Факультет

Студентам

Посетителям

Теория нейтральной эволюции

Итак, в 30-х годах, когда впервые были высказаны идеи о возможном участии генетического дрейфа в эволюции, эта концепция еще никоим образом не угрожала признанию естественного отбора как ведущего эволюционного фактора.

Однако с ростом наших знаний об организации живых систем и особенно в связи с достижениями в области физико-химической биологии, приведшими к описанию механизма функционирования генов в молекулярных терминах, неожиданным образом расширились возможности противодействия дарвинизму и критики его главного постулата — о первостепенной роли естественного отбора в эволюции.

Выше мы уже обращали внимание на то, что для генетического дрейфа, т. е. для распространения в популяции какого-либо гена случайным образом, вне связи с отбором, очень важно, чтобы соответствующий ген не обладал выраженной (в «плюс»- или «минус»-стороны) селективной ценностью. В связи с этим проникновение «в глубину» многоуровневой иерархии биологической организации, в частности идентификация элементарных мутаций как нуклеотидных замен в ДНК и соответственно аминокислотных замен в белках, дало «в руки» генетиков колоссальное число изменений, которые без сомнения с генетической точки зрения могли бы рассматриваться как нейтральные и потому подлежащие не отбору, а дрейфу — наследованию по случайным законам.

На материале, полученном при изучении нуклеотидных замен в генах, а также аминокислотных замен в продуктах генов — белках (например, таких, как инсулин, цитохром, гемоглобины, иммуноглобулины, гистоны и др.), не замедлила вырасти концепция так называемой недарвиновской, или нейтральной, эволюции. В этой концепции дрейф уже определенно противопоставляется естественному отбору как вполне самостоятельно действующий эволюционный фактор. Например, Джукс писал, что «специализация белков осуществляется как часть всеобщего процесса накопления мутаций: аминокислотные замены, наследуемые как нейтральные или почти нейтральные, могут случайно становиться адаптивными по ходу эволюции…».

«Находкой» для нейтралистов оказался факт вырожденности генетического кода, т. е. наличие разных кодонов-синонимов, кодирующих одни и те же аминокислоты. Известно, что у таких аминокислот, как лейцин, серии и аргинин, имеется по шесть кодонов-синонимов, а у большинства других аминокислот синонимичных кодонов два или четыре, причем кодоны-синонимы отличаются по третьему основанию. Как следствие вырожденности кода нуклеотидные замены в ДНК, приходящиеся на третье основание кодона, часто не производят каких-либо аминокислотных замен, т. е. должны быть «абсолютно» нейтральными. Однако именно этот пример нейтральных генетических изменений приводит к весьма острому для всей теории нейтрализма вопросу: насколько значимы вообще для эволюции нейтральные мутации? Какое, например, изменение фенотипа могли бы обусловить нуклеотидные замены в третьем положении кодонов, не влияющие на последовательность аминокислот в белках?

Исходя из анализа нуклеотидных и аминокислотных замен, нейтралисты подчеркивают, что действие естественного отбора «в большинстве случаев» является отрицательным, подобным стабилизирующему отбору, тогда как примеры «положительного дарвиновского отбора» крайне редки. Довольно неожиданным здесь выглядит использование термина «дарвиновский отбор» в применении к аминокислотным и нуклеотидным заменам. Кинг и Джукс писали, что «в дарвиновской модели каждая отдельная аминокислота должна представлять собой оптимум в данном месте, у данного организма», тогда как «в недарвиновской модели… часть имеющихся аминокислот появляется в результате случайных мутаций и дрейфа».

Если допустить столь маловероятную жесткую зависимость функции белка от каждой отдельной аминокислоты, причем считать этот гипотетический «сверхдетерминизм» дарвиновским, то затем в самом деле представится возможность опровергнуть «дарвинизм». На самом деле достаточно очевидно, но причем вне всякой связи с дарвинизмом, что многие аминокислотные последовательности в составе белков могут играть чисто структурную роль и потому потенциально подлежать замещению бесчисленным множеством комбинаций из других аминокислот, без ущерба для функции белка.

Что касается специализированных белков, подобных цитохрому, гемоглобинам, гистонам и т. д., то для них практически и возможен только отрицательный, стабилизирующий отбор. В самом деле, какой «положительный, дарвиновский» отбор можно вообразить для белка, который уже миллионы лет в максимально возможной степени отвечает своей функции? Белки, как таковые, должны были появиться очень давно и потому вряд ли будет правильным думать, что, например, белки бактерий сами по себе менее совершенны, чем белки эукариот, хотя эукариоты несомненно продвинулись в эволюции дальше бактерий. Появление эукариот скорее всего было связано с изменениями на каких-то более высоких уровнях организации и только вторично соответствующие эволюционные преобразования могли затронуть свойства отдельных белков.

Во всяком случае, с биологической точки зрения совершенно очевидно, что какие-то элементы организации, в особенности на молекулярном уровне, как, например, способ репликации ДНК, механизм белкового синтеза, генетический код и т. п., раз сложившись, уже не могут быть изменены ни в каком положительном смысле по той простой причине, что последующая эволюция уже давно протекает на другом уровне. Подобный «биологический» взгляд на эволюцию, вероятно, чужд нейтралистам. В связи с этим характерно, как Кимура формулирует принципы молекулярной эволюции. Он пишет: «Скорость эволюции любого белка, выраженная через число аминокислотных замен на сайт в год, приблизительно постоянна и одинакова в разных филогенетических линиях, если только функция и третичная структура этого белка остаются в основном неизмененными». Даже этот казалось бы простой эмпирический вывод нуждается в переосмыслении, ибо с биологической точки зрения он означает следующее: все белки, приобретшие в эволюции определенную функциональную специализацию, продолжают накапливать с постоянной скоростью аминокислотные замены, если только последние не приводят к изменению их функций.

Разумеется, само по себе это обобщение достаточно важное как отражающее подвижность, «текучесть» структуры белков, в том числе давно сложившихся функционально. Но «эволюция белка» по Кимуре до тех пор, пока она не касается функции белка, не имеет отношения к дарвинизму. Поэтому теория нейтрализма предполагает, что нейтральные изменения могут случайно становиться адаптивными по ходу эволюции. Вместе с тем в теории нейтрализма подчеркивается, как мы уже отметили, что «положительный дарвиновский отбор» благоприятных мутаций (т. е. мутаций, приводящих к повышению приспособленности) происходит очень редко.

Мы также указывали выше, что понятие «положительный дарвиновский отбор», строго говоря, требует добавления «в интерпретации Фишера», так как последний фактически уклонился от анализа истинно дарвиновского отбора, вызванного внутривидовым соревнованием и ведущего к дивергенции. По Фишеру отбор всегда приводит к повышению приспособленности. Иначе обстоит дело у Райта: напомним, что по Райту дрейф обеспечивает «сползание» популяции с одной «вершины» приспособленности и затем переход ее на другую «вершину». Другими словами, в теории Райта необходимо, чтобы произошло понижение приспособленности прежде, чем может быть достигнуто ее качественное повышение. Не сопряжен ли в самом деле положительный отбор благоприятных мутаций с неизбежным этапом понижения приспособленности? В этом отношении теория нейтральности оказывается как бы в промежуточном положении между эволюционными моделями Фишера и Райта, поскольку в этой теории сдвиг приспособленности в положительную сторону происходит «вдруг» как следствие накопления нейтральных мутаций. В целом теория нейтральности, отвергая позитивный вклад естественного отбора в эволюцию, сама в этом отношении выглядит чрезвычайно схематичной и вряд ли может претендовать на роль биологического объяснения эволюции.

Это последнее замечание не должно скрывать от нас того обстоятельства, что теория нейтральности кажется и не претендует на роль теории, объясняющей эволюцию, а лишь пытается обобщить весьма интересные сами по себе и очень важные практически данные, полученные при изучении нейтральных аминокислотных и нуклеотидных замен. Например, оказалось, что скорость накопления такого рода замен (происходящих в функционально несущественных областях биологических макромолекул) примерно постоянна у самых разных организмов. Отсюда проистекает возможность действительно важные эволюционные изменения, происходящие в результате действия естественного отбора, рассматривать в контексте единой шкалы нейтральной «эволюции». Более того, анализ нейтральных замен в пределах одного или нескольких генов у разных организмов позволяет с уверенностью определить время, прошедшее с начала дивергенции данных организмов.

Необходимо согласиться с главным постулатом теории нейтральности, гласящим, что большинство изменений на молекулярном уровне обусловлено случайным дрейфом нейтральных мутаций. Этот постулат в действительности является хорошо доказанным фактом. Как мы будем обсуждать ниже, естественный отбор в самом деле происходит таким образом, что многие признаки, а тем более селективно нейтральные изменения в макромолекулах оказываются в условиях генетического дрейфа.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: