Стрес - прискорювач еволюції

Кандидат біологічних наук В. В. Велько

Пам'яті Н.В. Тимофєєва-Ресовський

1

Дві сили є, дві фатальні сили ...

Ф.І. Тютчев

Фатальні сили існують не тільки в нашому повсякденному, людського життя, а й у природі. Власне, перше - це відображення і наслідок другого.

В своїй останній статті, опублікованій в журналі "Природа" (1980, № 9), наш видатний біолог Н.В. Тимофєєв-Ресовський (1900-1981) ці дві сили визначив чітко і прямо: природний добір і конваріантная редуплікація. Складно? Та ні, зараз ми у всьому розберемося.

Під природним відбором на увазі наступне: перевага у розмноженні (так звана селективна перевага) мають ті особи, які найбільш пристосовані до конкретних (у повному розумінні слова - сьогоднішнім) умовам зовнішнього середовища; це, згідно з Тимофєєву-Ресовський, перше загально біологічних принцип. А конваріантная редуплікація є процес спадкової мінливості: при розмноженні (точніше, під час копіювання генетичної інформації) виникають мутації - зміни структури ДНК, або, просто кажучи, помилки. І виникають вони через те, що системи реплікації ДНК не можуть працювати з абсолютною точністю. Це по Тимофєєву-Ресовський - друга загально біологічних принцип. Що в підсумку? Популяція виду завжди складається з організмів, генетично не ідентичних. З цього різноманіття, завдяки силі природного відбору, і одержують найбільші шанси ті особи, яким дана можливість передати свої, сьогодні "хороші", гени наступному поколінню. "Погані" гени в даний історичний момент йдуть у небуття. Загалом, виходить так, що еволюція грунтується на випадкових фатальних або щасливих помилках. І ще: чим більше розмаїття всередині виду, тим більше шансів для його еволюції. І значить, для еволюції взагалі. Для Макроеволюція.

2

Про скільки їх на полях!

Але кожен цвіте по-своєму.

В це вищий подвиг квітки.

Басьо

Так, є суто загальне, але й поза сумнівом індивідуальне. І якщо про останнього, то виходить, чи кожен з нас "цвіте" по-своєму. Але якою мірою? Ну вже не в такій, напевно, щоб народитися потворою, хоча такі, що ж робити, зрідка зустрічаються.

Якщо перевести ці питання на мову генетики, то вони будуть звучати так: яка нормальна, то є звичайна, ступінь генетичного поліморфізму (різноманіття) і який її діапазон; яка швидкість виникнення мутацій, що призводять до цього різноманітності? Інтуїтивно можна припустити, що чим більше відбувається мутацій, тим вище різноманітність - значить, тим більше шансів на виграш для вигляду. І, виходить, хто частіше помиляється, той і виграє. Це дійсно так. Але тільки на перших порах.

Але спочатку про те, якими бувають мутації. За ефекту впливу на організм їх підрозділяють на три типи: корисні мутації, нейтральні і шкідливі; останні або помітно погіршують здоров'я особи, повільно зживаючи її з світу, або прикінчувати відразу (це так звані летальні мутації). І в загальному вигляді можливо сказати, що така особина - володар шкідливої мутації - елімінується добором з популяції в низці поколінь; якщо ця особина не встигла розмножитися, то вона відразу забирає із собою в небуття і ген.

Але, незважаючи на це останнє, цей шкідливий ген з'являється в природі знову, тому що процес мутірованія йде постійно. Скільки вибуло, стільки й прибуде в доступному для огляду майбутньому (даний принцип рівноваги між мутаційні тиском і відбором сформулював у 30-х роках XX століття ще один наш видатний генетик В.П. Ефроімсон).

Дуже важливе питання: якою має бути швидкість виникнення мутацій? Виявилося, що якщо популяцію бактерій, у якій швидкість мутірованія з якихось генів підвищена в 10 разів, безперервно ростити в хемостате протягом 2000 поколінь разом з популяцією нормальних клітин, то спочатку (протягом 200 генерацій) варіант з високою швидкістю мутацій домінує. Саме він виявляється краще пристосованим до даної середовищі. Але потім варіант з нормальною швидкістю мутірованія поступово бере гору, а швидко мутують варіант починає рости все повільніше, і доля його клітин зменшується. Як говорить українське прислів'я: Що занадто - то не добре "(" що занадто - то не добре "; зі зрозумілих етнопсихологічних причин, у росіян аналогічної прислів'я немає, зате є інша, час цитування якої ще прийде).

Чому ж занадто висока швидкість виникнення мутацій - "то не добре"? На першій порах в деяких клітинах швидко мутує популяції утворюються корисні мутації, завдяки чому такі клітини розмножуються швидше. Звичайно, тут виникають і шкідливі мутації, але загибель клітин-невдах спочатку непомітна на тлі швидко зростаючої популяції. Однак минає час, і з-за високої швидкості мутірованія у всіх клітинах ці "невдахи" накопичуються в такій кількості, що популяція клітин починає рости повільніше. Таким чином, швидкість виникнення мутацій має бути оптимальною: не занадто низькою, щоб клітини могли еволюціонувати, але й не дуже високою, щоб не накопичувалися шкідливі мутації. Ця оптимальна частота виникнення мутації становить приблизно від 1 до 10 на 10 млн. клітин (тобто якщо популяція клітин буде рости з однієї клітини, то, коли кількість клітин досягне 1-10 млн., серед них буде від 1 до 10 мутантних за якимось гену клітин).

Але чи буде така швидкість мутагенезу дійсно оптимальної для еволюції? Уявімо, наприклад, ситуацію, коли потрібно виникнення одразу двох мутацій в одній клітці (імовірність 1