Дмитрий Шабанов: Вперёд, к эпигенетическому будущему!

Специфика эпигенетической теории эволюции – внимание к организму и его развитию как к целостной системе, которая рассматривается феноменологически, а не аналитически.

В прошлой колонке я похвастался, что в конференции на харьковском биофаке, к организации которой я имел отношение, принимал участие Александр Павлович Расницын. Я пересказал некоторые мысли его доклада, с которым он выступил на открытии конференции. А сейчас я хочу поговорить об эпигенетической теории эволюции, ставшей темой круглого стола, проведённого Александром Павловичем.

Тут (в какой уж раз в моих колонках!) необходим дисклеймер. Эволюционную биологию пытаются скомпрометировать агитаторы, пытающиеся подменить науку принятием догмы. Всяческие "научные креационисты" (даже их самоназвание является сontradictio in adjecto, противоречием в определении, или, иначе говоря, оксюмороном: наука несовместима с принятием религиозной догмы) очень любят цитировать споры между сторонниками разных теорий эволюции. То, о чём я буду здесь писать, не имеет никакого отношения к попыткам опровергнуть хорошо установленный факт эволюции; речь идёт о спорах, касающихся недостаточно изученных механизмов этого процесса.

Так вот, я говорю об эволюционной теории, которую её основной создатель, Михаил Александрович Шишкин, назвал эпигенетической теорией эволюции И.И. Шмальгаузена - К.Х. Уоддингтона. Надо сказать, что в работах Шмальгаузена и Уоддингтона можно найти ключевые для эпигенетической теории эволюции мысли, но одновременно там же содержится много такого, что с этой теорией несовместимо. Здесь я просто буду говорить об ЭТЭ (эпигенетической теории эволюции), противопоставляя её СТЭ (синтетической теории, которую лучше было бы называть популяционно-генетической теорией, ведь разных синтезов может быть много). Хотите познакомиться с ЭТЭ ближе - читаете статьи, помеченные "Эпигенетическая классика..." тут. Тут не только статьи Шишкина, а также и ключевые для ЭТЭ работы А.С. Раутиана и А.П. Расницына.

Эпигенетическая теория основана на нескольких хорошо известных фактах и обобщениях. Попробую перечислить некоторые из них.

• Естественный отбор (разные шансы на выживание и размножение) отбирает или отсеивает не отдельные признаки, а организмы в целом.
• Сложные организмы являются результатом индивидуального развития - онтогенеза.
• На онтогенез влияют не только наследственные задатки организма, но и в существенной мере - воздействия среды; вследствие этого наследуется не состояние признака, а норма реакции - набор его возможных состояний, реализующийся в разных условиях среды с различной вероятностью.
• Подавляющее большинство генов влияет не на один признак организма, а на множество; подавляющее большинство признаков зависят не от одного гена, а от многих (в пределе - от генотипа в целом).
• Изменчивость организмов не бесконечно пластична; анализ разнообразия особей в природе позволяет отнести их к конечному количеству вариантов нормы и какому-то конечному количеству уклоняющихся типов (аберраций).
• Генотип не чертёж организма; гены содержат "рецепты" белков, выполняющих определённые функции, и набор переключателей, определяющих, какой из возможных путей развития будет с большей вероятностью выбран организмом.
• Одни и те же изменения онтогенеза (и возникающие в их результате признаки) могут вызываться как генетическими особенностями, так и воздействиями среды.
• В ходе онтогенеза устойчивее всего реализуется то состояние признака, которое соответствует норме; генетический анализ внешне нормальных особей из естественных популяций показывает их неожиданно высокое генетическое разнообразие.

Вот, знаете ли, составил этот список и вижу, что признание этих утверждений толкает к принятию вполне определённого представления об эволюционном процессе - к согласию с эпигенетической теорией эволюции. Увы, это очевидно далеко не всем. Более того, биологи делятся на меньшинство, которое легко принимает эту точку зрения, и большинство, которое её то ли не понимает, то ли не согласно принять. Для её принятия необходимо переосмыслить то, чему всех нас учили: кого в школе, кого - в университете.

Какие же следствия вытекают из перечисленных мною предпосылок?

Любой развивающийся организм имеет определённый набор возможных путей развития. Отбор может поддерживать одну или несколько норм. Такой отбор приводит к тому, что нормальное развитие становится всё более устойчивым; в случае нескольких норм развиваются генетические системы переключения между этими путями (типичные гены, работающие по Менделю). Когда экологическая ситуация меняется, отбор начинает работать против прежних норм. Развитие организмов дестабилизируется, начинают возникать разнообразные аберрации. Если какие-то из этих аберраций поддерживаются отбором в новых условиях, он начинает стабилизировать уже их развитие, делая их новыми нормами. Таким образом, эволюция оказывается чередованием стабилизации и дестабилизации определённых путей развития отбором.

Давайте я попробую сформулировать альтернативную точку зрения. Сразу скажу, что она получится немного карикатурной. Так думают не все сторонники СТЭ, а только самые ортодоксальные из них. Увы, даже те из сторонников СТЭ, которые оспорят приведённые мною утверждения, в своих представлениях о механизме эволюции вынуждены опираться на них неявно. Без опоры на эти, на самом-то деле легко опровергаемые, утверждения СТЭ не работает.

Свойства организма определяют его гены. Каждому состоянию гена (аллелю) отвечает свой признак. Некоторые из аллелей полезные, некоторые - вредные. Новые аллели возникают в результате спонтанных и ненаправленных изменений уже имеющихся - мутаций. Если мутация значимо меняет генетический "текст", возникает новый аллель, у которого будет своё полезное или вредное проявление. Отбор удаляет носителей вредных признаков, оставляя носителей полезных. Хотя особи в естественных популяциях отличаются друг от друга по многим генам и по многим признакам, действие отбора постепенно повышает частоту полезных аллелей в популяции и тем самым обеспечивает эволюционный прогресс.

Вам знакомы такие представления? Что, неужели даже привычны? Как их назвать? Один из удачных вариантов - "генетика горохового мешка" (тут обыгрывается то, что СТЭ рассматривает каждый признак по отдельности, как отдельные горошины, пересыпающиеся в мешок). Даже жалко: такая стройная картина - и неправильная. Особенно губительны для неё два обстоятельства. Эффект каждого аллеля зависит от того, в каком генетическом окружении он оказался и в каких условиях происходит развитие организма. Прямого соответствия, позволяющего по признакам организма определить его гены, нет - одни и те же удачные варианты, которым благоприятствует отбор, могут развиваться на самой разной генетической основе или просто в результате специфического действия среды. Чем сложнее организм, тем сложнее связи, влияющие на развитие его признаков. Почитайте: я достаточно подробно описывал усложнение связи между генами и признаками в одной из прежних колонок.

Думаете, это всё? Есть ещё одна проблема. Даже при однозначном соответствии между генами и отражающими их признаками, отбор одновременно по нескольким генам оказывается крайне неэффективным (и это мы затрагивали ещё в одной старой колонке).

Последнее утверждение часто называют "дилеммой Холдейна". Это обстоятельство было впервые осознано в статье "Цена естественного отбора", опубликованной в 1957 г. Джоном Холдейном (1892-1964), одним из творцов СТЭ. Я не согласен с формулировкой дилеммы Холдейна, которую предлагает Википедия; её суть - именно в неэффективности отбора, идущего одновременно по многим генам, а не в той или иной оценке скорости эволюции. В отличие от автора упомянутой статьи Википедии, я (вслед за Расницыным) удивляюсь не тому, как быстро идёт эволюция, а тому, насколько она обычно идет медленно (по сравнению с примерами, которые показывают доступные для неё скорости изменений).

Сравнивать СТЭ и ЭТЭ можно ещё долго. Приведу лишь ещё одну деталь. Для СТЭ наследственность - непонятно откуда взявшееся свойство живого. Вначале возникли гены, которые "умели" определять признаки, потом отбор признаков привёл к эволюции генов. Для ЭТЭ наследственность - результат отбора. Способные к копированию (размножению) системы оказывались успешны, если на смену единицам отбора, соответствовавшим запросам среды, приходили похожие на них. Наследственность - следствие отбора на воспроизведение сохраняемой отбором нормы.

Почему же до сих пор ЭТЭ остается уделом интеллектуального меньшинства биологов, а подавляющее их большинство продолжает "по умолчанию" опираться на СТЭ? Тут много причин. СТЭ построена на линейных цепочках "причина - следствие", к анализу которых хорошо приспособлена наша структура мышления. Задача анализа свойств системы управления развитием сложного организма намного сложнее задачи трёх тел, о которых я рассказывал в упомянутой колонке.

На круглом столе речь шла о некоторых из этих вещей. Естественно, Александр Павлович сделал акцент на проблеме, с которой связан его вклад в развитие ЭТЭ, - проблеме адаптивного компромисса как эволюционной ловушки (я писал об этом в прошлый раз). В экологически стабильной ситуации аберрантные особи практически не имеют шансов выжить: они практически неизбежно будут проигрывать компромиссной норме в каком-то важном отношении. Именно в этом коренится причина устойчивости многих видов (иначе, особенно у видов без полового размножения, совершенно загадочной). Шансы выжить у аберрантных особей появятся только в том случае, если характер естественного отбора существенно изменится, а прежние требования к их организации окажутся сняты.

Итак, специфика ЭТЭ - внимание к организму как к целостной системе, которая рассматривается феноменологически, а не аналитически. Такой подход диаметрально противоположен типичной редукционистской логике молекулярной биологии. Знаете, как тяжело молекулярщикам воспринимать ЭТЭ? Это было видно даже на круглом столе. Я имел удовольствие наблюдать, как слушали Расницына спецы по эпигенетическому наследованию. В данном случае слово "эпигенетический" не имеет отношения к ЭТЭ: речь идёт о способе регуляции генной активности с помощью "разметки" цепочки ДНК, которая обеспечивается химической модификацией отдельных нуклеотидов. Так вот, редукционисты-молекулярщики искренне страдали! Рассуждения Расницына должны были казаться им ужасной метафизикой, не то что трёхмерные реконструкции макромолекул. Впрочем, это не помешало особо выразительным страдальцам отправиться фотографироваться вместе с Александром Павловичем после окончания мероприятия.

Как сделать ЭТЭ понятной и приемлемой для "широкой биологической общественности"? Мне кажется, её надо попытаться максимально формализовать, отразить в моделях. Возможность формализации - это проверка логичности и непротиворечивости той или иной системы взглядов. СТЭ частично формализована: с самого начала она опиралась на математическую теорию отбора, которую развивали блестящие биологи-математики: Рональд Фишер (1890-1962), Сьюэл Райт (1889-1988), уже упомянутый Джон Холдейн. Созданные ими модели работали только для ограниченного набора простых случаев, но зато для этих случаев работали хорошо. Для сложных, эволюционно значимых случаев формализовать СТЭ не удаётся, кроме прочего, из-за дилеммы Холдейна. По моей оценке, это проявление глубокой внутренней противоречивости СТЭ.

Мне кажется, что в ситуации выбора между нормой и аберрациями можно уйти от ограничений, которые накладывает на ход эволюции дилемма Холдейна. Увы, пока понять, как формализовать эту догадку, я не могу.

А почему логика ЭТЭ не отражена в понятных моделях до сих пор? Причин немало. Во-первых, это очень сложная задача. Во-вторых, как подчеркнул Александр Павлович, сторонников ЭТЭ, действительно понимающих её суть, до обидного мало. В-третьих, просто время не пришло: мы плохо умеем описывать свойства сложных систем и, возможно, знаем ещё не все механизмы передачи информации в ходе онтогенеза.

Есть над чем работать.