Книга: Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Видообразование — личное дело каждого

Видообразование — личное дело каждого

Симпатрическое видообразование, по идее, должно начинаться с того, что разные особи одного и того же вида начинают приспосабливаться к разным экологическим нишам в пределах общего ареала. Приспособление должно быть сопряжено с хотя бы частичной презиготической изоляцией: это необходимо для сохранения разницы генофондов зарождающихся видов. Если изоляции не будет, любые адаптации смешаются и рассеются в общем генофонде. На первый взгляд, зарождение такой изоляции кажется чем-то невероятным, сродни знаменитому демону Максвелла. Например, если изменился стиль ухаживания самца, то должны соответствующим образом измениться и вкусы самки; если в результате мутации изменился феромон — должен адекватно измениться и рецептор, воспринимающий этот феромон. Мало того, эти сложные комплексные преобразования должны быть согласованы еще и с экологическими адаптациями, с которых все, собственно, и началось.

Опыты по «искусственному видообразованию» показали, что склонность избирательно скрещиваться с себе подобными (эндогамия) развивается всего за десяток поколений (а то и вовсе за одно поколение) под действием интенсивного отбора, в том числе в ходе приспособления к малопригодным для жизни, стрессовым условиям. Под действием отбора ускоренно формируется новый признак, а вместе с ним в качестве побочного эффекта и специфичные брачные предпочтения. Так или иначе, обладатели приобретенного новшества узнают друг друга: по микрофлоре ли, по феромонам, по каким-то другим опознавательным знакам, но находят своих и предпочитают скрещиваться с ними. И здесь рассуждения от популяционного уровня резко спускаются на уровень индивидуальный: теперь «интересы» всего генофонда смещаются в область личных, индивидуальных интересов. Как индивидууму из целого генофонда вычленить один, подходящий только ему набор генов, т. е. найти возлюбленного? Для этого у каждого индивидуума, по-видимому, имеется набор молекулярных инструментов.

Способность отличать своих от чужих — базовое свойство живых организмов.

В распознавании себе подобных участвуют, например, компоненты иммунной системы. Иммунная система имеет давнюю историю и берет начало от древнейших молекулярных систем различения своих и чужих, имевшихся уже у одноклеточных.

У позвоночных на ранних стадиях индивидуального развития формируется уникальный биохимический портрет, представляющий собой персональный набор белков главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) и связанных с ними коротких пептидов — обрезков разнообразных белков организма. Этот набор все клетки организма выставляют на своей поверхности для сканирования клетками иммунной системы (Т-лимфоцитами), как бы говоря им: «Вот это наше, запоминайте, а все остальное — чужое». И лимфоциты запоминают. Если в организме начнет производиться чужеродный белок (например, вирусный), его фрагменты тоже будут присоединены к белкам ГКГ и выставлены на поверхность клеток. И лимфоциты сразу заметят чужое присутствие. ГКГ нужен не только для борьбы с инфекциями, но и для поддержания целостности организма, предотвращения несанкционированных изменений собственных клеток (например, раковые клетки тоже в норме воспринимаются лимфоцитами как чужаки).

Иммунная система примерно в том виде, в каком мы ее знаем у человека, включая ГКГ, появилась у рыб, хотя системы распознавания «свой — чужой» имеются у всех живых существ, включая беспозвоночных, растения, одноклеточных эукариот и даже бактерий. Однако борьба с инфекциями и поддержание целостности организма не являются первейшими (читай: древнейшими) функциями этих систем. По-видимому, не менее важная их функция — подбор полового партнера на основе степени генетической близости.

У позвоночных ГКГ связан со специальным органом полового обоняния — так называемым вомероназальным органом. В вомероназальном органе есть специальные рецепторы, реагирующие на пептиды ГКГ (Leinders-Zufall et al., 2004). Именно эти пептиды составляют уникальный «персональный запах», по которому млекопитающие получают исчерпывающую информацию о своих сородичах, включая степень их родства или генетической близости.

Неслучайно у многих животных необходимой частью ухаживания является взаимное обнюхивание. У людей обонятельная идентификация сородичей происходит на бессознательном уровне, потому что нервы от вомероназального органа не идут в кору больших полушарий, а идут прямо в гипоталамус, регулирующий эмоции и гормональный фон (возможно, поэтому, у человека так мало слов — продуктов работы больших полушарий — для разных запахов). Показано, что вомероназальные рецепторы, реагирующие на пептиды ГКГ, действуют в комплексе со специальными белками ГКГ (Ishii et al., 2003). Таким образом, ключевые компоненты иммунной системы (белки и пептиды ГКГ) принимают непосредственное участие и в формировании «персонального запаха», и в его восприятии.

По-видимому, при формировании брачной пары животные тестируют потенциальных партнеров на степень генетической близости при помощи систем различения своих и чужих, включая иммунную. Некое оптимальное число «чужеродных» веществ (антигенов), содержащихся в персональном запахе партнера, повышает его привлекательность; слишком малое или слишком большое их число оказывает противоположный эффект. В этом суть «гипотезы иммунологического тестирования брачных партнеров», предложенной нами совместно с А. М. Куликовым из Института биологии развития РАН (Марков, Куликов, 2006; Куликов, Марков, 2009). Такой механизм способен обеспечить быстрое и, главное, автоматическое зарождение изоляции между группировками, подвергшимися разнонаправленному отбору. Такой отбор может автоматически вынести неизменившихся представителей предковой популяции (или групп, изменившихся в другом направлении) за пределы «иммунологического оптимума» генетической близости.

Оптимальный выбор брачного партнера — наиважнейшее условие рождения жизнеспособного потомства. В ходе эволюции развились сложные и разнообразные алгоритмы выбора партнера. Самки многих животных пытаются выбрать самых крупных, сильных и здоровых самцов, но этого мало. Самец может быть силен и крепок здоровьем, но, если он приходится самке близким родственником, спаривание с ним может привести к рождению слабого потомства (это называют инбредной депрессией). Обычно и скрещивание с очень далекой родней тоже невыгодно, потому что гибридное потомство получает случайную смесь из двух наборов генов, в каждом из которых гены были подогнаны друг к другу отбором, а у гибридов эти полезные комбинации генов разрушаются (аутбредная депрессия). Согласно теории оптимального аутбридинга, животные (и другие существа, размножающиеся половым путем) должны предпочитать партнеров с промежуточной степенью генетического родства: не слишком близких, но и не слишком дальних родственников (Bateson, 1978).

Следовательно, чтобы делать правильный выбор, живые существа должны были в ходе эволюции выработать средства, позволяющие определять степень родства с потенциальным партнером. Иммунная система — эффективное средство различения своего и чужого на биохимическом уровне — идеально приспособлена для решения этой задачи. Например, о степени родства можно судить по сходству наборов пептидов ГКГ — своих и потенциального партнера. Именно так и поступают многие позвоночные. Например, на рыбах колюшках, а затем и на других позвоночных было показано влияние пептидов ГКГ, выделяемых самцом, на выбор самкой партнера. Самки колюшек предпочитают брать в мужья не слишком близких, но и не чрезмерно дальних родственников, и это, похоже, общее правило (Milinski et al., 2005). Кстати, колюшки весьма склонны к симпатрическому видообразованию и часто образуют в озерах пары дискретных, сильно различающихся форм (см. ниже).

Не исключено, что оптимальная степень родства партнеров меняется в зависимости от ситуации. В неблагоприятных, стрессовых условиях особям может оказаться выгодно сместить свои предпочтения в сторону близкородственных скрещиваний, чтобы избежать «размывания» у потомства тех генных комплексов, которые позволили родителям выжить в этой критической обстановке. Поэтому у некоторых организмов мог выработаться механизм, смещающий брачные предпочтения в сторону выбора своих под действием стресса.

Если бы такой механизм существовал, он мог бы способствовать быстрому видообразованию, потому что группы особей, попавшие в непривычные условия и сумевшие выжить (пусть и ценой сильного сокращения численности за счет отсеивания неприспособленных генотипов), могли бы автоматически самоизолироваться от чужаков, т. е. других представителей своего вида, которые в этих стрессовых условиях не жили и, скорее всего, плохо к ним приспособлены.

Для проверки этой идеи нужно провести много экспериментов на разных объектах, но пока нам удалось поэкспериментировать только с четырьмя линиями дрозофил, подвергавшихся разным стрессовым воздействиям. Результаты экспериментов согласуются с гипотезой о смещении брачных предпочтений в стрессовых условиях (Markov et al., 2009).

Генетическую подоплеку иммунной избирательности и последующей изоляции ученым предстоит еще узнать. В организации иммунной системы, особенно у беспозвоночных, пока еще много неизвестного. Кстати, не следует думать, что предполагаемый механизм иммунологического тестирования партнеров может работать только у животных. Растения тоже выбирают себе партнеров на основе степени их родства: известны такие явления, как выбор пыльцы и уже знакомая нам самонесовместимость. И без иммунологии здесь тоже не обошлось: в отбраковке неподходящей (родственной) пыльцы участвуют ферменты РНК-азы, изначальная функция которых — иммунологическая, они защищают растение от инфекций, а для этого нужно уметь отличать «чужое» от «своего». Впрочем, что здесь изначально, а что вторично — еще вопрос.

Интересный пример видообразования с прямым участием систем различения своего и чужого — инфекционное видообразование. У многих видов членистоногих скрещивание контролируется паразитической бактерией вольбахией, которая способна создавать репродуктивную несовместимость между насекомыми, зараженными разными штаммами (видами, клонами) бактерии. В основе этого явления лежит умение вольбахии безошибочно отличать собственную разновидность от чужих. В результате вид насекомых, зараженный двумя штаммами вольбахии, насильственно разделяется на два! Доказанных случаев инфекционного видообразования пока известно немного. Классический пример — южноамериканский надвидовой комплекс Drosophila paulistorum, разорванный разными штаммами вольбахии на шесть репродуктивно изолированных симпатрических «полувидов» (Miller et al., 2010). Но мы не очень удивимся, если окажется, что роль инфекционного видообразования в эволюции самого разнообразного класса животных — насекомых — больше, чем принято считать.