Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Фундаментальные единицы эволюции и присущая им древовидная природа

Фундаментальные единицы эволюции и присущая им древовидная природа

Как было рассмотрено в главе 2, репликация генетического материала, процесс, по самой своей сути предрасположенный к ошибкам, является одновременно и условием, и прямой причиной эволюции. Критическим в определении статуса древа в биологии является то, что репликация и непременно следующая за ней эволюция суть по природе своей древовидные процессы (Koonin and Wolf, 2009a). И в самом деле, воспроизводящаяся молекула порождает две копии (в случае полуконсервативной репликации дцДНК, которая происходит во всех клеточных организмах и во многих вирусах) или множество копий (в случае консервативной репликации вирусов с геномами, представленными оцДНК или оцРНК) с ошибками, что приводит к древовидному процессу разветвления (см. рис. 6–1). В терминах теории графов – такой процесс может быть изоморфно представлен в виде особой формы направленного ациклического графа, известного как древовидное образование (arborescence) – то есть обобщенное дерево, в котором допустимы множественные разветвления, а все ребра направлены в противоположную от корня сторону (см. рис. 6–1). Хотя случайное вымирание одной или обеих молекул-потомков порождает вершины, не испускающие ребер, такой граф остается древовидным образованием; определение этого класса графов не требует, чтобы листья находились на одном уровне (см. рис. 6–1; здесь и далее вместо термина «древовидное образование» я буду использовать более распространенный термин «дерево»).

Рис. 6–1. Дерево (древовидное образование) как изоморфное представление предрасположенного к ошибкам процесса репликации генов. Схематическое изображение истории репликации генетического элемента, включающее как раздвоения, так и множественные разветвления (отмечены звездочкой). Зафиксированные мутации показаны штрихами. Адаптировано из Koonin and Wolf, 2009a.

Потенциально серьезным осложнением для древовидного характера эволюции является рекомбинация. Будучи широко распространенной, рекомбинация может превратить представление истории воспроизводящегося ряда поколений из дерева (см. рис. 6–1) в сеть (или, того хуже, в полную кашу). Возможно ли определить фундаментальный, «атомный» уровень генетической организации, на котором рекомбинацией можно пренебречь? Это представляется сомнительным в случае гомологичной рекомбинации, широко распространенной во время совместной репликации близкородственных последовательностей, в частности у эукариот, вовлеченных в обычные половые отношения, и у «квазиполовых» прокариот. Чаще всего единицей гомологичной рекомбинации является одиночная пара оснований. Однако гомологичная рекомбинация не может происходить между отдаленно родственными последовательностями, поэтому ГПГ между таксономически удаленными прокариотами подразумевает только негомологичную (незаконную) рекомбинацию, которой способствуют специфические механизмы, такие как распространение генов через бактериофаги и плазмиды (см. гл. 5). В отличие от гомологичной рекомбинации, следует ожидать, что эволюционная фиксация событий негомологичной рекомбинации вне генов или между частями генов будет гораздо предпочтительнее; сохранение целостности гена после негомологичной рекомбинации внутри генов крайне маловероятно. Распространенность внутригенной рекомбинации в ходе ГПГ между отдаленно связанными прокариотами не изучалась сколь-нибудь подробно. Тем не менее как минимум одно исследование показывает, что сегменты, кодирующие сравнительно небольшие белковые домены, в значительной степени избегаются рекомбинацией (Chan et al., 2009). Отсюда следует важный и правдоподобный, хотя и не подкрепленный пока что в достаточной мере данными, вывод: из-за гомологичной рекомбинации эволюционная история гена или домена представляет собой сетевую структуру на малых масштабах, но преимущественно древовидную на больших (см. рис. 6–2).

Рис. 6–2. Эволюция гена имеет сетевой вид на малых масштабах, но древовидный на больших. Изображение схематично описывает эволюцию четырех генов. История расхождения каждого гена была вычислена на модели произвольной гомологичной рекомбинации с экспоненциальным снижением частоты рекомбинации с расхождением последовательностей. На каждом шаге моделирования два дочерних гена расходились на постоянную величину (расхождение по принципу молекулярных часов) и либо подвергались гомологичной рекомбинации (что сводило разницу между ними к нулю), либо нет, сохраняя существующее состояние расхождения. После некоторого количества коротких периодов расхождений и рекомбинаций гены стохастически расходились достаточно далеко, чтобы (гомологичная) рекомбинация стала крайне маловероятной. После этой точки они продолжали расходиться без рекомбинации. На большом масштабе это выглядит как простое раздвоение на дереве-графе. Адаптировано из Koonin and Wolf, 2009a.

Форд Дулитл и Эрик Батист предположили и продемонстрировали на весьма убедительных примерах, что с помощью дерева можно легко описать отношения между объектами, которые отнюдь не связаны общей родословной, a потому «древесное мышление» не следует считать априорно применимым или, во всяком случае, центральным в биологии (Doolittle and Bapteste, 2007). Несмотря на то что аргумент этот сам по себе обоснован, в нем упускается из вида то принципиально важное обстоятельство, которого мы касались выше, а именно что дерево – это неизбежное формальное следствие истории репликации нуклеиновых кислот и последующей эволюции. Таким образом, деревья нельзя убрать из эволюционной биологии по фундаментальной причине: они изначально присущи эволюционному процессу. И тогда наиболее уместным вопросом становится такой: каковы фундаментальные генетические единицы, эволюция которых лучше всего представима деревом? В практике эволюционной биологии деревья чаще всего выстраиваются для отдельных генов или для наборов генов, которые, как считается, имеют общую историю. Однако обычно подразумевается (или даже недвусмысленно заявляется), что конечной целью является древо видов (организмов). Недостаток ясности в вопросе об основной единице, деревья которой должны строиться и анализироваться, является важным (если не главным) источником всей дискуссии вокруг ДЖ.

На концептуальном уровне ответ на заданный выше вопрос кажется ясным: фундаментальную единицу эволюции можно в целом удовлетворительно определить как самую малую порцию генетического материала с отчетливой эволюционной траекторией — то есть такую, которая развивается независимо от других таких же единиц на протяжении достаточно длительного эволюционного периода. На практике, учитывая динамический характер эволюции прокариот, описанный в главе 5, критерию фундаментальной единицы древовидной эволюции отвечает геномный локус, кодирующий РНК или белок (или индивидуальный эволюционный домен). (Очевидно, такая единица соответствует гену, за исключением мультидоменных белков.) В самом деле, как впервые явно отметил Ричард Докинз (Dawkins, 2006), гены в большой степени эгоистичны, то есть подвержены отбору, частично независимому от других генов. В условиях обширного ГПГ ген или оперон потенциально может оказаться в широком спектре организмов. Конечно, обычно это происходит, когда некий ген дает селекционное преимущество организму-носителю, поэтому эволюция генов и эволюция организмов тесно связаны.

Осознание того, что отдельные гены, в противоположность геномам, являются «атомами» эволюции, ставит под сомнение самую идею ДЖ. Тем не менее, как было показано выше, деревья невозможно убрать из какого бы то ни было описания эволюции, по той простой причине, что репликация генетического материала – процесс по сути своей древовидный. Эти два фундаментальных наблюдения вместе приводят к логичному заключению о том, что должно прийти на смену ДЖ: лес жизни (ЛЖ), то есть совокупность филогенетических деревьев всех генов (за очевидным исключением ОРС). В таком случае реконструкция истории жизни (ясно, что не всей истории полностью, но ее «скелета») не так проста, как анализ топологии ДЖ. Эта реконструкция требует картирования ЛЖ в поисках «рощ» подобных деревьев, которые могут быть отражением долгосрочных тенденций связанной (вертикальной) эволюции наборов генов, и «лиан» ГПГ. Представляется, что всестороннее исследование ЛЖ и есть главная цель филогенетики. В следующем разделе я преимущественно рассматриваю результаты недавних исследований ЛЖ, проведенных совместно с моими коллегами Пере Пуигбо и Юрием Вольфом (Puigbo et al., 2009, 2010). Это ни в коем случае не единственные исследования, сравнивающие филогенетические деревья и пытающиеся провести различия между вертикальной и горизонтальной тенденциями в эволюции. Однако эта работа соответствует современным требованиям, и мне кажется, что мы нашли пригодные способы для представления отношений между деревьями многочисленных генов, поэтому краткое изложение этих результатов дает хорошее представление о структуре ЛЖ. (Изложение в следующих двух разделах носит заметно более специальный характер, чем эта книга в целом; некоторые читатели могут решить сразу перейти к заключительным параграфам каждого раздела, а затем и к краткому обзору главы.)