Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Плюрализм паттернов и процессов эволюции: смена концепций отбора, вариации и древа жизни

Роль и статус отбора

Двоякий смысл слова «постмодерн» в предисловии к этой книге, возможно, не ускользнул от внимательного читателя. Что бы мы ни думали о постмодернистской философии (см. прил. I), ее мировоззрение, безусловно, подчеркивает богатство и чрезвычайное разнообразие процессов и закономерностей, составляющих реальность. Сложность этих разнообразных тенденций такова, что, по мнению некоторых философов постмодернистского толка, ни одно серьезное обобщение не имеет права на существование. В сегодняшней эволюционной биологии разнообразие процессов и закономерностей является, пожалуй, главной темой, и, коль скоро мы принялись говорить парадоксами, можно сказать, что главной темой является отсутствие всеобъемлющей главной темы.

Центр внимания, лежавший в СТЭ на естественном отборе, действующем на случайные генетические изменения, сместился ко множеству взаимодополняющих фундаментальных эволюционных процессов и моделей (см. рис. 13-1). В новой эволюционной биологии естественный отбор является лишь одним из процессов, формирующих эволюционирующий геном, и, видимо, не доминирует количественно. Эволюцию в значительной степени определяют нейтральные процессы, такие как генетические дрейф и тяга.

Развивая тему плюрализма, заметим, что относительный вклад адаптивных и нейтральных процессов отнюдь не постоянен по всей широте спектра форм жизни. Как очень точно сформулировал Майкл Линч (естественно, перефразируя Добржанского), «ничто в эволюции не имеет смысла, кроме как в свете популяционной генетики» (Lynch, 2007b). Действительно, динамика популяций – или, проще говоря, эффективный размер популяции, в краткосрочной и долгосрочной перспективе – является ключевым фактором, определяющим давление отбора. Эффективный размер популяции может отличаться на порядки даже у близкородственных организмов, поэтому различия в интенсивности отбора весьма велики (например, у насекомых и у млекопитающих). Эти различия определяют различные эволюционные режимы: при высоком Ne эволюция определяется в первую очередь (или даже исключительно) отбором; при низких же Ne на первое место выходит дрейф. В реальном процессе эволюции (почти) все линии спуска проходят через несколько «бутылочных горлышек», где доминирующей силой эволюции становится случайный дрейф; отсюда следует неизбежный и большой вклад случайности в эволюцию всех живых организмов.

Рис. 13-1. Множественные процессы, порождающие геномное разнообразие, влияющие на его закрепление в эволюции и формирующие эволюцию генома в целом.

В эволюции фенотипов роль отбора, возможно, еще больше, чем в эволюции геномов. Однако достижения системной биологии существенно расширили концепцию фенотипа. Наряду с традиционными признаками организмов, мы теперь изучаем и эволюцию молекулярных фенотипических признаков, таких как экспрессия гена и изобилие белка; молекулярная эволюция фенотипических признаков, как оказывается, включает в себя заметную нейтральную составляющую. Более того, храповик конструктивной нейтральной эволюции, по-видимому, приводит в действие неадаптивную эволюцию сложных фенотипических признаков, выглядящих, с традиционной (нео) – дарвинистской точки зрения, типичными адаптациями.

Даже когда отбор и адаптация несомненно участвуют в процессе, проявление этих факторов эволюции часто (возможно даже, в большинстве случаев) довольно сильно отличается от (нео)дарвиновской идеи «улучшения». Весьма часто адаптации имеют отношение к сохранению целостности клеточной организации, предотвращению сбоев и контролю за повреждениями. В некотором смысле сказанное выше есть тривиальная констатация факта, если мы учтем разнообразие и сложность молекулярных машин, предназначенных для контроля качества каждого из основных процессов передачи информации, примерами которых являются системы репарации ДНК и деградации белков и молекулярные шапероны. Кроме того, важным, чтобы не сказать главным движущим началом эволюции белок-кодирующих генов представляется отбор на устойчивость к ошибкам укладки. В многоклеточных организмах значение отбора для предотвращения сбоев очевидно проявляется на уровне клеток и тканей, примером чего служит сложнейшая система апоптоза, запрограммированной клеточной гибели.

В ретроспективе все эти выводы могут показаться совершенно очевидными, если учесть, как развиты, сложны и в том или ином смысле оптимизированы клетки или даже отдельные белки и РНК. Как только эти сложные системы возникли – а эволюционные реконструкции ясно показывают, что они присутствовали в течение подавляющей части истории жизни, более 3,5 миллиарда лет, – контроль качества и предотвращение повреждений действительно стали основными «задачами» эволюции, невзирая на важность появления время от времени новых адаптаций. Признание этого факта возлагает огромную нагрузку на ранние, доклеточные стадии эволюции, когда изменения были быстрыми, а роль положительного отбора, наряду с конструктивной нейтральной эволюцией, должна была быть куда значительнее, чем в течение последующих 3,5 миллиарда лет. В некотором смысле почти все «действительно интересное» в эволюции жизни произошло на сравнительно короткой ранней стадии, предшествующей установлению основ клеточной организации (см. гл. 11 и 12, а также более подробно ниже в данной главе). Конечно, существуют и заметные исключения, такие как появление эукариотических клеток или многоклеточных эукариотических организмов, но нет никаких сомнений, что большинство фундаментальных эволюционных инноваций «втиснуто» в короткий отрезок первых 5 процентов истории жизни.