набутих примари

Кандидат біологічних наук А. А. Махров

Ознаки та примари

Майже 200 років тому Жан-Батіст Ламарк сформулював закон "Все, що природа змусила особин придбати або втратити під впливом обставин, у яких з давніх пір перебувала їх порода, і, отже, під впливом переважаючого вживання відомого органу або під впливом постійного невживання певної частини, - все це вона зберігає шляхом розмноження в нових особин, що походять від попередніх, якщо тільки придбані зміни спільні обом статям або тим особинам, від яких відбулися нові ".

Цей "Другий закон" Ламарка і викликав хвилю суперечок, що докотився до наших днів Прихильників цього твердження досі звуть ламаркістамі, хоча воно було лише невеликою частиною навчання Ламарка. Цьому вченню часто протиставляють еволюційне вчення Дарвіна (див, наприклад, "Хімію і життя", 2001, № 1), хоча протиставлення тут, взагалі кажучи, неправомірно. Дарвін визнавав успадкування набутих ознак. У першій же главі "Походження видів" він прямо писав "Змінені звички впливають, що передається у спадщину". Отже, як бачимо, немає жодних підстав сварити примари двох великих учених.

Предмет спору між тим залишається. Однак, щоб бути коректними, ми повинні говорити не про "ламаркістах" і "дарвініст", а про прихильників або супротивників успадкування набутих (тобто корисних організму) ознак. "Хімія і життя" часто давала слово як тим, так і іншим (1978, № 12, 1981, № 11, 1984, № 2, 1989, № 2, 1997, № 4). У 2003 році на сторінках журналу пройшла ціла дискусія з цієї проблеми (№ 2, 4, 6).

До жаль, вчені часто вели суперечку в теоретичному ключі, звертаючи увагу на різні факти і будуючи кожен свою лінію доказів, не оглядаючись на опонентів. Лінії ці майже не перетиналися, і у читачів могло скластися враження, що фахівці просто розходяться в трактуванні тих чи інших фактів, і вирішити, хто прав, - справа смаку. Наприклад, супротивники успадкування набутих ознак ніяк не коментують книгу Е Стіла зі співавторами "Що, якщо Ламарк прав? ", на яку часто грунтуються їхні опоненти.

Крім того, обговорення стосувалося переважно так званої центральної догми молекулярної біології - твердження про неможливість передачі інформації від білків до нуклеїнових кислот. Однак проблема успадкування набутих ознак далеко не вичерпується можливістю або неможливістю здійснити такий інформаційний перехід. Тому давайте розберемося, що ж все-таки потрібно, щоб успадкувати благопріобретенниє ознаки, і чи немає на цьому шляху непереборних перешкод.

А потрібно, по-перше, нові ознаки придбати. По-друге, оцінити їх благо, тобто виділити з багатьох інших, непотрібних або непотрібних. І нарешті, вибірково передати корисні ознаки нащадкам (подолати бар'єр Вейсмана, що перешкоджає переходу інформації між звичайними, соматичними клітинами тіла і статевими клітинами).

Чи можна придбати ознаки?

На перший погляд придбати нові ознаки дуже просто Кожен з нас може ходити в спортзал і збільшувати обсяг м'язів або сидіти в барі і збільшувати обсяг печінки. Але й на фізичні навантаження, і на алкоголь різні люди реагують по-різному, що вже визначається генетичною програмою. Саме конкретна комбінація генів, отриманих від батьків, задає межі, в яких ми можемо розвинути той чи інший орган. Таким чином, здатність змінювати ознаки в результаті "Вправи" - це результат, а зовсім не причина еволюції.

Можливості будь-якої програми обмежені: згадайте притчу про циганської коні, яку господар відучували від їжі. Шкапа зовсім вже було звикла до такого поводження, та якось невчасно здохла.

З обмеженнями ми стикаємося всюди: потужний холодильник може розморозитися в спеку, а сучасний комп'ютер програти битву вірусу - і це нас не дивує. Ніхто не чекає, що навіть дуже розумна техніка зробить щось корисне крім того, що в неї закладено. Чому ж від організмів чекають доцільною реакції поза генетичної програми? Звідки їй узятися?

Якщо бути уважним і добросовісним, то можна побачити, що майже завжди за набутих ознакою варто вже існуюча генетична програма, яка просто не виявляла себе до пори до часу. Адже, як і комп'ютер, організм може містити кілька різних програм та активувати їх тільки в певних умовах. Так, я вже писав у "Хімії і життя" (2002, № 10) про прісноводних карликових лососем і великих риб того ж виду, нагулюють в морі, - це різні програми розвитку, закладені в одному й тому самому організмі.

Яка з них активується в кожному конкретному випадку, залежить від умов середовища: змінюючи їх в експерименті, можна отримати зрілих трехсотграммових рибок, ніколи не бачили моря, або десятикілограмову сьомгу, що проводить більшу частину життя на просторах Атлантики. Але ось, скажімо, зі щукою такий номер не пройде - не зможе вона жити в солоній воді, раз у неї нема відповідної генетичної програми.

Зміна адаптивної реакції у тварин, що потрапили в гори. Фізіологічні особливості простежені в ряду поколінь: Р - батьківське покоління; F 4 - нащадки 4-го покоління; F 12 - нащадки 12-го покоління (за Ю. О. Раушенбаха, "Закономірності екогенеза домашніх тварин ", 1981)

Не змінює справи і той факт, що у карликових лососів збільшується, по всій видимості, число деяких генів: існує скільки завгодно комп'ютерних програм, здатних автоматично копіювати деякі файли - була б включена відповідна опція.

До того ж треба мати на увазі, що генетичні програми набагато складніше комп'ютерних. Як у більшості комп'ютерних ігор можна вибирати різні рівні складності, так і генетичні програми можуть мати різні режими функціонування. Навіть найпростіші організми - фаги і віруси - не обов'язково руйнують клітину, попередньо створивши всередині неї свої численні копії. Іноді вони вбудовуються в клітинний геном і передають свої копії нащадкам материнської клітини. Що вже тут говорити про бактеріях, а тим більше про багатоклітинних!

При тривалої адаптації стада тварин до умов життя в горах в ряду поколінь відбувається поступова заміна одного виду гемоглобіну на іншій (змінюються частоти зустрічальності різних варіантів гена гемогломіна). Сірим кольором позначена частка особин з варіантом нь А, чорним - з варіантом нь В в умовах рівнин, середньогір'я і високогір'я (за Ю. О. Раушенбаха, "Закономірності екогенеза домашніх тварин ", 1981)

При зміну умов середовища відбувається переналагодження генетичних програм. Якщо в запасі в тебе нічого такого немає або ти не встигаєш відреагувати вчасно -- вибуває з подальшої еволюційної гри. Триває відбір організмів з генетичної програмою, що підходить для нових умов.

Поверхневий спостерігач може прийняти це явище за успадкування набутих ознак, особливо якщо врахувати, що серед особин, що живуть і розмножуються деякий час в умовах, що змінилися, іноді з'являються такі, у яких корисна властивість проявляється вже без жодного стимулу з боку середовища.

Однак якщо проаналізувати подібні випадки уважніше, то з'ясовується, що ці особи - знову виниклі мутанти, і вони відрізняються від інших не тільки по цікавить нас ознакою, а й з цілого ряду інших, ніякого відношення "до вправи органу "не мають.

Більше того, часто буває, що генетична адаптація йде зовсім не тим шляхом, що фізіологічна. Наприклад, у тварин, що потрапили в гори, де недостатньо кисню, збільшується інтенсивність дихання і киснева ємність крові, однак ці ознаки і не думають успадковуватися. Зате в декого з нащадків високогірного стада знижується інтенсивність кровообігу та до того ж падає загальна інтенсивність обміну.

Щоб подібні зміни стали можливі, іноді не потрібно навіть нових мутацій досить перетасувати геном, скомбінувати його по-іншому. Така перетасовування йде постійно, і відбору завжди є з чого вибирати. Тому процес адаптації до нових умов проживання супроводжується змінами в генофонд популяції під впливом природного добору в ньому починають переважати ті варіанти генів, які раніше були рідкісні.

Ось так і виходить, що ніяких нових ознак, крім слідів травм, організм в ході життя не набуває. Особливості конкретних особин вже задані їх геномом, а середа дозволяє проявитися одним потенційно можливим ознаками і не дає реалізуватись іншим. Якщо ж в якийсь момент у організму не опиниться в геномі придатну програму, "природа змушує особин придбати" синяки і шишки. Але вони, як відомо, не успадковуються.

Як оцінити «благо»?

А тепер припустимо, що якийсь дивний механізм все-таки існує і він дає можливість вносити до геноми окремих клітин удосконалення, що дозволяють організму краще пристосовуватися до змін середовища проживання. Нехай, наприклад, клітини печінки навчилися знешкоджувати якийсь токсин і занесли це досягнення у власний геном. Як же відрізнити це генетичне зміна від випадкових мутацій, які з часом накопичуються у всіх клітинах організму?

Уявіть собі, що автомобілі на заводі збирають не за кресленнями, а виробляють шляхом ретельного копіювання неабияк послужили машин, нехай навіть у чомусь поліпшених господарями. Невже покупців обрадують проржавілі кузов, заїдають гальма та інші біди старого автомобіля? Боюся, що навіть деякі удосконалення, внесені умільцями, їх у цьому випадку не потішать.

Між тим, якщо організми будуть передавати нащадкам всі зміни, що відбуваються в соматичних клітинах, вийде те ж саме. Діти неминуче отримають "у спадок" всілякі види раку і дефекти обміну речовин - весь список поломок в клітинах батьків, тому що розрізнити "хороші" і "погані" зміни в генах на рівні клітини не завжди можливо. Хіба знає ракова клітина, що вона несе загибель всьому організму? Ні, звичайно, хоча в даному випадку патологія в наявності. А скільки існує зловісних мутацій, які не можуть проявитися в тих соматичних клітинах, де вони виникли, але здатні здорово нашкодити, якщо їх передати нащадкам?

В випадку клітин, що відповідають за імунітет, природа начебто обійшла труднощі з відбором перспективних кандидатів: клітина, що володіє потрібним ознакою, заохочується посиленим розмноженням. Це, фактично, природний добір у межах організму, що відзначають і автори книги "Що, якщо Ламарк прав?". Може бути, і в Насправді клітини з небезпечними мутаціями просто потонути в повноводної річці "Передовиків виробництва"?

Біда, проте, в тому, що у вищих тварин інтенсивно діляться тільки деякі клітини. Більш того, можуть виникнути і зовсім несподівані труднощі: куди, наприклад, записати інформацію без'ядерного еритроцити, добівшемуся видатних успіхів в перенесенні кисню? Адже в процесі диференціювання ця клітина втрачає свій геном і вже не може ні мутувати, ні ділитися! Поки є геном - ні еритроцита, є еритроцит - ні геному. Прямо казка про дудочку і глечик виходить: якщо є куди збирати ягідки - їх не видно, а коли ягідки видно - їх нікуди збирати.

Принципи кібернетики, як правильно зауважив у своїй статті Л. Верховський (див. "Хімію і життя", 2003, № 2), дійсно вимагають наявність зворотнього зв'язку - від фенотипу до генотипу. Однак її винаходити заново немає ніякої необхідності, такий шлях передачі інформації давно відомий. Тільки от, як показав ще в середині XX століття академік І.І. Шмальгаузен у своїй книзі "Кібернетичні питання біології", здійснюється зворотний зв'язок не на рівні клітини. Благо чи шкода від будь-якого ознаки проявляються, як правило, на рівні цілого організму. А виставити оцінку може тільки місце існування - через природний відбір.

Схема регулюючого механізму еволюції з урахуванням зворотного зв'язку між фенотипом і генотипом (за І. І. Шмальгаузену, "Кібернетичні питання біології", 1968)

Як придбане передати нащадкам?

Тільки тепер ми дісталися нарешті, до знаменитого "бар'єру Вейсмана", і, щоб спробувати його подолати, нам доведеться припустити, що соматичні клітини організму якимось таємничим чином все-таки накопичили вантаж цінних мутацій. Як ж переправити поліпшені гени в ДНК статевих клітин?

Добратися до головної молекули організму нітрохи не легше, ніж дістати Кащеєва смерть. ДНК в статевих клітинах акуратно згорнута, обліплена білками, упакована в ядро та ще прикрита зверху цитоплазмою і клітинної оболонкою про три шари.

Навіть генетичним інженерам, озброєним всією потужністю сучасних методів і приладів, далеко не завжди вдається включити потрібні гени в ДНК статевих клітин - природа зовсім не зацікавлена в тому, щоб у геном нового організму потрапляло що або стороннє.

Але може бути, шлях до Кащеєвої смерті знають три богатирі - Е. Стіл, Р. Ліндлі і Р. Бланден - автори відомої книги "Що, якщо Ламарк прав?", На яку постійно посилаються прихильники успадкування набутих ознак? Та ні, вони теж цього не знають, а просто висловлюють впевненість, що бар'єр Вейсмана буде взятий хоча "за сучасних можливостях результатів може не бути багато років "(з 166).

Довго справа робиться, зате скоро казка мовиться. Нам пропонують багато непрямих доказів і припущень. Одне з найбільш перспективних, на наш погляд, полягає в те, що гени з соматичних клітин у статеві переносять віруси. Але чому раптом віруси взялися допомагати еволюції господарів? Як вони відрізняють нові варіанти генів від старих? Як виділяють корисні мутації з величезної кількості шкідливих? Відповідей на ці "занудні" питання в книзі, на жаль, немає.

Між часом навіть якщо вірусам і вдасться перетягнути шматочок ДНК з соматичної в статевий клітину - це буде абсолютно випадкова подія. Просто відбудеться один з багатьох мутацій, а мутації як раз і забезпечують матеріалом еволюційний процес.

Таким чином, бар'єр Вейсмана досі ніким не взято, як не взяті і два інших бар'єру, згаданих вище. Спадкування набутих ознак ніким і ніколи не було показано, як не розвінчана до цих пір і "центральна догма молекулярної біології ".

Чи потрібна нащадкам «примха» предків?

Ну а наостанок давайте замислимося над простим питанням: навіщо знадобилося природі споруджувати "на шляху прогресу" ті потужні бар'єри, про які ми стільки міркували? Невже для того, щоб їх героїчно долати?

Ні, звичайно. Бар'єри - це теж еволюційне досягнення, і виникли вони саме тому, що були необхідні. Придбати нове корисну властивість ох як нелегко, - Такими досягненнями не розкидаються, їх намагаються закріпити, а закріпивши -- захистити від втрати.

Скажімо, пластичність стрілолист, що виникла в процесі еволюції, дуже корисне властивість: у воді, в повітрі і на поверхні води рослина має листя різної форми. Чи потрібно конкретному екземпляру, що виросло на сухому місці, закріплювати в генах і передавати нащадкам характерну гостру форму листа, якщо при цьому вони втратили здатність утворювати плаваючі та підводні листя? Навряд чи це доцільно. Чи варто викидати корисну річ, отриману від предків, тільки тому, що особисто тобі вона не знадобилася? А раптом вона знадобиться дітям?

Центральна догма молекулярної біології теж має глибокий еволюційно-біологічний сенс: ДНК (або, за сучасними поглядами, РНК), як дуже правильно зазначив С.В. Багоцький (см "Хімію і життя", 2003, № 4), ледь з'явившись, одразу ж бере під контроль еволюцію всіх структур клітини - будь-яка самодіяльність тут же припиняється, і успадкування набутих ознак стає неможливим. І це є цілком доцільним, якщо молекули проживають в клітці спільно. Якщо кожна з них буде мати власних спадкоємців - всередині клітини неминуча конкуренція, яка порушить оптимальне співвідношення молекул.

Своєрідний релікт часів білкового сепаратизму - пріони:молекули білка, змінені таким чином, що вони виявляються здатними перековувати на свій лад інші білки. Результат добре відомий - це важкі хвороби на зразок коров'ячого сказу, які ведуть організм до неминучої загибелі.

Не випадково з'являється в ході еволюції і бар'єр Вейсмана. У рослин він низький - з одного листочка часто може сформуватися цілий організм. Ця властивість використовують квітникарі з листя з соматичними мутаціями виводять нові сорти. Але у тварин в міру ускладнення їх будови здатність до розмноження поділом зникає дуже швидко. Більш того, клітини, які дадуть початок статевим, виділяються із загальної маси на дуже ранніх стадіях розвитку організму. При цьому вони часто виявляються досить далеко від майбутніх статевих органів і змушені бувають довго пробиратися до них у процесі формування організму.

Який в цьому сенс? Чому б статевим клітинам не виникнути з першою-ліпшою клітини? Уявімо, що кожна клітина тварини може дати початок іншим організмам, і це шанс увічнити себе з усіма своїми індивідуальними особливостями. Цілком зрозуміло, що в цьому випадку кожна клітина постарається кинути свій "пост" і пробратися ближче до статевих органів. Колоритна вийде картина, чи не так? Втім, хаос буде не набагато менше і в тому випадку, якщо клітини залишаться на місцях, а в статеві органи відправлять свої улюблені гени. Навряд чи організм, який допустив подібну анархію, проіснує довго.

Так що вибору у еволюції немає: соматичні і статеві клітини треба розділяти дуже жорстко, оточуючи останні непроникними бар'єрами. Будь-яке втручання ззовні може призвести до загибелі наступні покоління, а еволюція повинна тривати -- живе зовсім не націлені на самознищення.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://wsyachina.narod.ru