Беседы об эволюции, Марков Александр - 4 часть

Под скромным названием этой беседы, «Дарвиновский эволюционный механизм», кроется на самом деле нечто гораздо большее...

Но, разумеется, не Дарвином единым жива биология. Новый этап начался, когда занялись генетикой, а там и подружили Дарвина с Менделем заочно и посмертно. Почему не подружили сразу? Потому что на заре генетики работали в основном с результатами очень грубых мутаций, резкими изменениями, и результаты эти будто бы противоречили дарвиновскому градуализму (и получался сальтационизм). Потом уже стало ясно, что эти «макромутации» — это, скорее, исключение, чем правило, а в массе своей мутации – это обычно что-то небольшое и даже не сильно страшненькое. Дальше – больше: наследственный материал разглядели непосредственно и поняли, как он работает. Сейчас, можно сказать, уже новая эра в биологии, поскольку оперируют целыми геномами, а не отдельными кусочками ДНК. Надо, кстати, заметить, что геномика – лишь одно из направлений, которые обозначают забавным буквосочетанием: -омики, или омиксные науки, как-то протеомика, метаболомика, коннектомика и т.д. На основе всего этого уже разрабатывают омиксные технологии.







И чем же это Дарвин так важен? Да тем, что выдрал естественную науку из лап сверхъестественного! Как так? Раньше изучение природы было по-настоящему богоугодным делом: иначе, как промыслом божьим, натуралисты того времени не могли объяснить сложность и, в некотором роде, «совершенство» живых организмов. Дескать, если вы нашли на дороге часы, вряд ли окажется, что эти часы появились сами по себе — стало быть, их некий часовщик сотворил. Вот так же думали и о природе.



Как отмечал сам Дарвин, с присущей ему скромностью, он всего лишь обобщил известные всем факты. Но это оказался очень болезненный удар для религиозных фундаменталистов, кои и по сей день тщетно пытаются «доказать», что всё, и особенно всё живое, создала некая сверхъестественная сущность. Забывая, видимо, о многочисленных несовершенствах, кои в большом количестве встречаются даже у, страшно сказать, «венца творения».

1. Эволюция — это факт. Можно в неё не верить, но она никуда от этого не денется. Если вы поверите, что нет гравитации, она тоже не исчезнет... 2. Креационизм — это безумно скучно: по сравнению с тем, что эволюция вытворяет на самом деле, это как финансовый отчёт по сравнению с захватывающим романом. Ну, если это не что-то вроде весёлой пародии от Эффеля :-))) 3. Если эволюционная теория будет когда-то опровергнута, обращение к сверхъестественному — не выход. Нужна будет новая научная теория. Сказки придумывать все горазды, но наука так не работает.



И напомним вкратце, в чём суть дарвиновской эволюции. Для неё нужен репликатор — штука, которая будет размножаться, но не слишком точно копироваться; индивидуальные изменения должны наследоваться, и некоторые изменения должны влиять на успех размножения. Вот и всё, занавес!

При чём тут огоньки? Два первых пункта у них выполняются: огонь «размножается» — распространяется, и получаются разные языки пламени — по размеру, по цвету, по температуре... вот только эти изменения «по наследству» не передаются. Посему — огонь не эволюционирует, не репликатор он.

Насчёт искусственной жизни, которая только бы размножалась, и больше не делала ничего из списка... а была ли бы она тогда жизнью? Просто самокопирующиеся штуки, да ещё и неизменчивые, выходит дело... нет, всё-таки, по-моему (секундочка отсебятины), так не получится, и притом по причине, о которой ещё пойдёт речь в этой лекции!



А вот это приятно — и, цитирую, «очень интересно, забавно и трогательно». Как понять, живая ли аморфная гугля из мягкой карамели и оксидов молибдена, которая живёт в лужах из глицерина на планете Тяпляп-2? Очень просто, если верить определению, принятому NASA: если она — т.е., эта самоподдерживающаяся химическая система — эволюционирует по-дарвиновски, значит, живая!



Начнём с того, что о существовании ДНК и даже о том, что она и есть вещество наследственности, знали уже тогда. Показал это изящный эксперимент с вирусами-фагами, в которых метили радиоактивными изотопами ДНК и белки. Белки с изотопами серы внутрь бактериальной клетки не попадали, а ДНК с изотопами фосфора — попадала. Надо ещё заметить, что известно было о ДНК то, что в ней число пуриновых азотистых оснований (аденина и гуанина) было равно числу пиримидиновых (тимина и цитозина). Но вот что это значило — другой вопрос. Великий Вопрос Жизни: как ДНК копируется? Она же должна копироваться перед клеточным делением! Как же она это делает?



И вот для того и нужно было понять, как ДНК устроена! И это оказалась двойная спираль, азотистые основания в которой соединены по принципу комплементарности.

И пусть вас на англоязычной схеме не смущает слово sugar, под которым скрывается часть сахарофосфатного остова: говорят, ДНК на вкус солёная :-))) Кстати, много есть способов извлечь ДНК в домашних условиях



Полуконсервативный способ репликации ДНК (то есть такой, при котором у каждой дочерней ДНК одна цепь от материнской, а другая синтезирована заново) был показан самым остроумным способом в изящном эксперименте Мезельсона и Сталя.

Кстати, вспоминается забавное мнемоническое правило, чтобы запомнить пары оснований: Тигр — Альбинос и Цапля — Голубая (тимин-аденин, цитозин-гуанин).


Бывают и другие репликаторы, которые не включают в себя нуклеиновые кислоты! Страшная штука — прионы. Прионные белки в нормальной форме на самом деле всегда с нами, в нервной системе. Что именно они делают — ещё непонятно.


Но хуже всего то, что не совсем понятно, отчего нормальный белок превращается в патологический, который вызывает всякие жуткие болезни, побуждая правильное сворачиваться неправильно — по сути, размножаясь!


Да ещё и наследственная изменчивость у этих белков есть. И к лекарствам они приспосабливаются, и к разным типам клеток... так ещё эволюционируют и вообще мир захватят!

Ну, это, скорее, мрачная фантазия, потому что эволюция у прионов неинтересная. Что значит «неинтересная»? Каждый раз прионы, по сути, «изобретают велосипед», эволюция у них ненакопительная. Кроме того, набор возможных конфигураций невелик. Такая слабоэволюционирующая система. (Возникает риторически-теоретический вопрос: может ли появиться где-то и как-то система, которая будет эволюционировать сильнее, чем обычная жизнь с нуклеиновыми кислотами и белками?)

Тем не менее, кушать людей, а также сырое мясо (и особенно мозг) всяких экзотических зверей всё-таки не стоит... к термической обработке, увы, прионы тоже устойчивы — но это не значит, что от мяса стоит совсем отказываться. От мяса из ненадёжных источников — стоит.



Умиляясь, переходим к очень важной проблеме биологии. Дело в том, что из поколения в поколение передаётся генотип, а отбор идёт по фенотипу. И связи одного с другим ещё разгаданы маловато. Другими словами: с точки зрения биологии, в слове «кролик» больше четырёх букв (я имею в виду нуклеотиды в ДНК) не на две буковки, а в тысячи раз :-)))



Перефразирую известный стих: вот старый пёс без хвоста, который влияет на кота, который влияет на синицу, которая влияет на пшеницу, которая в тёмном чулане хранится... в общем, в биологии всё примерно так же, если упрощать.

Насчёт безумных взаимосвязей — правда, не на генетическом, а на биогеоценотическом уровне. Есть у меня любимейший пример. Обнаружилось однажды, что выживаемость птенцов чернозобой гагары в шотландских озёрах обратно пропорциональна числу солнечных дней в июне. Причём это происходит на тех водоёмах, где не очень много рыбы. Гагары, рыба, ясная погода в июне... что здесь при чём?! Вот как всё объясняется: гагарята, если рыбы немного, питаются личинками насекомых. Чем больше ясных дней, тем лучше прогревается вода, а чем лучше прогревается вода, тем быстрее личинки окукливаются и превращаются в летающих имаго, которые уже не достаются птенцам. Занавес под душераздирающий вой гагар.



Кстати, об упрощении. Да, это неизбежно — как прикажете распутывать тончайшие нити всевозможных взаимодействий, не принимая никаких допущений и не опуская какие-то мелочи?









А помните знаменитый опыт Менделя с горохом, где он скрещивал растения с жёлтыми семенами и растения с зелёными? В первом поколении получались жёлтые, во втором — 3:1 жёлтых и зелёных. А почему именно так получилось, разгадали лишь сравнительно недавно. Связано это с работой гена, кодирующего белок, который в положенное время (например, перед листопадом или при созревании семян) разрушает хлорофилл. И что бы вы думали?



получались жёлтыми, нужно, по большому счёту, чтобы работал исправно весь геном — иначе не то что жёлтых семян не будет, но вообще горох зачахнет...

И всё же, Мендель молодец: если бы он работал не с горохом и признаки выбрал бы другие, не столь простые в наследовании, законы генетики так бы и оставались неоткрытыми ещё очень долго. Есть, кстати, исторический анекдот (а может, и быль) о том, что изначально Мендель собирался проводить опыты на мышах. Но в монастыре размножать грызунов нехорошо (молчать, гусары — вспомните о книгах, которые мыши любят грызть!), вот и переключился на горох. И попал в точку.



Некоторые думают, что биологи думают, что один ген прямо влияет на один признак, и всё. На самом деле... ну, вы поняли. Есть такая штука, как плейотропия, когда один ген влияет сразу на много признаков. Вот и у курчавых кур мутация в одном гене вызывает не только интересное развитие перьев, но и повышение метаболизма (впрочем, так мне и не удалось откопать точные сведения о температуре их тела; речь больше идёт о том, что курчавое перо не больно-то сохраняет тепло, и кур нужно держать в тепле), задержку полового созревания или сниженную плодовитость.

Быть может, история с этими курами немного напоминает... нашу собственную: у нас шёл сильный отбор на увеличение мозга (в том числе и по гену ASPM), определённые варианты которого нехорошо влияют на оогенез (да и сперматогенез тоже, и на другие процессы). Всё тот же отбор на один признак, чреватый всякими побочными эффектами... естественный, правда, в данном случае :-)))



Помимо плейотропии, где от гена идёт много стрелочек к разным признакам, бывает мультигенность, когда к одному признаку идут стрелки от множества генов (вспомните о примерах, когда генотип влиял на образованность и доход), эпистаз (красные стрелки на этой схеме; скажем, у лабрадора на окрас влияет ген B: генотип BB и Bb — по фенотипу чёрный, bb — шоколадный, но если вдруг у собаки есть генотип ee, получается палевый независимо от того, что там у гена B)... и контрольный в голову — воздействие факторов среды.



Здесь индивидуальное развитие (в данном случае клетки) происходит в сложном «эпигенетическом ландшафте» из некоего полотна с переплетающимися резинками под ним. И куда этот шарик подастся, зависит от натяжения этих самых резиночек.

Это, опять же, если упрощать...



...потому что в природе есть ещё одна удивительная штука — стохастика, случайность. Из-за неё даже кишечные палочки с одинаковым генотипом в одинаковых условиях (снимаю шляпу перед экспериментаторами, засунувшими бактерий в отдельные камеры) вырастали разными. Почему? Потому что гладиолус случайно вышло. Кстати, как раз необычно, когда получается что-то одинаковое — вроде однояйцевых близнецов или, например, нематод C.elegans с одним и тем же числом клеток. По идее, они должны были бы отличаться сильнее!



ТФ — это транскрипционные факторы. Разумеется, колеблются оные во все стороны, ибо молекулы. Необязательно, впрочем, смотреть в микроскоп, чтобы увидеть эффекты от этого онтогенетического шума: можно сходить в зоопарк и посмотреть на оленя или сходить в лес и посмотреть на седмичник. В лесу можно, конечно, и оленя встретить, но дикий быстро убежит и не даст оценить ассиметрию рогов.



Стохастическая изменчивость, при всей её случайности и необычности — это тоже изменчивость. Впрочем, к ней в ходе эволюции организмы становятся всё более устойчивыми. Согласитесь, всё-таки приятнее рождаться с определённым числом рук и глаз.



Адаптивная фенотипическая пластичность — это, скажем, когда у зайца, который попал в страну со снежной зимой, к этому времени года густеет и белеет шерсть. Если к зиме у него шерсть вдруг будет редеть и темнеть — это уже неадаптивная пластичность. Что естественный отбор? В первом случае свойства шерсти уже смещены в правильную сторону, так что менять их особенно не надо. Во втором — отбор будет идти гораздо сильнее, чтобы зайцы всё-таки белели и обрастали шубой к зиме.



Вот и у гуппи то же самое :-))) Нет, они не белеют и не обрастают шерстью к зиме, а приспосабливаются к жизни в ручье без хищников (условно говоря, меняют окраску, например, или начинают медленнее расти и т.п.).https://elementy.ru/novosti_nauki/432568/Neadaptivnaya_plastichnost_uskoryaet_adaptivnuyu_evolyutsiyu

Работа сложная, рекомендую прочитать её полный обзор на «Элементах». Основная суть: если, допустим, эволюционно выгодно усилить экспрессию какого-нибудь гена в водоёме без хищников, у гуппи, которые только-только оказались в таких новых условиях и ещё не эволюционировали там, экспрессия этого гена может и, как ни странно, уменьшаться. Дело, на самом деле, не в том, что фенотипическая пластичность специально ставит рыб в эволюционно неудобное положение: просто у неё случайная направленность. Может экспрессия или увеличиться (что как бы «правильно» в данном примере) или уменьшиться (что как бы «неправильно»). А поскольку в природе обычно никто не перетаскивает гуппяшек из ручья в ручей, надёжного механизма, который сразу направлял бы изменчивость в правильную сторону, в ходе эволюции не выработалось. Направление изменчивости в правильную сторону в данном случае — это как раз результат отбора, который усилился, если изначально фенотипические изменения получились «неправильные».

sittaeuropaea- учёный записавший лекцию.
macroevolution - учёный создавший лекцию.