Про эволюцию. Интервью с Александром Марковым. Часть 1.

m_batin — 09.12.2010 Александр Марков - доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН, специалист по теории эволюции, автор книги «Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня. Неожиданные открытия и новые вопросы», ведет сайт «Проблемы эволюции» .
Мы встретились с ним недавно, чтобы поговорить об эволюции. Разговор получился очень интересный, а интервью - большое. Публикую его несколькими постами.

Что такое биологическая эволюция?

Теория эволюции, как минимум, в течение последнего столетия является основой и главным теоретическим базисом биологии. Как сказал один из крупнейших биологов-теоретиков 20 века, Феодосий Добржанский, «ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». Этот афоризм часто цитируют, и это действительно так. Мы ничего не поймем в биологии, если не будем все время иметь в виду, что все живое эволюционирует. Можно сказать, что эволюция - это неотъемлемое свойство земной жизни, всех живых существ. Неизбежность эволюции вытекает из самых базовых принципов земной жизни: наследственность, основанная на репликации, размножении молекул ДНК, изменчивость, неизбежно возникающая по ряду причин. Никакая система копирования не может быть абсолютно точной, абсолютно безошибочной. Время от времени возникают ошибки, мутации, которые, опять же в силу молекулярной природы наследования передаются потомству. Эти мутации могут менять свойства организма и соответственно влиять на его репродуктивные способности, эффективность размножения, и, главное, на эффективность размножения этой изменившейся молекулы ДНК.

Говоря коротко, процесс эволюции неизбежен, поскольку неизбежно возникают случайные изменения в наследственном материале, они передаются по наследству, влияют на выживаемость и размножаемость. Следовательно, тех вариантов, которые повышают размножаемость молекул ДНК, становится больше, а изменений, которые снижают размножаемость ДНК - меньше. Вот и все. В этом состоит основа эволюции. Жизнь, основанная на репликации таких молекул, как ДНК,  просто вынуждена, обязана эволюционировать, что она и делает.

Правильно ли я Вас понимаю, что эволюция - это способ существования живого во времени?

Да, на нашей планете это абсолютно неотъемлемое свойство всего живого. Можно сказать, что это способ существования земной жизни.

А что такое жизнь?

Я очень не люблю давать определения. Объекты биологии настолько разнообразны, сложны, плохо предсказуемы и связаны между собой таким количеством всевозможных взаимосвязей, что, как правило, попытки в биологии что-либо строго определить оказываются неудачными. Хорошее определение будет расплывчатым, а если определение строгое, то оно будет плохо работающим. Дать определение жизни нереально потому, что мы знаем только земную жизнь и понятия не имеем, какие еще формы жизни могут существовать во Вселенной. Может быть, никаких. Возможно, жизнь может существовать только в виде, очень похожем на земной, а может быть, в сотнях других вариантов. Мы этого не знаем. Нам дан объект в одном экземпляре, и как можно дать ему определение?

Хорошо, а что такое земная жизнь, которая нам дана в одном экземпляре?

Земная жизнь имеет определенные свойства, которые можно долго и нудно перечислять. Она основана на клеточной организации материи. Есть не клеточная форма жизни- вирусы, но для размножения им все равно необходима чужая клетка. Если есть живой организм, он обязательно состоит из одной или из многих клеток. В них обязательно есть наследственный материал. У всех клеточных организмов - это ДНК.

С другой стороны, мы понимаем, что так было не всегда, клетка не могла появиться сразу в готовом виде. И наверняка на ранних этапах возникновения жизни что-то похожее на жизнь уже было, а клеток еще не было. Существуют разные гипотезы: первичный бульон, развитие жизни в микрополостях кристаллов, но на каком-то этапе появилась клетка, и клеточные формы жизни быстро вытеснили все доклеточные формы.

Существуют факты, свидетельствующие о единстве происхождения всей нынешней земной жизни. У всех существ на Земле, которые нам известны, единый генетический код  и единый аппарат синтеза белка. То есть рибосомы, транспортные РНК, ферменты, участвующие в синтезе белка - это все более или менее едино у всего живого на Земле. Из всего этого выводится некий образ универсального общего гипотетического предка всех организмов, по-английски сокращено LUCA. И понятно, что он был уже объектом клеточного уровня организации, у которого была ДНК, рибосомы, транспортные РНК, генетический код, оболочка – липидная мембрана.

То есть все живое – это потомки Луки?

Да. Это то, что мы сейчас имеем. Мы предполагаем, что раньше были и другие формы жизни, но они вымерли, вытесненные потомками Луки.

Скажите, а есть ли в ламарковском механизме эволюции некий здравый смысл и соответствие реальности, есть ли факты возникновения мутаций под воздействием внешней среды…

Это очень интересная и очень большая тема. Если в двух словах, можно сказать – нет, приобретенные признаки не наследуются, мутации не адаптивны. А если мы начнем углубляться в детали, в конкретику, то увидим: то тут, то там появляются ситуации, которые напоминают ламарковское наследование по каким-то отдельным характеристикам. Например, я могу рассказать о недавнем открытии, которое, пожалуй, из всего нам известного ближе всего подходит к ламарковскому механизму. Это новооткрытая система приобретенного иммунитета у бактерий, у прокариот. Суть ее в следующем – когда в бактерию проникает вредноносный вирус, бактериофаг, он впрыскивает в нее свою ДНК, в ответ бактерия может при помощи специальных белков вырезать кусочек из вирусной ДНК и встроить его в свой собственный геном, в существующее специальное место на хромосоме. В нем сидят подряд кусочки ДНК, вырезанные у разных вирусов и других паразитических элементов, и эта система используется как система приобретенного иммунитета. Если бактерия сумеет выжить после вторжения вирусов, то в следующий раз, когда в нее проникнет такой же вирус, у нее уже будет встроенный в ее хромосому кусочек этого вируса, по которому она сможет с помощью специальных белков быстро опознать и уничтожить чужеродную ДНК. Таким образом, это самый настоящий приобретенный иммунитет. Это целенаправленное изменение бактерией собственного генома и оно, естественно, передается по наследству. Когда бактерия поделится, обе дочерние бактерии унаследуют этот приобретенный иммунитет против конкретного вируса. В данном случае это самое настоящее наследование приобретенного признака: сразу адаптивно, сразу имеет приспособительный характер и сразу передается по наследству. Этот пример, действительно, самое близкое приближение природы к ламарковскому наследованию. И в данном случае я должен отметить, что тот приобретенный признак, новая информация, которая была внесена в геном, уже изначально была записана на языке ДНК, поскольку взят кусочек ДНК вируса. Сама бактерия не может изобрести какой-то фрагмент ДНК и рассчитать, каким он должен быть.

А обратной связи между морфологическими изменениями и структурой ДНК не обнаружено…

Совершенно верно.

И скорее всего, их не существует?

Не существует механизма переписывания информации. Ричард Докинз сказал, что это один из немногих случаев, когда он готов произнести фразу, что съест свою шляпу, если такое найдут. И я, пожалуй, тоже готов съесть свою шляпу, если найдут ламарковское наследование. Чтобы некая информация, полученная в течение жизни, адаптивным способом кодировалась и записывалась в ДНК - этого почти наверняка не существует. Нет в природе такого механизма.

Давайте теперь поговорим о фактах общей эволюции в палеонтологическом смысле.

Смотрите, вот очень интересные факты – горизонтальный перенос генов и его роль в эволюции, мобильные генетические элементы и их роль, такие области, в которых много открытий в последнее время. Еще очень интересна проблема видообразования, половой отбор. Мы исходим из того, что все читатели хорошо знают, что такое естественный отбор. Но это совсем не так.А чего не знают читатели?

Примитивное понимание естественного отбора, которое распространено у не очень сведущих в биологии людей, предполагает, что естественный отбор основан на борьбе, в которой побеждает сильнейший. Многие думают, что отбор заботится о благе вида и отбирает такие особи, которые полезнее всего для вида. Ничего подобного. Второе заблуждение - отбор действует на благо организма…Почему же тогда мы стареем, почему умираем? Если отбор действует на благо организма, почему же он сделал нас смертными, а не бессмертными. Потому что отбор не действует на благо организма.

Есть версия, что отбор действует на благо генома, на благо наследования…

Он действует на благо генома, если это бесполые существа, у которых геном передается как целое. А если есть половое размножение или хотя бы эпизодическое изменение, то отбор работает на отдельные гены - которые эффективно размножаются, распространяя в окружающем мире свои копии. Как правило, интересы генов совпадают с интересами организма, но не всегда

И мы наблюдаем рак… Или это другое?

Это отдельная сложная тема. Эволюционная биология – гигантская область науки… Сейчас только в такой маленькой ее области как теория эволюции жизненного цикла выходит несколько тысяч статей в год. А по биологической эволюции выходят сотни тысяч статей.

Теория жизненных циклов – что это?

Факторы, от которых зависят эволюционные изменения, касающееся жизненной истории организма – это скорость взросления, скорость созревания, плодовитость в зависимости от возраста, сопротивляемость болезням в зависимости от возраста, скорость старения, среднее время смерти. Эти параметры меняются в ходе эволюции у организмов, и теория жизненных циклов занимается тем, что строит разные модели, проводит эксперименты, чтобы выяснить закономерности эволюционных изменений этих показателей. Например, если пресс хищников сильный, то организмам выгодно быстрее созревать и быстрее размножаться. Если пресс хищников слабый, оказывается более выгодным медленное созревание, постепенное размножение и более долгая жизнь.

Мы выяснили, что субъект естественного отбора – это ген. А что такое ген? 

Есть несколько определений гена. Проще всего приравнять ген к цистрону - некоторому участку ДНК, в котором закодирована структура какого-нибудь белка, скажем, какого-нибудь фермента. А если фермент состоит из нескольких белков, тогда на него приходится несколько генов. Многие гены кодируют несколько белков, потому что есть еще такая вещь, как альтернативный сплайсинг и редактирование РНК, тогда на основе одного и того же гена клетка может синтезировать много разных белков. Так что это тоже очень сложные связи. Раньше считалось, что есть строгая корреляция – один ген – один белок, а оказывается, что может быть один ген и много белков, один белок и много генов, а бывает ген и ничего. С другой стороны,  от некоторых регуляторных участков ДНК зависит работа белок-кодирующих генов, при этом  сами они никаких белков не кодируют.

Что такое горизонтальный перенос генов?

Горизонтальный обмен генами - противоположность вертикального обмена, когда передача происходит строго по наследству. Если у нас есть бесполый организм, который размножается почкованием или делением, то он передает гены своему потомству, и это называется вертикальной передачей. А если два разных организма объединяют свои гены каким-то образом, это горизонтальная передача. Половое размножение - это специализированный, очень совершенный и сложный способ горизонтального генетического обмена. Обычно на практике под горизонтальным обменом понимают то, что наблюдается у бактерий, прокариот - достаточно бессистемный обмен генами, в котором гораздо больше элемента случайности, чем при половом размножении.  Бактерии в отличие от высших организмов, размножающихся половым путем, могут обмениваться генами не только со своими родственниками, относящимися к тому же виду или роду, но и с кем угодно.

Тогда получается, что кто угодно и как угодно может обмениваться генами через бактерию.

Речь идет только о прокариотах. Но, да, теоретически это возможно…

Бактерия подцепила ваш ген, куда-то забралась и там его оставила. Возможно ли это?

Технически возможно. И такое происходит, но очень редко. Потому что это явление - горизонтальный обмен генами - у прокариот, бактерий, распространен глобально. Поэтому сейчас есть большие сомнения в адекватности изображения эволюция бактерий в виде дерева, как обычно рисуют.

То есть нужно рассматривать ее как единый биокомплекс, который постоянно обменивается между собой генами и видоизменяется как единое целое?

Может, это преувеличение, но что-то в этом роде. Это дерево, у которого очень много пересекающихся, срастающихся веточек. Каждая современная бактерия, грубо говоря, несет в своем геноме не только гены своих прямых предков, от которых она произошла путем непосредственного деления, но и не родственные гены, полученные путем горизонтального обмена.

Каков механизм горизонтального обмена генами?

У бактерии три механизма. Первый - это вирусный перенос или трансдукция. Вирус встраивает свою ДНК в хромосому бактерии, а потом может оттуда выйти и перейти в другую бактерию. При этом он способен иногда прихватить с собой часть генома одной бактерии, и, таким образом, перенести его в другую. Это обычная вещь. Второй способ - это естественная трансформация, когда бактерия берет из окружающей среды и всасывает кусочки ДНК. Иногда она встраивает эти кусочки в свой геном, и в результате трансформируется, меняет свои свойства и становится немного другой бактерией. Есть микробы, которые занимаются этим достаточно активно и все время меняются. Поэтому, если это болезнетворные бактерии, с ними трудно бороться. Один из ярких примеров – микроб Helicobacter pylory, который вызывает язву желудка. Он очень любит заниматься естественной трансформацией, и вследствие такой быстрой эволюционной изменчивости его очень трудно лечить антибиотиками. Третий способ – конъюгация, аналог полового процесса у бактерий, как его часто называют. У многих бактерий есть специальные структуры, специальные белки, которые образуют некие трубочки. С  их помощью одна бактерия присоединяется к другой и впрыскивает часть своей ДНК. В отличие от полового процесса у высших организмов, это однонаправленная передача, одна бактерия выступает как донор…

Но все же это прообраз полового размножения.

Безусловно. И придумали это паразитические генетические элементы. Некие плазмиды, эгоистические фрагменты ДНК, которые сначала сами и кодировали весь этот аппарат конъюгации и переходили из бактерии в бактерию, размножались в бактериях, заставляя их конъюгировать и передавать себя другим бактериям. Но потом произошла так называемая молекулярная доместикация (одомашнивание) - очень интересный процесс, когда организмы клеточных уровней организации вступают как бы в симбиоз с этими клеточными эгоистическими элементами, и приспосабливают их к какой-то полезной функции. И многие бактерии уже имеют гены аппарата конъюгации в своей основной хромосоме и используют их для того, чтобы передавать другим бактериям не только, скажем, эту эгоистическую плазмиду, но и часть своей хромосомы. Получается аналог половых процессов.

Часть 2 интервью - ЗДЕСЬ. 

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив