«Каково бы ни было влияние природных условий, они не вырабатывают непосредственных модификаций формы и организации животных. Однако серьезные перемены в окружающей обстановке влекут за собой изменение стимулов, а смена стимулов с неизбежностью приводит к перестройке поведения. И тогда, если новые потребности становятся постоянными, у животных вырабатываются новые повадки, которые сохраняются столько времени, пока действуют стимулы, породившие их» (Lamarck, 1809).
Ламарк ни в коем случае не был единственным, кто верил в наследование приобретенных признаков: по-видимому, таково было всеобщее убеждение того времени. Однако он был более конкретен, чем другие, в разъяснении цепи причин наследственности и, что более важно, сделал эту схему основой своей незаурядной концепции эволюции. Другим основанием эволюционной теории Ламарка была его убежденность в присущем эволюционирующим организмам стремлении к усложнению организации — или, попросту, прогрессу — которое, в глазах Ламарка, определяет процесс биологической эволюции вместе с наследственностью, как он ее понимал.
Хотя для обозначения этой фундаментальной тенденции Ламарк часто использовал словосочетание «жизненная сила» (pouvoir de la vie), его идея была абсолютно материалистической, можно даже сказать механистической, поскольку причину стремления к прогрессу он видел в движении жидкостей в теле животных. По его мысли, эти жидкости проделывали каналы и полости в мягких тканях, что постепенно вело к эволюции в сторону усложнения организации. Для объяснения присутствия просто устроенных форм жизни, несмотря на предположительно прогрессивный характер эволюции, Ламарк постулировал, что постоянным источником примитивных организмов служит самозарождение. Идеи самозарождения и врожденной склонности к усложнению в настоящее время безнадежно устарели.
Однако по-прежнему широко распространено убеждение, будто эволюция ведет к усложнению организации в результате многочисленных последовательных адаптаций (разумеется, в наши дни ученые, продолжающие выступать за реальность такой тенденции, не назовут ее «врожденной»). Как уже обсуждалось в главе 8, оно явно не соответствует действительности: на самом деле никакой глобальной тенденции к усложнению живых форм в ходе эволюции не прослеживается, даже если максимум наблюдаемой сложности растет в силу стохастических причин. В данной главе мы обратимся к более значимой и интересной проблеме из наследия Ламарка, а именно рассмотрим наследование приобретенных признаков и его вклад в эволюционный процесс.
Рис. 9-1. Ламарковский, дарвиновский и райтовский режимы эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.
Схема Ламарка, представленная в терминах, совместимых с современной генетикой (см. рис. 9-1), утверждает следующее:
1. Факторы окружающей среды вызывают (наследуемые) изменения генома.
2. Индуцированные изменения (мутации) затрагивают конкретный ген или группу генов.
3. Индуцированные изменения обеспечивают адаптацию к первоначальному причинному фактору.
Очевидно, что адаптивная реакция на конкретный фактор окружающей среды должна быть опосредована молекулярным механизмом, который бы вызывал изменение в соответствующем гене (или генах). В этом состоит явное отличие от хода дарвиновской эволюции: в ней окружающая среда не является фактором, вызывающим адаптивные изменения, скорее она служит источником внешнего селективного давления, которое способствует фиксации тех случайных изменений, что адаптивны при данных условиях (см. рис. 9-1). Дарвиновская схема проще и менее взыскательна по сравнению со схемой Ламарка, поскольку Дарвину не требовались специальные механизмы, направляющие мутации в соответствующие локусы генома и ограничивающие изменения конкретными мутациями, которые обеспечивают необходимую адаптацию.
С другой стороны, режим эволюции Ламарка был бы более эффективным и быстрым по сравнению с дарвиновским. В самом деле, за предпочтение дарвиновского механизма приходится платить втридорога: многочисленные мутации, что возникают в геномах, по-настоящему вредны, так что их носители погибают, другие почти нейтральны и иногда закрепляются с помощью дрейфа, однако при этом не вносят непосредственного вклада в адаптивную эволюцию. Поэтому ламарковская схема оказалась бы очень полезной для эволюционирующих организмов, будь она практически осуществимой. Трудность обнаружения или даже гипотетического представления механизмов направленного адаптивного изменения в геноме отправила сценарий эволюции Ламарка на долгие десятилетия в мусорную кучу истории науки.
Несмотря на существенные различия в механизмах и невзирая на кажущуюся «расточительность» дарвиновской модальности, которая контрастирует с потенциальной эффективностью эволюции по Ламарку (см., однако, дискуссию ниже в этой главе), схемы Дарвина и Ламарка похожи: у обеих конечные результаты преимущественно адаптивны, и в этом отношении, они радикально отличаются от случайного дрейфа. Последний процесс может быть обозначен как «райтовская модальность эволюции», в честь Сьюэлла Райта, одного из отцов-основателей популяционной генетики и создателя концепции случайного генетического дрейфа (см. рис. 9-1 и гл. 2). В последующих разделах я расскажу о недавних исследованиях некоторых феноменов, которые, на мой взгляд, заставляют нас возвратиться к одной из версий ламарковского сценария в качестве важного вклада в эволюцию на уровне геномов и организмов.
Система антивирусной защиты и адаптивного иммунитета у архей и бактерий, которая в последнее время была изучена благодаря целой серии открытий, часто случайных, по всей видимости, работает непосредственно через предложенный Ламарком механизм. Такая система известна как CRISPR-Cas (или просто CRISPR, для краткости). Аббревиатура CRISPR означает «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», а Cas — «белки, ассоциирующиеся с CRISPR» (Deveau et al., 2010; Karginov and Hannon, 2010; Koonin and Makarova, 2009; van der Oost et al., 2009). CRISPR-повторы содержат короткие уникальные участки-спейсеры, встроенные внутри палиндромных повторяющихся блоков. Геномы архей и бактерий содержат кассеты (группы тандемно организованных, тесно сцепленных, функционально связанных локусов) с многочисленными CRISPR-блоками — во многих случаях более одной кассеты на геном. Хотя CRISPR-повторы были открыты еще в 1980-х, за годы до первых расшифровок полных бактериальных геномов, только гораздо позже стало понятно, что CRISPR-кассеты в геномах практически всегда примыкают к группе cas-генов. Cas-гены кодируют различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот, включая нуклеазы, геликазы и, возможно, полимеразы[90].
После того как было показано, что некоторые из уникальных спейсеров в CRISPR-кассетах идентичны фрагментам генов бактериофагов и плазмид, была высказана гипотеза о том, что CRISPR-система использует полученные от фагов последовательности в качестве молекул-шаблонов для разрушения мРНК-фагов аналогично эукариотической РНК-интерференции (РНКи) (Makarova et al., 2006). Хотя большую часть деталей механизма еще предстоит выяснить, главные предсказания этой гипотезы к настоящему времени подтверждены: наличие спейсера, последовательность которого в точности комплементарна мишени, то есть соответствующей последовательности в фаговом геноме, необходимо для резистентности[91]; РНК-шаблоны, содержащие CRISPR-спейсеры, образуют комплексы с несколькими Cas-белками и используются для борьбы с инфекцией; могут приобретаться новые спейсеры, которые делают бактерию или архею устойчивой к соответствующим фагам. Примечательно, что, судя по всему, некоторые CRISPR-системы нацелены на вирусные мРНК, как и постулирует изначальная гипотеза, тогда как другие уничтожают вирусную ДНК непосредственно (Barrangou et al., 2007; Brouns et al., 2008; Hale et al., 2009; Marraffini and Sontheimer, 2008).
Рис. 9-2. Система CRISPR-Cas и механизм ее действия как пример ламарковской эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.
Механизм наследственности и эволюции генома, реализованный в CRISPR-Cas системе, представляется в полной мере ламарковским (см. рис. 9-2).
• Стимул из внешней среды (эгоистичный генетический элемент, такой как вирус) используется для непосредственного изменения генома.
• Возникающая модификация (уникальный элемент-специфичный спейсер) напрямую влияет на фактор, вызвавший изменение.
• Модификация явно адаптивна и наследуется потомками клетки, столкнувшейся с эгоистичным элементом.
CRISPR-опосредованная наследственность, по-видимому, не очень устойчива: даже близкородственные геномы архей и бактерий не содержат одинаковых вставок. Подразумевается, что, как только бактерии или археи перестают сталкиваться с конкретным агентом (вирусом), соответствующие спейсеры быстро вырождаются. В самом деле, вставки вряд ли могут быть эволюционно стабильными в отсутствие сильного селективного давления, поскольку единственная мутация сразу делает их бесполезными. Кроме того, во многом подобно адаптивной иммунной системе у животных, CRISPR-системы в редких случаях демонстрируют свойство аутоиммунности: спейсеры, идентичные фрагментам обычных генов клетки-хозяина, вставляются в CRISPR-кассеты и, предположительно, нарушают экспрессию соответствующих генов (Stern et al., 2010). Несмотря на некоторую эфемерность наследственности CRISPR, ее ламарковский характер неоспорим: адаптивная эволюция организмов происходит непосредственно в ответ на внешний фактор среды и результатом является конкретная адаптация (резистентность) к данному специфическому фактору