Как полагают ученые, на уровне отдельных видов эволюция не ускоряется, а наоборот, замедляется. Закономерным результатом эволюции должно стать появление видов, все более устойчивых к дальнейшей эволюции. Об этом рассказывает доктор биологических наук, заведующий лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН Виктор Щербаков.
– Как меняется скорость процесса эволюции?
– Если говорить об эволюции вообще, то она, безусловно, ускоряется. Это - эволюция биосферы. Если мы будем рассматривать какой-то 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 самом начале. Но их дальнейшая собственная эволюция вида, которому удалось выжить, будет направлена на все большую и большую 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.
Второй вариант это, можно так назвать, – смерть без трупа. Вид исчез с лица земли навсегда, потому что эволюция необратима. Возьмем 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 исчез. В биосфере 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.
Преобразоваться – это один из способов погибнуть. Но видообразование, это другое. Вид, устойчивый к эволюции - это вид, достигший совершенства, ему уже некуда улучшаться. Любые изменения, которые в нем происходят, делают его ухудшают. Поэтому отклонения отбрасываются, не выживают. Такой вид эволюционно устойчив. Но это не значит, что он не способен, сохраняясь сам почкованием давать новые виды.
– Устойчивость определяется способностью приспосабливаться, меняться, но при этом оставаться самими собой, как бы не меняя свою сущность. То есть консерватизм – это элемент эволюции?
– Без консерватизма никакая эволюция невозможна. Возможен только хаос. Консервативными сторонами эволюции стали заниматься довольно недавно. Когда вы говорите «эволюция», то сразу понятно, что речь идет о создании чего-то нового, а не о стабильности. Стабильность – это что-то противоположное эволюции. И такое отношение вполне понятно исторически. Когда пришел Дарвин, то, вообще говоря, это был мир с мышлением ньютоновским, это вечный и неизменный мир, в котором планеты будут всегда вращаться по своим орбитам и вообще в этом мире все надежно и отлажено. То есть стабильность как будто бы не нуждается в объяснении. И так думали про виды - виды стабильны, они не меняются. Нацеленность самого Дарвина и его последователей была на то, чтобы доказать, что виды изменяются, что эволюция идет – это был первый вопрос. Вопрос второй, как она идет. Но сначала было это шокирующее заявление: виды меняются. Но когда появилась термодинамика, и стало ясно, что стабильность дело как раз маловероятное, а хаос гораздо более вероятен, тогда ученые взглянули на живые организмы с удивлением. Они ведь такие сложные и живут, не рассыпаются, не разваливаются. Индивиды стареют и умирают, а виды стабильны, не только тысячелетиями, а как выясняется, вид может сохраняться неизменным и миллионы лет.
– То есть потребовалось объяснение не эволюция, а ее отсутствия в конкретных случаях.
– Именно так. Встал вопрос, каким же образом организмам удается сохранять себя во времени. Некоторые механизмы, обеспечивающие сохранение видов во времени, очевидны. Первым из них является сохранение последовательности нуклеотидов в ДНК. Ошибки при синтезе ДНК оцениваются в минус 10, минус 11 степень, то есть на десять миллиардов нуклеотидов одна ошибка. Это первый барьер на пути к смерти вида, но он же барьер на пути к эволюции. И самым наглядным оказывается явление помехоустойчивости при синтезе ДНК, то есть исправление и обработка ошибок, то есть несмотря на наличие ошибок, онтогенез идет нормально.
– Каким образом исправляются ошибки при синтезе ДНК?
– Устойчивость достигается путем избыточности, то есть дублирования. Самое широко известное дублирование – это диплоидность высших организмов. У бактерий, вообще у всех простейших прокариот геном ДНК в одном экземпляре, а вот у более развитых эукариот ДНК не чем в двух экземплярах, а бывает и в четырех. Вот это общее удвоение, общее увеличение копий должно защищать от ошибок. И помимо этого существует частичное увеличение тех или иных отельных генов. Когда много копий информации, и один ген стал мутантным и утратил свою функцию, тогда работает дублирующей его другой ген. Если таких много копий, то «попортить» 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 всегда ведет нарушению функций гена.
– Почему уже случившаяся мутация может не проявляться?
– Фермент не мутировал, пока он осуществляет реакцию, которую он катализирует. Если взять молекулы фермента, там можно поменять до 90% аминокислот, а он продолжает выполнять свою функцию. Функция фермента зависит от его трехмерной конфигурации, эта трехмерная конфигурация может быть достигнута при очень разных последовательностях аминокислот. И есть только отдельные узловые точки, которые нельзя тронуть, если в них происходит мутация, тогда фермент «ломается» и не может больше выполнять свою функцию. Но это очень небольшая доля от всей последовательности аминокислот. Все остальные изменения это так называемые эффективно-нейтральные мутации. И поэтому действительный уровень мутаций не так велик, как если просто считать изменения, происходящие в ДНК.
Еще один фактор, позволяющий обходить мутации, не нарушая функций ферментов – это – шапироны (chaperones). Это – удивительные молекулы, функции которых в том, что они контролируют процесс правильного свертывания белка, они следят, чтобы пространственная структура белка была правильной, потому что только тогда он выполняет свою функцию. С одной стороны, шапироны ускоряют это сворачивание, а сворачивание белка - это вероятностный процесс, и он может быть довольно медленным. Шапироны способствуют быстрому свертыванию. Сборщики белков, они знают, как надо его свернуть. Но если они сталкиваются с неправильной последовательностью, белком-мутантном, который сам по себе свернулся бы в недействующую молекулу, шапироны свернут его правильно, хотя по своей последовательности он не должен был бы этого сделать. И вот благодаря шапиронам, устойчивость к мутациям возрастает в десятки раз.