой для постановки проблемы о роли вирусов в генетическом обмене в Биосфере и тем самым в эволюции жизни на Земле».

Прием в качестве исходной посылки, что все формы жизни на Земле возникли в результате последовательной прогрессивной эволюции, развивающейся от наших форм к высшим, вплоть до «венца творения» - человека. С традиционной точки зрения главные факторы эволюционного процесса – мутации и рекомбинации. Благодаря мутациям генов появляются новые признаки и свойства, полезность которых далее «оценивает» естественный или искусственный отбор. Особи с бесполезными и вредными «новациями» выбраковываются. Мутанты, обретающие полезные признаки, накапливаются в популяции, обособляясь в новые группы; так появляются новые штаммы, виды, роды и т. д.

Однако природа поставила потоку возникающих новшеств непреодолимые, как кажется, рубежи. Обмен генами в клетках, имеющихся ядро (эукариотов), возможен лишь внутри вида или в лучшем случае в пределах скрещивающихся между собой видов. Между более отдаленными таксономическими группами (родами, семействами и т. п.) обмен генетической информацией «запрещен».

Возможную скорость эволюционного процесса легко рассчитать; частоту мутаций и темпы их распространения в пределах вида можно определить. Возьмем в готовом виде главный вывод занимавшихся такой процедурой В.А. Ратнера, С. Оно и некоторых других эволюционистов. Они считают, что моделью поступательного эволюционного процесса, построенной на основе традиционных положений теории, никак нельзя объяснить реально наблюдаемые скорости видообразования и эволюции жизни на Земле.

Мы привыкли свято верить в непреложность математических выводов, и поэтому остается лишь прослезиться над произведенными выкладками, так как на Земле, согласно им, вместо Homo sapiens, в данном случае читающего журнал «Знание – сила», оказывается, должны царить неграмотные птеродактили. Но поскольку реальное время, показываемое биологическими часами планеты, опережает расчетное на несколько миллионов лет, придется совершить кощунство и, утерев слезы, усомниться в правильности предпосылок, лежащих в основе таких подсчетов. Итак, правильны ли положения о мутациях и рекомбинациях как единственных молекулярных факторах эволюции?

Подтверждения такого рода сомнениям, оказывается, есть: их дают хотя бы наблюдения за довольно оживленным обменом генетической информацией у прокариотов (одноклеточных, лишенных ядра). У бактерий он ведется как в пределах вида, так и между видами, и частота его довольно высока, так что генетическая информация распространяется с большой скоростью, которая заведомо превосходит скорость этого процесса на основе обычной рекомбинации у высших форм жизни.

Еще важнее тот факт, что нечто подобное прямому обмену ДНК у прокариотов наблюдается также у эукариотов. Я попробую это показать наглядно, но сначала припомним под нужным нам углом зрения одну общеизвестную нам вещь.

В отличие от человека разумного, вынужденного общаться с себе подобными существами на нескольких сотнях языков, на «неразумном» клеточном уровне, к счастью, существует один-единственный генетический язык, основанный на троичном коде и использующий четырехбуквенный алфавит. Поскольку генетический код универсален, принципиально, что генетическая запись в ДНК одного вида будет правильно прочитана в клетках любого другого вида. Правда, при «общении» эукаритов с прокариотами возникают трудности, сравнимые с трудностями понимания диалектов одного языка. Поэтому они непринципиальны преодолимы.

Генетический язык – настоящее молекулярно-биологическое эсперанто. Именно этот фундаментальный факт крайне важен, когда мы рассуждаем о межвидовом, междуродовом и так далее обмене наследственной информацией.

А теперь вернемся к прокариотам.

Истинный половой процесс у бактерий отсутствует, а значит, невозможен и регулярный обмен фрагментами ДНК в виде рекомбинаций. Но без такого обмена разрушается нормальная работа генетического механизма. И обмен принимает иной вид: бактерии обмениваются готовыми блоками генетической информации, случайно попадающими в клетку. Эти процессы не знают ограничительных барьеров половой несовместимости разных видов.

Ныне уже твердо доказано, что трансфомация, иными словами наследственное изменение свойств одного бактериального штамма за счет воздействия ДНК другого штамма, у прокариотов в естественных условиях – широко распространенное явление.

Для нас особо интересна межвидовая трансформация, которую обнаружили у многих бактериальных родов, а также отдельные успешные случаи межродового обмена ДНК.

Любопытно и очень важно для нашей темы, что у микроорганизмов есть специальный механизм, предназначенный для поглощения ДНК из окружающей среды. В свое время бактериальные клетки приходят в особое физиологическое состояние, получившее название « компетентность», когда клеточная стенка становится проницаема и бактерия может активно «присваивать» ДНК из внешней среды, включая в свой клеточный геном большую часть усвоенного полимера.

Итак, бактерии буквально ищут в окружающей среде чужеродные гены.

У многих бактерий есть еще одна система, призванная решать те проблемы, с которыми сталкивается клетка, открытая для проникновения чужеродной ДНК. Она носит длинное название – «система специфичности нуклеиновых кислот в отношении хозяина», или короче – «система хозяйской специфичности ДНК», и состоит из двух ферментов. С помощью этих ферментов бактерия может легко и быстро разобраться в том, какая из присутствующих в клетках молекул ДНК своя собственная, а какая – чужеродная гостья. Не следует признать явной передержкой распространенное сравнение этой системы с вооруженным охранником, который проверяет документы у « входящих» молекул ДНК и уничтожает всех чужаков. В функции ее совсем не входит физическая ликвидация проникающей в клетку чужеродной ДНК. Дело в том, что этот фермент чаще всего «разрезает» ДНК на сравнительно крупномолекулярные фрагменты, которые сохраняют функциональную активность. Более того, такой размер как раз является оптимальным для интеграции.

Определенные виды плазмид способны создавать в клетках некоторых бактериальных родов отдаленное подобие половой дифференциации. Наилучшим образом изучена плазмида, обозначаемая индексом F. Она переходит из клетки в клетку, превращая их в мужские. С точки зрения интересующей нас проблемы обмена генетической информацией важно отметить, сто иногда переход плазмиды сопровождается захватом части клеточной ДНК, которая может рекомбинировать с геномом женской клетки. Обмен легко происходит не только внутри вида, но и между разными видами и даже родами, а возможно, и семействами (например, между бактериями и актиномицетами).

И такой способ его выгодно отличается от трансформации, где ДНК на своем пути от клетки-донора к реципиентной клетке должна совершить опасные блуждания во внешней среде, где так мало шансов уцелеть и так много – погибнуть, не достигнув тихой реципиентной пристани.

Интригующая особенность F и подобных ей плазмид состоит в том, что они сильно напоминают поведение вирусов, так называемых «голых» вирусов, потерявших способность синтезировать белковую оболочку и существующих внутри клетки в форме свободной ДНК. Сходство это настолько велико, что многие авторы прямо производят F и другие плазмиды от вирусов и называют их эпивирусами. Во всяком случае, деятельность этих плазмид, безусловно, можно сравнить с образом действий инфекционного агента. Именно благодаря некоторых их видам среди бактерий эпидемически распространяется, например, устойчивость к антибиотикам и другим лекарственным веществам.

Значительно сложнее обстоит дело с эукариотическими клетками. Настоящий половой процесс с его запрограммированной рекомбинацией отцовской, материнской и сестринских ДНК делает излишними рискованные и нерегулярные акты рекомбинации со случайно проникающей в клетку чужеродной ДНК. Эукариоты не нуждаются в «иммигрантах» и принимают соответствующие «законы», строго регулирующие возможность поступления в клетку нежелательных чужеземцев.

С помощью особой техники удалось получить, например, межвидовые гибриды человеческих и мышиных, человеческих и хомячковых, мышиных и куриных клеток. Как правило, в таких гибридах происходит быстрая и полная потеря хромосом одного из партнеров.

Сказанное объясняет, почему большая часть попыток внести в хромосомы животных клеток препараты «чужой» ДНК заканчивались неудачей, а вокруг немногих сообщений об успешных опытах ведутся дискуссии об их корректности, правомочности интерпретации и воспроизводимости результатов. А ведь наряду с этим имеются и общепризнанные случаи успешной трансформации эукариотических клеток. Но в этих случаях исследователи использовали ДНК вирусного происхождения.

Сенсационные результаты, полученные несколькими авторскими коллективами, как будто подтверждают, что можно будет исправлять генетические дефекты животных и растительных клеток с помощью вирусных ДНК, несущих полноценные гены.

Волна критики и недоверия, вызванная этими работами, прямо пропорциональна грандиозности открываемых ими перспектив. Здесь слишком велики ставки, чтобы допустить возможность ошибки и пойти по неверному пути. Легко понять, что, если полученные результаты не сгорят в огне критической проверки, они окажут огромное влияние на будущее развитие как генной инженерии и медицинской генетики, так и общих концепций эволюции.

Эти работы показывают, что вирусные ДНК каким-то образом умеют обходить «иммиграционные запреты» эукариотов и доставлять свои гены к месту назначения в хромосоме, даже если это вирус бактерий, а клетка имеет человеческое происхождение. Но что еще важнее, эти частные результаты показывают возможность обмена генетической информацией между клетками прокариотов и эукариотов, включая и клетки человеческого происхождения.

Чтобы развить эту тему далее, нам придется снова вернуться к прокариотам. К их отношениям с вирусами.

Респектабельное название «бактериофаг» означает в переводе «пожиратель бактерий» и вполне точно отражает отношение, которое существует между этим типом вирусов и бактериями. Однако состояние всеобщей перманентной войны бактериальных вирусов против своих хозяев бактерий в общеэволюционном масштабе обоюдно невыгодно. Поэтому со временем пожиратель адаптировался к своим жертвам, а, возможно, жертвы приручили своих палачей. В результате возникли так называемые умеренные фаги, практикующие более гуманные, более цивилизованные формы паразитизма, главной особенностью которого стало состояние провируса (профага). В таком состоянии вирусный геном интегрируется в бактериальную ДНК и объединяется с нею в единое целое. Клетки, несущие провирус, называются «лизогенными бактериями». Комплекс фаг – клетка несет черты несомненного симбиоза.

Описанная цепь событий открывает многообещающие возможности с точки зрения обмена генетической информацией у прокариотов. Прежде всего фаги приносят в клетку большое количество дополнительной информации, весьма меняющей свойства бактерии. О масштабах и значительности таких изменений может дать представление хотя бы тот факт, что, например, дифтерийный, столбнячный и холерный токсины создаются только провирусом, сидящим в геноме соответствующих бактерий. Сами по себе дифтерийные коринобактерии, холерные вибрионы или столбнячные палочки совершенно не оправдывают своих грозных названий, они без провируса совершенно безвредны.

Этот феномен представляет собой тем больший интерес, что огромное распространение в природе получили дефектно-умеренные фаги. У таких фагов провирус оказывается намертво замурованным в бактериальном геноме. По существу, с эволюционной точки зрения такое слияние геномов равноценно скачкообразному акту видообразования.

Выщепляясь из хозяйской хромосомы, провирус тоже иногда теряет часть собственных генов, приобретая взамен бактериальные. Как правило, это тонкая хирургическая операция проходит достаточно точно, и энзиматический скальпель разрезает хромосому клетки строго по «нужному» месту. Однако он все же «дрожит в руке хирурга», и подчас разрез приходит левее или правее от оперируемого сочленения.

В результате такой «хирургической» ошибки формируется дефектные вирусные частицы, несущие те или другие клеточные гены, Такой фаг, как правило, не способен к самостоятельному размножению из-за потери части своих генов, но может обычным образом внедряться в хромосому бактерии, неся с собой гены прежнего своего «хозяина». С помощью подобных частиц и осуществляется перенос клеточных генов от одних видов и штаммов бактерий к другим.

Именно такие фаги и использовались в упомянутых экспериментах по исправлению генетических дефектов в человеческих клетках. Используя различные умеренные фаги, можно переносить практически любые бактериальные гены от одних видов бактерий к другим.

Поведение умеренных бактериофагов удивительно напоминает поведение онкогенных вирусов. Исходя из вирусогенетической концепции рака, можно утверждать, что все онкогенные вирусы способны включать свой геном в хромосому хозяина. К сожалению, уровень знаний о молекулярных механизмах взаимодействия между клеточным и анковирусным геномами значительно уступает тому, что мы знаем об умеренных фактах. Поэтому для объяснения тех или иных особенностей в поведении онкогенных вирусов приходится прибегать к сравнению с фагами.

Исследования последних лет показали, что некоторые разновидности РНК-содержащие онкогенных вирусов распространены практически повсеместно и геномы их можно найти в клетках многих млекопитающих и птиц. На основании этих данных Г. Теминым сформулирована очень интересная и многообещающая гипотеза о симбиотических взаимоотношениях между эукариотическими клетками и онкогенными вирусами в духе того, что мы наблюдали на примере бактерий и умеренных фагов. Клетка животных в результате подобного симбиоза получает «помощь» в своей «повседневной» жизни, онкорновирусный геном, возрождая ее способность к росту, помогает ей, например, регенерировать, и, кроме того, онкогенные провирусы в ее геноме создают ей иммунитет к инфекции патогенным их собратом. Выгоды, получаемые онкогенным вирусом, как и фагами, сводятся к возможности безопасного распространения в пределах данной популяции вида или рода.

Не обсуждая всех деталей и возможных следствий из протовирусной гипотезы темина и близких к ней взглядов других авторов, отметим лишь ту ее сторону, что важна с точки зрения развиваемой концепции обмена генетической информацией в биосфере. Характер отношений между онкогенными вирусами и клеточными геномами указывает на принципиальную возможность преодоления барьеров, с помощью которых эукариотическая клетка защищается от поступления в нее чужеродной генетической информации.

А если так, то открываются перспективы, сходные с теми, которые мы наблюдали на примере умеренных фагов. Иными словами, анковирусы способны быть «почтальонами» природы, несущими информацию от вида к виду. Возможность переноса клеточных генов в результате неточного выщепления вирусных геномов находится в центре внимания и самым внимательным образом изучается. Пока, к сожалению, при помощи онкогенных вирусов не удалось проделать такого переноса. Но это дело времени.

Итак, «третий эволюционный фактор», прямой или опосредованный обмен фрагментами ДНК, распространен в биосфере повсеместно, хотя конкретные формы и механизмы такого обмена, его эволюционная значимость существенно различается. Он может влиять на оба фундаментальных процесса – на мутации и рекомбинации, происходящие на молекулярном уровне и определяющие само существование и эволюцию форм жизни в биосфере.

Важным последствием обмена генетической информацией является тот факт, что проникающая в клетку и интегрирующая в геном ДНК независимо от источника своего происхождения создает так называемую генетическую избыточность или дупликацию генов. Лишь при условии генетической избыточности может реализоваться важнейшая функция мутаций – творение новых генетических признаков, основы видообразования и эволюции биосферы в целом. Изменения, ведущие к значительным эволюционным перестройкам, возможны лишь при условии генетической избыточности, то есть тогда, когда один и тот же белок контролируется двумя наборами одинаковых генов или же когда в геноме появляются несущественные или неработающие гены. Во всех этих случаях тот или иной ген оказывается свободным от безжалостного давления естественного отбора, разрешающего лишь выполнение стандартных и необходимых операций. Лишь в этом состоянии мутационная изменчивость получает полную свободу, в результате которой только и может возникнуть новое эволюционное качество. Возникающую ситуацию можно сравнить с жестокой регламентацией производственного цикла на заводе, исключающей всякие вольности и разрешающей различного рода эксперименты в условиях опытного производства.

Так вот, хотя в эукариотических клетках избыток генов создает полиплоиия, «необоюдный» кроссинговер хромосом и другие хорошо изученные механизмы и хотя известно, что в них значительная часть ДНК вообще «молчит», а некоторые гены представлены в виде тысяч и даже десятков тысяч копий, хотя, наконец, сам факт существования двойного набора хромосом гарантирует этот избыток, все же увеличение числа копий тех или иных генов за счет проникших в геном вирусов может существенно улучшить условия для проявления «запрещенных» мутаций.

Объединение в одной хромосоме генов разных существ, развивающихся в непохожих условиях, может привести к возникновению нового и неожиданного эволюционного качества. Поэтому обмен фрагментами ДНК принадлежащими разным «хозяевам», резко ускоряет эволюционный процесс. Открывается возможность приобретения сходных признаков не из общности происхождения и не из общности условий, а прямым заимствованием вещества наследственности. Случаи успешного включения прокариотической ДНК в эукариотическую клетку, пусть пока немногочисленные, ставят под сомнение правомочность классического силлогизма, на основании которого общие свойства у разных существ объясняются, как правило, общими предками, имевшими эти свойства. Конечно, развиваемую точку зрения не следует воспринимать как проповедь генетико-эволюционной вседозволенности, когда, трансформируя бактерии с помощью лягушачьей ДНК, можно получить квакающую кишечную палочку, а вводя ДНК ежа в организм ужа, можно в итоге вывести живую колючую проволоку и использовать этот гибрид в качестве дешевых и саморазмножающихся проволочных заграждений.

Концепция прямого и опосредованного обмена генетической информацией позволяет увидеть нашу биосферу в некоем действенном генетико-информационном единстве. Ведь с точки зрения традиционно-эволюционистcких концепций жизнь представлялась единством лишь в историческом плане, лишь как генеалогическое древо, в котором потомки происходят от своих предков. Предлагаемая концепция исходит из того, что такое единство может иметь действенные формы обмена готовыми блоками генетической информации между разными, в том числе и далекими, группами живых существ в нашей биосфере, причем такого обмена, который имел место не только в далекие «мезозойские времена», но постоянно совершается на наших глазах и сегодня. Ведь нет никаких оснований считать, что эволюция остановилась…

Рекламные ссылки

viagra online