Сергей Сенинский: ... Ученые десятилетиями спорят о направленности процессов эволюции и их темпах. Широко распространены мнения об их постоянном ускорении. Считается, что оно хорошо заметно, если рассматривать развитие биосферы Земли в целом.
Однако на уровне отдельных видов, полагают ученые, эволюция, видимо, не ускоряется, а наоборот, замедляется. Согласно недавно выдвинутой гипотезе, закономерным результатом эволюции должно стать появление видов, все более устойчивых к дальнейшей эволюции. Об этой идее рассказывает ее автор, доктор биологических наук, заведующий лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН Виктор Щербаков. С ним беседуют Александр Костинский и Александр Марков.
Александр Марков: Сегодня мы будем говорить об одной из важных проблем теории эволюции, а именно о том, может ли эволюционировать сама эволюция. Вообще многие биологи пытались найти ответ на такой вопрос: могут ли в результате эволюции развиваются какие-то свойства организмов, какие-то приспособления, предназначенные для оптимизации самого эволюционного процесса? Некоторые исследователи полагают, что это принципиально невозможно, что эволюция всегда основана на случайности. Поэтому, с их точки зрения, в ходе эволюции не может возникнуть никаких приспособлений, направленных на оптимизацию самого эволюционного процесса. Ну а, с другой стороны, почему бы и нет? Сегодня у нас в гостях Виктор Прохорович Щербаков.
Александр Костинский: Скажите, пожалуйста, что вам кажется, эволюция ускоряется, замедляется со временем или все-таки наиболее важным является то, что эволюция может в какой-то момент остановиться?
Виктор Щербаков: Я думаю, что в такой постановке вопроса смешиваются две очень разные вещи. Если говорить об эволюции вообще, то она, безусловно, ускоряется. Это эволюция биосферы. Если мы будем рассматривать какой-то один отдельный вид, то вот его собственная эволюция идет с замедлением. Когда вид только возникает, на начальном этапе идет быстрая его эволюция, и она почти всегда кончается его быстрой гибелью. Потому что удачно пройти этот первый рискованный период становления вида удается очень немногим видам, большинство видов гибнет в зародыше. Но только те, которым удалось зацепиться за жизнь, их дальнейшая собственная эволюция данного вида будет направлена на все большую и большую стабилизированность, устойчивость, в том числе и устойчивость к дальнейшей эволюции. Мне кажется, что погибнуть данный вид может, либо вымерев, либо превратившись в другой. На самом деле и тот, и другой процесс есть исчезновения вида.
Александр Костинский: То есть это некий факт видообразования – превращение в другой вид.
Виктор Щербаков: Можно так назвать - смерть без трупа. Вид исчез с лица земли совсем и навсегда, потому что эволюция необратима. Возьмем для нас такой наглядный способ: говорят, что мы произошли от обезьяны. Если какой-то вид обезьян так эволюционировал, что превратился в человека, значит этого вида уже нет. Он, собственно говоря, пожертвовал собой, но сам он исчез. В эволюции остаются те, кто умеет воспротивиться дальнейшей своей эволюции, достигает определенного уровня совершенства и это совершенство как раз и проявляется в том, что он перестает эволюционировать.
Александр Костинский: То есть тут две вещи: изменчивость есть, но есть и передача каких-то свойств вида, которые показывают его очень хорошую приспособленность.
Виктор Щербаков: Это достаточно специфическая точка зрения. Преобразоваться – это один из способов погибнуть. Другое дело - видообразование. Вид, очень устойчивый к эволюции, устойчивый к эволюции - это значит вид, достигший совершенства, ему уже не остается, чего улучшать. Какие-то изменения, которые в нем происходят, они его делают хуже, чем был. Уклонения отбрасываются, уклонения не выживают они хуже. И он эволюционно устойчив. Но это не значит, что он не способен, сам сохраняясь давать, почкованием давать новые виды.
Александр Костинский: Получается, вид – это такой ствол дерева, от которого ветки расходятся, иногда они могут быть более мощными, чем сам ствол.
Александр Марков: То есть устойчивость определяется способностью приспосабливаться, меняться, но при этом оставаться самими собой, как бы не меняя свою сущность.
Виктор Щербаков: Вот именно, выживать, не меняясь.
Александр Костинский: То есть консерватизм – это элемент эволюции.
Виктор Щербаков: Без консерватизма никакая эволюция невозможна. Возможен только хаос. Я немножечко скажу общую вещь: консервативными сторонами эволюции стали заниматься люди, вообще интересоваться довольно недавно. Дело в том, что когда вы скажете человеку слово эволюция, ему сразу станет понятно, что речь идет о создании чего-то нового, а не о какой-то стабильности. Стабильность – это что-то противоположное эволюции. И такое отношение к делу вполне понятно исторически. Когда пришел Дарвин, то вообще говоря, это был мир с мышлением ньютоновским, это мир, который вечный, одинаковый, планеты будут всегда вращаться по своим орбитам и вообще в этом мире все надежно, тело остается неподвижным до тех пор, пока не приложат к нему силу или оно прямолинейно равномерно движется. То есть стабильность как будто бы не нуждается в объяснении. И так думали про виды - виды стабильны, они не меняются. Нацеленность Дарвина, самого Дарвина и его последователей была к тому, чтобы доказать, что виды изменяются, что эволюция идет – это был первый вопрос. Вопрос второй, как она идет. Но сначала это было шокирующее заявление, что виды меняются. Но когда появилась термодинамика и когда стало ясно, что стабильность дело как раз маловероятное.
Александр Костинский: А хаос - это более вероятное событие, чем порядок.
Виктор Щербаков: И тогда взглянули на живые организмы с удивлением. Они такие сложные и живут, не рассыпаются, не разваливаются. Индивиды стареют и умирают, а виды стабильны, не только тысячелетиями, потом выясняется, что и миллионы лет ничего с ними не происходит.
Александр Марков: То есть стала требовать объяснение не эволюция, а ее отсутствие.
Виктор Щербаков: Второй закон термодинамики толкает к эволюции, он заставляет меняться. Так вот, встал вопрос, каким же образом организмам удается сохранить себя во времени. Некоторые механизмы, обеспечивающие сохранение индивидов и вид во времени, очевидны. Первым из которых является сохранение последовательности нуклеотидов в ДНК. Ошибки при синтезе ДНК минус 10, минус 11 степень.
Александр Костинский: То есть это одна десяти миллиардная.
Виктор Щербаков: На десть миллиардов нуклеотидов одна ошибка. Вот это первый барьер на пути к смерти, но он же барьер на пути к эволюции. У животных со сложным развитием это проблема. И самым наглядным является явление помехоустойчивости, сейчас очень много публикаций идет на эту тему.
Александр Костинский: Игнорирование ошибок, понимание текста.
Виктор Щербаков: Обходиться с ошибками. Научиться обходиться с ошибками.
Александр Костинский: То есть если мы ошибку в репликации считаем помехой. Когда говорите - помехоустойчивость.
Виктор Щербаков: Ошибка, она и есть ошибка. Так вот существует такое явление, что несмотря на наличие ошибок, онтогенез проходит нормально.
Александр Костинский: Как в компьютере обработка ошибок.
Виктор Щербаков: Нечто.
Александр Костинский: И компьютер должен продолжать работать.
Виктор Щербаков: Должен продолжать работать и информация не должна потерять смысл.
Александр Костинский: Могу сказать, секрет еще Клодом Шенноном был сказан – дублированность. Если у вас есть системы ненадежные, то надежность достигается, информация по ненадежному каналу идет за счет дублирования. У вас какой-то канал вылетает, тогда у вас по другим каналам информация идет.
Виктор Щербаков: Совершенно тем же путем идет эволюция.
Александр Костинский: Это теорема Клода Шеннона.
Виктор Щербаков: Достижение устойчивости путем избыточности, дублирования. Самое широко известное дублирование - это диплоидность высших организмов.
Александр Костинский: Что такое диплоидность?
Виктор Щербаков: У бактерий, вообще у всех прокариот геном ДНК в одном экземпляре, у эукариот она в двух экземплярах. В двух - это не менее того, она бывает и в четырех. Вот это общее удвоение, общее увеличение копий. И помимо этого существует частичное увеличение тех или других. Это дупликации генов. Скажем, два гена, один ген увеличивается его число в два раза, такие возникают множественные семейства генов. Ясно, что когда много копий информации, один ген стал мутантным и утратил функцию, дублирующей его ген второй работает. Если таких много копий, то попортить эту систему становится все более и более сложно. Одно из самых может быть загадочных явлений, объясняющих, как высшие организмы выносят такой груз мутаций – это называют терпимость, толерантность к мутациям. Некоторые причины толерантности достаточно понятны. Если мутация произошла в одной ДНК, другая осталась целая, и она спасает положение. Но есть более интересная способность сохранить функцию при наличии мутации. Вот это самый главный пример помехоустойчивости. Мутация вовсе не ведет нарушению функций.
Александр Марков: То есть они не проявляются?
Виктор Щербаков: Они не проявляются как мутации.
Александр Марков: И за счет чего?
Виктор Щербаков: За счет того, что одна и та же функция, скажем, фермент, он не мутирует, пока осуществляет свою реакцию, которую он катализирует. Так вот, если взять молекулы фермента, там можно поменять, есть примеры, до 90% аминокислот, а он выполняет и выполняет эту функцию. Более того, ведь функция фермента зависит от его трехмерной конфигурации. И вот эта трехмерная конфигурация может быть при очень разных последовательностях аминокислот. И есть только отдельные узловые точки, которые нельзя тронуть, вот там мутации, ничего не попишешь.
Александр Костинский: То есть приводят к тому, что он не может выполнять свою функцию.
Виктор Щербаков: Что он не может выполнять свою функцию. Но это очень небольшая доля от всей аминокислотной последовательности. Остальные так называемые эффективно-нейтральные мутации. И поэтому на самом деле действительный уровень мутаций, если иметь в виду только очень важные участки и, соответственно, и уровень мутаций не так велик, как если просто считать изменения, происходящие в ДНК. Еще один интересный, производящий впечатление фактор, позволяющий обходить мутации, не нарушая функций - это шапироны. Это удивительные молекулы, функции которых, чтобы правильно свертывался белок.
Александр Костинский: Пространственную структуру правильную имел.
Виктор Щербаков: Потому что только тогда он обладает функцией. С одной стороны, они, во-первых, ускоряют это сворачивание, потому что сворачивание белка - это вероятностные процессы, и он может быть медленным. Шапироны способствуют быстрому свертыванию. Сборщики белков, они знают, как надо свернуть. Но если они сталкиваются с неправильной последовательностью, мутантном, который сам по себе свернулся бы в недействующую молекулу.
Александр Костинский: Белок может и сам свернуться?
Виктор Щербаков: Он обязательно свернется, но он как-то не так свернется. Так вот в присутствии шапиронов он свернется правильно, хотя по своей последовательности он не должен был бы этого сделать. И вот благодаря шапиронам, это еще на порядки возрастает устойчивость к мутациям.