Нейтральная эволюция и "молекулярные часы"

Иногда биологам приходится иметь дело не с целыми организмами, а их фрагментами (при попытках изучить питание по содержимому желудков, фауну или флору недавнего прошлого по захоронениям в торфе и т. п.). Очень часто такие фрагменты или даже отдельные стадии и формы целых организмов (личинки, ювенилии, самки и др.) под микроскопом можно определить только до рода, потому что видовые определительные признаки не обнаруживаются, а остальные органы близких видов по внешнему виду и анатомическому строению совершенно неотличимы даже для специалиста. Совсем другая картина открылась при изучении макромолекул. Тогда как обмен веществ во многом сходен у всех живых существ, тысячи белков-ферментов, которые руководят им в клетке, в том числе гомологичные белки, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, у разных видов, а иногда и разных особей в популяции, почти всегда хоть немного, но отличаются по первичной структуре. По сути, наибольшее биоразнообразие, до того незаметное, открылось с изучением макромолекул. Неужели все эти различия молекул приспособительны и вызваны движущим естественным отбором?

Химия отчасти проясняет ситуацию. Среди 20 типов аминокислот, которые входят в состав белков, некоторые химически сходны. Легко представить, что замена аминокислоты на химически сходную мало повлияет на общие свойства белка. Конечно, это не относится к остаткам, находящимся в активном центре фермента. Они сохраняют высокую консервативность не только у близких видов, но и среди животных разных типов, растений и одноклеточных. Но даже самые консервативные фрагменты белок-кодирующих генов подвержены изменчивости в рамках, допускаемых вырожденностью генетического кода.

Как проверить, влияют или не влияют на приспособленность морфологические различия близких видов? Это почти невозможно. А вопрос о нейтральности молекулярных различий решается экспериментально. Если методами генной инженерии ввести в бактерии или дрожжи чужеродный ген вместо собственного, он нередко полностью компенсирует дефект собственного гена, по крайней мере, при выращивании микроорганизмов в лабораторных условиях. С многоклеточными такие эксперименты тоже проводят, только они пока еще обходятся намного дороже. Но для них также показано, что некоторые гены или их части при перенесении в другой, даже очень удаленный вид, полноценно заменяют «родной» ген. Это справедливо не только для генов, определяющих простые реакции внутриклеточного обмена веществ, но и управляющих эмбриональным развитием [2]. Гипотеза об адаптивности наблюдаемых отличий макромолекул оказывается в этих случаях избыточной и должна быть отвергнута по философскому принципу «бритвы Оккама».

Если не движущий отбор, то какая же сила вызвала эволюцию вариабельных участков, состав которых не важен для функционирования фермента? Предположим на время, что разница в приспособленности между некоторыми аллельными вариантами гена пренебрежимо мала в довольно разнообразных внешних условиях. Это допущение не глупое, так как не противоречит описанной выше генно-инженерной практике, бытовому наблюдению, что блондины не болезненнее брюнетов или ящичным экспериментам с мутантными линиями плодовых мушек. Подумаем, может ли теоретически нейтральность мутации обеспечить ее распространение в популяции, то есть «победу» над исходным аллелем.

Выживание и размножение особи в природной популяции зависит не только от абстрактной величины – приспособленности, но и от случая. Отбор дает больший шанс на победу более приспособленным, но случайность может дать шанс кому угодно, только этот шанс будет тем меньше, чем меньше приспособленность. Если приспособленность двух аллелей почти не отличается, то по случайным причинам их в популяции не будет строго поровну, а соотношение будет колебаться. Впервые случайные колебания частот нейтральных аллелей предсказали Н.П. Дубинин, Д.Д. Ромашов и С. Райт в 1931 г. Ситуация аналогична игре в орлянку (или на бирже): хотя вероятность выигрыша и проигрыша в орлянку одинакова при конкретном броске (¹/₂), тем не менее если два человека с ограниченной суммой долго играют между собой, один из них непременно проиграет. Рано или поздно (тем скорее, чем меньше денег) ему не повезет, а отыграться он не сможет, потому что нечего будет поставить на кон. В популяционной генетике этому соответствует полная утрата одного аллельного варианта. Подробное изложение математических моделей этого процесса можно найти в книге М. Кимуры [3]. Одинаковая приспособленности проявляется в том, что невозможно предсказать заранее, какой аллель (или какой игрок на бирже) победит. При достаточно продолжительной независимой эволюции видов, возникших после дивергенции от предка, игра случая приведет к накоплению отличий в нуклеотидных последовательностях функционально несущественных областей. Поскольку эти отличия нейтральны с точки зрения естественного отбора, то любые из них одинаково вероятны, поэтому у каждого вида они будут независимыми, и различия между видами будут равны сумме мутаций, зафиксированных в эволюции каждого вида относительно предковой последовательности.

Поскольку рассматриваемые мутации практически нейтральны, не так легко представить фактор эволюции, который бы сдерживал или, наоборот, стимулировал их распространение в популяции. Простейшая гипотеза, высказанная Э. Цукеркандлем и Л. Полингом, состоит в том, что нейтральные мутации возникают и закрепляются в эволюции с относительно постоянной скоростью (вероятностью). Чем больше время независимой эволюции видов, тем больше мутаций успеет закрепиться. Их накопление оказывается своего рода молекулярными часами, по которым исследователь может оценить время независимой эволюции видов и построить филогенетическое дерево¹.

С физической точки зрения двигателем «нейтральной» эволюции является второе начало термодинамики. В неорганическом мире разрушение любого сложного предмета или системы можно предотвратить, только затрачивая энергию на их поддержание (консервацию или ремонт). Без ремонта тепловое движение молекул, геологическое выветривание, космические лучи и другие энтропийные факторы порождают и постепенно увеличивают хаос в сложной системе. Точно так же биологические виды удерживают сложную морфологию, принося в жертву энергию, заключенную в телах погибших и не оставивших потомства мутантов. Где алтарь стабилизирующего отбора угасает, там энтропийные факторы (мутационный процесс) в скором времени приводят к разложению сложной формы. Например, так происходит при редукции органов, ставших бесполезными для отбора (глаза пещерных рыб и т. п.). Наличие в макромолекулах консервативных для всех царств функциональных участков наряду с вариациями, отличающими близкие виды, определяется совместным действием и энтропийных (мутагенез) и антиэнтропийных (отбор) факторов.

В целом эволюция макромолекул с ее очевидным нейтральным компонентом, «молекулярными часами» и малоприметностью движущего отбора кажется более понятной, но такой непохожей на эволюцию макроскопических признаков, по которой выведены закономерности эволюции, записанные в учебники.