VIVOS VOCO: В.В. Вельков, "Смысл эволюции и эволюция смысла"

Смысл эволюции и эволюция смысла

В.В. Вельков
Вельков Василий Васильевич - к.б.н., сотрудник Ин-та биохимии и физиологии микроорганизмов РАН (Пущино-на-Оке),
доцент Пущинского филиала биофака МГУ им. М.В. Ломоносова.

"...я убежден, что Он не играет в кости...."

А. Эйнштейн
Переписка c М. Борном.
Эйнштейновский сборник. М., 1974. С. 7.

Можно ли понять смысл существования жизни на Земле и смысл существования человечества, исходя из того, что молекулярные механизмы биологической эволюции и механизмы генетических процессов в популяциях, в частности в человеческих субпопуляциях, становятся все более понятными? Ведь замысел архитектора проясняется, когда видно, как и из каких элементов строится придуманное им здание. Но у архитектора есть цель и план. А у здания - заказчик. А у эволюции?

Мы знаем, что эволюция - это, прежде всего, изменение генетической информации, программирующей как сами организмы (их метаболизм, физиологию и морфологию), так и их поведение. Это загадочное возникновение первого гена (слова); затем увеличение количества генов, происходящее одновременно с развитием генетического "языка" (генетического кода), с возникновением "правил грамматики", т.е. механизмов реализации "смысла" генов; это формирование и "тиражирование" геномов (целостных текстов); а также взаимодействие между геномами (половой процесс, обмен фрагментами "текстов", рекомбинация); это, наконец, гибель геномов (вымирание носителей "неудачных" геномов, их истребление).

Иными словами, эволюция - это усложнение организмов, детерминируемое проявлением особых закономерностей, присущих только живым системам. Но какие это закономерности? Быть может, эволюционное усложнение программируется воздействием на гены окружающей среды, приспосабливающим организмы к этой среде? Но как механизм программирования "заранее знает", какие именно изменения генов приведут к нужным изменениям организмов? Или же эволюция - слепой естественный отбор "счастливых" случайностей? Но тогда что такое "молекулярные случайности?" Какие их комбинации и как часто становятся выигрышными?

Неужели процесс эволюционного усложнения, который мы называем прогрессивной эволюцией, приведший вид Homo sapi-ens к расщеплению атомного ядра, к суперкомпьютерам, к дешифровке геномов и реконструкции возникновения Вселенной -всего лишь результат "игры в кости", занятия, как известно, не самого интеллектуального? Наши разум и чувства не готовы примириться с мыслью, что все существующее на Земле, включая "Троицу" Рублева, "Весну" Ботичелли, 66-й сонет Шекспира и "Котлован" Платонова - лишь результат слепых случайностей.

Какие же механизмы заставили первые живые организмы усложняться и совершенствоваться? И ради какой цели?

Молекулярные механизмы эволюции

Человечество - это эволюция, осознавшая самую себя.

Дж. Хаксли

До полного осознания, разумеется, далеко, но кое-что уже действительно становится понятным. Основа жизни - самовоспроизведение системы из элементов среды. Если молекула способна к самовоспроизведению, если сама строит себя из того, что вокруг нее, - она живая. При исследовании генов некоторых многоклеточных совершенно неожиданно были обнаружены "молекулярные ископаемые" - остатки древнейших живых молекул рибозимов *, до сих пор сохранившие некоторые из своих свойств.

* Рибозимы - это ферменты (энзимы), представляющие собой линейную молекулу РНК и способные осуществлять катализ, т.е. проявляющие ферментативную, энзиматическую активность.

До открытия рибозимов считалось, что ферментами могут быть только молекулы белков. Дальнейшие исследования показали, что рибозимы, как и ферменты белковой природы, способны осуществлять практически весь спектр энзиматических реакций *. Более того, одна из основных молекулярных строительных машин клетки - рибосома, осуществляющая декодирование генетической информации при биосинтезе белков, также имеет рибозимную активность **. Но самое удивительное свойство некоторых рибозимов - их способность к самовоспроизведению.

* Spirin A.S. Omnipotent RNA. // FEBS Lett. 2002. № 530 (1-3). P. 4-8.
** Steitz T.A., Moore P.B. RNA, the first macromolecular catalyst: the ribosome is a ribozyme // Trends Biochem. Sci. 2003. № 28 (8). P. 411-418.

Будучи линейными полимерными молекулами, состоящими, как все нуклеиновые кислоты, из определенной последовательности четырех нуклеотидов-букв: А (аденин), У (урацил), Г (гуанин) и Ц (цитозин), последовательность которых и определяет смысл, т.е. функцию молекулы, некоторые рибозимы могут быть одновременно геном, матрицей для синтеза собственных копий, и энзимом, который такой синтез, т.е. репликацию, воспроизведение, осуществляет и, тем самым, создает свою копию из четырех нуклеотидов. Получившиеся две молекулы могут затем размножиться до четырех, восьми и т.д. Лишь бы хватило нуклеотидов.

Вероятно, жизнь зародилась в виде самовоспроизводящихся молекул РНК, создавших Мир РНК. Из мира, населенного рибо-организмами (следов которых, однако, не найдено), образовался Мир ДНК, в котором кодирование генетической информации осуществляли уже молекулы ДНК *. "Склонившись над бездной прошлого, будем наблюдать ее меняющуюся окраску. Из века в век цвет сгущается. Вот-вот что-то вспыхнет на молодой Земле... Жизнь! Вот Жизнь!" **.

* Di Giulio М. On the RNA world: evidence in favor of an early ribo-nucleopeptide world // J. Mol. Evol. 1997. №45 (6). P. 571-578; Yarus M. Boundaries for an RNA world // Curr. Opin. Chem. Biol. 1999. № 3 (3). P. 260-267; Forterre P. Genomics and early cellular evolution. The origin of the DNA world // C.R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences. 2001. № 324. P. 1067-1076.
* Тейяр де Шарден П. Феномен Человека. M., 1987. С. 68.

Но где же эволюция? Ведь при репликации возрастает только количество, качество, вроде бы, не меняется? Однако копирование никогда не происходит с абсолютной точностью. Источник эволюции - случайные ошибки, возникающие при самовоспроизведении матрицы.

Первый тип ошибок, которыми движется эволюция, - так называемые точечные мутации, превращающие при репликации правильный нуклеотид в неправильный (некомплементарный), а также приводящие к вставке лишнего нуклеотида или к выпадению нужного. Ошибочное копирование РНК приводит к тому, что изменившаяся последовательность нуклеотидов изменяет свойства рибозима, например, увеличивает скорость его авторепликации. И тогда потомки такого "счастливого" мутанта получают преимущество в размножении и могут заполнить собою "сушу и воды".

Однако вредные мутации возникают гораздо чаще, чем полезные. Если вредная мутация, скажем, замедлит самовоспроизведение, мутантные молекулы постепенно "вымрут". А это уже дарвиновская эволюция молекул, естественный отбор в которой направлен на увеличение скорости их размножения. Он должен привести к тому, что планетарный океан заполнится наиболее быстро автореплицирующимися "живыми" молекулами.

Но где же усложнение и совершенствование? В данном контексте самый совершенный - это наиболее быстро воспроизводящийся рибозим. На этом эволюция, казалось, должна была бы и остановиться, если бы не еще один ее источник. Это второй тип мутаций - дупликации, возникающие при воспроизведении генов, т.е. удвоение генов, когда вновь синтезированная двухнитевая линейная молекула ДНК не отделяется от исходной матрицы, чтобы существовать независимо, а ошибочно присоединяется к концу матрицы. Скажем, из гена АТГЦ образуется АТГЦатгц, а не АТГЦ + атгц *. Новая структура, состоящая уже из двух идентичных генов, кодирующих одну и ту же функцию, продолжает функционировать, например, кодирует какой-либо жизненно важный фермент. Разумеется, при ее репликации также происходят точечные мутации, улучшающие или, что много чаще, ухудшающие функцию фермента.

* В молекуле ДНК урацил (У) заменен тимином (Т).

Предположим, что такая мутация (обозначим ее *) произошла в первом гене (АТ*ГЦатгц). В этом случае в клетке образуется смесь из двух ферментов, один из которых (АТ*ГЦ) "хуже", поэтому в целом эффективность обоих ферментов снизится. Это приведет к снижению жизнеспособности и, в итоге, к снижению скорости размножения. Дальнейший процесс может привести к другой случайной мутации, которая либо еще ухудшит один из ферментов (тогда дело совсем плохо), либо как-то восстановит активность мутантного фермента (АТ*ГЦ*), либо повысит активность неповрежденного (атг*ц), что в итоге вернет организму исходную жизнеспособность. Это, тем не менее, не означает, что в точности восстановится первоначальная последовательность АТГЦатгц.

Восстанавливающая (супрессорная) мутация может произойти также во втором гене и привести к образованию структуры типа АТ*ГЦатг*ц. Функция новой структуры стала такой же, как и у исходной дупликации АТГЦатгц, но теперь эта функция определяется двумя похожими, но уже разными генами ("синонимами") АТ*ГЦ и атг*ц. Например, первый отбирает из окружающей среды подходящие мономеры, а второй катализирует реакцию присоединения. Такой процесс, когда функции дуплицированных генов из-за мутаций расходятся (дивергируют), в молекулярной генетике назван субфункционализацией.

Итак, новые гены образуются под действием по крайней мере двух случайных процессов: ошибок копирования при репликации и дупликации. Затем под действием отбора, сохраняющего общий "смысл" (жизнеспособность), происходит сужение функции каждого из удвоенных генов, при этом, однако, смысл всей дуплицированной области может расширяться *. То, что раньше делал один ген, теперь делают два, и они все больше зависят друг от друга. Вот и усложнение: из одинаковости возникает разнообразие, многофункциональность.

* Prince V.E., Pickett F.B. Splitting Pairs: The Diverging fates of duplicated genes // Nat. Rev. Genetics. 2002. № 3. P. 827-837; Brosius J. Gene duplication and other evolutionary strategies: from the RNA world to the future // J. of Structural and Functional Genomics. 2003. №3. P. 1-17; Moore R.C., Purugganan A.D. The early stages of duplicate gene evolution // Proc. Nat. Acad. Sci. 2003. V. 100. №26. P. 15682-15687.

Несомненно, удвоение гена с последующим разделением функций двух копий может играть важную роль и в современных эволюционных процессах. Однако эволюция изобрела еще один способ создания новых генов. Представления о нем возникли после ошеломляющего открытия строения генов эукариот *. Оказалось, что внутри их генов, в отличие от генов прокариот, есть участки, которые, вроде бы, не имеют смысла. Они были названы интронами (от англ. intervening zone, т.е. зона, "вмешивающаяся" в смысловую последовательность гена). Те участки гена, смысл которых был понятен, назвали экзонами (от англ. expressing zone - экспрессируемая, смысловая зона гена).

* Эукариоты - организмы, имеющие клеточное ядро, прокариоты (бактерии) ядра не имеют. Все многоклеточные являются эукариотами.

Эволюция генов

Сотри случайные черты И ты увидишь - мир прекрасен.

А. Блок

Для реализации (экспрессии) функции гена все его "несмысловые" участки, по-видимому, должны быть удалены. Для этого возможны два пути. Первый - удалить интроны навсегда, "вырезать" их (делетировать), а экзоны соединить. Второй - создать путем транскрипции (т.е. синтеза РНК на матрице ДНК) точную РНК-овую копию ДНК-ового мозаичного гена, состоящего из экзонов и интронов, исходную матрицу не изменять, из копии интроны удалить, а экзоны объединить. Полученный окончательный транскрипт, теперь приобретший смысл, использовать для реализации его функции, скажем, для синтеза белка.

Прокариоты выбрали первый путь. В их генах (за малыми особыми исключениями) интронов нет. Выбравшие этот простой и экономный путь так и остались безъядерными одноклеточными микроорганизмами. Прогрессивная эволюция для них стала невозможной.

Второй путь, при котором бессмысленные интроны сохраняются в гене, но удаляются из его транскрипта, был назван сплайсингом, он реализуется у всех эукариотных организмов.

Но неужели интроны, суммарная длина которых в гене может в десятки и более раз превосходить длину его экзонов, действительно бессмысленны? Попытки реконструировать процесс образования мозаичных генов показывают, что в составе древних самовоспроизводящихся молекул (или их агрегатов, или древнейших клеток) присутствовали, во-первых, "генератор случайных чисел", с помощью которого синтезировались протяженные случайные последовательности нуклеотидов, и, во-вторых, механизм, разрезавший их на случайные фрагменты и в разных комбинациях соединявший некоторые из них. А затем беспристрастный естественный отбор оценивал результат. Если вариант соединения фрагментов транскрипта улучшал самовоспроизведение, мозаичный ген сохранялся, если нет - исчезал с лица Земли.

По современным представлениям гены возникали путем стыковки экзонов *. Сначала случайно образовывались потенциальные части слова - "слоги", потом они случайно соединялись и, когда возникал смысл, путь стыковки слогов фиксировался и закреплялся.

* Kolkman J.A., Stemmer W.P. Directed evolution of proteins by exon shuffling // Nat. Biotechnol. 2001. №19 (5). P. 423-428.

Однако путь стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, как неожиданно оказалось, может быть множественным, более того некоторые экзоны могут удаляться вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген кодирует семейство схожих, но разных белков. На данный момент максимально известное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40000 *.

* Modrek B., Lee C.A. Genomic View of Alternative Splicing // Nature Genetics. 2002. №30. P. 13-19.

Итак, ген (эукариотный) - это длинная и преимущественно случайная, не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки, способные после их вырезания из копии гена (транскрипта) и объединения в строго определенной очередности кодировать (или непосредственно выполнять) определенную функцию. Теперь представьте себе, что текст - это случайная последовательность букв и среди них кое-где расположены участки, которые после распознавания, выделения и соединения приобретают смысл. Более того, из одного и того же текста, используя разные варианты распознавания, выделения и cоединения разных участков, можно получить много разных смыслов.

Значит, то, что мы вначале наивно полагали бессмысленным - интроны, перемежающие гены, на самом деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счет ограниченного числа знаков. Правда, это привело к значительному усложнению правил обнаружения этого смысла. Путь сплайсинга в большой степени определяется регуляторными сигналами клетки, характеризующими ее состояние. В ответ на изменение ситуации из одного и того же гена образуются разные смыслы.

У бактерий же все просто - во-первых, что написано, все знаки подряд и понимай, во-вторых, ситуация изменилась - включился другой, для нее специально предусмотренный ген.

Самое поразительное обнаружено совсем недавно: точечные мутации в экзоне могут приводить к изменению пути его стыковки с другими экзонами. Иначе говоря, изменение буквы в слоге может вести к изменению пути его соединения с другими слогами. Случайная точечная мутационная изменчивость приводит к изменчивости более высокого уровня - к изменчивости пути комбинирования субсмысловых блоков. И это в значительной мере уменьшает время случайного перебора, необходимое для образования новых функций *.

* Cartegni L., Chew S.L., KrainerA.R. Listening to silence and understanding nonsense: exonic mutaions that affect splicing // Nature Reviews. 2002. № 3. P. 285-298

Как же идет "прогрессивная эволюция" мозаичных эукариотных генов? Самое очевидное предположение - путем увеличения степени их мозаичности. Чем примитивнее организм, тем меньше в его "типичном" гене должно быть экзонов и интронов. Именно так и пишут в учебниках *. А как же иначе? Ведь у примитивных одноклеточных дрожжей 95% всех генов вообще не мозаичные (интронов не содержат), у грибов большинство генов имеют по 2-3 интрона, у червя, в среднем, по 4 интрона, у млекопитающих по 7-8. А организмы, которые жили миллиарды лет тому назад, в те "баснословные года", когда древо жизни еще не расщепилось на царства животных и растений? Какие гены имел организм, который был в точке ветвления? Ответ удивительный. Почти такие же сложные, как у "венца" эволюции. Общий предшественник червей, насекомых и хордовых имел в генах такое же количество интронов, какое сейчас содержится в человеческих генах. В процессе эволюции происходили массовые утраты интронов, что и привело к тем средним количествам интронов, о которых справедливо говорится в учебниках.

* Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск, 2003. С. 187-189.

Какой же молекулярно-генетический "Большой взрыв" на ранних стадиях эволюции создал у "простых" организмов сложнейшие мозаичные гены, нуждавшиеся для своей экспрессии в энерго- и материалоемких механизмах сплайсинга? Действительно ли прогрессивная эволюция может идти от сложного к простому? Если это так, нас могут ожидать удивительные открытия. Например, возможно, что у древнейших организмов уже были (зарезервированы на будущее?) сложнейшие гены, сохранившиеся в молчащем ("свернутом") состоянии. Тогда прогрессивная эволюция - это процесс постепенной реализации (распаковки) имевшейся ранее генетической информации. Может быть, именно в этом ответ на мучительную загадку, почему у амебы длина генома в 200 раз больше, чем у человека. Итак, путь прогрессивной эволюции направлен:

• от простого воспроизведения рибозимов, увеличивающих их количество, к увеличению их длины путем дупликаций и дивергенции (расхождения структуры и функции) генов за счет субфункционализации;
• от случайного перебора нуклеотидов к случайному перебору экзонов, кодирующих субсмысловые модули.

Весьма принципиально, что случайно образовавшиеся дупликаций подвергаются случайному мутационному процессу, влияющему на исходно одинаковые функции обоих генов. А действие отбора, направленного на поддержание исходной общей функции, приводит к дивергенции функций дуплицированных генов. Если до дупликаций один ген выполнял определенную функцию, то после дупликаций и мутационного процесса эту необходимую функцию могут выполнять уже два гена и только совместно, а не порознь.

Отсюда очень важный и новый для теории эволюции вывод: прогрессивная дивергентная эволюция происходит без изменения условий среды, а в результате постоянно идущих случайных мутационных процессов, главную роль в которых играют спонтанные дупликаций генов (и геномов). Отбор, который при этом действует, не направляющий, не дизруптивный *, а очищающий от вредных мутаций (от шума).

* При направляющем отборе преимущество в размножении получают те особи популяции, которые имеют крайние, либо максимальные, либо минимальные, характеристики признаков, существенных для выживания в данных условиях (например, скорость бега или яркость окраски). При дизруптивном отборе преимущество в размножении получают и те, и другие особи. При длительном дизруптивном отборе популяция расщепляется на две субпопуляции, что может приводить к дивергентному видообразованию. Стабилизирующий отбор действует при не изменяющихся условиях среды и создает преимущество для особей со средними значениями характеристик.

Следовательно, прогрессивная эволюция, сопровождающаяся усложнением организмов, не имеет адаптивного (по отношению к окружающей среде) характера. Это весьма неожиданное и принципиальное положение было сформулировано совсем недавно *.

* Lynch М., Conery J.S. The Origins of Genome Complexity // Science. 2003. V. 302. № 5649. P. 1401-1404.

Разумеется, такое "прогрессивное" усложнение должно быть "совместимым с жизнью" - о тех случаях, когда оно было летальным, мы не узнаем никогда. И, разумеется, после такого "усложнения" направляющий или дизруптивный отбор подгоняет (адаптирует) организмы к конкретным условиям окружающей среды *.

* Там же.

К слову, на протяжении последних четырех миллиардов лет условия на Земле все время менялись. Крайне любопытно было бы взглянуть, какими мы могли стать, если бы прогрессивная эволюция шла в стационарных, не изменяющихся условиях среды.

При рассмотрении экзон-интронной структуры эукариотных генов мы впервые столкнулись с вопросом, а может ли в эволюции существовать то, что не имеет смысла? Для чего организмам, жившим еще до разделения животного и растительного царств, были нужны такие сложные гены?

Смысл бессмысленной ДНК

А жизнь, как с холодным вниманьем посмотришь вокруг,
Такая пустая и глупая шутка.

М. Лермонтов

Самая обескураживающая шутка, которую эволюция сыграла с человеком - это количество генетической информации, которое имеет амеба. Ибо у одноклеточной амебы, как говорилось выше, в 200 раз больше ДНК, чем у Homo sapiens. Наша ДНК содержит 3 млрд. нуклеотидов, амебы - около 600 млрд. Зачем ей столько? К тому же, в ее геноме записано - миллионы раз! - одно или несколько "бессмысленных слов", которые с современной точки зрения ничего не значат.

Действительно, и у человека 99% генома не кодирует белков. Некодирующие последовательности представлены не только интронами и межгенными областями, но, преимущественно, разными типами многократно повторяющихся генетических последовательностей длиной примерно в 10, 100, 1000 и более нуклеотидов. Эти повторы могут располагаться непрерывно друг за другом (локализованные) или рассеиваться в геноме поодиночке (диспергированные).

Согласно механизмам происхождения повторы разделяют на так называемую сателлитную ДНК, которая может возникать при определенных ошибках репликации, и ретропозоны, образующиеся из-за ошибок обратной транскрипции (когда происходит случайный и ошибочный синтез ДНК на матрице РНК). После массового увеличения количества копий такого случайно образовавшегося из РНК "бессмысленного" гена происходит случайное встраивание множества его копий в случайные участки генома. И более того, ретропозоны являются мобильными генетическими элементами, они могут перемещаться по геному.

Если при этом нарушаются жизненно важные функции, организм погибает, если нет - выживает с грузом "бессмысленной" или "мусорной" ДНК. Именно так ее и называют - junk DNA. Другое ее название имеет оттенок нравственной оценки - "эгоистическая", selfish DNA. Она существует (размножается вместе с функциональными генами) только для себя и организму ничего полезного не дает. Еще одно ее название, parasitic DNA, говорит само за себя. Действительно, клеткам приходится тратить значительные ресурсы для воспроизведения бессмысленной ДНК, доля которой иногда может достигать более 90%. Для того, чтобы по крайней мере минимизировать возможное вредное влияние этой паразитической ДНК, она плотно запрятана (сконденсирована) в неактивных зонах хромосом (в гетерохроматине). Похоже, что гетерохроматин в основном и нужен для предотвращения вредного влияния паразитической ДНК.

Из этого следует, что принцип "максимум эффективности (жизнеспособности) при минимуме затрат" для эукариотных организмов несправедлив. Они, как сейчас считается, без видимых вредных для себя последствий выдерживают в геноме огромный груз бессмысленных последовательностей ДНК.

Но так ли они бессмысленны? Может, мы чего-то просто не хотим видеть? Например, того, что неспособность организмов избавиться от паразитической ДНК и стать максимально эффективными на самом деле является еще одной причиной прогрессивной эволюции, которая идет от случайного накопления бессмысленных усложнений к естественному отбору случайных осмысленных изменений, компенсирующих вредное действие бессмысленных. Но почему эукариоты, в отличие от прокариот, не смогли избавиться от бессмысленного груза генетической изменчивости? Разве на них не действовал естественный отбор, отсекающий неэффективных "от праздника жизни"?

Обескураживающий факт, что взаимосвязь между количеством ДНК в геноме организма и его эволюционной сложностью отсутствует, был назван "парадоксом содержания ДНК". Этот парадокс не разгадан и сегодня *. Попытки его объяснить заставляют либо отказаться от интуитивных представлений о "разумности строения живого", либо предполагать, что в молекулярно-генетических механизмах существует какое-то совершенно неизвестное нам измерение, что на самом деле мы видим только внешние и доступные нашему разуму механизмы жизни. Но успехи генной инженерии по созданию вполне жизнеспособных трансгенных организмов вроде бы подтверждают, что мы более или менее правильно представляем себе, как устроены и как работают гены и геномы.

* Gregory T.R. Coincidence, coevolution or causation? DNA content, cell size, and the C-value enigma // Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 2001 .Feb. №76 (1). P. 65-101.

Хотя, справедливости ради, отметим, что в последнее время появляются факты, что и бессмысленная ДНК может иногда иметь какой-то смысл. Например, известны случаи, когда в повторяющемся элементе, находящемся внутри интрона, присутствуют нуклеотидные последовательности, которые изменяют путь стыковки экзонов и, тем самым, создают новый белок, т.е. новую функцию.

Достаточное число фактов говорит о том, что множество молекул РНК, являющихся копиями бессмысленной ДНК, выполняют регулирующую роль. Они управляют работой генов, в частности, при развитии организмов, при дифференцировке клеток. Недавно появились данные, что некоторые изменения в бессмысленной ДНК приводят к так называемым эпигенетическим эффектам, к модификации функции генов, не сопровождающейся изменением их нуклеотидной последовательности *.

* Mattick J.S. Challenging the dogma: the hidden layer of nonprotein-coding RNAs in complex organisms // Bio. Essays. 2003. № 25. P. 930-939.

Но в данный момент с уверенностью можно сказать, что только от 1% до 10% ДНК эукариот имеют понятный нам смысл. Остальная ДНК, по-видимому, во-первых, не несет существенных функций, во-вторых, не нарушает, по крайней мере существенно, жизнеспособности организма. Она бессмысленна, но не смертельно. И, в-третьих, как это ни парадоксально, именно эгоистическая и бессмысленная ДНК, как выяснилось, существенно предопределяет пути прогрессивных эволюционных изменений *.

* Hurst G.D., Werren J.H. The role of selfish genetic elements in eukaryotic evolution // Nat. Rev. Genet. 2001. №2 (8). P. 597-606; Kidwell M.G. Transposable elements and the evolution of genome size in eukaryotes // Genetica. 2002. № 115 (1). P. 49-63.

Бессмысленная ДНК - двигатель эволюции?

Когда б вы знали, из какого сора
Растут стихи, не ведая стыда.

А. Ахматова

Может ли быть, чтобы изменения бессмысленной ДНК направляли эволюцию жизни? В чем же тогда ее, Жизни, смысл?

При случайной вспышке массового образования бессмысленной ДНК происходит столь коренное изменение генома, что оно приводит если не к летальному исходу, то к образованию нового биологического вида.

Основная характеристика биологического вида - репродуктивная изоляция, т.е. способность продуктивно скрещиваться только с особями своего вида и неспособность давать плодовитое потомство при скрещивании (если оно все же происходит) с представителями других видов. Один из многих механизмов репродуктивной изоляции основан на отсутствии необходимого, довольно высокого уровня сходства, гомологии, между хромосомами скрещивающихся особей. При образовании оплодотворенной зиготы две ее родительские хромосомы должны быть гомологичными и способными к рекомбинации - к обмену участками ДНК между собой. Если обмен невозможен, например, из-за крупных блочных перестроек в хромосоме одного из родителей, нормального развития зиготы чаще всего не происходит. В редких случаях при геномных перестройках, произошедших в зиготе и вызванных несходством родительских хромосом, все же рождаются жизнеспособные потомки, которые, однако, могут эффективно скрещиваться только со своими братьями и сестрами, имеющими сходные хромосомы.

Похоже, что именно так и происходит видообразование. Близкородственные виды почти не отличаются между собой по смысловым, кодирующим участкам ДНК, но весьма различаются именно по несмысловым. Крупные блочные перестройки генома, вызванные массовым образованием повторяющихся последовательностей ДНК, иногда называют форматированием генома. И скрещиваться могут только организмы с геномами одного и того же формата. Эволюция, образно говоря, это совместимое с жизнью переформатирование геномов за счет случайного изменения качества, количества и расположения бессмысленной ДНК. Естественный отбор после этого сначала удаляет нежизнеспособные варианты, а выжившие переформатированные подгоняет к более эффективному существованию в конкретных условиях окружающей среды. Теперь эволюцию можно представить как процесс:

• случайных дупликаций генов, приводящий из-за возникновения мутаций к их субфункционализации, т.е. к дифференциации их функций и, в итоге, к усложнению;
• случайного массового образования некодирующей (бессмысленной) ДНК, приводящий к видообразованию;
• естественного отбора, нежизнеспособные формы удаляющий, а жизнеспособным благоприятствующий.

Но почему естественный отбор не удаляет те варианты, в которых много паразитической ДНК? Ведь без нее у клеток (организмов) были бы куда меньшие затраты на поддержание бессмысленной ДНК и куда большие шансы на эффективное размножение?

Ответ совершенно неожиданный. Естественному отбору для удаления бессмысленной ДНК просто не хватает времени, а популяции, ее несущей - численности. Случайное образование множественных копий бессмысленной ДНК - событие хотя и крайне редкое, но "одномоментное". В результате единичного события в геноме могут возникнуть десятки тысяч мутаций (новых копий паразитической ДНК), а их удаление может происходить только постепенно: каждая копия удаляется индивидуально и независимо от других. Если предположить, что вероятность утраты каждой, скажем, из тысячи копий бессмысленной ДНК равна 1 х 10^-7, то вероятность утраты всех копий: 1 х 10^-7000. Иначе говоря, чтобы в популяции случайно возник вариант, утративший всю бессмысленную ДНК, ее численность должна составлять 10⁷⁰⁰⁰ особей. Для сравнения, число атомов во Вселенной равно примерно 10⁷⁷.

Другими словами, эукариоты обречены на прогрессивную эволюцию из-за того, что вероятность образования множественной бессмысленной ДНК несоизмеримо выше, чем вероятность ее утраты. А "осмысленной" ДНК приходится изменяться, чтобы вместе с бессмысленной сосуществовать, а не погибнуть. И смысл эволюции в том, что она идет за счет случайных малых изменений смысловой информации, направленных на поддержание ее сосуществования с возрастающим количеством информации бессмысленной.

Одним из самых существенных факторов прогрессивной эволюции является половое размножение. В чем смысл этого изобретения эволюции? Ведь самовоспроизводиться можно и простым удвоением (делением). А при половом размножении воспроизводится, строго говоря, только женская особь, хотя ей для этого необходимо получить от мужского организма копию его гаплоидного генома, чтобы присоединить ее к своему гаплоидному геному. Если смысл жизни в воспроизведении - то половое размножение, по сравнению с бесполым, понижает репродуктивный выход на 50%. Значит, его преимущества должны превышать недостатки?

Смысл полового размножения

Я не люблю пустого словаря
Любовных слов и жалких выражений:
"Ты мой". "Твоя". "Люблю". "Навеки твой!"
А. Блок

Первое преимущество полового размножения - увеличение скорости генетической изменчивости, а значит, и шансов увеличить эффективность размножения. При бесполом размножении мутации, возникшие в организме (как полезные, так и вредные), передаются потомству из поколения в поколение по типу клона, вертикально. А при половом - сначала горизонтально: от мужской особи к женской. И уже после образования оплодотворенных яйцеклеток вертикально - потомкам. Именно за счет передачи генов при скрещиваниях мутации быстро распространяются в популяции вида. Таким образом, половое размножение увеличивает скорость эволюционного приспособления организмов, улучшает их адаптацию к меняющимся условиям внешней среды.

Из-за того, что клетки диплоидны, почти вся их генетическая информация дублирована: каждый ген присутствует в двух копиях (аллелях), не всегда абсолютно идентичных. Если в одном из двух гомологичных аллелей возникает вредная мутация, ее действие может быть скомпенсировано другим, нормальным, аллелем. Это так называемые рецессивные (не проявляющиеся в диплоидном состоянии) мутации. Поэтому двойной набор хромосом - это повышение надежности, уменьшение шансов не проявиться вредным мутациям. Если же такой мутацией поражены оба аллеля - жизнеспособность организма сильно понижается, он может погибнуть и навсегда унести из популяции вредное сочетание плохих мутаций.

Таким образом, смысл полового размножения - ускорение случайной генетической изменчивости, но уже не на уровне клетки (как при мутационном процессе), а на уровне популяции. На уровне клетки мутационный процесс - генератор разнообразия, а на уровне популяции половой процесс - ускоритель его распространения. Результат в принципе тот же - увеличение вероятности эффективного воспроизведения одних геномов или особей и удаления тех геномов, которые не могут программировать организм на эффективное воспроизведение.

На этой стадии эволюция находит еще один принципиально новый механизм, смысл которого, впрочем, остается тем же. В добавление к генетическим программам, определяющим метаболизм, физиологию и морфологию, эволюция создала генетические программы поведения, повышающие вероятность воспроизведения организмов. Эти поведенческие программы позволяют особям не только, скажем, избегать опасности, но и выбирать наиболее привлекательного партнера по размножению. Половой отбор - это поведение, которое обеспечивает преимущественное размножение тем особям, у которых наиболее "жизнеспособные" гены.

Механизмы полового отбора были детально проанализированы и смоделированы основоположником популяционной генетики Р. Фишером, который показал, что половой отбор направлен на усиление вторичных мужских признаков и, одновременно, на повышение степени их предпочтительности самками *. В целом, существует положительная обратная связь между способностью самцов демонстрировать свои вторичные половые признаки и способностью самок их оценивать и воспринимать их гены. Чем более привлекательны самцы, тем чаще выбирают их самки. И тем скорее их дочери будут делать то же самое, и тем более привлекательными будут их сыновья. При половом отборе процесс эволюции идет с ускорением.

* Fisher R.A. The genetical theory of natural selection. Oxford, 1930.

Вторичные половые признаки могут быть не только морфологическими, но и поведенческими: способность к лидерству, к добыванию ресурсов и др. Поведение зависит также от общих когнитивных способностей, от уровня интеллекта. Моделирование эволюции, когда половой отбор ориентирован на поведенческие, а не на морфологические признаки, показало, что в этом случае эволюция идет еще быстрее.

Разумеется, половой отбор не противоречит естественному отбору. Предполагается, что половой отбор, направленный на усиление определенных поведенческих признаков, должен повышать выживаемость и, тем самым, способствовать положительному естественному отбору. Классический пример: такая "благородная", генетически обусловленная поведенческая программа, как родительская забота о потомстве. Она повышает шансы потомства на выживание, и гены, ее определяющие, будут преимущественно передаваться из поколения в поколения. Или, скажем, агрессия? Внутривидовая агрессия - это все тот же механизм, отбирающий наиболее "сильные" гены для передачи следующим поколениям. Генетические программы агрессии всегда действуют одновременно с программами, агрессию сдерживающими, чтобы не погибла вся популяция. От степени баланса между этими противоположно направленными генетическими программами и будет зависеть эволюционный путь вида - воспроизведение, медленное вырождение или быстрое самоуничтожение *.

* Лоренц К. Агрессия (Так называемое "зло"). М., 1994.

Итак, смысл эволюции - за счет поглощения энергии и вещества со все возрастающей скоростью передавать сообщение, увеличивая количество его синонимов, чтобы, противодействуя хаосу, не допустить утраты его смысла. Сообщение, которое и есть Жизнь.