Текст книги "Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции"

В дополнение к меняющимся концепциям отбора и его роли в эволюции были радикально переработаны и идеи о том, что является эволюционно важными геномными и фенотипическими вариациями (см. рис. 13-1). Случайные изменения, ведущие к бесконечно малым полезным фенотипическим изменениям, которые Дарвин рассматривал как ключ ко всей эволюции, остаются важными, но становятся лишь одним из классов изменений, существенных для эволюции, притом не доминирующим – во всяком случае, количественно.

Начнем с того, что почти нейтральные мутации, «невидимые» отбору и не закрепленные дрейфом или же сохраняющиеся в популяции, не будучи закрепленными, встречаются, по-видимому, чаще, чем слегка полезные «дарвиновские» мутации. Важный момент, который не был четко осознан до недавнего времени, состоит в том, что практически нейтральные мутации далеко не безразличны для эволюции. В действительности эти мутации образуют нейтральные сети, составляющие важнейший резервуар эволюционной пластичности.

Кроме того, формы генетических вариаций, которые ни в коем случае нельзя рассматривать как ведущие к бесконечно малым полезным эффектам, имеют решающее значение для эволюции. Это понимание ставит крест на градуализме, который Дарвин и архитекторы СТЭ полагали центральным для всей эволюции. Неградуалистские типы эволюционно важных генетических изменений включают дупликации генов и целых геномов, потерю генов и ГПГ, в частности храповики обширного, направленного переноса генов, провоцируемого эндосимбиозом. Горизонтальный перенос генов является наиболее распространенным эволюционным процессом у прокариот, и, по всей видимости, имеют место специфические адаптации, поддерживающие ГПГ на оптимальном уровне. Скорость ГПГ значительно уменьшается у эукариот, где обширная дупликация с последующей субфункционализацией компенсирует сокращение ГПГ. Кроме того, эндосимбиоз и последующий перенос генов от симбионтов к хозяину сыграли решающую роль в эволюции эукариот.

Не только бесконечно малый эффект изменений, но и его полная случайность также уходит в прошлое. Такие механизмы, как стресс-индуцированный мутагенез, высокоразвитые, сложные системы которого существуют во всех клеточных формах жизни, являются адаптивными и неслучайными, и адаптивная система иммунитета у прокариот, по-видимому, действует через самое настоящее ламарковское наследование. Как правило, эволюционные процессы охватывают континуум ламарковского, дарвиновского и райтовского режимов эволюции, и относительный вклад каждого из них в любом конкретном эпизоде из истории жизни зависит от динамики популяции и давления окружающей среды. Наконец, становится все более ясным, что фенотипические мутации существенны для эволюции и могут способствовать адаптации в сочетании с генетическими мутациями, в частности посредством эффекта предвидения. Все это вместе – важность неслучайных мутаций и (квази)ламарковские механизмы эволюции, наряду с вкладом фенотипических мутаций, – показывает, что способность к эволюции тоже эволюционирует, что, в свою очередь, по-видимому, опровергает, хотя бы частично, одно из заветных убеждений эволюционных биологов – веру в то, что эволюция не имеет предвидения.

Приверженность эволюционной биологии древу жизни как единому, окончательному представлению об истории форм жизни на Земле уступает место плюралистической картине, в которой разнообразные сетевые процессы дополняют древовидные процессы генной эволюции. Эти процессы включают ГПГ, особенно распространенный у прокариот, но также вносящий огромный вклад в эволюцию эукариот, особенно через эндосимбиоз, а также через различные формы слияния генома и обмена генетическим материалом между хозяевами и паразитами (см. гл. 5 и 7). В первом приближении можно сказать, что в наших представлениях об истории жизни древо жизни уступило место паутине жизни (или ризоме жизни; Raoult, 2010)[137]137
  Используя термин «ризома», я следую авторитетнейшему микробиологу Дидье Раулю (D. Raoult. The Post-Darwinist Rhizome of Life. Lancet 375 [2010]: 104–105) и цитирую знаменитый постмодернистский текст Делёза и Гваттари, которым «ризома» служила метафорой сложности мира в целом (G. Deleuze and F. Guattari. Thousand Plateaus: Capitalism and Schizophrenia. Minneapolis, MN: University of Minnesota Press, 1987; перевод: Делёз Ж., Гваттари Ф. Тысяча плато. Капитализм и шизофрения / Пер. с франц. Я. Свирский. Екатеринбург: У-Фактория, 2010). Замена одной биологической метафоры (дерева) другой (ризомой) весьма уместна.


[Закрыть].

Когда мы глубже всматриваемся в эволюционные процессы, становится ясно, что эволюция жизни может быть осмысленно отражена лишь сложной, динамической картиной взаимодействующих процессов, среди которых древовидная эволюция будет, вероятно, самым фундаментальным, поскольку эта форма эволюции является прямым следствием двоичной репликации генетического материала как базового универсального процесса всей жизни (гл. 6). Более того, имеется неоспоримая динамическая согласованность между эволюционной историей больших ансамблей генов (самые большие из таких коэволюционирующих ансамблей известны как геномы), возрождающая концепцию ДЖ, но уже в виде центральной статистической тенденции в «лесу» филогенетических деревьев отдельных генов. Несмотря на статистическую согласованность генетических историй, «ядро» универсально консервативных, повсеместно распространенных генов клеточных форм жизни чрезвычайно мало из-за потери генов в отдельных линиях эволюции и неортологичного замещения генов – фундаментальных эволюционных явлений, важность которых не могла быть оценена в догеномную эпоху. Суммируя, можно сказать, что паутина эволюции представляет собой высокодинамичное геномное пространство-время, в котором геном каждого вида есть лишь преходящее, метастабильное скопление генов.

Неожиданная значимость простых физических и математических моделей для понимания эволюции: биологическая эволюция как предмет статистической физики

В предыдущем разделе мы рассмотрели множественность структур и процессов, которые являются определяющим аспектом новой концепции эволюции. Упрощенно говоря, эта множественность значительно увеличивает энтропию эволюционной биологии. Тем не менее анализ данных, получаемых в областях геномики и системной биологии, выявляет в равной степени заметную противоположную, «антиэнтропийную» тенденцию к структурированию эволюционной теории. Было обнаружено несколько универсальных распределений и зависимостей, таких как распределение скорости генной эволюции, связь между эволюцией и экспрессией генов и распределение степени связности узлов разнообразных сетей. Более того, некоторые из этих универсалий могут быть легко получены из простых математических моделей эволюции, очень похожих на модели, используемые в статистической физике. Эти модели становятся все более общими по мере того, как они объединяются и совместно объясняют универсальные зависимости, первоначально казавшиеся несвязанными, например распределение скорости генной эволюции совместно с антикорреляцией между эволюционной скоростью и экспрессией, или законы масштабирования для семейств генов совместно с масштабированием по функциональным классам.

Имеется удивительно простое общее объяснение этой неожиданной применимости простых моделей для объяснения эволюции геномов. Эволюционная геномика имеет дело с большими ансамблями объектов (генов, белков), которые можно для многих целей рассматривать как слабо взаимодействующие и перемещающиеся (то есть эволюционирующие) по независимым траекториям. Соответственно, принципы статистической физики столь же применимы к генетическим ансамблям, сколь и к ансамблям молекул. Естественно, статистический подход к эволюционным явлениям подвержен тем же ограничениям, что и аналогичные подходы в физике, а именно эти модели недостаточны для объяснения конкретных биологических явлений, часто связанных с небольшим набором генов, а не с большим ансамблем. Кроме того, взаимодействие между генами, эпистаз, часто вносит существенный вклад в эволюцию[138]138
  Подобно взаимодействию между частицами в жидкости или твердом теле, в отличие от идеального газа.


[Закрыть]. Тем не менее примечательно, что современная геномика и системная биология, раскрывая чрезвычайно сложную, многогранную картину эволюции, в то же время позволяют выработать и простые обобщенные модели. Очень заманчиво предложить еще один новый вариант знаменитой фразы: ничто в эволюции – и в популяционной генетике – не имеет смысла, кроме как в свете статистической физики.

Воспроизводимость эволюции: детерминизм и стохастика эволюционного процесса

Пространство генотипов, даже если рассматривать только относительно простые, небольшие геномы, невообразимо огромно (скажем, для прокариот с геномом в 1 миллион пар оснований имеется 4^1 000 000 возможных последовательностей, число, значительно превосходящее по величине все, что существует на самом деле в наблюдаемой части Вселенной, например общее число протонов или электронов). Какая часть этих генотипов на самом деле жизнеспособна и, следовательно, могла бы сыграть роль в эволюции? Или, чтобы задать вопрос осмысленным в контексте эволюции образом, какова доля всех возможных траекторий в пространстве генотипов, которые открыты эволюционному процессу? Вышесказанное – формализованная постановка любимого вопроса Стивена Джей Гулда (Gould, 1997b): что бы мы увидели, если бы имели возможность заново проиграть пластинку эволюции? Ответ, данный не только Гулдом, но и Франсуа Жакобом в знаменитой статье об эволюции-«ремесленнике» (Jacob, 1977), Дэном Деннетом в «Опасной идее Дарвина» (Dennett, 1996) и многими другими, был таков: мы бы не увидели ничего подобного реально существующей биосфере, потому что вся эволюция – сплошная цепь непредвиденных стечений обстоятельств. При описании общей картины эволюции Деннет вполне обоснованно обращается к физическому явлению детерминированного хаоса: каждое событие, которое происходит в процессе эволюции, безусловно, имеет конкретные физические причины, но малые возмущения способны вызвать большие изменения в ходе эволюции, так что далекие результаты становятся совершенно непредсказуемыми.

По-прежнему трудно дать уверенный общий ответ на этот ключевой вопрос эволюции, однако имеющиеся ограниченные прямые исследования эволюционных траекторий как индивидуальных белков, так и бактериальных популяций принесли неожиданные результаты (O’Maille et al., 2008; Ostrowski et al., 2008; Weinreich et al., 2006). Похоже, что в большинстве случаев лишь небольшая часть из теоретически возможных путей на самом деле доступна для эволюции, так что эволюция представляется менее стохастической, более детерминированной и более предсказуемой, чем предполагалось ранее (см. рис. 13-2). Эти наблюдения позволяют предположить, что адаптивные ландшафты по меньшей мере некоторых из развивающиеся генов и геномов являются существенно неровными, так что большинство путей прерывается глубокими оврагами низкой приспособленности и, таким образом, запрещены (O’Maille et al., 2008). Основной подоплекой этого, вероятно, является эпистаз, то есть взаимодействие между различными частями одного и того же гена или между различными генами: на пересеченном ландшафте одна мутация часто приводит к фатальному падению приспособленности, но вторая, путем эпистаза, способна привести в область высокой приспособленности. Эпистаз представляется одним из важнейших факторов, поддерживающих целостность эволюционирующих биологических систем, которая проявляется в многих аспектах эволюции (Kogenaru et al., 2009). Как отмечалось в предыдущем разделе, эпистаз неизбежно ограничивает применимость представления эволюционирующих геномов ансамблями слабо взаимодействующих «частиц». Эпистатическое взаимодействие сильно ограничивает диапазон доступных эволюционных траекторий – но насколько сильно, еще предстоит выяснить с помощью дальнейшего моделирования и экспериментальных исследований эволюции. Вполне может оказаться, что модель детерминированного хаоса верна и что обнаруженные ограничения на практике мало влияют на предсказуемость эволюции, то есть на результат метафорического повторного проигрывания пластинки. Доступные траектории, даже если они и составляют лишь малую долю теоретически возможных, все же могут оказаться столь многочисленными и разнообразными, что эволюция окажется на практике непредсказуемой. Важнейшей и пока нерешенной проблемой оказывается взаимосвязь между доступными траекториями. Если эти траектории кластеризуются на небольшом участке геномного пространства-времени, эволюция может быть квазидетерминированной[139]139
  Исследование весьма общих моделей эволюции на пересеченных ландшафтах показывает, что во многих случаях дело обстоит именно так (Lobkovsky AE, Koonin EV. Replaying the tape of life: quantification of the predictability of evolution. Front Genet. 2012;3:246).


[Закрыть]; если же доступные траектории беспорядочно разбросаны, (не)предсказуемость эволюции не будет сильно зависеть от подобных ограничений (см. рис. 13-2).

Скорее всего, результаты детального анализа эволюционных ландшафтов и траекторий на них будут различаться для эволюции на различных уровнях и в различных ситуациях, в согласии с концепцией плюрализма эволюционных процессов, обсуждавшейся выше. Кроме того, следует еще раз подчеркнуть, что соотношение между детерминизмом и стохастичностью определяется давлением отбора, то есть эффективным размером популяции. В эффективно бесконечной популяции эволюция фактически детерминирована, в то время как в небольших популяциях эволюция происходит стохастически в рамках фундаментальных ограничений. Чтобы исключить всякую возможность недоразумений, отметим, что, даже если эволюция и может быть описана как квазидетерминированный процесс, такое описание не имеет ничего общего с телеологическими представлениями. Тем не менее канализация в смысле Уоддингтона (см. гл. 2) представляется интересной аналогией.

Сложное и неоднозначное соответствие генома и фенотипа

Рис. 13-2. Пересеченный адаптивный ландшафт и доступные эволюционные траектории: а — квазидетерминированная эволюция: канализация доступных траекторий; б — стохастическая эволюция: случайное распределение доступных траекторий. Сплошные линии – монотонно восходящие траектории, доступные для эволюции, движимой исключительно отбором. Пунктирные линии – немонотонные траектории, доступные только с участием генетического дрейфа.

Принято считать, что геном (генотип) определяет фенотип организма (с некоторым участием эпигенеза), фенотип жестко контролируется отбором, a фенотипические изменения не имеют эволюционных последствий. Сравнительная геномика и системная биология показывают, что все эти утверждения не являются истиной в последней инстанции, и такие упрощенные обобщения оставляют в стороне ключевые биологические явления. Отсутствие простой детерминированной связи между фенотипом и генотипом выражается по крайней мере в двух взаимодополнительных аспектах их взаимоотношений:

1. Фенотипические мутации и другие формы шума, такие как случайная транскрипция практически всех геномных последовательностей у животных, неотъемлемо присущи биологическим системам и вносят вклад в их эволюцию (см. гл. 9)[140]140
  Совсем недавно этот вездесущий транскрипционный шум послужил поводом для беспрецедентной шумихи и чуть ли не скандала вокруг заявлений проекта ENCODE о функциональности 80 % последовательностей в геноме человека, к тому же не совсем точно истолкованных журналистами (ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature 2012;489:57–74). С точки зрения эволюционной биологии подобные утверждения смехотворны. С одной стороны, в небольших популяциях, как у млекопитающих, очищающий отбор в принципе не может контролировать эволюцию таких гигантских количеств генетического материала, а с другой стороны, совершенно бессмысленная транскрипция большей части генома неизбежна по той же самой причине: слабый отбор не в состоянии ей эффективно препятствовать. Эти и подобные аргументы приводятся в нескольких интересных статьях, направленных на опровержение утверждения авторов ENCODE (Graur D, Zheng Y, Price N, Azevedo RB, Zufall RA, Elhaik E. On the Immortality of Television Sets: «Function» in the Human Genome According to the Evolution-Free Gospel of ENCODE. Genome Biol Evol. 2013 Jan;5(3):578-90; Niu DK, Jiang L. Can ENCODE tell us how much junk DNA we carry in our genome? Biochem Biophys Res Commun. 2013 Jan 25;430(4):1340-3. Doolittle WF. Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE. Proc Natl Acad Sci USA. 2013 Apr 2;110(14):5294-300). Эта громкая история чрезвычайно поучительна: она показывает, что понимание простых принципов эволюционной теории незаменимо для самых актуальных и практически важных исследований в современной биологии.


[Закрыть]. Эти эволюционно важные фенотипические изменения частично контролируются геномом, но связь между геномом и шумом стохастическая по своей природе.

2. Отображение генома на фенотип является неизоморфным и сложным (говоря проще, это многозначное отображение, то есть не отображение одного элемента в один, но многих в многие); все гены плейотропны, и все фенотипические свойства («функции» или «антрвольты») зависят от активности многих генов. В целом геномфенотипическое отображение является исключительно сложным графом (см. гл. 5, в основном рис. 5–9). Ребра этого графа имеют различные веса, которые отображают разный вклад разных генов в один и тот же признак.

Повсеместное распространение и эволюционное значение фенотипической изменчивости делают связь генома с фенотипом принципиально недетерминированной. Многозначное отображение ограничивает эволюцию, возможно являясь даже ee главным ограничителем (см. предыдущий раздел), но при этом делает связь генома с фенотипом невероятно сложной, a реконструкцию фенотипа по геному крайне затруднительной. Некоторые простые фенотипические признаки, конечно, предсказуемы. Например, если бактерия не имеет лактозного оперона, она не сможет употреблять лактозу. Тем не менее даже такие простые признаки часто могут реализовываться несколькими разными путями. Любой сложный фенотип крайне трудно поддается предсказанию, например термофилия и устойчивость к радиации у прокариот, как мы видели в главе 5. Сложность связи генома с фенотипом и, как следствие, трудность построения надежных представлений о фенотипе организма только на основании анализа генома резко усугубляется для эукариотических и особенно многоклеточных организмов. Удивительное и труднообъяснимое, но на данный момент несомненное отсутствие сильной связи между очевидной биологической важностью генов и скоростью их эволюции (см. гл. 4) особенно подчеркивает возникающее понимание того, что фенотипические последствия эволюции генома нетривиальны и, в общем случае, трудно предсказуемы. Недооценка этой сложности может привести к нереалистичным надеждам на быстрый успех в проектах, направленных на исследование и манипуляции со сложными фенотипами, таких как изучение полногеномных ассоциаций, «война с раком» или индивидуализированные лекарства[141]141
  Подчеркнем, что связь между геномом и фенотипом не только сложна. По-видимому, многие ее аспекты не детерминированы в принципе. Далеко идущие следствия этого положения еще необходимо изучить и понять.


[Закрыть].

Заря экспериментальной эволюционной биологии

Эта книга прежде всего о концепциях, идеях и моделях, а не о методах. Тем не менее, прежде чем закончить эту последнюю главу, необходимо сказать несколько слов о новом поколении подходов, которые не только позволили поразительно глубоко проникнуть в ключевые эволюционные процессы, но и должны начать менять сам облик эволюционной биологии в следующем десятилетии (или близко к тому). Эти исследовательские стратегии подпадают под категорию «экспериментальной эволюционистики». В сегодняшних эволюционных экспериментах ход эволюции популяции организмов или молекул можно проследить непосредственно, обрабатывая, за счет применения нового поколения методов секвенирования, тысячи и даже миллионы молекул ДНК или РНК. Эксперименты Ричарда Ленски и его коллег по долгосрочной лабораторной эволюции популяций E. coli, о которых мы не раз говорили в этой книге, являются замечательным примером такого рода опытов (Ostrowski et al., 2008; Barrick et al., 2009; Woods et al., 2011). Эти эксперименты уже дали бесценную информацию о различных режимах отбора и дрейфа, распространенности параллельных мутаций, эволюции способности к эволюции и многом другом. Однако, благодаря появившейся в настоящее время возможности секвенирования тысяч полных бактериальных геномов, самые многообещающие результаты ожидаются в не столь отдаленном будущем, когда будут всесторонне изучены эволюционные траектории популяций в различных условиях окружающей среды и при разных давлениях отбора. Концептуально эти эксперименты продолжают направление исследований, начатое в пророческой работе Шпигельмана и коллег с РНК-бактериофагами в 1960-х годах (см. гл. 8). Эксперименты Шпигельмана почти на полвека опередили свое время и оказали сравнительно небольшое влияние на развитие науки, но в первые десятилетия XXI века статус экспериментального исследования эволюции быстро меняется.

Другое направление эволюционного экспериментирования включает в себя изучение ландшафтов отбора эволюционирующих белков или молекул РНК, которые мы кратко обсудили ранее в этой главе. Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные описывают только крошечные доли ландшафтов, но возможность исследовать большие области уже представляется реалистичной (Kogenaru et al., 2009; Loewe, 2009)[142]142
  Уже после публикации оригинала этой книги такое исследование было проведено и выявило существенные различия в свойствах разных типов ландшафтов (Lobkovsky AE, Wolf YI, Koonin EV. Quantifying the similarity of monotonic trajectories in rough and smooth fitness landscapes. Mol Biosyst. 2013 Mar 4).


[Закрыть]. В конечном итоге подробная реконструкция полных ландшафтов отбора изменит наши представления о том, что значит «понимать» эволюционный процесс.

Дивный новый мир вирусов и прокариот

СТЭ ориентируется в основном на изучение эволюции животных и растений – многоклеточных эукариот, размножающихся чаще всего половым путем. Одноклеточные эукариоты и прокариоты, не говоря уж о вирусах, не считались важными для эволюционной биологии. Пожалуй, включение огромного мира микробов в систему эволюционных представлений следует считать главным толчком для перехода от СТЭ к «постсовременному» состоянию эволюционной биологии. Первые попытки разобраться в эволюционных связях между бактериями были в высшей степени обескураживающими, но последующее сравнение последовательностей консервативных генов таких как рибосомные РНК, а затем и полный анализ геномов привели к замечательным успехам. Сравнительная геномика бактерий и архей изменила центральные концепции эволюционной биологии, включая древо жизни (см. гл. 6), и показала крайне динамичный характер геномов и пангеномов (см. гл. 5).

Изучение мира вирусов привело к не менее, а может быть, и более драматическому изменению наших взглядов на эволюцию жизни на Земле. Крошечные паразиты, вирусы являются наиболее многочисленными и генетически разнообразными биологическими объектами на всей планете. Мир вирусов, по всей вероятности, существует с самых ранних, доклеточных стадий эволюции и постоянно взаимодействует с миром клеточных организмов, внося существенный вклад в его эволюцию, но сохраняя при этом собственную автономию.