Рожков Ю. И. Популяции, виды, эволюция

Согласно утверждению, функциональные свойства А- и В-аллозимов не изменяются синхронно, то есть r < 1 (реакции различных аллозимов в изменяющейся среде не являются полностью скоррелированными), отсюда DAB < DA < DB. Последнее означает, что в гетерозиготах случайные отклонения от нормы менее значительны, чем в гомозиготах, то есть гетерозигота менее чем гомозигота подвержена отклонениям функций белков от нормы под влиянием незапрограммированных (случайных) изменений средовых факторов. В случае если r окажется равным нулю, дисперсия, характеризующая отклонения в гетерозиготе (DAB), будет в 2 раза ниже по сравнению с таковой гомозигот. Если же r примет отрицательное значение, то DAB снизится в еще большей степени. В идеальном случае при r = –1 DAB = 0 (полное гашение флуктуаций). В качестве примера можно привести эстеразу Catostomus clarkii: при колебаниях температуры среды для системы аллозимов (гетерозигота) этого фермента r < 0 (Koch, 1969).

Учитывая, что наличие в гомозиготе одного аллозима соответствует случаю, когда в уравнении [2] r = 1 (абсолютное сходство аллозимов), и, принимая для простоты, что в гетерозиготе r = 0, запишем элементарный результат:

Все это относится к каждому функционально активному генетическому локусу организма вне зависимости от того, несет ли он гены каких-либо ферментов или же нет (ферменты нами выбраны здесь лишь для большей предметности изложения).

Рассматриваемые флуктуации представляют собой своего рода «биохимические шумы», препятствующие четкой передаче информации в биологической системе в процессе морфогенеза и в ходе обычной жизнедеятельности. Потеря информации за счет шума должна иметь какие-то биологические последствия. Скорее всего, вслед за случайными отклонениями на биохимическом уровне по цепочке возникают отклонения на физиологическом и морфологическом уровнях, что в конечном итоге выражается в снижении жизнеспособности, интенсивности развития организма и т. п., то есть в отклонениях в сторону пассива от некоторой нормы. Кроме того, в системах со значительным шумом развитие должно быть менее устойчивым, что выражается (на уровне целого организма) в повышении средовой компоненты изменчивости.

Шум, однако, в той или иной мере может быть погашен простым способом – повышением гетерозиготности (см. выражения [2] и [3]). При этом чем большее число гетерозигот несет в себе организм (то есть чем выше уровень его средней гетерозиготности на локус), тем значительней гашение шума (флуктуации в реакциях различного типа) и тем менее существенны отрицательные последствия сбоев в передаче информации. Иными словами, по мере роста гетерозиготности организмов должна повышаться интенсивность их развития, стабильность этого процесса и т.д., что, в общем, не раз подтверждалось фактическими данными различных авторов (Кирпичников, 1974; Полякова, 1985). Все это, естественно, будет сказываться соответствующим образом на приспособленности организмов, инициируя в конечном итоге в популяциях действие отбора.

Перейдем теперь с уровня биохимической реакции на макроуровень: рассмотрим количественные признаки организмов.

Обозначим через х значение количественного признака у особи из одной популяции (или просто группы) и через у – из другой популяции. Флуктуации этих признаков под влиянием среды оценим через их дисперсии – соответственно Dх и Dy. При скрещивании особей из разных популяций получим в F1 гибридную группу, в которую будут поровну переданы задатки из каждой родительской группы. Формально это мож-

380

но представить так, как-будто от каждой популяции потомству переходит половинный уровень проявления признака, то есть от особи с х –– 1/2х и от особи с у –– 1/2у, что в сумме дает (х + у)/2. Примем, что таково должно быть значение признака у потомков.

Необходимо, однако, учесть действие гибридной силы, так как популяции различаются генетически и, следовательно, потомство будет обладать более высоким уровнем гетерозиготности. Отсюда значение признака у потомства z= k(х + у)/2, где k – показатель гибридной силы (на столько средние значения признаков у потомства выше таковых родительских форм). Чтобы судить о том, какова изменчивость (паратипическая компонента) признака у потомков (Dz), возьмем дисперсию от этой величины. Генотипическую компоненту изменчивости не учитываем, полагая, что она в данном случае невелика. Согласно общему правилу сложения дисперсий, получим:

Это выражение, полученное для количественных признаков, по форме полностью аналогично выражению [2], полученному для биохимической системы. Однако сходство здесь не просто формальное, а глубже, так как r в формуле [6] по сути, означает практически-то же, что и подобный коэффициент в формуле [2], то есть r в выражении [6] является мерой функционального разнообразия работающей над формированием количественного признака биохимической системы. Он как бы пропорционален множеству коэффициентов корреляции в отдельных биохимических реакциях, являясь их интегральным отражением на уровне количественного признака. Естественно, что, чем больше будет различие биохимических систем родительских форм по совокупностям составляющих их аллозимов, контролируемых различными генами, участвующими в развитии признака, тем выше будет разнообразие аллозимов у потомков (выше уровень гетерозиготности) и эффективней гашение «биохимических шумов» (меньше значение r). Следовательно, r в выражении [6] только при полном совпадении биохимических систем у родительских особей может быть равен 1 и, следовательно, Dz = D (то есть уровни изменчивости у родителей и потомков совпадут). Любые различия в функционировании биохимических систем приведут к тому, что r будет меньше 1 и тем в большей мере, чем выше эти различия. Следовательно, верно выражение Dz < D (то есть уровень изменчивости признаков у потомства ниже, чем у родительских форм).

Таким образом, повышение уровня гетерозиготности, достигнутое в данном случае за счет скрещивания генетически различающихся родительских особей приведет к большей стабильности в развитии количественных признаков, что выразится в снижении их дисперсии (генетический гомеостаз). В связи с этим формулы [5] и [6] можно интерпретировать и несколько по-другому: D – дисперсия признака у особей при некотором уровне гетерозиготности; Dz – то же у особей с более высоким уровнем гетерозиготности; r – отражает степень скоррелированности биохимических процессов, протекающих под воздействием различных аллельных вариантов белков у особей с повышенным уровнем гетерозиготности.

381

Итак, стабильность развития признаков повышается по мере увеличения уровня гетерозиготности, приводящего к снижению r. Развитие их как бы нормализуется. Однако снижение дисперсии отдельных признаков – не единственное проявление нормализации на уровне целого организма. Другое проявление того же по сути эффекта

– это повышение стабильности развития признаков друг относительно друга. Действительно, если соотношение между развитием отдельных признаков от особи к особи беспорядочно меняется, это будет выражаться в отклонениях фенотипов особей от «стандарта» (адаптивной нормы), что как следствие может быть связано со снижением приспособленности организма.

Рассмотрим два признака x1и x2. Возьмем их разницу x1 – x2. Если развитие этих признаков друг относительно друга абсолютно стабильно, дисперсия их разницы Dx1 – x2 в популяции будет нулевой. В противном случае она будет отличаться от нуля и тем в большей степени, чем ниже уровень нормализации.

Разложим эту дисперсию на составляющие, используя все то же общее правило сложения дисперсий:

Dx1−x2 = Dx1 + Dx2 −2ρDx1 Dx2 ,

где Dx1, Dx2 – дисперсии признаков x1 и x2, ρ– коэффициент корреляции между ними. Отсюда, принимая для простоты, что Dx1 = Dx2 = D получим:

Dx1−x2 = 2D (1−ρ).

Чем больше будет значение ρ (для положительно скоррелированных признаков), тем менее дисгармонично будет развитие особи (меньше значение Dx1 – x2).

Само же значение ρ, как и в предыдущем случае, видимо, определяется уровнем «шумов», то есть условием прохождения биохимических «сигналов» в ходе морфогенеза. Поэтому при повышении уровня гетерозиготности следует ожидать не только уменьшения значений r, но и увеличения значений ρ, что является результатом усиления «помехоустойчивости» при передаче морфогенетической информации. В пользу этой точки зрения свидетельствуют данные, полученные Ю.С. Дуброва и Л.В. Богатырёвой (Дуброва, Богатырёва, 1993). Они обнаружили, что коэффициенты корреляции между различными признаками (ρ) у потомков русско-бурятских браков выше, чем в «родительских» группах. К этому же типу событий относится и снижение уровня флуктуирующей асимметрии при повышении гетерозиготности, отмечаемое некоторыми авторами. Это просто частный случай только, что рассмотренной ситуации, касающийся парных признаков.

Теперь остановимся на вопросе о том, какой механизм может лежать в основе другого эффекта гетерозиса – гибридной силы.

Примем, что имеем дело только с гомозиготами. Поскольку среда, в которой идут биохимические реакции, постоянно меняется, кинетические параметры флуктуируют, приводя к изменению скорости ферментативных реакций на каждом этапе цепи. Для простоты предположим, что флуктуации не скоррелированы между этапами (то есть «поведение» ферментов в некотором смысле независимо).

Когда флуктуации невелики, фермент работает в пределах «нормы» и средняя скорость ферментативной реакции равна u. Более значительные флуктуации обусловливают меньшую скорость ферментативной реакции2, которую примем за u/2, Частоту, с которой реализуется множество состояний фермента со средней u, обозначим через р, а с u/2– соответственно через 1–р.

2 з ависимость скорости ферментативной реакции от средового фактора характеризуется колоколообразной кривой – максимум в центре, минимумы по краям. Отсюда любые отклонения от центра, лежащего вблизи «нормы», приводят к снижению ферментативной активности.

382

Скорость выхода продукта на конце цепочки, как известно, определяется «узким местом», то есть самой медленной реакцией, на каком бы из этапов она не происходила. В нашем случае «узким местом» является реакция, протекающая со скоростью u/2 (упрощая, мы приняли, что все этапы характеризуются скоростями, равными и и u/2).

Тогда для цепочки, состоящей из т этапов (учитывая, что реакции со скоростью и в целом по всей цепочке реализуются с частотой pm, а со скоростью u/2 – с частотой 1 – pm), можем записать для скорости выхода конечного продукта и следующее выражение:

Примем теперь, что часть генов, кодирующих ферменты нашей цепочки, – гетерозиготны. В гетерозиготе флуктуации могут быть значительно погашены (см. выражение [2]). Будем считать, что гашение у гетерозигот таково, что реакции, протекающие со скоростью 1/2 и, практически не реализуются. Тогда в формуле [7] вместо m мы должны подставить m–l, где l – число этапов, контролируемых гетерозиготами. В итоге получим:

u ' =u / 2(1− pm−l ).

Наша цепочка в зависимости от уровня гетерозиготности организма будет работать следующим образом: когда гетерозиготность равна нулю, u ≈ u / 2; когда гетерозиготны все гены, принимающие участие в функционировании цепочки (l =m),u’ = u. Иными словами, у более гетерозиготных организмов в целом скорость биохимических реакций будет выше, чем у менее гетерозиготных. Соответственно у них будет выше и интенсивность метаболизма, и скорость развития. Кроме того, отсюда же следует, что за одно и то же время гетерозиготные организмы могут накапливать большее количество конечных продуктов, чем гомозиготные, что может явиться первопричиной их более мощного развития.

Однако рассмотренный механизм гибридной силы не является единственным. Видимо, определенную роль в этом эффекте играет и «биохимическая комплементация» (Филатов, 1988). Ее действие можно объяснить следующим образом. Обозначим цепи биохимических реакций, контролируемых ферментами, последовательностями букв, изобразив их в виде двух рядов (учитывая, что все гены содержатся в данном организме в двойном наборе), а также выделив большими и малыми буквами соответственно высокие и низкие скорости реакций (то есть реакции, контролируемые соответственно высоко- и низкоактивными ферментами). Тогда можем получить, например, такую картину скрещивания:

[8]

Поскольку скорость выхода продукта на конце цепочки у гомозиготных родителей (Р) определяется скоростью самой медленной реакции (принимаем, что а=е =1, А=В=С=D=Е=2), получаем, что у гетерозиготного потомства (F1) она повышается в 1,5 раза: у родителей эффект равен 2, у потомков – 3. Таким образом, различные

383

цепочки биохимических реакций, полученные гибридами от родителей, дополняют друг друга: одна цепь компенсирует низкую активность а, другая – низкую активность е. Следствия увеличения скорости реакций в цепи аналогичны рассмотренным выше.

Несмотря на кажущуюся простоту и эффективность данного механизма, в действительности его роль, по-видимому, невелика, так как для его реализации необходимо, чтобы «узкие места» в цепочках биохимических реакций, унаследованных гибридами от родителей, не совпадали. Кроме того, генетические различия между скрещивающимися формами должны быть достаточно существенными. желательно, чтобы родительские особи были гомозиготными по «комплементирующим» подобным образом генам, что в достаточной мере может реализоваться при получении отдаленных гибридов или при скрещивании значительно дифференцировавшихся линий.

Не исключено, что такого рода эффект важен для комбинативного гетерозиса. Однако, производя отбор линейных и гибридных особей, а также и самих линий, можно сконцентрироватьводномгенотипетолько«сильные»гены(контролирующиевысокие скорости реакций). Гомозиготные по таким генам особи будут значительно превосходить гибридных особей, полученных без предварительной селекции (то есть содержащих в гетерозиготах «слабые» гены, контролирующие «узкие места» биохимических цепочек). Для нашей упрощенной модели [8] у гибридов эффект равен 3, в то время как у отобранных гомозиготных особей – 4.

По-видимому, существенное значение «биохимическая комплементация» имеет не для проявления гибридной силы, а для обратного явления – инбредной депрессии, когда после проведения близкородственных скрещиваний многие «слабые» гены переходят в гомозиготное состояние. В результате в биохимических цепочках появляется множество «узких мест». Моделью этого процесса может служить та же схема [8], но рассматриваемая наоборот: до начала близкородственных скрещиваний эффект равен 3, после окончания – 2. В итоге отмечается снижение скорости биохимических реакций и развития организма.

Аналогичноеобъяснениеинбреднойдепрессиимыполучилиинаосновании«флуктуационной» модели, рассмотренной выше.

В качестве другого механизма, также в какой-то мере могущего быть ответственным за проявление гибридной силы, следует назвать действие положительных доминантных генов. Формально ситуация здесь во многом аналогична предыдущей, хотя речь уже идет не о биохимических цепочках, а об отдельных генах:

[9]

где – локус, гомозиготный по доминантному гену (эффект равен 2);

–гетерозиготный локус (эффект также равен 2);

–локус, гомозиготный по рецессивному гену (эффект равен 1).

384

Слабые стороны этой модели очевидно те же, что и у предыдущей: локусы с доминантными и рецессивными генами у родительских особей не должны совпадать (в этом случае локусы «дополняют» друг друга, имеет место своего рода генетическая комплементация, см. схему [9]). В противном случае эффект гибридной силы не наблюдается. Очевидно, что, как и в предыдущем случае, отбором можно развести доминантные и рецессивные гены по разным локусам и тем самым повысить эффект, что существенно для комбинативного гетерозиса. Однако можно обойтись и без всего этого вообще, сконцентрировав у особей (посредством индивидуального отбора, проводимого в популяции, а не линейного, как в предыдущем случае) только доминантные гены.

Влияние доминантности на системный гетерозис должно быть пропорционально доле доминантных генов среди других. Основываясь на косвенных данных по разложению изменчивости по количественным признакам на различные компоненты, можно предположить,чтотакихгеновдолжнобытьв5–10разменьше,чемкодоминантнодей- ствующих (Фольконер, 1985). Эти результаты можно интерпретировать и по-другому, а именно, что все контролирующие признак гены представлены доминантными и рецессивными аллелями, но степень доминирования ничтожна (см. ниже). Следовательно, в данном случае эффект в целом, по-видимому, не будет иметь определяющего значения. То же можно сказать относительно влияния эпистатических взаимодействий на гетерозис, так как вкладом последних в обеспечение количественной изменчивости можно также пренебречь (Фольконер, 1985).

Сложнее обстоит дело с аддитивно действующими генами. Вероятно, «классические» аддитивные гены при любом сочетании у гибридов не дадут никакого эффекта гибридной силы (потомки будут иметь промежуточные относительно родительских форм значения признаков). Тем не менее некоторые исследователи отмечают определяющий эффект в гетерозисе именно аддитивно действующих генов. Этот парадокс, по нашему мнению, может быть разрешен следующим образом.

Подобные выводы обычно делаются на основе оценок компонент дисперсии количественного признака. здесь, однако, нелишне напомнить, что с помощью аддитивной компоненты изменчивости нельзя охарактеризовать долю аддитивных генов. Даже в том случае, если мы будем иметь дело только с доминантными и рецессивными генами, контролирующими признак, мы получим не только доминантную, но и аддитивную компоненты, то есть аддитивные гены и аддитивные компоненты далеко не соответствуют друг другу. Взаимное соответствие аддитивных генов и аддитивных компонент возможно только в том случае, если генетически обусловленная изменчивость признака будет определяться исключительно, лишь аддитивно действующими генами (Фольконер, 1985).

Вто же время аддитивную изменчивость (дисперсию) можно рассматривать как своеобразный показатель генного разнообразия, полученный с использованием количественныхпризнаковианалогичныйпоказателюгетерозиготности(Фольконер,1985). Следовательно, отмечая повышение уровня аддитивной изменчивости при гетерозисе, мы должны сделать вывод не об увеличении числа действующих аддитивных генов, а

орасширении генного разнообразия. Последнее лежит в основе рассмотренной ранее «флуктуационной» модели.

Влитературе время от времени появляются противоречивые сообщения, которые как будто не вполне соответствуют простым закономерностям проявления гетерозиса. Большая часть этих данных может быть связана с «эффектом замены групповых пара-

метров на индивидуальные и обратно» (Безруков, 1991; 1992; 1994), когда на первый

–

взгляд сходные зависимости («среднее значение признака x – число гетерозиготных

–

локусов п» и «значение признака x – среднее число гетерозиготных локусов n») оказываются совершенно неэквивалентными друг другу.

385

Рассмотрим следующий пример, представленный на рисунках 169а и 169б. Анализируя данные по (–x – n)-зависимости, мы приходим к выводу, что имеется оптимальный уровень гетерозиготности, при котором приспособленность организма к условиям сре-

ды максимальна (см. рис. 169а). –

Анализ тех же данных по (x – n)-зависимости свидетельствует о том, что с увеличениемуровнягетерозиготностиприспособленностьповышается(см.рис.169б).Обаэти вывода совершенно справедливы и не противоречат друг другу, так как обусловлены различиями в компоновке групп особей по значениям признаков. Однако односторонний анализ лишь одной из зависимостей сбивает с толку незадачливого исследователя, приводя иной раз к отрицанию очевидного.

лом гетерозиготных локусов как для (x – n )-зависимости, так и для (n – x)-зависимости

позволяет в противоположность предыдущему случаю сделать один и тот же вывод: чем выше уровень гетерозиготности – тем больше живая масса (рис. 169д и 169е). здесь реципрокный анализ мало что дает (одна зависимость соответствует другой).

Рис. 169. зависимость между количественными признаками и уровнем гетерозиготности орга-

386

Более интересны данные, представленные на рисунках 169в и 169г. Исходя из них, можно утверждать, что, с одной стороны, удой максимален у животных со средним уровнем гетерозиготности (см. рис. 169в), а с другой, – что особи с наивысшим уровнем гетерозиготности характеризуются средними удоями (см. рис. 169г). Оба вывода абсолютно справедливы и дополняют друг друга. Противоречие здесь кажущееся,

так как речь идет, по сути, о разных (индивидуальных и групповых) признаках: x и n

– –

совсем не то же самое, что x и n.

Если вид кривой на рисунке 169а легко объясним (такая кривая описывает действие в популяции стабилизирующего отбора), а интерпретация кривых на рисунках 169б, 169д и 169е традиционна и не вызывает никаких затруднений, то зависимости, представленные на рисунках 169в и 169г, не так просты. здесь мы имеем дело с «модификационным эффектом», существенно изменяющим проявление гетерозиса. Дело в том, что потенциально высокопродуктивные животные способны давать более высокий удой. Если бы эта возможность реализовалась, кривые «удой – гетерозиготность» (см. рис. 169в и 169г) были бы подобны кривым «живая масса – гетерозиготность» (см. рис. 169д и 169е). Однако потенциально более продуктивные животные одновременно и более требовательны к условиям среды: у них резко снижаются удои, если эти условия не соответствуют потребностям организма. При этом они могут оказаться даже менее продуктивными, чем животные со средними удоями. Именно такая ситуация и представлена на рисунках 169в и 169г (особи с максимальным уровнем гетерозиготности и, следовательно, максимальной потенциальной продуктивностью реально менее продуктивны в силу действующего «модификационного эффекта» (см. рис. 169в), и одновременно по той же причине среди наиболее высокоудойных животных высокогетерозиготные особи встречаются значительно реже, чем среди животных со средней молочной продуктивностью (см. рис. 169г).

С «эффектом замены…» связана также и степень изменчивости признаков в популяциях.

На рисунке 170 представлены зависимости, которые могли бы быть получены, если

бы мы «реципрокно» проанализировали генотипическую компоненту изменчивости

–

σГ. Через σГ на рисунке 170а обозначено значение сигмы в группах, выделенных по

–

числу гетерозиготных локусов. значения σГ уменьшаются с увеличением n, в чем можно убедиться, используя простую модель распределения признаков с n-независимыми

Рис. 170. Связь между генотипической компонентой изменчивости, выраженной через сигму, и

средним числом гетерозиготных локусов (n) и изменчивостью количественного признака (σГ ).

387

локусами, содержащими, например, по два аллеля с аддитивным наследованием. зависимость, изображенная на рисунке 170б, очевидна и не требует объяснений.

Итак, предложенные модели позволяют объяснить явление системного гетерозиса как следствие повышения устойчивости развития при увеличении уровня гетерозиготности. При этом мы попытались показать, что в основе системного гетерозиса лежит «способность» гетерозигот подавлять «биохимические шумы». Происходящая в результате стабилизация развития организма снижает паратипическую компоненту изменчивости признаков (генетический гомеостаз). Исчезновение «узких мест» в цепочках биохимических реакций (за счет гашения «шумов») ведёт к повышению скорости развития и другим эффектам (гибридная сила).

Следует всё же отметить, что повышение скорости развития может приводить к чрезмерно ускоренному половому созреванию и по этой причине к раннему торможению или остановки роста. В итоге образуются не более крупные чем родители половозрелые потомки– «гибриды», а более мелкие. Это один из механизмов отрицательного гетерозиса отмечаемого иногда для некоторых рыб (Алтухов, 2003; Алтухов и др., 2004). То есть гибридная сила, зависимая от уровня гетерозиготности, может иметь как плюс-, так и минус-направление.

Рис. 171. U-образная зависимость между дисперсией количественного признака и уровнем гетерозиготности организма: а – зависимости пара- и генотипической компонент изменчивости,

выраженных через сигмы (соответственно σ и σ ), от среднего числа гетерозиготных локусов

– П Г

(n); б – то же для фено-, пара- и генотипической компонент изменчивости, выраженных через дисперсии (соответственно σФ2, σП2 и σГ2).

388

* * *

Почти все, о чём мы говорили выше, касается в основном структурных генов белков. А что же регуляторные гены, которых, видимо, никак не меньше чем структурных, могут ли и они участвовать в создании эффектов гетерозиса? Конечно сами по себе регуляторные гены по большому счёту так же структурные (проявляют себя в виде регуляторных белков, РНК, а то и просто участков ДНК на хромосомах).

Но очевидно, что функция их совершенно иная – управление «поведением» истинно структурных генов в ходе развития и жизнедеятельности организмов.

Не является ли гетерозис результатом смешанного от разных видов «управления» у гибридов.

Это предположение обсуждалось в 60–70 годах прошлого века (в том числе и нами), но ввиду его крайней гипотетичности (как тогда казалось) не было воспринято. Во всяком случае, публикации нам неизвестны.

Воспользовавшись рисунком 172, обсудим очень кратко простейший вариант этого предположения. Как знать, может быть, на современном уровне научных знаний найдутся подтверждающие (или совершенно отвергающие) факты.

На рисунке 172 изображены три графика на осях абсцисс, которых время (стадия развития), на осях ординат концентрация регулируемого белка. У двух скрещивающихся видов (А и В) активация / инактивация гена этого белка происходит в разное время. У гибридов же (А и В), за счёт совместного действия родительских регуляторов, она может оказаться значительно протяжённей по времени (не обязательно, так как это изображено на рисунке). В результате в их клетках будет накоплено значительно больше регулируемого белка (а так же тех соединений синтез которых он инициирует)

– нижний график рисунка. Переполненная гибридная клетка (А × В) чтобы «избавит-

Рис. 172 Модель иллюстрирующая возможное участие генов-регуляторов и нормализующего

роста клеток (нижний фрагмент) в эффекте гетерозиса. На осях ординат – концентрация вещества. На осях абсцисс – время развития. А – вид А, В – вид В, А×В – гибрид.

389