Об адаптивном мутагенезе и эволюции способности к эволюции

Эволюция направлена против себя самой

Эволюция — это способ живого противостоять энтропии, нарастающему хаосу и беспорядку. Она творит разные новшества, но естественный отбор сохраняет только те из них, что придают организмам устойчивость к дальнейшим изменениям, те, что позволяют им воспроизводить свои копии в длинном ряду поколений, практически не меняясь. Как это ни странно, но получается, что эволюция работает против себя самой.

Мы привыкли к тому, что эволюция есть создание чего-то нового, более сложного и совершенного. Но на самом деле эволюция — это создание не просто нового, а нового, которое сопротивляется дальнейшим изменениям. Иными словами, эволюция направлена на прекращение эволюции! К такому парадоксальному выводу пришел Виктор Прохорович Щербаков из Института проблем химической физики РАН (Черноголовка, Московская область). В своей статье, опубликованной в двух номерах «Журнала общей биологии», он подробно обсуждает и детализирует этот тезис, опираясь прежде всего на литературу в области молекулярной биологии.

Суть жизни Щербаков видит в противостоянии энтропии, растущему хаосу. Удивительно то, что, сопротивляясь энтропии, эволюция на самом деле этой самой энтропией движима. Так, никуда не деться организмам от мутаций — сбоев в механизме передачи наследственной информации от родителей к потомкам. Мутации приводят в конце концов к гибели организмов и вымиранию видов. Но удивительно то, что в ходе этого разрушительного по сути своей процесса (частного проявления энтропии) случайно создаются новшества, которые опять же случайно могут оказаться устойчивыми к дальнейшей деградации. Вот они-то и сохраняются отбором. Так возник когда-то генетический код (недаром он универсальный для всех организмов!) и механизм воссоздания организмами своих копий из материала окружающей среды, так появился диплоидный набор хромосом и половое размножение (смысл которого автор видит в стабилизации вида, в создании препятствий на пути его дальнейшей эволюции), так возникала забота о потомстве и разные другие сложнейшие формы поведения животных (а в конце концов и наша культура). Короче говоря, так сформировалось всё то, что позволяет организмам воспроизводить себя в потомках, не исчезая с лица Земли.

Палеонтологи часто жалуются на то, что не могут найти форм переходных, промежуточных между разными группами организмов. Но с развиваемой точки зрения это неудивительно. Переходные формы не сохранились, поскольку не были устойчивыми, поскольку вынуждены были претерпевать быструю эволюцию, и только ценой существенного изменения своего строения (и/или физиологии) могли сохранять соответствие среде (которая сама менялась), могли выживать и оставлять жизнеспособных потомков. Но на каком-то этапе в этом ряду форм, быстро меняющихся из поколения в поколение, появились организмы, более совершенные, лучше приспособленные к среде, к тому, чтобы жить в этой среде не меняясь. Такие более совершенные формы уже могли сохранить свою собственную идентичность в длинном ряду поколений. А поскольку они долго пребывали на Земле, то и остатки их (отпечатки, скелеты и т. п.) обнаруживались учеными достаточно часто. Впрочем, эта точка зрения не нова. Она была очень четко сформулирована в 1972 году Нильсом Элдриджем (Niles Eldredge, р. 1943) и Стивеном Гоулдом (Stephen Jay Gould, 1941–2002) в виде гипотезы прерывистого равновесия (punctuated equilibrium).

Алексей Гиляров

I. Механизмы видового гомеостаза(саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия).

Живой организм — это временный материальный носитель организации
со свойством выживания.
Е. Г. Мерсер (Merser, 1981)

Второй закон — это больше, чем закон термодинамики,
это естественный закон истории.
Д. Р. Брукс и Е. О. Вили (Brooks, Wiley, 1986)

Подобно тому, как в зерне невидимо содержится всё, что должно со временем
развиваться в дерево, так следует нам представлять себе,
что и мир в момент, когда Бог одновременно сотворил все вещи,
содержал в себе все вещи, которые земля произвела,
как возможности и как причины, прежде чем они развились
во времени такими, какими их знаем мы.
Блаженный Августин

Слово «эволюция» ассоциируется с образованием нового. Проблема эволюционной стабильности редко привлекает к себе внимание эволюционистов. Чаще всего, в качестве курьезов, упоминаются эволюционные долгожители — живые ископаемые (гаттерия, крокодилы, устрицы, мечехвост, опоссум, гинкго), хотя в последние два десятка лет, с появлением теории прерывистого равновесия, механизмы стазиса (состояние стабильности, в котором все силы равны и противоположны, т.е. компенсируют друг друга) начинают обсуждать в позитивном ключе. В данном очерке сделана попытка обосновать точку зрения, согласно которой онтологическим содержанием биологической эволюции является не просто создание новых форм, а форм, устойчивых к дальнейшей эволюции, что в долговременном плане, в геологических масштабах времени сохраняются только устойчивые к эволюции формы. Рассматривая эволюцию как энтропийный процесс, мы можем говорить о создании форм, противостоящих росту энтропии. Ныне существующие и известные палеонтологам виды организмов представляют собой выборку долгожителей из общей массы когда-либо возникавших форм. Это представление может в какой-то мере объяснить отсутствие переходных форм в современной биосфере и неполноту палеонтологической летописи тем, что быстро эволюционирующие виды наряду с быстро вымирающими видами не оставляют заметных следов в истории биосферы.

Организм и среда

Крокодил — это самое настоящее живое ископаемое. Плавающие рядом рыбы из семейства цихловых – сравнительно молодые создания. А что уж говорить о человеке! Этот снимок румынского фотографа Джордже Хренюка (George Hreniuc) так и называется: «Эволюция». (Фото с сайта codedlanguage.org)

Теория естественного отбора ввела эволюционную биологию в русло естественнонаучного мышления, освободив ее от креационистских взглядов, витализма и веры в наследование приобретенных признаков («бегство от чуда»). Заблуждение ламаркизма коренится в неверном взгляде на взаимоотношение организма и среды, а именно в представлении о формировании организма средой. Это представление иногда присутствует даже в работах авторов, которые сознательно не разделяют ламаркистских верований, в виде таких формулировок, как «фенотип (Фенотип — совокупность внешних и внутренних признаков организма, приобретённых в результате онтогенеза (индивидуального развития. Иногда фенотипы в разных условиях сильно отличаются друг от друга. Так, сосны в лесу высокие и стройные, а на открытом пространстве — развесистые. Форма листьев водяного лютика зависит от того, в воде или на воздухе оказался лист. У людей все клинически определяемые признаки — рост, масса тела, цвет глаз, форма волос, группа крови и т. д. являются фенотипическими. )) есть результат взаимодействия генотипа со средой», «свойства организма равно зависят от генотипа и среды, как площадь прямоугольника зависит от ширины и длины» и т. п. Особенно выпукло эта путаница видна в известном понятии «наследование» признака. В выражении типа «данный признак имеет наследование 80%» не подразумевается же, что признак на 20% может быть без генов? К сожалению, даже и прочно укоренившееся выражение «приобретенные признаки» некорректно и ведет к недоразумениям. Во-первых, все признаки, конечно же, являются приобретенными, и все они не наследуются, потому что наследуется, строго говоря, оплодотворенная яйцеклетка с ее хромосомами и органеллами, белками и мембраной. Всё остальное приобретается в ходе онтогенеза (индивидуального развития). Онтогенез идет, разумеется, в окружающей среде, но участники пары «организм—среда» не изоморфны (от др.-греч. ἴσος — «равный, одинаковый, подобный» и μορφή — «форма»). Общее определение изоморфизма — наличие сходства у разных объектов) и не могут сопоставляться как равные партнеры.

Всякий знакомый с молекулярной и клеточной биологией знает, как сложна, упорядоченна и высокоорганизованна даже простейшая клетка. Ни одно из наших технологических достижений, включая суперкомпьютеры и космические корабли, не выдержит сравнения с организацией живой клетки. Клетка — подлинное термодинамическое чудо, крайне маловероятная система. А что такое среда? Например, для цианобактерий и всех зеленых растений минимальная среда включает воду, углекислый газ, несколько минеральных солей и свет. В такой среде клетка живет, размножается, строит себя, синтезируя при этом тысячи разных белковых молекул и других органических веществ, включая нуклеиновые кислоты и массу низкомолекулярной органики. Сотворение мира из почти ничего! Среда хаотична, организм упорядочен и высокоорганизован; организм созидает, среда деструктивна; организм в своем жизненном цикле осуществляет генетический «замысел», среда не имеет никакого замысла об организме; организм «знает» среду, избирательно берет из нее то, что ему нужно, и защищается от того, что ему вредно или опасно, среда ничего не знает об организме; организм живет, а среда мертва. В структурном, термодинамическом и информационном отношении организм неизмеримо выше среды. Организм есть сущее, а среда — условия, в которых организм существует. К компонентам среды относится, разумеется, и энергия.

Выражение «среда модифицирует организм» эвристически вредно. Это организмы обладают способностью к приспособительному изменению своего фенотипа в разных условиях среды без изменения генотипа. Эта способность, известная уже у бактерий, — одно из важнейших достижений эволюции. Как и все прочие свойства организма, она определяется генами.

Дарвиновский отбор случайных и редких наследственных изменений выводит организмы из-под размывающего действия среды, поскольку сами изменения не определяются средой. Недостаточность синтетической теории в качестве общей теории биологии осознается многими. Я, впрочем, не разделяю часто высказываемый упрек дарвинизму в неспособности предсказывать ход эволюции. Как всякий творческий процесс, эволюция несет в себе момент неопределенности и неповторимости. Понимать эволюцию можно только ретроспективно (будучи обращенным в прошлое). Если следовать Карлу Попперу (Popper, 1965), наука должна ограничиться очень простыми явлениями, воспроизводимыми и обратимыми. Все творческие процессы должны быть, следовательно, исключены как объекты исследования. В этом случае, конечно, законы природы сводятся к законам физики. Не биологические теории плохи — не умеют предсказывать, — а «плоха» природа — непредсказуема.

Механизм адаптивной эволюции в его предельном (не реальном) случае, когда селективная ((лат. selectio – выбор, отбор) – избирательный; основанный на свойстве производить отбор) ценность новых аллелей (одна из двух или более переменных форм конкретного ГЕНА. Разные аллели могут давать вариации той характеристики, которая закодирована в гене. Например, разная окраска цветов горошка объясняется наличием в них разных аллелей одного и того же гена) приближается к единице, становится неотличимым от ламаркистского по своим последствиям. Быстро адаптируясь к меняющимся условиям, организмы и виды утрачивают самоидентичность, становятся функцией среды. Реальные виды, однако, устойчивы во времени и, следовательно, оказывают сопротивление средовым воздействиям, не только прямым (ламаркизм) но и в качестве отбирающего агента (дарвинизм). Адаптационная эволюция, не будь она жесточайше ограничена необходимостью сохранить внутреннее совершенство организма, вела бы к тому же, что и ламаркистская эволюция, — к деградации и хаосу, к броуновскому движению, к эфемеризации видов, низведению организмов до термодинамического уровня среды. В этом отношении виртуальный термин «приспособленность», характеризующий успешность размножения особи, эвристически неудачен, так как легко понимается как «приспособленность к среде». О примате организма над средой и о теоретической важности проблемы закрытости биологических систем см. статью Брукса (Brooks, 2000).

Что отбирает отбор?

Существует всеобщее убеждение в самоценности биологической эволюции, понимаемой исключительно как создание новшеств. Уже по меньшей мере полтора столетия слова «прогресс», «эволюция» воспринимаются однозначно позитивно. Только этой общей направленностью умов можно объяснить малое внимание к тому, что онтологическое содержание эволюции — это не просто сотворение новых форм, но сотворение форм, устойчивых к дальнейшим изменениям, что объективно дело выглядит таким образом, как будто эволюция борется против дальнейшей эволюции.

Неодарвинистская парадигма эволюции — отбор случайных наследственных вариантов по признаку приспособленности или селективное размножение генотипов в соответствии с приспособленностью всегда подвергалось критике как за тавтологию (выживание выживающих), так и за то, что она оставляет в стороне движущие силы эволюции, ее отношение к общим законам природы, в частности термодинамическим, и не дает объяснения очевидной временной направленности эволюции и ее необратимости. Если механизм эволюции состоит в отборе всё более приспособленных форм, то должна наблюдаться «стрела приспособленности». Однако мы не можем даже утверждать, что человек более приспособлен, чем бактерия.

Попытки связать приспособленность с термодинамическим принципом минимального производства энтропии (Prigogine et al., 1972; Hamilton, 1977) выглядят обнадеживающими, хотя чисто физическую эффективность использования энергии едва ли удастся применить в качестве той величины, которая непрерывно возрастает в ходе эволюции, подобно тому как во всех физико-химических процессах в природе возрастает энтропия. Теплокровные животные и в особенности человек с его энергетическим расточительством явно выпадают из этой закономерности.

Сондерс и Хо (Saunders, Ho, 1976, 1981) по аналогии с принципом минимального производства энтропии постулируют принцип минимального возрастания сложности в эволюции. «Сложность», «упорядоченность», «организованность» часто используются в литературе по эволюции и не всегда в одинаковом значении, чаще всего в соответствии с интуитивным пониманием авторами этих слов. В теории информации, рассматривающей физическую систему как последовательность цифр, необходимую для ее описания (Kolmogorov, 1968; Chaitin, 1974, 1975), сложность определяется как информационное содержание кратчайшего алгоритма, достаточного для однозначного воспроизведения этой последовательности. Случайная или беспорядочная последовательность характеризуется в этой теории как максимально сложная, несжимаемая (Chaitin, 1975), то есть она может быть определена только цифра за цифрой, поскольку в ней полностью отсутствует упорядоченность, которая позволяла бы описать ее в виде более краткого алгоритма. Упорядоченная последовательность, следовательно, может быть сжата до алгоритма, информационное содержание которого меньше такового самой последовательности.

Эти концепции в общем близки к интуитивным понятиям. В определении организованности я буду придерживаться концепции Денбая (Denbigh, 1975), в которой постулируется, что организованная система — это сложная система, обладающая определенной функцией благодаря наличию специфических связей между элементами системы. Организованные системы следует отличать от упорядоченных. И те, и другие не являются случайными, но если упорядоченные системы могут быть генерированы с помощью простых алгоритмов и, следовательно, лишены сложности, организованные системы должны быть собраны элемент за элементом в соответствии с внешней программой или замыслом. Организация, следовательно, есть сложность, наделенная функцией. Она неслучайна в результате интеллектуального конструирования или естественного отбора, а не из-за априорной необходимости кристаллографического порядка (Wicken, 1979).

Движение к большей сложности — очевидная общая тенденция эволюции биосферы. Однако сама сложность не означает ни более высокой приспособленности, ни какого-либо иного совершенства. Напротив, если иметь в виду задачу выживания, сохранения, сложное более чувствительно к деградации, чем простое. Используя «геометрическую модель» Фишера (Fisher, 1930), Ор (Orr, 1998; 1999; 2000) и позднее Вэлч и Ваксман (Welch and Waxman, 2003) показали, что увеличение числа фенотипических признаков коррелирует со снижением скорости адаптации. Ор назвал это «ценой сложности». Стабильность существующих сложных систем критически зависит от наличия специфических, неслучайных связей между ее частями (Saunders, Ho, 1976).

Почему естественный отбор отбирает сложное? Может быть, это и не так. Наряду с появлением более сложного эволюция сохраняет и даже творит заново и более простые формы. Сложные отнюдь не вытесняют простых. Есть человек, но существуют (и процветают!) бактерии. Вся естественная история наличествует в сегодняшней природе (кроме гипотетических доклеточных форм жизни). Так что «стрела сложности» связана, по крайней мере отчасти, с тем, что эволюция по необходимости начинала с простого. Более древняя эволюция простых форм в большой мере уже себя исчерпала (достигла совершенства), и жизнеспособное новое возникает преимущественно на путях усложнения.

Принцип селекции стабильных структур является общим для добиотической и биологической эволюции. Объекты Вселенной имеют очень разные времена жизни, от ничтожных долей секунды до миллиардов лет. В ходе эволюции идет замена эфемерных форм на более стабильные: сохраняется лишь то, что долго сохраняется. В живых системах сопротивление гибели достигается тем, что в ходе биологической эволюции сохраняется лишь то, что не изменяется.

Одна из формулировок второго закона термодинамики звучит так: все системы самопроизвольно меняются таким образом, что уменьшается их способность к изменению, то есть они стремятся к состоянию равновесия. Живые организмы — термодинамически неравновесные системы, устроенные таким образом, что, пока они живы, они стремятся не к равновесию, а к некоторому неравновесному, но устойчивому состоянию, называемому стационарным. Механизмы, обеспечивающие стационарное состояние, называются гомеостазом. Энергия, будучи фактором хаотическим, сама по себе недостаточна для удержания системы в состоянии, далеком от равновесия, — необходимо, чтобы эта система была определенным образом устроена, она должна быть диссипативной структурой. (Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, называют диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, в тепло. Если замкнутая система (гамильтонова система), выведенная из состояния равновесия, всегда стремится вновь придти к максимуму энтропии, то в открытой системе отток энтропии может уравновесить ее рост в самой системе и есть вероятность возникновения стационарного состояния. Если же отток энтропии превысит ее внутренний рост, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флюктуации, а при определенных условиях в системе начинают происходить самоорганизационные процессы, создание упорядоченных структур.)

Гомеостаз

Это тоже своего рода равновесие. Рисунок Маурица Корнелиса Эшера (1898–1972). (С сайта www.enseignement.polytechnique.fr)

Развитие и последующая жизнь индивида идут под управлением генетических программ, обеспечивающих целенаправленное использование энергии и веществ окружающей среды для построения своего тела, поддержания его в стационарном состоянии и оставления потомства. Я буду использовать выражение «под управлением генов» ради удобства, хотя мы всегда должны помнить, что сами по себе гены — текст, приобретающий смысл только в контексте организма. Несмотря на видимую гибкость генетических инструкций и пластичность в отношении средовых эффектов, конечная цель онтогенеза достигается с поразительной точностью. Это означает, что онтогенез в своих существенных чертах — детерминированный процесс. Это не механическая детерминированность, а детерминированность стохастическими (стохастический (от греч. στοχαστικός — «умеющий угадывать») используется во многих терминах из разных областей науки, и в общем означает неопределённость, случайность чего-либо) средствами. Биологический детерминизм условен в том смысле, что результат в определенной мере зависит от внешних условий. Тем не менее это детерминизм, так как в определенных условиях результат будет определенным. Вторая сторона условности биологического детерминизма в том, что генетический «замысел» об организме может быть раскрыт только эмпирически и не может быть вычислен исходя из начальных условий. Предопределено, но непредсказуемо. Случаи пороков развития и вызванных внешними условиями уродств, как и абортивное развитие, — следствие либо несовершенства данного конкретного генома, либо наличия таких средовых факторов, которые находятся за пределами адекватной реакции генетической программы.

Итак, организмы способны противостоять стремлению к хаосу, противополагая ему умение использовать энергию и другие компоненты внешней среды для поддержания своих структур и функций, то есть в конечном счете для сохранения себя во времени. Организмы, однако, представляют собой сложные системы, далекие от максимума энтропии. Они энтропийно напряжены. Механизмы гомеостаза не являются совершенными, поэтому ни один индивидуальный организм не может избежать термодинамического равновесия, то есть смерти. Организмы слишком сложны, слишком маловероятны, чтобы долго выдерживать давление энтропии. Простые атомы и молекулы существуют почти столько же, сколько существует Вселенная, а жизнь индивидуального организма конечна.

Отчего гибнут организмы? Концепция естественного отбора и борьбы за существование настолько овладела нашим сознанием, что мы не придаем важности тому, что при самых благоприятных условиях жизни, в отсутствие всякой конкуренции, при изобилии источников энергии и вещества организмы всё равно неизбежно погибают. Они погибают от энтропии. Живые системы обходят термодинамический запрет с помощью размножения, то есть копирования самих себя, снятия реплик. Иногда одноклеточные организмы в отличие от многоклеточных рассматривают как бессмертные. Это недоразумение. Они тоже спасаются размножением.

Каждая индивидуальная реплика существует сравнительно недолго, но виды потенциально бессмертны и фактически некоторые существуют неизменными десятки и сотни миллионов лет, а докембрийские организмы, жившие три миллиарда лет назад, видимо, мало отличались от современных цианобактерий (Fox, Dose, 1972). На обратную сторону процесса эволюции — сохранение уже существующей, сформировавшейся в ходе предшествующей эволюции организации биологических систем, стасигенез или стазис, — обращали внимание многие эволюционисты (Huxley, 1957; Шмальгаузен, 1968; Dobrzhansky, 1970; Gould, Eldredge, 1977; Расницын, 1986; Северцов, 1986, 1987, 1990). Однако в увлечении идеей прогрессивного хода эволюции мы не склонны придавать значение тому, как мало меняются организмы, как они на самом деле устойчивы к эволюции. Весь современный органический мир состоит из эволюционных долгожителей. Человек среди них самый молодой, но и нам уже может быть миллион лет.

Копирование, репликация — не совсем точные слова. Реплицируются только гены, а организмы воспроизводятся de novo в соответствии с генетическим «замыслом» (см. ниже). Вместо безнадежного дела сохранения сложных материальных структур организма сохраняется информация о нём. Это гораздо более простая задача — организм несравненно сложнее (и значит, уязвимее для энтропии), чем его ДНК. Хранение информации, а не тел — важнейший атрибут живого и неодолимый довод против возможности сведения биологии к физико-химии. Всякое кодирование связано с использованием символов, но символ связан с символизируемым не физико-химически, а семантически. Здесь — параллель между аналоговыми и цифровыми системами связи. Замена одной пары оснований, скажем, пары АТ на пару ТА в молекуле ДНК, содержащей миллиарды таких пар, ничего собой не представляет ни с точки зрения физико-химии, ни с точки зрения теории информации. А между тем указанная замена может оказаться смертельной, приведет к гибели весь организм, сложную, высокоорганизованную систему.

Биологические виды намного более стабильны, чем индивидуальные организмы. Более того, мы не знаем принципиальных препятствий для их вечного существования при условии сохранения адекватной окружающей среды. Виды также представляют собой системы, далекие от равновесия, и потому должны обладать механизмами гомеостаза. Именно в этом ключе, с позиции совершенствования гомеостаза вида, нужно рассматривать эволюцию (Slobodkin, Rapoport, 1974).

Размножение организмов позволяет им избежать неизбежного, казалось бы, распада и сохраниться во времени, несмотря на свою сложность, на температуру, превышающую 300° и агрессивную окружающую среду, причем организмы не находятся в состоянии консервации, а активно живут в этих условиях. Главный секрет этого термодинамического чуда в самом размножении, то есть в получении тысяч, миллионов, миллиардов копий генетической информации. Любой онтогенез, любой жизненный цикл имеет своим фокусом получение этих копий. На этой задаче сосредоточены в конце концов все системы организма и все его затраты. Копирование, однако, сопряжено с возможностью ошибок, а копирование с ошибками не решает задачу создания совершенного гомеостаза вида.

Точность копирования генетического материала. Это первый и главный антиэволюционный барьер, созданный эволюцией. Теоретически ясно, что точность репликации должна быть такой, чтобы большинство потомков получали не содержащую ошибок генетическую информацию. Наиболее надежные измерения скорости мутирования выполнены на микроорганизмах, как прокариотических (Прокариоты (лат. Procaryota, от др.-греч. προ «перед» и κάρυον «ядро»), или доядерные — одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий) Прокариоты разделяют на два таксона в ранге домена (надцарства): Бактерии (Bacteria) и Археи (Archaea)), так и эукариотических (Эукарио́ты, или Я́дерные (лат. Eukaryota от греч. εύ- — хорошо и κάρυον — ядро) — домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и архей, являются ядерными (вирусы и вироиды также не являются эукариотами, но не все биологи считают их живыми организмами). Точность репликации ДНК оказалась поразительно высокой. Например, скорость спонтанных мутаций в растущих клетках кишечной палочки составляет всего лишь около 0,003 ошибки на геном на одну репликацию ДНК (Drake, 1991; Drake et al., 1998). Это около 6 × 10^–10 мутаций на пару оснований ДНК. Другие микроорганизмы, в том числе эукариотические, имеют не менее высокую точность репликации (таблица).

Точность копирования ДНК у микроорганизмов
(Drake, 1991; Drake et al., 1998)

Интересно, что самые разные организмы — бактериофаги, бактерии, грибы — дают близкие величины числа мутаций на геном на репликацию, хотя размер генома (и соответственно скорость мутирования на пару оснований) варьируют в пределах четырех порядков величины. Это показывает, что эволюционно значимым параметром является скорость мутирования в расчете на геном на поколение. Для одноклеточных организмов достигнутой высокой точности копирования и эффективности репарации (Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических реагентов) ДНК достаточно для надежного превышения скорости размножения над скоростью мутирования (так, чтобы подавляющее большинство потомков не имело ни одной новой мутации) и обеспечения, таким образом, потенциального бессмертия вида.

У многоклеточных организмов (Drake et al., 1998; Crow, 1997) точность синтеза ДНК приблизительно такая же, как у одноклеточных эукариот (до 5 × 10^–11 на пару оснований), однако число мутаций на геном на половое поколение оказывается очень высоким. Например, у человека число новых мутаций на зиготу ((от греческого zygotos - соединенный вместе), клетка, образующаяся у животных и растений в результате слияния мужских и женских половых клеток (гамет); оплодотворенное яйцо, начальная стадия развития зародыша) составляет более 60. Трудно себе представить, как такое размывающее действие мутагенеза совместимо с жизнью. Проблема связана с огромными размерами генома у высших эукариот и большим числом клеточных делений в зародышевом пути (Crow, 1997).

Одно из объяснений переносимости столь высокого уровня мутагенеза у высших организмов состоит в предположении, что огромная доля их генома — это не функциональные гены, а внутригенные вставки (интроны) и межгенные последовательности, мутации в которых нейтральны или почти нейтральны. Пересчет числа мутаций на половое поколение на «эффективный геном» дает величины от 0,036 у мелкой нематоды Caenorhabditis elegans до 1,6 у человека (Drake et al., 1998) — всё еще угрожающе высокий груз мутаций. Селективная нейтральность большинства мутаций (следовательно, и их практическая безвредность) была даже положена в основу теории молекулярной эволюции (Кимура, 1985). Я, впрочем, думаю, что нейтральные изменения вообще не представляют собой эволюцию. Практическая нейтральность мутаций означает только то, что так называемая молекулярная эволюция уже в основном завершена, и мы видим только вариации, не имеющие эволюционного значения (вырожденность связи структура—функция).

Цена точности. Почему скорость мутирования не падает до нуля? Дело, по-видимому, в том, что в конце концов стремление к увеличению точности копирования генов оказывается уравновешенным всё возрастающей ценой этой точности (Kimura, 1967; Kondrashov, 1995). Это следует и из общих термодинамических соображений: очевидно, что для достижения абсолютной точности понадобились бы бесконечные энергетические затраты. Уже достигнутая точность копирования — одна ошибка на десятки миллиардов знаков — очень высока. Сложные и разнообразные механизмы сохранения и копирования генетической информации находятся в ряду главных достижений биологической эволюции, но их функционирование является и главной статьей энергетических затрат клетки (Cox, 1994). Представляется вероятным, что достигнутая у высших организмов точность синтеза ДНК и эффективность репарации ее повреждений близки к предельным. И это означает, что организмы с большим размером генома должны обладать дополнительными механизмами, позволяющими виду сохраняться в условиях сильного мутационного давления.

Очищающий отбор. Термин «усеченный (или отсекающий) отбор» (truncated selection) обычно используют для обозначения однонаправленной селекции, когда для размножения отбирают особей с количественным признаком выше или ниже определенной пороговой величины. Позднее этим термином стали обозначать также отбор, при котором отбраковываются особи с мутационным грузом выше определенной пороговой величины. Это отбор на сохранение дикого генотипа, противоположный однонаправленному. Во избежание путаницы я буду называть его очищающим отбором. Мутагенез — случайный процесс, и число новых мутаций, приобретаемых потомками, варьирует в соответствии с пуассоновым распределением. Иначе говоря, среди потомков всегда присутствуют особи с числом мутаций меньше и больше среднего. Поскольку мутации чаще всего вредны, то есть снижают жизненность, а вредный эффект мутаций может быть аддитивным (Аддитивный (от лат. additio — прибавляю) — относящийся к сложению) или даже синергическим (СИНЕРГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ - возрастание эффективности деятельности в результате соединения, интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет так называемого системного эффекта (эмерджентности)) (положительный эпистаз), особи с повышенным числом мутаций будут иметь низкую жизненность, тогда как особи с малым числом мутаций или без таковых получают преимущества. Формула «побеждает наименее отягощенный мутациями» более точна, во всяком случае, более конкретна, чем «побеждает сильнейший». Так идет очищение популяции от мутационного груза, но популяция при этом платит определенную цену, производя нежизнеспособное потомство. Цена тем выше, чем выше скорость мутагенеза. Здесь тоже ожидается предельная мутагенная нагрузка, выше которой цена очищающего отбора становится несовместимой с выживанием вида. Эффективность очищающего отбора существенно возрастает, а цена его падает при наличии полового размножения и генетической рекомбинации (Рекомбинация — перераспределение генетического материала (ДНК или РНК) путём разрыва и соединения разных молекул, приводящее к появлению новых комбинаций генов или других нуклеотидных последовательностей) (Crow, Kimura, 1979; Kondrashov, 1982, 1988).

Стабилизирующий отбор. В популяциях, хорошо адаптированных к условиям обитания, действует стабилизирующий, или нормализующий, отбор (Шмальгаузен, 1968), при котором уклоняющиеся варианты оказываются менее приспособленными, чем «средний» фенотип.

Яркая иллюстрация идеи В.П.Щербакова о неизбежном замедлении эволюции — рост средней продолжительности существования родов морских животных в течение последних 540 млн лет, подтверждаемый данными палеонтологии. По горизонтальной оси: геологическое время; по вертикальной оси: средняя продолжительность существования родов морских животных. Рис. из статьи А.В.Марков, 2000

Пределы адаптационной эволюции. Есть важная сторона эволюции, автоматически снижающая возможность дальнейшей эволюции. Общей предпосылкой неизбежного замедления эволюции является то, что организм представляет собой целостную, интегрированную, когерентную систему, в которой любое изменение так или иначе нарушает общую отлаженность и согласованность систем организма и либо должно быть отброшено отбором, либо компенсировано другими изменениями (отрицательные обратные эволюционные связи) (Kauffman, 1973; 1983; Zuckerkandl, 1976; Brooks, Wiley, 1986; Robertson, 1991; Seaborg, 1999). Чем более совершенны онтогенетические программы организма, тем менее вероятно, что случайная мутация может их улучшить, и в пределе мы должны ожидать полной невозможности дальнейших позитивных изменений подобно тому, как в стихотворении, написанном гением, нельзя изменить ни одного слова без того, чтобы его не ухудшить. Здесь потребности адаптации к меняющимся условиям среды сталкиваются с необходимостью удержать достигнутое внутреннее совершенство. Чем важнее система для внутреннег