Мы рассказывали о том, что современная биология переживает настоящий бум исследований в области эпигенетики – т. е. эффектов и механизмов, связанных с регуляцией активности генов в разных тканях организма и на разных этапах его развития. Мы говорили о том, что такого рода изменения активности генов часто закономерно происходят в ответ на те или иные изменения условий жизни. При этом они могут в какой-то мере наследоваться и обнаруживаться у ближайших потомков того животного, которое подверглось вызвавшему их воздействию. В силу этого многие ученые сегодня склонны видеть в эпигенетике механизм наследования благоприобретенных признаков – явления, казалось бы, полностью отвергнутого биологией ХХ века. Однако подобная интерпретация эпигенетических эффектов при внимательном рассмотрении вызывает некоторое удивление: энтузиасты «эпигенетического ламаркизма» видят в них прежде всего механизм
адаптации, приспособления организмов к изменившимся внешним условиям, в то время как приводимые ими факты говорят о том, что эпигенетические изменения скорее
контрадаптивны. Мы удивлялись, что этого противоречия словно бы никто и не замечает.
Однако вскоре после выхода нашей статьи об эпигенетике один из ведущих научных журналов мира –
Nature опубликовал очередную работу американских биологов, ведущих многолетнее исследование эволюционных процессов в природных популяциях рыбок гуппи в речках и ручьях острова Тринидад. Хотя в этой работе не изучалось эпигенетическое наследование и даже не встречается слово «эпигенетика», само исследование выглядит прямым (и весьма убедительным) ответом на заданный нами вопрос. Но прежде, чем рассказывать о нем, нужно сказать несколько слов об уникальном научном проекте, частью которого оно является.
Сага о тринидадских гуппи
Рыбка гуппи знакома, наверное, всем – даже тем, у кого никогда не было своего аквариума. Но не все знают, откуда она родом. В природе гуппи живут в Центральной и на севере Южной Америки – в частности, на Тринидаде, где они населяют ручьи и мелкие речки, в изобилии стекающие со склонов Северной горной цепи острова. В этих потоках относительно глубокие и медленно текущие плесы чередуются с перекатами и небольшими водопадами. Гуппи держатся в основном на плесах, на перекаты заплывают редко, а водопады для них почти непреодолимы (хотя иногда им, видимо, все же удается прорваться через эти преграды – как показывают молекулярно-генетические исследования, «верховые» популяции гуппи обычно происходят от тех, что расположены ниже по течению). В результате все гуппиное население водоема оказывается разбито на цепочку локальных популяций, изолированных или почти изолированных друг от друга. В тех же водоемах живут и враги гуппи – хищные рыбы, но для них мелководья и водопады – препятствие еще более серьезное, чем для гуппи. Поэтому хищников много в низовьях ручьев и в более-менее крупных речках, по мере подъема вверх их разнообразие уменьшается, и в верховьях можно найти заводи, где хищников нет вовсе или они представлены только одним видом – самым мелким, нападающим почти исключительно на молодь гуппи. Еще выше расположены плесы, в которых гуппи тоже вполне могли бы жить, но не живут – еще не добрались.
Такие местообитания открывают широчайшие возможности для экспериментального изучения экологических и эволюционных взаимоотношений хищников и жертв. Можно пересаживать рыбок из популяций, находящихся под прессом хищников, в безопасные местообитания и наоборот, из спокойных плесов в воды, кишащие хищниками; подпускать хищников в мирные заводи и т. д. – и смотреть, какие изменения в облике, физиологии и поведении гуппи повлечет за собой изменение риска быть съеденным.
Первые исследования такого рода были проведены еще в 1957 году, а начиная с конца 1970-х они стали постоянными. Их ведут разные группы ученых, причем позднейшие исследователи имеют возможность продолжать и видоизменять эксперименты, начатые их предшественниками, и оценивать их отдаленные результаты. Главное достоинство этого эпического проекта – в том, что он сочетает строгость лабораторного эксперимента с безусловной естественностью изучаемых процессов. В самом деле, изучаемые рыбки во время эксперимента продолжали жить в своей обычной среде обитания, и все, что с ними происходило, могло происходить с их собратьями без всякого вмешательства людей. В частности, отбор ведут не исследователи, а хищные рыбы, и взаимодействие хищников и жертв происходит не в искусственной системе, состоящей только из этих двух компонентов, а в полноценном природном сообществе. В то же время возможность манипулировать одним строго контролируемым фактором позволяет вычленить именно его роль во всей совокупности взаимодействий, в которые вступают популяции гуппи в природе.
За десятилетия наблюдений и экспериментов было получено много интереснейших результатов, но рассказ о них требует отдельной статьи (возможно, даже не одной). Для нас сейчас важно, что еще на заре «Проекта Гуппи» было надежно установлено следующее:
1. Присутствие хищников (а также их обилие и видовое разнообразие) – очень важный фактор, в значительной степени определяющий направление эволюции гуппи в тех местах, где хищники есть.
2. В отсутствие хищников основным фактором эволюции оказывается внутривидовая конкуренция за ресурсы – в частности, конкуренция самцов за самок.
3. В случае появления или исчезновения в водоеме хищников эволюционные сдвиги в облике и особенностях индивидуального развития гуппи обычно можно заметить через три-четыре поколения (что в зависимости от особенностей места обитания занимает от года до 2,5 лет). Изменения же в поведении развиваются уже у первого поколения рыбок, столкнувшихся с новой для себя ситуацией – и следовательно, являются результатом не эволюции, а индивидуального приспособления.
Эти положения кажутся почти тривиальными. Тем не менее их желательно помнить для правильного понимания результатов очередного исследования, проведенного на тринидадских гуппи.
«...Что любое движенье направо начинается с левой ноги»
Объектом нового исследования группы ученых во главе с одним из основных участников «Проекта Гуппи» Дэвидом Резником стали четыре популяции гуппи. Популяция №1 жила в относительно большой и глубокой реке, где было немало охотящихся на гуппи хищников, самым опасным из которых была хищная цихлида
Crenicichla frenata. Популяция №2 обитала в маленьком ручье, где хищников не было вообще. Молекулярно-генетический анализ показал, что популяция №2 когда-то отпочковалась от популяции №1, но как давно это случилось, оставалось неизвестным – хотя было ясно, что она живет в безопасных водах уже много поколений. Популяции №3 и 4 ученые создали сами, взяв некоторое число рыбок из популяции №1, пересадив их в заводи без хищников и подождав, пока там сменятся три-четыре поколения (как мы помним, минимальный срок для наступления заметных эволюционных изменений). По сути эти две популяции воспроизводили популяцию №2 на самом начальном этапе ее независимой эволюции.
Первым делом ученые взяли достаточное количество взрослых самцов из всех четырех популяций и померили активность всех генов, работающих в клетках их мозга (это можно сделать, просто подсчитав количество одновременно присутствующих в клетках информационных РНК, снятых с каждого гена). Сравнив активность каждого отдельного гена в разных популяциях, они выявили 135 генов, активность которых в дочерних популяциях отличалась от их активности в популяции №1. Причем активность каждого из этих генов во всех трех дочерних популяциях была смещена в одну и ту же сторону (увеличена или уменьшена) по отношению к материнской. Это позволяло предположить, что эти сдвиги отражают не случайные различия, а именно приспособление к новым условиям обитания – отсутствию хищников. Активность генов зависит как от внешних сигналов, так и от «содержания» других областей генома – регуляторных участков ДНК, генов так называемых «факторов транскрипции» (сигнальных белков, регулирующих интенсивность работы других генов) и т. д. – и в меру этой зависимости подлежит действию естественного отбора. Так что изменения в активности 135 генов могли быть суммой «быстрой» фенотипической (эпигенетической) реакции и генетических изменений под действием естественного отбора.
Каков же вклад каждого из этих факторов? Чтобы выяснить это, ученые взяли еще одну группу самцов из популяции №1 и рассадили по двум аквариумам с проточной водой. В один вода поступала из другого аквариума, где жила хищная креницихла, которой ежедневно скармливали по две гуппи – так что гуппи из первого аквариума постоянно чувствовали запах хищника и «феромон тревоги», выделяемый его жертвами. Поскольку рыбки были из популяции №1, для них эти пугающие сигналы были привычными – в своей родной речке они тоже постоянно сталкивались с ними. Через другой аквариум текла просто чистая вода без всяких следов присутствия хищника – и это для рыбок из популяции №1 было совершенно новой ситуацией.
Через две недели (довольно большой срок в масштабах гуппиной жизни) ученые сравнили активность уже известных им 135 генов у гуппи из двух аквариумов. Поскольку геном рыбок измениться не мог, различия в активности генов в этом эксперименте могли отражать только индивидуальную фенотипическую реакцию на изменившиеся условия.
И вот тут выяснилось самое интересное. Из 135 исследованных генов 120 (89%) отреагировали на исчезновение хищников изменением активности в сторону,
противоположную той, в которую она менялась в ходе
эволюционного приспособления к отсутствию хищников. То есть те гены, которые
в ходе эволюции увеличивали свою активность,
в ходе индивидуальной реакции ее уменьшали – и наоборот. Наблюдалась даже некоторая пропорциональность: чем сильнее интенсивность работы того или иного гена отклонялась от исходных значений у рыбок, только что столкнувшихся с отсутствием хищника, – тем больше было ее отклонение в противоположную сторону через три-четыре поколения жизни в безопасности. А те 15 генов, у которых направление индивидуальных изменений активности совпало с эволюционным, отличались наиболее слабыми изменениями ее в обоих случаях.
Конец прекрасной идеи
Какое все это имеет отношение к вопросу об эволюционной роли эпигенетических эффектов? Самое прямое: изменения активности генов
в ходе жизни особи (в отличие от тех, что происходят в ряду поколений) – это и есть эти самые эпигенетические эффекты в чистом виде. Правда, группа Резника не изучала возможность и степень их наследования – этого не позволяли применяемые методы измерения активности генов. Но и без этого картина ясна: эпигенетические сдвиги не «предвосхищают» последующие эволюционные изменения, не «прокладывают пути» для них, а уводят организм куда-то совсем не туда. Конечно, такая картина получена хотя и для очень большого числа генов, но все-таки для единственного вида и для адаптации к единственному фактору – исчезновению хищников. Но в сопоставлении с тем, что мы видим едва ли не во всех работах по «эпигенетическому ламаркизму» (если отвлечься от рассуждений авторов и смотреть только на приводимые ими факты), разнонаправленность эпигенетических и эволюционных сдвигов предстает общей закономерностью. Кстати, сами авторы «гуппиного» исследования так прямо и пишут, что фенотипическую пластичность можно использовать для прогноза направления эволюции под действием того или иного нового фактора – например, глобального потепления. Мол, глянул, как изменилась активность тех или иных генов у первого поколения, попавшего под действие этого фактора, – и уверенно предсказываешь, что в эволюции все будет наоборот.
Конечно, если в свете этого оглянуться на историю эволюционной идеи в биологии, на язык невольно запросятся иронические комментарии. Боже мой, сколько квадратных километров бумаги было исписано за последние двести лет глубокомысленными словесами о «жизненном порыве», «воле», «стремлении», «аккумуляции усилий» и всем таком прочем, что позволяет животному самому влиять на свою будущую эволюцию! Сколько блестящих умов – от Ламарка до Анри Бергсона и Бернарда Шоу – обольщались этой красивой идеей! Сколько упреков, насмешек, патетических обличений было обрушено на «догматиков»-дарвинистов, злостно игнорирующих эту великую творческую силу! И вот оказывается, что эта великая сила способна только создавать дополнительные препятствия на пути реальной эволюции. Разгребать которые приходится все тому же невозмутимому и трудолюбивому «демону Дарвина» – естественному отбору. (О том, как в свете данных группы Резника выглядят теоретизирования современных энтузиастов «эпигенетического ламаркизма», мы лучше милосердно промолчим.)
Но ирония – иронией, а как же все-таки понимать этот результат? Сами авторы работы предлагают простую трактовку: именно неалаптивность «первой реакции» активности того или иного гена – причина особенно быстрой эволюции ее в ближайших поколениях. Чем вреднее будет модификационное (негенетическое) изменение того или иного признака, чем сильнее оно осложнит жизнь своих обладателей – тем ценнее будет любое мутационное (генетическое) изменение, сдвигающее этот признак в обратную, полезную сторону, тем жестче будет отбор в пользу такого генетического варианта. И тем быстрее, следовательно, этот признак будет эволюционировать в ближайших поколениях. Эта мысль даже вынесена в название статьи Резника и его коллег: «Неадаптивная пластичность усиливает быструю адаптивную эволюцию экспрессии генов в природе».
Это рассуждение звучит вполне правдоподобно и к тому же подтверждается некоторыми косвенными особенностями наблюдаемой картины (сужением размаха колебаний уровня активности для изученных генов в «безопасных» популяциях по сравнению с «живущими в опасности»). Однако остается вопрос: почему же «быстрые» изменения активности генов столь неотвратимо неадаптивны? Даже если они никак не связаны «по смыслу» с тем, чего требуют от организма изменившиеся условия среды, – почему бы им хотя бы в половине случаев не оказаться полезными? Ну или хотя бы нейтральными? Собственно, почему эти гены вообще закономерно реагируют на данное изменение в среде, если эта реакция никак не связана с этим изменением и не содействует адаптации к нему?
Логика конструктора и логика техника
Пять или шесть лет тому назад российский этолог и эволюционист Владимир Фридман, пересказывая и комментируя в своем блоге результаты «Проекта Гуппи» (и, разумеется, ничего не зная о нынешней работе группы Резника, которая в то время даже еще не начиналась), обратил внимание на одно любопытное, но не привлекавшее особого внимания обстоятельство. Известно, что любому живому существу постоянно приходится искать компромисс между противоречивыми требованиями окружающей среды – в частности, между нуждами размножения и самосохранения. Слишком страстные сексуальные устремления, слишком большой вклад в потомство, раннее созревание, минимизация резервов организма и т. д. неизбежно влекут увеличение рисков – быть замеченным и съеденным хищником, не пережить неблагоприятный сезон и т. д. И наоборот: особь с неброской внешностью, неактивная в поисках партнера, легко прерывающая брачные ритуалы при малейшей угрозе, долго растущая и накапливающая запасы, прежде чем вступить в размножение, проживет, скорее всего, дольше других, но рискует не оставить потомков. Значит, надо выбирать какую-то промежуточную стратегию, а при изменении обстановки (например, резкого увеличения угрозы со стороны хищников) – смещать ее в ту или другую сторону. Такие же компромиссы приходится, согласно современным эволюционным моделям, искать и виду в целом.
Так вот, Фридман обратил внимание на то, что в опытах со вселением хищников в безопасные дотоле заводи (т. е. в ситуации, обратной той, которая исследовалась в нынешней работе) изменения
в индивидуальном поведении рыбок и
эволюционные изменения в популяции пошли в разных и до некоторой степени противоположных направлениях. Гуппи (особенно самцы) стали осторожными, пугливыми, расходовали гораздо меньше времени и сил на ухаживания и всегда готовы были их прервать – то есть изменили свое поведение в сторону большей заботы о личной безопасности в ущерб заботе о размножении. А в ряду поколений изменения шли в сторону мелких, быстро созревающих, сексуально активных особей – т. е. в сторону роста «вложения» в размножение за счет уменьшения «вложений» в собственный размер и безопасность. По сути дела Фридман на чисто фенотипическом уровне заметил тот же парадокс, который сейчас группа Резника наглядно продемонстрировала на уровне генетическом – или точнее, эпигенетическом. И то, что при рассмотрении одной лишь активности генов и ее изменений, кажется загадочным и противоестественным, при взгляде на фенотипическое выражение приобретает вполне внятный смысл.
Получается, что мы (как и авторы статьи в Nature) были не вполне правы, назвав индивидуальные изменения «контрадаптивными» или «неадаптивными» на том лишь основании, что они противоречат последующим эволюционным изменениям. Возможно, что на самом деле эти сдвиги по-своему адаптивны – только это совсем другая стратегия адаптации, ставящая во главу угла другие приоритеты и потому плохо совместимая с адаптацией эволюционной.
Пояснить сказанное можно такой аналогией. Представим себе авиаконструктора, которому нужно, допустим, модернизировать истребитель. Ему приходится учитывать целый ряд противоречащих друг другу требований: машина должна летать быстрее, чем предыдущая модель (и чем самолеты противника), но при этом нельзя уменьшать ее маневренность, ослаблять вооружение, уменьшать время, которое она способна находиться в воздухе, и т. д. Чтобы улучшить одни и сохранить на прежнем уровне другие важные в бою характеристики, конструктор решает пожертвовать долговечностью машины – исходя из того, что подавляющее большинство этих самолетов все равно не доживет до опасной степени износа. Но вот истребитель спроектирован, принят на вооружение, поступил в войска и оказался там на попечении аэродромных техников. Техник не имеет возможности существенно изменить конструкцию самолета, да и вообще его задача – не обеспечить превосходство данной модели, а поддерживать в наилучшем из возможных состояний данный конкретный экземпляр. Поэтому он будет стараться улучшить то, что он может улучшить, – в частности, продлить ресурс машины, т. е. сделать ее более долговечной. И даже не задумается о том, что это противоречит логике изменений, внесенных конструктором – да и всему тренду развития истребительной авиации.
Можно предположить, что если не во всех, то во многих случаях примерно так же соотносятся индивидуальные изменения с эволюционными. Механизмы индивидуальной пластичности не могут сколько нибудь существенно изменить морфологию данной особи, не говоря уж об особенностях индивидуального развития, которое она давно прошла. Они могут изменить только ее поведение и – в тех или иных пределах – «текущую» физиологию. И меняют их так, чтобы обеспечить максимальную безопасность и благополучие
данной особи. В конце концов, откуда им знать, как надолго пришли перемены? Может быть, это только краткая полоса, и главная задача – пережить ее любой ценой? А вот если оказывается, что перемены – всерьез и надолго (по крайней мере – по сравнению со сроком индивидуальной жизни), в дело вступает естественный отбор, способный вносить изменения в саму «конструкцию». Но он уже имеет дело не с индивидуальными особями, а с генами, и потому его приоритеты могут быть совсем иными.
Разумеется, это только одна из возможных гипотез. Противоречие между направлением индивидуальных и эволюционных изменений может объясняться чем-нибудь совсем иным – например, ошибками компенсационных механизмов. Вспомним, что в отсутствие хищников самцу выгодно быть цветастым и уделять брачным демонстрациям как можно больше времени и сил. Но когда хищники исчезли внезапно, может резко увеличиться частота встреч с самцами-конкурентами – отчасти из-за реального роста никем не поедаемой популяции, отчасти из-за того, что все разом перестали прятаться. А частое лицезрение соперников приводит к стрессу, который угнетает и яркую окраску, и сексуальную активность. Через три-четыре поколения естественный отбор исправит эту ошибку (например, повысив порог стресс-реакции), изменения пойдут в «правильную» сторону – но это будет уже потом.
Можно, наверно, придумать и еще какие-нибудь модели. И запросто может статься, что в одних случаях верны одни объяснения, в других – другие. Пока что же нам важен сам факт разнонаправленности индивидуальных реакций особей и дальнейшей эволюции популяции. И исходя из него, можно предположить, что даже в тех случаях, когда направление этих изменений совпадает (см. ниже) – это именно всего лишь совпадение, а не внутренняя связь. Вероятность перерастания эпигенетических изменений в эволюционные примерно равна вероятности превращения лейки огородника в дождевую тучу.
Опыт небывалого
Здесь можно было бы поставить точку, но у читателей, помнящих хотя бы школьный курс биологии, наверняка уже давно вертится на языке вопрос: а как же знаменитые модификации, «определенная изменчивость»? Нас же в школе учили, что они обычно адаптивны! Читатель, знакомый с биологией более глубоко, вспомнит и про «генетическую ассимиляцию» и «эффект Болдуина» – ситуации, когда те или иные изменения (предположительно адаптивные) возникают сначала как чисто фенотипические варианты, а через какое-то число поколений становились генетически предопределенной нормой. Как это совместить с закономерностью, открытой группой Резника?
Вряд ли кто-то сейчас может дать исчерпывающий и бесспорный ответ на этот вопрос – ведь «эффект Резника» только что обнаружен, и его детальное исследование впереди. Но самое простое и очевидное соображение можно прочитать в любом приличном учебнике по теории эволюции: адаптивные модификации – не первые шаги эволюции, а ее результат, сформированный ею приспособительный механизм. Помимо всего прочего это означает, что они «включаются» в ответ на что-то, с чем данный вид
более-менее регулярно сталкивался в ходе своей предыдущей эволюции. Знаменитое растение стрелолист под водой выпускает лентовидные листья, а над водой (или при произрастании на суше) – стреловидные, потому что он может расти и на мелководье, и на берегу, и на земле, которая несколько раз за лето успеет побывать то дном, то берегом. Геном стрелолиста эволюционно «знаком» с обоими наборами условий и имеет свою программу формирования листа для каждого из них. Рачок артемия имеет разное строение своих хвостовых члеников в зависимости от того, при какой солености воды он развивался, потому что этот рачок может жить в водоемах с разной соленостью, и его геном готов к любому ее значению в довольно широких пределах. Если бы хищные рыбы в тринидадских ручьях то появлялись бы во множестве, то полностью исчезали (или если бы каждый малек гуппи мог со сравнимой вероятностью оказаться как в водоеме, кишащем хищниками, так и в безопасном), возможно, гуппи бы выработали механизмы, позволяющие особи при одних и тех же генах развиваться либо в форму, приспособленную к опасностям, либо в форму, выгодную при их отсутствии – а то и переходить из одной в другую в течение жизни. Но попадание рыбок из зашуганной хищниками популяции в безопасную заводь – явление слишком редкое и нерегулярное, чтобы стать фактором отбора; вселение хищников в мирные прежде воды случается еще реже, а их полное исчезновение там, где они прежде водились в изобилии, может быть только чудом или началом очередного эксперимента в рамках «Проекта Гуппи». Понятно, что предыдущая эволюция не снабдила вид никакими инструкциями на случай столь нештатных ситуаций.
Такая интерпретация, кстати, поясняет, почему в большинстве экспериментов по эпигенетическому наследованию наблюдаемые сдвиги оказываются явно неадаптивными. Дело в том, что факторы, вызывающие их (от постоянного обилия высококалорийной еды до воздействия никотина), – это то, с чем данный вид в своей предыдущей эволюции не сталкивался. И что, следовательно, требует не извлечения из прежнего эволюционного опыта какого-то «запасного плана действий», а выработки совершенно
нового эволюционного ответа на новый вызов.
То же самое, собственно, можно сказать и о действиях научного сообщества по отношению к новым открытиям: для их понимания нужно не примерять на них архаичные теории, а вырабатывать новые.
Источник:
«Знание – сила», №2, 2016 ,
