В предыдущих разделах мы обсудили значительное разнообразие явлений. Некоторые из них, по-видимому, строго соответствуют критериям Ламарка, тогда как другие можно квалифицировать как квазиламарковские (см. табл. 9–1). Принципиальное различие между дарвиновским и ламарковским механизмами эволюции состоит в том, что первый опирается на случайную, ненаправленную изменчивость, второй же основан на вариациях, непосредственно обусловленных внешними стимулами и влекущих за собой специфический ответ на этот стимул (см. рис. 9–1). Ни Ламарк, ни Дарвин не знали ничего о механизмах возникновения и закрепления наследственных изменений, так что им было относительно легко допустить мысль, что фенотипические модификации напрямую транслируются в наследственные (или, как сказали бы в наше время, генетические или геномные) изменения. Тем не менее жесткий ламарковский сценарий крайне требователен, поскольку подразумевает, что должен существовать молекулярный механизм для точного перевода фенотипического изменения в соответствующую модификацию генома (мутацию). По всей видимости, фундаментального механизма для такой обратной геномной инженерии не существует, и не лишено смысла предположение, что подобные механизмы находятся под жестким контролем отбора, направленного против дестабилизации генома. Более того, передача информации от белков к нуклеиновым кислотам была бы крайне затруднительна физико-химически – эта трудность, по всей видимости, отражает разграничение между матричными и каталитическими биомолекулами, возникшее на ранних этапах эволюции жизни (см. гл. 12). Центральная догма молекулярной биологии (Crick, 1970), согласно которой поток информации от белков к нуклеиновым кислотам отсутствует, является частичным воплощением этого разделения. Однако в принципе обратный поток некоторых типов информации от фенотипа – или от окружающей среды, рассматриваемой как расширенный фенотип, – в геном не является невозможным, учитывая широкое распространение обратной транскрипции и ДНК-транспозиции. Для работы истинно ламарковского сценария требуются чрезвычайно изощренные механизмы; в двух примечательных случаях, систем CRISPR-Cas и piРНК (описанных ранее в этой главе), такие механизмы были обнаружены.

Существование других полноценных ламарковских систем вполне представимо и даже вероятно, что предполагает, в частности, открытие вирус-специфических последовательностей, которые потенциально несут устойчивость к генетически родственным вирусам в растительных и животных геномах (см. гл. 10). Тем не менее эти механизмы вряд ли представляют собой доминирующую тенденцию в геномной эволюции, возможно, в силу вышеупомянутой селекции против чрезмерной нестабильности генома. Механизмы, обозначенные в предыдущих разделах как квазиламарковские, напротив, повсеместны. По существу, они оказываются не менее поразительными – и не менее сложными, – чем оригинальный ламарковский сценарий: квазиламарковские процессы переводят случайные мутации в конкретные адаптивные реакции в ответ на стимулы внешней среды.

Тема мощных, часто неблагоприятных воздействий окружающей среды на организмы представляется общим мотивом для различных аспектов (квази)ламарковского режима эволюции, описанных в данной главе: для системы CRISPR-Cas, стресс-индуцированного мутагенеза и других явлений (см. табл. 9–1). Эта связь, скорее всего, не иллюзорна: кажется вполне логичным, что сильные (чрезвычайные) сигналы из окружающей среды инициируют (квази)ламарковские процессы, в то время как относительно слабые («обычное дело») сигналы транслируются в дарвиновскую модальность эволюции (см. рис. 9–3).

Обсуждая эволюционное значение горизонтального переноса генов, Энтони Пул предположил, что ламарковская составляющая горизонтального переноса становится иллюзорной, если посмотреть на эволюцию с «точки зрения гена» (Poole, 2009). Действительно, ламарковская модальность связана в первую очередь с организменным уровнем сложности и не распространяется на самый фундаментальный уровень эволюции, включающий гены, независимо эволюционирующие части гена (те, что кодируют различные белковые домены), а также мобильные элементы (см. гл. 6). Таким образом, ламарковская эволюция выступает в качестве «эмергентного феномена». Это, пожалуй, неудивительно, учитывая сложность механизмов, необходимых для интеграции нового генетического материала в геном при реализации ламарковской схемы.

Таблица 9–1. Ламарковские и квазиламарковские явления.

Рис. 9–3. Давление среды и переход от дарвиновского к ламарковскому режиму. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

В целом сравнение между дарвиновским и ламарковским сценариями предполагает, что эволюция представляет собой континуум процессов, от совершенно случайных до истинно адаптивных, которые тонко регулируются для обеспечения определенного ответа на конкретный стимул. Принципиальный вывод, напрашивающийся по итогам многих новейших исследований, упомянутых в этой главе, состоит в том, что изменчивость генома предстает гораздо более сложным явлением, чем это казалось ранее, и регулируется сразу на нескольких уровнях, для того чтобы обеспечить адаптивную реакцию на изменения в окружающей среде. Устранение конфликта между ламарковским и дарвиновским эволюционными сценариями, обладая далеко не только историческим значением, влияет на наши фундаментальные взгляды на роль и место случайности в эволюции. Это представляется подлинной, хоть и недооцениваемой, сменой парадигмы в современной биологии.

Эволюция жизни целиком основана на процессах передачи дискретной информации – между поколениями путем репликации генома и от генома к эффекторным молекулам (РНК и белкам) – как описано в главе 2. Не существует канала передачи информации, свободного от ошибок, как впервые математически сформулировал Клод Шеннон, создавший теорию информации, связав процесс передачи информации с законами термодинамики. Как отмечалось в главе 2, точность репликации генома не должна быть ниже определенного минимума; соответственно, частота мутаций не должна превышать определенный порог, чтобы избежать мутационного вырождения популяции. Очевидно, что частота мутаций не может быть и слишком низкой, дабы оставить возможность хотя бы для минимальной эволюционируемости (потенциала для эволюции – см. обсуждение в следующем разделе). Менее ясно, важен ли этот нижний предел практически в реальных биологических системах. Таким образом, фундаментальный вопрос сводится к следующему: каким образом отбор контролирует частоту мутаций (если он это действительно делает)? Точнее, удерживает ли очищающий отбор частоту мутаций просто ниже порога вырождения, или же происходит по крайней мере, для некоторых организмов и, возможно, в особых ситуациях, отбор на достаточно высокую частоту мутаций, чтобы обеспечить сырье для эволюции?

Отбор на приемлемую точность репликации (и, более глобально, всех процессов передачи информации) является одним из центральных аспектов эволюции. Это непосредственно видно из того огромного разнообразия, сложности и многоуровневой организации репарационных систем, которые обнаруживаются во всех клеточных формах жизни (Aravind et al., 1999; Friedberg et al., 2005). У прокариот до 10 процентов кодирующей емкости генома могут быть заняты компонентами систем репарации, которые действуют на всех этапах репликации ДНК, а также устраняют различные мутационные повреждения, происходящие за пределами процесса репликации. С другой стороны, существует класс репликаторов, у которых (практически) отсутствуют механизмы исправления повреждений; это РНК-содержащие вирусы. Действительно, эти вирусы демонстрируют чрезвычайно высокий уровень ошибок включения нуклеотидов и общий уровень мутаций, явление, хорошо известное в связи с важностью для медицины быстрой эволюции вирусов гриппа и ВИЧ (Holmes, 2009). Эти вирусы, по-видимому, эволюционируют не слишком далеко от порога мутационного вырождения (Drake and Holland, 1999). Все РНК-вирусы обладают небольшими геномами (менее 30 Кб), что отчасти является следствием физической хрупкости длинных молекул РНК, но также связано с отсутствием репарационных механизмов. (Можно было бы утверждать, что сложные системы репарации в таких вирусах не могли развиться, потому что они не были бы выгодны, учитывая фундаментальную нестабильность генома.) На самом деле РНК-содержащие вирусы с самыми большими геномами (вирусы отряда Nidovirales), по всей видимости, обладают различными, хотя и простыми, системами репарации (Eckerle et al., 2007). Кроме того, открытие РНК-деметилаз в геномах различных растительных РНК-содержащих вирусов означает, что даже в этих простейших геномах репарация может эволюционировать, когда вирус распространяется в условиях повышенного давления окружающей среды (Aravind and Koonin, 2001; van den Born et al., 2008).

В рамках концепции мутационного вырождения возникает естественная мысль, что частота мутаций на нуклеотид должна быть обратно пропорциональна размеру генома организма, так чтобы число мутаций на геном на поколение оставалось примерно постоянным. Ян Дрейк первым выразил эту идею явным образом, и потому ее часто называют гипотезой Дрейка (Drake, 1991). Гипотеза Дрейка довольно хорошо работает для вирусов и прокариот. Однако изучение новейших данных, проведенное Майклом Линчем, неожиданно (по крайней мере, на первый взгляд) выявило противоположную зависимость у эукариот: скорость мутирования в расчете на нуклеотид положительно коррелирует с размером генома (Lynch, 2010). Следуя в русле неадаптивной теории эволюции сложности, Линч показал, что небольшое повышение частоты мутаций не будет «замечено» очищающим отбором в небольших популяциях, которые типичны для многоклеточных эукариот, и, соответственно, не может элиминироваться в ходе эволюции этих организмов. Отсюда появляется «полуадаптивная» гипотеза эволюции мутационного фона: существует селективное давление на понижение частоты мутаций ниже порога вырождения и чуть дальше, поскольку за счет этого популяция становится более устойчивой, однако не на окончательную минимизацию частоты мутаций. В соответствии с этой гипотезой отбора, который бы препятствовал падению частоты мутаций ниже любого минимального значения, не существует; частота мутаций остается относительно высокой по чисто стохастическим причинам (см. также следующие разделы в этой главе).