Первую научную теорию происхождения видов предложил Дарвин в 1859 году. Но все же многие вопросы эволюционной теории пока остаются без ответов. Один из главных вопросов: как образуются новые виды? Факты говорят о том, что в природе новый вид с полезным признаком формируется очень быстро. Недавно российские ученые, доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков и кандидат биологических наук, сотрудник Института биологии развития РАН Алексей Куликов предложили объяснение, как происходят самые первые этапы формирования нового вида в условиях свободного скрещивания организмов. Они считают, что сохранить и сконцентрировать новые полезные гены помогает иммунная система организмов.
Ключевая проблема биологии
Александр Марков говорит, что проблема видообразования — ключевая в биологии: «Действительно, разнообразие видов на планете чрезвычайно велико и все время растет, как мы видим из палеонтологической летописи. И при этом механизм видообразования — как собственно появляются новые виды, — он до сих пор остается неясным. Вот какие существуют точки зрения на этот счет. Возможны два сценария разделения старого вида на два новых. Первое — это когда старый вид оказывается разделенным каким-то физическим барьером, например, проливом или хребтом горным или рекой. И тогда две изолированные части этого вида будут постепенно накапливать генетические отличия, которых постепенно накопится достаточно много, они станут разными и даже если барьер исчезнет, они не смогут скрещиваться друг с другом. Этот сценарий более или менее прост, — он подтверждается теоретическими моделями, и он понятен. А второй сценарий, — это когда виды могут делиться без физических барьеров, — он казался невероятным. Потому что непонятно, почему если особи живут все вместе, почему они могут разделиться на какие-то группы, которые перестанут скрещиваться между собой. С одной стороны, все логично, но с другой стороны, видов на земле такое множество, что предполагать для каждого вида какой-то барьер, просто не хватит барьеров».
Симпатрическое видообразование
«Биосфера не настолько сегрегированна, не настолько подразделена на кусочки барьерами, чтобы возникло такое мощное разнообразие. Поэтому, естественно, многие биологи пытались придумать механизм, как виды могут образовываться без барьеров. Был придуман такой механизм — отбор на расхождение. Допустим, в озере есть корм для рыб — в двух районах: на дне и на поверхности. Допустим, в этом озере есть донный вид рыб, и существует свободная ниша для рыбы, которая будет собирать корм с поверхности. Допустим, появляется некий мутант, у которого рот обращен кверху, благодаря чему ему удобно хватать с поверхности. Может ли на такой основе возникнуть новый вид в этом озере? Для того, чтобы это произошло, нужно, чтобы его новое полезное свойство не смешалось, не растворилось в ходе скрещивания с неизменившимися особями. А как это может произойти? То есть каким-то загадочным образом это изменение должно быть коррелированно при выборе полового партнера. То есть этот мутант должен еще начать выбирать в качестве половых партнеров для себя таких же, как он сам, то есть — своих близких родственников. И вот как это может быть сцеплено одно с другим — вот это собственно и непонятно».
Алексей Куликов говорит об интересе биологов к симпатрическому видообразованию: «Симпатрическое видообразование — это образование на одной и той же территории. Аллопатрическое — это географическое, разделенное. Симпатрическое — это когда первоначальный предковый вид неожиданно по каким-то причинам дает вспышку, от него отходят новые виды. До сих пор существовали только теоретические модели, которые говорили, что подобное видообразование возможно».
Александр Марков продолжает: «В одном из последних номеров журнала Nature было опубликовано сразу две статьи о доказанные случаи симпатрического видообразования. Один случай был открыт среди пальм на маленьком острове в пятистах километрах от Австралии. При помощи комплексного подхода, включающего генетику и обычную ботанику, удалось показать, что предок этих двух видов пальм, которые живут на этом острове, был занесен из Австралии. И вот исходный вид на этом острове разделился на два. В какой-то момент на острове появился новый тип почвы, и второй вид приспособился к нему. Остров всего 15 квадратных километров, никаких барьеров там нет, опыляются все растения ветром, но тем не менее, они разделились и не скрещиваются. Аналогичная ситуация произошла в маленьком изолированном озере в Никарагуа. Озеро это — вулканический кратер, залитый водой, образовавшийся сравнительно недавно, порядка несколько десятков тысяч лет. В него попал один вид рыбы и со временем разделился на два. Исходный вид был донный, — а от него отпочковался вид, который плавает в толще воды. Эти два вида перестали скрещиваться между собой в крошечном озерке».
Алексей Куликов добавляет: «Механизмы самых ранних этапов дивергенции были совершенно непонятными. Если мы говорим о случаях видообразования, связанных с географической изоляцией, — здесь все более или менее понятно. Но при том огромном разнообразии видов понятно, что процесс видообразования был намного сложнее. И наиболее важными являются первые шаги видообразования».
Иммунный механизм отбора родственных генов
Александр Марков рассказывает о новой гипотезе видообразования: «Идея очень простая. Ясно, что для видообразования без географических барьеров организмы, которые начали различаться по каким-то важным признакам, должны каким-то образом выбирать в качестве брачных партнеров себе подобных, то есть относительно близких родственников. А для этого они должны уметь отличать своих от чужих, родственников от не родственников. Это было ясно всем, кто занимался этой проблемой. Должен быть некий механизм различения свой – чужой. И если такой механизм будет найден, это позволит многое объяснить. Как организм может отличить родственника от не родственника? Уже есть у всех многоклеточных организмов готовенький механизм различения своего и чужого. Этот механизм — это иммунная система. Он отличает свои клетки от чужих. Поэтому отторгаются пересаженные органы. Иммунная система узнает чужие клетки и отторгает. Но только он работает внутри организма. Есть механизм точного определения, что свое, а что чужое. И поэтому для обеспечения эффективного видообразования в принципе природе не было изобретать ничего нового, достаточно было просто взять средства, предоставляемые иммунной системой и вынести их вовне».
Александр Марков рассказывает, как обосновывался этот механизм: «Мы начали искать, нет ли фактов, которые говорят о том, что какие-то компоненты иммунной системы используются при межиндивидуальной коммуникации. То есть мы хотели найти какие-то иммунные белки, какие-то клетки, какие-то молекулы иммунной системы, участвующие в коммуникации. По-видимому, речь идет об обонятельной коммуникации, персональные запахи и так далее. Как ни странно, таких фактов известно очень много. Большая их часть, правда, получена только в последние годы. Они были разрознены по разным статьям, по разным исследованиям. Мы их собрали и оказалось, что действительно во многих случаях компоненты иммунной системы напрямую участвуют в персональной идентификации. Лучше всего это изучено на млекопитающих. У млекопитающих каждое животное имеет свой уникальный запах и другие животные этот запах распознают, классифицируют. Такой механизм был подтвержден и на людях. Хотя это происходит на бессознательном уровне, но тем не менее, тесты показали, что люди по запаху, по крайней мере, могут отличать родственников от не родственников».
Алексей Куликов дополняет: «Причем запахи понимаются более широко, чем бытовые запахи. Мы говорим еще о так называемой вомер-назальной области. Раньше вомер-назальный орган считался вспомогательной обонятельной системой и только в конце 1990-х годов оказалось, что эта система очень значима, особенно у таких видов животных, как грызуны, собаки, те виды, для которых обоняние является высокозначимой сигнальной системой. Тактически этот орган воспринимает «запаховый паспорт», скажем так. Нас заинтересовало, насколько такой механизм распознания «свой — чужой» может быть общим для всего живого. И оказалось, что действительно у бактерий еще с таких древнейших времен есть механизм различения по их специфическим бактериальным ферамонам и специфический рецептор на поверхности этих бактерий. Механизм, позволяющий им определять свой или чужой и находить наиболее подходящих партнеров для обмена генетической информацией. Эффект распознания свой - чужой действительно, оказалось, известен и для одноклеточных, то есть уже ядерных организмов, и для губок, и для морских ежей, и для насекомых, и для рыб, и для самых разных позвоночных животных».
Александр Марков приводит несколько самых ярких фактов, подтверждающих это предположение: «Как внутри организма клетки иммунной системы определяют, свой или чужой? Для этого все клетки организма выставляют на свою поверхность маленькие обрезки белков из девяти аминокислот. И клетки иммунной системы проверяют эти пептиды и смотрят - свой или чужой. Так вот оказалось, что персональный запах, который используется на совсем другом уровне, на коммуникации между организмами, в этом персональном запахе участвуют те же самые обрезочки белков. Вот это было очень важное открытие. В конце 2004 года были обнаружены у мыши в вомер-назальном органе специальные рецепторы, которые реагируют именно на эти обрезочки белков.
Они всегда считались компонентом иммунной системы. И вот оказалось, что они же используются в персональном запахе. Они внутри организма используются для иммунной системы и между особями. По сути речь идет о том, что мы предположили очень простой механизм, при помощи которого может происходить разделение вида на два или какие-то части, которые частично сохраняют совместимость, но предпочитают все-таки скрещиваться внутри себя. Помимо всего прочего значение этих идей, которые мы сейчас развиваем, состоит в том, что мы пытаемся объяснить, почему эволюция идет так быстро и так направленно по пути все большего совершенствования организмов. Посмотрите, как действуют селекционеры, как они выводят новые сорта, новые породы. В основном это делается путем грамотного подбора брачных партнеров. То есть они знают, кого с кем скрестить, в какой последовательности и очень быстро, по эволюционным меркам чрезвычайно быстро, в мгновенье выводят новые сорта и породы животных, пусть это еще не виды, но все-таки новые формы», — говорит Александр Марков.
Алексей Куликов заключает: «Тот самый тонкий, самый значимый момент эволюции, когда вид представляет собой еще единство, когда существует непрерывный поток генов, существует скрещивание между всеми особями данного вида, но уже невыгодно это скрещивание. И вот тут должны включаться механизмы автоматического определения свой или чужой. И это умение распознать свой или чужой заложено было еще на самых ранних шагах эволюционного процесса».
Ключевая проблема биологии
Александр Марков говорит, что проблема видообразования — ключевая в биологии: «Действительно, разнообразие видов на планете чрезвычайно велико и все время растет, как мы видим из палеонтологической летописи. И при этом механизм видообразования — как собственно появляются новые виды, — он до сих пор остается неясным. Вот какие существуют точки зрения на этот счет. Возможны два сценария разделения старого вида на два новых. Первое — это когда старый вид оказывается разделенным каким-то физическим барьером, например, проливом или хребтом горным или рекой. И тогда две изолированные части этого вида будут постепенно накапливать генетические отличия, которых постепенно накопится достаточно много, они станут разными и даже если барьер исчезнет, они не смогут скрещиваться друг с другом. Этот сценарий более или менее прост, — он подтверждается теоретическими моделями, и он понятен. А второй сценарий, — это когда виды могут делиться без физических барьеров, — он казался невероятным. Потому что непонятно, почему если особи живут все вместе, почему они могут разделиться на какие-то группы, которые перестанут скрещиваться между собой. С одной стороны, все логично, но с другой стороны, видов на земле такое множество, что предполагать для каждого вида какой-то барьер, просто не хватит барьеров».
Симпатрическое видообразование
«Биосфера не настолько сегрегированна, не настолько подразделена на кусочки барьерами, чтобы возникло такое мощное разнообразие. Поэтому, естественно, многие биологи пытались придумать механизм, как виды могут образовываться без барьеров. Был придуман такой механизм — отбор на расхождение. Допустим, в озере есть корм для рыб — в двух районах: на дне и на поверхности. Допустим, в этом озере есть донный вид рыб, и существует свободная ниша для рыбы, которая будет собирать корм с поверхности. Допустим, появляется некий мутант, у которого рот обращен кверху, благодаря чему ему удобно хватать с поверхности. Может ли на такой основе возникнуть новый вид в этом озере? Для того, чтобы это произошло, нужно, чтобы его новое полезное свойство не смешалось, не растворилось в ходе скрещивания с неизменившимися особями. А как это может произойти? То есть каким-то загадочным образом это изменение должно быть коррелированно при выборе полового партнера. То есть этот мутант должен еще начать выбирать в качестве половых партнеров для себя таких же, как он сам, то есть — своих близких родственников. И вот как это может быть сцеплено одно с другим — вот это собственно и непонятно».
Алексей Куликов говорит об интересе биологов к симпатрическому видообразованию: «Симпатрическое видообразование — это образование на одной и той же территории. Аллопатрическое — это географическое, разделенное. Симпатрическое — это когда первоначальный предковый вид неожиданно по каким-то причинам дает вспышку, от него отходят новые виды. До сих пор существовали только теоретические модели, которые говорили, что подобное видообразование возможно».
Александр Марков продолжает: «В одном из последних номеров журнала Nature было опубликовано сразу две статьи о доказанные случаи симпатрического видообразования. Один случай был открыт среди пальм на маленьком острове в пятистах километрах от Австралии. При помощи комплексного подхода, включающего генетику и обычную ботанику, удалось показать, что предок этих двух видов пальм, которые живут на этом острове, был занесен из Австралии. И вот исходный вид на этом острове разделился на два. В какой-то момент на острове появился новый тип почвы, и второй вид приспособился к нему. Остров всего 15 квадратных километров, никаких барьеров там нет, опыляются все растения ветром, но тем не менее, они разделились и не скрещиваются. Аналогичная ситуация произошла в маленьком изолированном озере в Никарагуа. Озеро это — вулканический кратер, залитый водой, образовавшийся сравнительно недавно, порядка несколько десятков тысяч лет. В него попал один вид рыбы и со временем разделился на два. Исходный вид был донный, — а от него отпочковался вид, который плавает в толще воды. Эти два вида перестали скрещиваться между собой в крошечном озерке».
Алексей Куликов добавляет: «Механизмы самых ранних этапов дивергенции были совершенно непонятными. Если мы говорим о случаях видообразования, связанных с географической изоляцией, — здесь все более или менее понятно. Но при том огромном разнообразии видов понятно, что процесс видообразования был намного сложнее. И наиболее важными являются первые шаги видообразования».
Иммунный механизм отбора родственных генов
Александр Марков рассказывает о новой гипотезе видообразования: «Идея очень простая. Ясно, что для видообразования без географических барьеров организмы, которые начали различаться по каким-то важным признакам, должны каким-то образом выбирать в качестве брачных партнеров себе подобных, то есть относительно близких родственников. А для этого они должны уметь отличать своих от чужих, родственников от не родственников. Это было ясно всем, кто занимался этой проблемой. Должен быть некий механизм различения свой – чужой. И если такой механизм будет найден, это позволит многое объяснить. Как организм может отличить родственника от не родственника? Уже есть у всех многоклеточных организмов готовенький механизм различения своего и чужого. Этот механизм — это иммунная система. Он отличает свои клетки от чужих. Поэтому отторгаются пересаженные органы. Иммунная система узнает чужие клетки и отторгает. Но только он работает внутри организма. Есть механизм точного определения, что свое, а что чужое. И поэтому для обеспечения эффективного видообразования в принципе природе не было изобретать ничего нового, достаточно было просто взять средства, предоставляемые иммунной системой и вынести их вовне».
Александр Марков рассказывает, как обосновывался этот механизм: «Мы начали искать, нет ли фактов, которые говорят о том, что какие-то компоненты иммунной системы используются при межиндивидуальной коммуникации. То есть мы хотели найти какие-то иммунные белки, какие-то клетки, какие-то молекулы иммунной системы, участвующие в коммуникации. По-видимому, речь идет об обонятельной коммуникации, персональные запахи и так далее. Как ни странно, таких фактов известно очень много. Большая их часть, правда, получена только в последние годы. Они были разрознены по разным статьям, по разным исследованиям. Мы их собрали и оказалось, что действительно во многих случаях компоненты иммунной системы напрямую участвуют в персональной идентификации. Лучше всего это изучено на млекопитающих. У млекопитающих каждое животное имеет свой уникальный запах и другие животные этот запах распознают, классифицируют. Такой механизм был подтвержден и на людях. Хотя это происходит на бессознательном уровне, но тем не менее, тесты показали, что люди по запаху, по крайней мере, могут отличать родственников от не родственников».
Алексей Куликов дополняет: «Причем запахи понимаются более широко, чем бытовые запахи. Мы говорим еще о так называемой вомер-назальной области. Раньше вомер-назальный орган считался вспомогательной обонятельной системой и только в конце 1990-х годов оказалось, что эта система очень значима, особенно у таких видов животных, как грызуны, собаки, те виды, для которых обоняние является высокозначимой сигнальной системой. Тактически этот орган воспринимает «запаховый паспорт», скажем так. Нас заинтересовало, насколько такой механизм распознания «свой — чужой» может быть общим для всего живого. И оказалось, что действительно у бактерий еще с таких древнейших времен есть механизм различения по их специфическим бактериальным ферамонам и специфический рецептор на поверхности этих бактерий. Механизм, позволяющий им определять свой или чужой и находить наиболее подходящих партнеров для обмена генетической информацией. Эффект распознания свой - чужой действительно, оказалось, известен и для одноклеточных, то есть уже ядерных организмов, и для губок, и для морских ежей, и для насекомых, и для рыб, и для самых разных позвоночных животных».
Александр Марков приводит несколько самых ярких фактов, подтверждающих это предположение: «Как внутри организма клетки иммунной системы определяют, свой или чужой? Для этого все клетки организма выставляют на свою поверхность маленькие обрезки белков из девяти аминокислот. И клетки иммунной системы проверяют эти пептиды и смотрят - свой или чужой. Так вот оказалось, что персональный запах, который используется на совсем другом уровне, на коммуникации между организмами, в этом персональном запахе участвуют те же самые обрезочки белков. Вот это было очень важное открытие. В конце 2004 года были обнаружены у мыши в вомер-назальном органе специальные рецепторы, которые реагируют именно на эти обрезочки белков.
Они всегда считались компонентом иммунной системы. И вот оказалось, что они же используются в персональном запахе. Они внутри организма используются для иммунной системы и между особями. По сути речь идет о том, что мы предположили очень простой механизм, при помощи которого может происходить разделение вида на два или какие-то части, которые частично сохраняют совместимость, но предпочитают все-таки скрещиваться внутри себя. Помимо всего прочего значение этих идей, которые мы сейчас развиваем, состоит в том, что мы пытаемся объяснить, почему эволюция идет так быстро и так направленно по пути все большего совершенствования организмов. Посмотрите, как действуют селекционеры, как они выводят новые сорта, новые породы. В основном это делается путем грамотного подбора брачных партнеров. То есть они знают, кого с кем скрестить, в какой последовательности и очень быстро, по эволюционным меркам чрезвычайно быстро, в мгновенье выводят новые сорта и породы животных, пусть это еще не виды, но все-таки новые формы», — говорит Александр Марков.
Алексей Куликов заключает: «Тот самый тонкий, самый значимый момент эволюции, когда вид представляет собой еще единство, когда существует непрерывный поток генов, существует скрещивание между всеми особями данного вида, но уже невыгодно это скрещивание. И вот тут должны включаться механизмы автоматического определения свой или чужой. И это умение распознать свой или чужой заложено было еще на самых ранних шагах эволюционного процесса».