Геном как программа
Наследственность, согласно первой аксиоме Б.М. Медникова, есть передача генетической программы из поколения в поколение. О том, что «генотип представляет собой программу, набор генетических инструкций для некоторого ограниченного числа альтернативных путей развития», каждый из которых определяется средой (Рейвин, 1967), говорили и другие авторы. Упомянем нобелевских лауреатов Дж. Ледерберга и П. Медавара (Sir Peter Brian Medawar, 1915-1987). Своей первой аксиомой Б.М. Медников фактически снимает противопоставление генотипа и фенотипа как самостоятельных составляющих организма. Соответственно становится излишним деление на наследуемые и ненаследуемые фенотипические различия. Все определяет генотип. Отвечая на критические замечания СМ. Гершензона (19836), который совершенно справедливо обратил внимание на ненаследственные (длительные) модификации, которые не вытекают из матричного принципа, Б.М. Медников писал: «... термин «ненаследственные» здесь неудачен. В конечном счете никакой признак фенотипа не наследуется; наследуется лишь способность к образованию этого признака, т.е. норма реакции, допускающая возможность модификаций. Если мы этого не оговорим, то откроем возможность допущения «ассимиляции внешних условий» и прочих положений механоламаркистов и псевдодарвинистов». В другой работе Б.М. Медников (1987, цит. по: Медников, 2005) идет дальше, утверждая, что «... на самом деле не наследуется ни норма, ни модификация. Вообще не наследуется ни один признак, а лишь способность к его проявлению в фенотипе приданных условиях». Это, видимо, следует понимать так, что наследуются лишь гены, а то, как они проявят себя в признаках, может зависеть и от факторов среды. Этот вывод справедлив лишь для части признаков, а именно тех, которые однозначно определяются теми или иными генами. Но если между генами и признаками есть однозначное соответствие, то не будет ошибкой говорить о наследовании как генов, так и признаков, которые эти гены определяют. Грегор Мендель начинал изучать и изучал особенности наследования признаков гороха, а не некие-то способности к развитию, связанные с генетическими детерминантами. В равной мере не будет ошибкой сказать, что тяжелый недуг, обусловленный образованием аномально толстого слоя мукуса эпителиальными клетками при муковисцидозе, передается по наследству. Наконец, отбор действует через признаки (адаптации), наследуемое изменение которых ведет либо к лучшей, либо к меньшей приспособленности. Просто способности не могут служить материалом для естественного отбора. В то же время многие признаки отражают активность большого числа взаимодействующих генов, т.е. являются результатом работы транскрипционных сетей. В понятии генома (генотипа) и фенотипа мы даем типологическую характеристику генов и признаков, рассматриваем их в рамках классификационной парадигмы. В понятии транскрипционных сетей мы пытаемся раскрыть природу взаимодействия генов и выяснить, как их активность выливается в столь совершенные морфологические формы. Иными словами, гены в этом случае рассматриваются как динамические (работающие) системы. Транскрипционные сети по этой причине не могут интерпретироваться в понятии программы. А это означает, что метафора генетической программы недостаточна, чтобы адекватно описать наследственную основу организмов. Этот вывод созвучен с заключением Гудвина: «Сама концепция генетической программы как руководящего фактора эмбрионального развития в высшей степени проблематична и плохо согласуется с генетическими и эмбриологическими доказательствами». В качестве работающих систем транскрипционные сети способны к направленным изменениям, причем их реакция на действие факторов среды в ряде случаев сопряжена с такими изменениями фенотипа, которые способны сохраняться в поколениях. Речь идет о длительных модификациях, которые могут проявляться, например, у насекомых, до 10-го поколения после снятия средового воздействия. Длительные модификации не связаны с преобразованием генотипа, т.е. с изменением в последовательности ДНК. СМ. Гершензон поэтому был прав, утверждая, что первая аксиома биологии Б.М. Медникова оставляет за бортом генетики широкий спектр явлений, так или иначе связанных с наследственностью. Вместо того, чтобы дать объяснение длительным модификациям, Б.М. Медников фактически утверждал, что их нет, что они результат неправильно сформулированных исходных положений. А если их нет, то нет и проблемы наследования благоприобретенных признаков, разделявшей ученых в первой половине прошлого столетия на два непримиримых лагеря. Транскрипционные сети обладают собственной активностью, которая не сводима полностью к активности отдельных генов. Можно, следовательно, говорить об определенной наследственной автономности транскрипционных сетей. Это означает, что от поколения к поколению передаются не только гены, но и (в виде затравки) минимальное множество их продуктов, обеспечивающее непрерывную работу транскрипционных сетей, а внутри них непрерывность взаимодействия генов. Если транскрипционная сеть не может выступать в роли программы, то с чем ее можно соотнести. Чтобы сделать наши рассуждения более ясными, воспользуемся аналогией с производством. Представим себе некоторое предприятие, выпускающее технически сложные машины А.. Для выпуска данной продукции на заводе имеется документация, включающая технические задания на производство деталей к механизмам и правила сборки деталей в конечную продукцию. Отдельные технические задания в нашей метафоре допустимо сопоставить с генами. В этом случае можно считать, что заводской «геном» в виде полной документации определяет структуру выпускаемых изделий. Производственная программа — это всего лишь набор инструкций для получения некоторого результата. Для воплощения программы в материальный продукт требуется исполнитель. На производстве единство изделия и инструкций по его изготовлению обеспечивает человек. Он не только считывает техническое задание, но и вносит необходимые изменения, если по ходу работы возникли отклонения от намеченных контрольных цифр. Очевидно, нельзя говорить о единстве программы и результата, не упоминая связывающего их активного начала, каким на производстве является человек, вернее рабочий коллектив. По аналогии с производством и для организма мы должны найти активное начало, связывающее генотип и фенотип. Предварительно такое начало можно соотнести с транскрипционными сетями. Рассмотрим теперь второй аспект, связанный с «наследственной» автономностью реального производственного процесса. Любая программа (инструкция, методическое указание, чертеж и т.д.) кем-то считывается. Работающие на производстве специалисты должны быть достаточно грамотными и иметь опыт практической работы, чтобы разобраться и справиться с производственным заданием. Аналогичным образом можно рассуждать в отношении организма. Если мы говорим, что генотип определяет фенотип, то в рамках такого понимания фенотип не может выступать в качестве независимой системы считывания по крайней мере на первых этапах развития. Конечно, можно допустить, что последовательность или точнее сетевые режимы считывания генетической информации осуществляются автоматически. Но даже если это так, то автоматические режимы являются результатом предшествующей эволюции. Иначе придется допустить, что новая наследственная информация должна включаться в геном одновременно с информацией о последовательности ее считывания в транскрипционных сетях. В организме должен существовать автономный аппарат считывания генетической информации, который не может быть отождествлен с фенотипом (выпускаемым продуктом, если говорить о производстве). Допустим, что предприятие получило заказ на производство машин нового класса В., разработало в связи с этим техническую документацию и соответствующим образом перестроило оборудование для нового производства. Через какое-то время завод справился с этим заказом и снова вернулся к выпуску старой продукции А.. Для завода это не будет большой проблемой, если сохранились старые кадры, знакомые с данной продукцией и делавшие ее. Достали с полок техническое задание на производство А, подготовили станки и другое необходимое оборудование и запустили производственный процесс. Теперь предположим, что к производству А. вернулись через много-много лет, когда старые мастера, выпускавшие когда-то данную продукцию, ушли, кто по возрасту, кто на другое предприятие. Допустим далее, что при подготовке документации и восстановлении текста в обветшавших от времени листах в техническое задание по производству некоторой детали машин А, вкралась ошибка и соответствующую деталь нельзя смонтировать. Данная ошибка программы сопоставима с мутацией. В зависимости от того, какая конкретно деталь оказалась бракованной, изделие А, может нормально работать, если например, речь идет всего лишь о деталях декора, и не работать, если с ошибкой изготовлены функциональные детали. Для производства выявление такого рода «мутаций», когда нельзя опереться на опыт старых мастеров, может составить большую проблему. Отсюда следует, что для нормального воспроизводства предприятия значение имеет не только сохранение и передача технической документации (заводского «генома»), но и преемственность рабочего коллектива, передача его опыта, производственной слаженности, духовной атмосферы и многих других составляющих, способных влиять на производственный процесс. В случае организма его геном начинает функционировать не с нуля. «Исполнители» наследственной программы исходно образуют «клеточный коллектив», имеющий опыт «работы» с генетической программой. Если бы это было не так, если бы новому организму приходилось создавать «клеточный коллектив» каждый раз заново, то как в таком случае возможно получить жизнеспособный организм. Ведь на любом этапе его развития возможны сбои как в считывании генетической информации, так и в процессах ее воплощения в реальные морфологические структуры. Эти ошибки, если их своевременно не устранять, будут накапливаться и, в конечном счете, сведут на нет «усилия» отбора адаптировать организм. В клетке уже наработаны, уже действуют механизмы устранения ошибок. Эти механизмы и сопутствующие им структуры и аппараты передаются по наследству наряду с геномом. На производстве успех выполнения задания определяется опытом исполнителей и их возможностями влиять на производство. Многие ошибки могут быть устранены коррекцией производственного процесса, непредусмотренной техническими заданиями. Но для этого такие сбои необходимо проанализировать, найти и обсудить наиболее оптимальные решения возникающих производственных проблем и, наконец, получить добро на коррекцию планов в вышестоящих управленческих органах. Иными словами, исполнители должны обладать некоторой свободой выбора решений и в рамках полученных прав иметь возможность самоорганизовываться. Успешные производства должны сочетать централизованное регулирование через программы и команды, с активностью на местах, допускаемую в разумных пределах. Эта активность в числе прочего находит выражение в процессах производственной самоорганизации, нацеленной на оптимизацию производства и быстрое устранение возникающих по ходу работы ошибок.
В десятой главе мы подробно рассмотрели концепцию фенетической пластичности. Фенетическая пластичность определяет способность организма, живущего в условиях изменчивой среды, адаптироваться к ней. Это, своего рода вертикальная изменчивость. Ее можно противопоставить горизонтальной изменчивости, основанной на внутривидовых различиях между разными особями вида. Но во всех ли случаях мы способны отличить горизонтальную изменчивость от вертикальной. Чтобы уяснить суть проблемы, проанализируем некоторые генетические модели. В начале 70-х годов Мэйнард Смит и Дж. Прайс (Maynard Smith, Price, 1973) выдвинули интересную концепцию эволюционно стабильной стратегии (evolutionarily stable strategy), которую можно рассматривать в качестве дополнения дарвиновской теории разделения организмов по приспособленности. Поясняя концепцию, авторы рассмотрели стратегию поведения гипотетических ястреба и голубя (см. также: Maynard Smith, 1989, p. 126; Докинз, 1993). Голубь склонен делить найденный пищевой ресурс с сочленами популяции. Напротив ястребы показывают агрессивность, вступая в драку с сочленами в стремлении завладеть всей пищей. При такой стратегии игроков два голубя будут мирно уживаться, но недоедать. Ястреб обратит голубя в бегство и завладеет всей пищей. Но, встретившись с таким же ястребом, он может истощить себя настолько, что завоеванный однократно ресурс не восстановит потраченных сил. Но это не самый плохой вариант. В схватке можно физически пострадать и выбыть из активной жизни. Может показаться, что позиция голубей проигрышная. На самом деле это не так. Ястребы имеют над голубями в популяции преимущество, но только до определенного момента. Если численность голубей слишком снизится, то ястребы будут чаще сталкиваться друг с другом, и их численность будет уменьшаться. Численность голубей соответственно будет расти, но также до определенного уровня. В теории игр могут быть смоделированы и более сложные ситуации с рассмотрением более чем двух игроков, показывающих разные варианты стратегии поведения. Недостаточность этих и аналогичных моделей, разрабатываемых в теории игр для описания реальных популяций, заключается в том, что ключевые параметры, определяющие поведение «игроков» в популяции, фиксированы. Обычно исходят из допущения, что роли голубя и ястреба генетически детерминированы. Генетический детерминизм ведет к преувеличению роли генов: уже не ястребы и голуби конкурируют между собой за пищевой источник, но лежащие в основе их поведения аллели. Можно пойти дальше и постулировать существование генов вранья при описании стратегии поведения в популяции обманщиков и обманутых. Докинз на такого рода игровых моделей сформулировал концепцию эгоистичного гена. Существуют ли в действительности гены ястребов и голубей? Теоретически исключить такую возможность нельзя. Но вполне допустим и альтернативный сценарий, по которому реальные особи в зависимости от условий способны показывать поведение и ястребов, и голубей. В этом случае мы будем иметь дело с вертикальным полиморфизмом (не горизонтальным). Источником горизонтального полиморфизма являются гены. Источник вертикального полиморфизма обычно видят в среде, действующей через гены. Возникает, однако, вопрос, не может ли сам организм быть источником вертикального полиморфизма, т.е. действовать соответствующим образом на гены, менять их работу. Эпигенетические механизмы допускают такую возможность. Любой организм в зависимости от условий среды меняет те или иные параметры жизнедеятельности, иногда существенным образом. Можно сказать, что среда через организм индуцирует изменение работы генома. Отсюда возникает искушение признать за средой ведущую роль: она управляет организмом, а через него и генами. Вольте-рек (Woltereck, 1909) ввел понятие нормы реакции: среда —> реакция генотипа, выражающаяся в определенном фенотипе. На эту формулу, как и в случае с оптической иллюзией при рассмотрении куба Неккера можно смотреть с разных сторон, например, слева, отводя большую роль среде, или справа, говоря то же самое о генотипе. В первом случае мы будем защищать положение, согласно которому среда (через гены, как теперь выяснилось) определяет фенотип. Пресловутая «ассимиляция внешних условий», о которой неодобрительно отозвался Б.М. Медников, как раз и выступает тем фактором, который задает в известных пределах специфическую активность генома. Эта обусловленная средой активность связана в первую очередь с эпигенетическими возможностями генома. С другой стороны не вызывает сомнений, что именно гены определяют фенотип, сообразно данному состоянию средовых факторов. В случае куба Неккера оба восприятия равноправны. Нет, говорят нам, ламаркизм — это ошибочная теория. Но то, что ламаркизм не ушел окончательно в историю, свидетельствует о его интуитивной основательности и возможности применения метафоры куба Неккера и к этим двум описаниям эволюционных процессов — дарвиновскому и ламарковскому. Ламарковская модель основывалась на понятии природы. Это понятие крайне расплывчатое и неточное. Поэтому на смену ламарковской модели пришла модель Дарвина-Менделя, основанная на более строгом понятии гибридологического гена. От того, что начали использовать новую познавательную модель, старая модель не стала ошибочной. Конечно, когда выкинули ключевое для модели Ламарка понятие природы, его теория оказалась беззащитной против искажений. Сейчас ситуация меняется к лучшему. Появились экспериментальные возможности экспликативного определения понятия «природы организмы». И это вселяет надежды на то, что ламарковская модель снова воскреснет к жизни и даст новое видение проблем, не исключающее уже наработанные. В случае куба Неккера двойное восприятие создается тем, что наше графическое представление куба является обедненным описанием реальной ситуации, которое мы спешим дополнить, что не всегда возможно сделать однозначно. Точно также можно подойти к оценке ламаркизма и дарвинизма, считая их за два равноправных, но недостаточных для восприятия общей картины описания связи между средой, с одной стороны, и генотипом и фенотипом, с другой. Чтобы исключить двойственное восприятие куба Неккера, достаточно изобразить его как трехмерную фигуру, закрасив, например, одну из смотрящих на нас плоскостей. В чем выражается недостаточность рассмотренной выше формулы о связи фенотипа со средой и генотипом и как ее устранить? Ответ на этот вопрос по существу дан Ламарком. В данной формуле нет главного элемента жизни — живого активного организма. Не генотип приспосабливается к среде, но сам организм решает, как ему реагировать на среду и какие генетические и эпигенетические инструменты использовать в том или ином конкретном случае. На производстве связующим звеном между программой и продуктом, вырабатываемым по данной программе, является производственный коллектив. Если генотип мы уподобляем программе, фенотип — морфологическому продукту, формируемому по этой программе, то не остается других вариантов, как признать за организмом активное начало, связывающее генотип и фенотип. Насколько правомерно отрывать генотип и фенотип от организма. Разве они не являются его составляющими? В третьей главе мы отметили, что организм может быть описан с двух принципиально разных позиций, предикативно, с точки зрения характеризующих его признаков, и как работающая конструкция (система), т.е. с точки зрения слагающих его рабочих элементов и частей. Понятия фенотипа и генотипа являются предикативными описаниями организма. В то же время, когда мы говорим, что организм является связующим звеном между генотипом и фенотипом, то в этом случае имеется в виду живой активный организм, т.е. речь идет о конструктивном понимании организма. Как и рабочий коллектив на производстве, живой организм обладает собственной активностью, определяемой независимо от генов, в процессе взаимодействия сначала белков и других активных молекул, затем клеток, тканей и т.д. На производстве подобного рода автономная активность определяется в понятии самоорганизации. Способность коллектива к лучшей самоорганизации определяется двумя факторами — (1) временем совместной работы, когда приобретается необходимый личный и коллективный опыт, оптимизируются важные для выполнения дела связи и устраняются регулярные помехи в работе, и (2) передачей накопленного производственного опыта от одного поколения работающих следующему. Этот второй фактор может быть описан в понятии наследственности. То же самое должно иметь место в жизни организма. Организм передает дочернему организму не только геном, но и клетку, т.е. ту минимальную конструктивную единицу, которая открыта для восприятия регулирующих команд, но одновременно способна к автономной самоорганизующей деятельности, поскольку получила в наследство от материнского организма опыт работы с генами. Резюмируем сказанное. Говоря о ключевой роли генов в строительстве организма, мы начали объяснять не с того конца. Мы сразу завязали геном на среду, говоря о прямой роли среды в активации тех или иных генов. В итоге из рассмотрения выпал организм. Подавляющее число факторов среды действуют на гены опосредованно, через организм; организм оценивает факторы и решает вопрос о стратегии своего поведения и реакции составляющих его клеток, тканей и органов. Выбранная стратегия поведения и определяет, какие гены и в каком порядке будут экспрессироваться. Не только факторы среды определяют, как изменится организм, но и он сам решает, как ему измениться, чтобы с меньшими потерями противостоять средовым воздействиям. Эта активность организма часто опосредуется через процессы самоорганизации. Существует много определений данного понятия, но все они сходятся на одной общей особенности — самопроизвольном структурном усложнении самоорганизующейся системы, возникающем без вмешательства каких-либо внешних факторов. В живых системах самоорганизация находит выражение в различных формах упорядоченности морфологических структур и элементов, а также в поведении. О самостоятельном значении самоорганизующейся компоненты морфогенеза, действующей наряду с наследственной информацией (генами) говорят ныне многие, описывая эту компоненту под разными названиями: физическая динамика (Hogeweg, 2000), механическая природа морфогенеза (Nelson et al, 2005; Ingber, 2006), биологическая физика (Forgacs, Newman, 2005), морфомеханика (Beloussov, Grabovsky, 2006). В качестве примера, дающего наглядное представление о важнейшей роли активного начала в поддержании жизни, рассмотрим процессы автоконструирования в колониях микроорганизмов.
Наследственность, согласно первой аксиоме Б.М. Медникова, есть передача генетической программы из поколения в поколение. О том, что «генотип представляет собой программу, набор генетических инструкций для некоторого ограниченного числа альтернативных путей развития», каждый из которых определяется средой (Рейвин, 1967), говорили и другие авторы. Упомянем нобелевских лауреатов Дж. Ледерберга и П. Медавара (Sir Peter Brian Medawar, 1915-1987). Своей первой аксиомой Б.М. Медников фактически снимает противопоставление генотипа и фенотипа как самостоятельных составляющих организма. Соответственно становится излишним деление на наследуемые и ненаследуемые фенотипические различия. Все определяет генотип. Отвечая на критические замечания СМ. Гершензона (19836), который совершенно справедливо обратил внимание на ненаследственные (длительные) модификации, которые не вытекают из матричного принципа, Б.М. Медников писал: «... термин «ненаследственные» здесь неудачен. В конечном счете никакой признак фенотипа не наследуется; наследуется лишь способность к образованию этого признака, т.е. норма реакции, допускающая возможность модификаций. Если мы этого не оговорим, то откроем возможность допущения «ассимиляции внешних условий» и прочих положений механоламаркистов и псевдодарвинистов». В другой работе Б.М. Медников (1987, цит. по: Медников, 2005) идет дальше, утверждая, что «... на самом деле не наследуется ни норма, ни модификация. Вообще не наследуется ни один признак, а лишь способность к его проявлению в фенотипе приданных условиях». Это, видимо, следует понимать так, что наследуются лишь гены, а то, как они проявят себя в признаках, может зависеть и от факторов среды. Этот вывод справедлив лишь для части признаков, а именно тех, которые однозначно определяются теми или иными генами. Но если между генами и признаками есть однозначное соответствие, то не будет ошибкой говорить о наследовании как генов, так и признаков, которые эти гены определяют. Грегор Мендель начинал изучать и изучал особенности наследования признаков гороха, а не некие-то способности к развитию, связанные с генетическими детерминантами. В равной мере не будет ошибкой сказать, что тяжелый недуг, обусловленный образованием аномально толстого слоя мукуса эпителиальными клетками при муковисцидозе, передается по наследству. Наконец, отбор действует через признаки (адаптации), наследуемое изменение которых ведет либо к лучшей, либо к меньшей приспособленности. Просто способности не могут служить материалом для естественного отбора. В то же время многие признаки отражают активность большого числа взаимодействующих генов, т.е. являются результатом работы транскрипционных сетей. В понятии генома (генотипа) и фенотипа мы даем типологическую характеристику генов и признаков, рассматриваем их в рамках классификационной парадигмы. В понятии транскрипционных сетей мы пытаемся раскрыть природу взаимодействия генов и выяснить, как их активность выливается в столь совершенные морфологические формы. Иными словами, гены в этом случае рассматриваются как динамические (работающие) системы. Транскрипционные сети по этой причине не могут интерпретироваться в понятии программы. А это означает, что метафора генетической программы недостаточна, чтобы адекватно описать наследственную основу организмов. Этот вывод созвучен с заключением Гудвина: «Сама концепция генетической программы как руководящего фактора эмбрионального развития в высшей степени проблематична и плохо согласуется с генетическими и эмбриологическими доказательствами». В качестве работающих систем транскрипционные сети способны к направленным изменениям, причем их реакция на действие факторов среды в ряде случаев сопряжена с такими изменениями фенотипа, которые способны сохраняться в поколениях. Речь идет о длительных модификациях, которые могут проявляться, например, у насекомых, до 10-го поколения после снятия средового воздействия. Длительные модификации не связаны с преобразованием генотипа, т.е. с изменением в последовательности ДНК. СМ. Гершензон поэтому был прав, утверждая, что первая аксиома биологии Б.М. Медникова оставляет за бортом генетики широкий спектр явлений, так или иначе связанных с наследственностью. Вместо того, чтобы дать объяснение длительным модификациям, Б.М. Медников фактически утверждал, что их нет, что они результат неправильно сформулированных исходных положений. А если их нет, то нет и проблемы наследования благоприобретенных признаков, разделявшей ученых в первой половине прошлого столетия на два непримиримых лагеря. Транскрипционные сети обладают собственной активностью, которая не сводима полностью к активности отдельных генов. Можно, следовательно, говорить об определенной наследственной автономности транскрипционных сетей. Это означает, что от поколения к поколению передаются не только гены, но и (в виде затравки) минимальное множество их продуктов, обеспечивающее непрерывную работу транскрипционных сетей, а внутри них непрерывность взаимодействия генов. Если транскрипционная сеть не может выступать в роли программы, то с чем ее можно соотнести. Чтобы сделать наши рассуждения более ясными, воспользуемся аналогией с производством. Представим себе некоторое предприятие, выпускающее технически сложные машины А.. Для выпуска данной продукции на заводе имеется документация, включающая технические задания на производство деталей к механизмам и правила сборки деталей в конечную продукцию. Отдельные технические задания в нашей метафоре допустимо сопоставить с генами. В этом случае можно считать, что заводской «геном» в виде полной документации определяет структуру выпускаемых изделий. Производственная программа — это всего лишь набор инструкций для получения некоторого результата. Для воплощения программы в материальный продукт требуется исполнитель. На производстве единство изделия и инструкций по его изготовлению обеспечивает человек. Он не только считывает техническое задание, но и вносит необходимые изменения, если по ходу работы возникли отклонения от намеченных контрольных цифр. Очевидно, нельзя говорить о единстве программы и результата, не упоминая связывающего их активного начала, каким на производстве является человек, вернее рабочий коллектив. По аналогии с производством и для организма мы должны найти активное начало, связывающее генотип и фенотип. Предварительно такое начало можно соотнести с транскрипционными сетями. Рассмотрим теперь второй аспект, связанный с «наследственной» автономностью реального производственного процесса. Любая программа (инструкция, методическое указание, чертеж и т.д.) кем-то считывается. Работающие на производстве специалисты должны быть достаточно грамотными и иметь опыт практической работы, чтобы разобраться и справиться с производственным заданием. Аналогичным образом можно рассуждать в отношении организма. Если мы говорим, что генотип определяет фенотип, то в рамках такого понимания фенотип не может выступать в качестве независимой системы считывания по крайней мере на первых этапах развития. Конечно, можно допустить, что последовательность или точнее сетевые режимы считывания генетической информации осуществляются автоматически. Но даже если это так, то автоматические режимы являются результатом предшествующей эволюции. Иначе придется допустить, что новая наследственная информация должна включаться в геном одновременно с информацией о последовательности ее считывания в транскрипционных сетях. В организме должен существовать автономный аппарат считывания генетической информации, который не может быть отождествлен с фенотипом (выпускаемым продуктом, если говорить о производстве). Допустим, что предприятие получило заказ на производство машин нового класса В., разработало в связи с этим техническую документацию и соответствующим образом перестроило оборудование для нового производства. Через какое-то время завод справился с этим заказом и снова вернулся к выпуску старой продукции А.. Для завода это не будет большой проблемой, если сохранились старые кадры, знакомые с данной продукцией и делавшие ее. Достали с полок техническое задание на производство А, подготовили станки и другое необходимое оборудование и запустили производственный процесс. Теперь предположим, что к производству А. вернулись через много-много лет, когда старые мастера, выпускавшие когда-то данную продукцию, ушли, кто по возрасту, кто на другое предприятие. Допустим далее, что при подготовке документации и восстановлении текста в обветшавших от времени листах в техническое задание по производству некоторой детали машин А, вкралась ошибка и соответствующую деталь нельзя смонтировать. Данная ошибка программы сопоставима с мутацией. В зависимости от того, какая конкретно деталь оказалась бракованной, изделие А, может нормально работать, если например, речь идет всего лишь о деталях декора, и не работать, если с ошибкой изготовлены функциональные детали. Для производства выявление такого рода «мутаций», когда нельзя опереться на опыт старых мастеров, может составить большую проблему. Отсюда следует, что для нормального воспроизводства предприятия значение имеет не только сохранение и передача технической документации (заводского «генома»), но и преемственность рабочего коллектива, передача его опыта, производственной слаженности, духовной атмосферы и многих других составляющих, способных влиять на производственный процесс. В случае организма его геном начинает функционировать не с нуля. «Исполнители» наследственной программы исходно образуют «клеточный коллектив», имеющий опыт «работы» с генетической программой. Если бы это было не так, если бы новому организму приходилось создавать «клеточный коллектив» каждый раз заново, то как в таком случае возможно получить жизнеспособный организм. Ведь на любом этапе его развития возможны сбои как в считывании генетической информации, так и в процессах ее воплощения в реальные морфологические структуры. Эти ошибки, если их своевременно не устранять, будут накапливаться и, в конечном счете, сведут на нет «усилия» отбора адаптировать организм. В клетке уже наработаны, уже действуют механизмы устранения ошибок. Эти механизмы и сопутствующие им структуры и аппараты передаются по наследству наряду с геномом. На производстве успех выполнения задания определяется опытом исполнителей и их возможностями влиять на производство. Многие ошибки могут быть устранены коррекцией производственного процесса, непредусмотренной техническими заданиями. Но для этого такие сбои необходимо проанализировать, найти и обсудить наиболее оптимальные решения возникающих производственных проблем и, наконец, получить добро на коррекцию планов в вышестоящих управленческих органах. Иными словами, исполнители должны обладать некоторой свободой выбора решений и в рамках полученных прав иметь возможность самоорганизовываться. Успешные производства должны сочетать централизованное регулирование через программы и команды, с активностью на местах, допускаемую в разумных пределах. Эта активность в числе прочего находит выражение в процессах производственной самоорганизации, нацеленной на оптимизацию производства и быстрое устранение возникающих по ходу работы ошибок.
Активный организм
В десятой главе мы подробно рассмотрели концепцию фенетической пластичности. Фенетическая пластичность определяет способность организма, живущего в условиях изменчивой среды, адаптироваться к ней. Это, своего рода вертикальная изменчивость. Ее можно противопоставить горизонтальной изменчивости, основанной на внутривидовых различиях между разными особями вида. Но во всех ли случаях мы способны отличить горизонтальную изменчивость от вертикальной. Чтобы уяснить суть проблемы, проанализируем некоторые генетические модели. В начале 70-х годов Мэйнард Смит и Дж. Прайс (Maynard Smith, Price, 1973) выдвинули интересную концепцию эволюционно стабильной стратегии (evolutionarily stable strategy), которую можно рассматривать в качестве дополнения дарвиновской теории разделения организмов по приспособленности. Поясняя концепцию, авторы рассмотрели стратегию поведения гипотетических ястреба и голубя (см. также: Maynard Smith, 1989, p. 126; Докинз, 1993). Голубь склонен делить найденный пищевой ресурс с сочленами популяции. Напротив ястребы показывают агрессивность, вступая в драку с сочленами в стремлении завладеть всей пищей. При такой стратегии игроков два голубя будут мирно уживаться, но недоедать. Ястреб обратит голубя в бегство и завладеет всей пищей. Но, встретившись с таким же ястребом, он может истощить себя настолько, что завоеванный однократно ресурс не восстановит потраченных сил. Но это не самый плохой вариант. В схватке можно физически пострадать и выбыть из активной жизни. Может показаться, что позиция голубей проигрышная. На самом деле это не так. Ястребы имеют над голубями в популяции преимущество, но только до определенного момента. Если численность голубей слишком снизится, то ястребы будут чаще сталкиваться друг с другом, и их численность будет уменьшаться. Численность голубей соответственно будет расти, но также до определенного уровня. В теории игр могут быть смоделированы и более сложные ситуации с рассмотрением более чем двух игроков, показывающих разные варианты стратегии поведения. Недостаточность этих и аналогичных моделей, разрабатываемых в теории игр для описания реальных популяций, заключается в том, что ключевые параметры, определяющие поведение «игроков» в популяции, фиксированы. Обычно исходят из допущения, что роли голубя и ястреба генетически детерминированы. Генетический детерминизм ведет к преувеличению роли генов: уже не ястребы и голуби конкурируют между собой за пищевой источник, но лежащие в основе их поведения аллели. Можно пойти дальше и постулировать существование генов вранья при описании стратегии поведения в популяции обманщиков и обманутых. Докинз на такого рода игровых моделей сформулировал концепцию эгоистичного гена. Существуют ли в действительности гены ястребов и голубей? Теоретически исключить такую возможность нельзя. Но вполне допустим и альтернативный сценарий, по которому реальные особи в зависимости от условий способны показывать поведение и ястребов, и голубей. В этом случае мы будем иметь дело с вертикальным полиморфизмом (не горизонтальным). Источником горизонтального полиморфизма являются гены. Источник вертикального полиморфизма обычно видят в среде, действующей через гены. Возникает, однако, вопрос, не может ли сам организм быть источником вертикального полиморфизма, т.е. действовать соответствующим образом на гены, менять их работу. Эпигенетические механизмы допускают такую возможность. Любой организм в зависимости от условий среды меняет те или иные параметры жизнедеятельности, иногда существенным образом. Можно сказать, что среда через организм индуцирует изменение работы генома. Отсюда возникает искушение признать за средой ведущую роль: она управляет организмом, а через него и генами. Вольте-рек (Woltereck, 1909) ввел понятие нормы реакции: среда —> реакция генотипа, выражающаяся в определенном фенотипе. На эту формулу, как и в случае с оптической иллюзией при рассмотрении куба Неккера можно смотреть с разных сторон, например, слева, отводя большую роль среде, или справа, говоря то же самое о генотипе. В первом случае мы будем защищать положение, согласно которому среда (через гены, как теперь выяснилось) определяет фенотип. Пресловутая «ассимиляция внешних условий», о которой неодобрительно отозвался Б.М. Медников, как раз и выступает тем фактором, который задает в известных пределах специфическую активность генома. Эта обусловленная средой активность связана в первую очередь с эпигенетическими возможностями генома. С другой стороны не вызывает сомнений, что именно гены определяют фенотип, сообразно данному состоянию средовых факторов. В случае куба Неккера оба восприятия равноправны. Нет, говорят нам, ламаркизм — это ошибочная теория. Но то, что ламаркизм не ушел окончательно в историю, свидетельствует о его интуитивной основательности и возможности применения метафоры куба Неккера и к этим двум описаниям эволюционных процессов — дарвиновскому и ламарковскому. Ламарковская модель основывалась на понятии природы. Это понятие крайне расплывчатое и неточное. Поэтому на смену ламарковской модели пришла модель Дарвина-Менделя, основанная на более строгом понятии гибридологического гена. От того, что начали использовать новую познавательную модель, старая модель не стала ошибочной. Конечно, когда выкинули ключевое для модели Ламарка понятие природы, его теория оказалась беззащитной против искажений. Сейчас ситуация меняется к лучшему. Появились экспериментальные возможности экспликативного определения понятия «природы организмы». И это вселяет надежды на то, что ламарковская модель снова воскреснет к жизни и даст новое видение проблем, не исключающее уже наработанные. В случае куба Неккера двойное восприятие создается тем, что наше графическое представление куба является обедненным описанием реальной ситуации, которое мы спешим дополнить, что не всегда возможно сделать однозначно. Точно также можно подойти к оценке ламаркизма и дарвинизма, считая их за два равноправных, но недостаточных для восприятия общей картины описания связи между средой, с одной стороны, и генотипом и фенотипом, с другой. Чтобы исключить двойственное восприятие куба Неккера, достаточно изобразить его как трехмерную фигуру, закрасив, например, одну из смотрящих на нас плоскостей. В чем выражается недостаточность рассмотренной выше формулы о связи фенотипа со средой и генотипом и как ее устранить? Ответ на этот вопрос по существу дан Ламарком. В данной формуле нет главного элемента жизни — живого активного организма. Не генотип приспосабливается к среде, но сам организм решает, как ему реагировать на среду и какие генетические и эпигенетические инструменты использовать в том или ином конкретном случае. На производстве связующим звеном между программой и продуктом, вырабатываемым по данной программе, является производственный коллектив. Если генотип мы уподобляем программе, фенотип — морфологическому продукту, формируемому по этой программе, то не остается других вариантов, как признать за организмом активное начало, связывающее генотип и фенотип. Насколько правомерно отрывать генотип и фенотип от организма. Разве они не являются его составляющими? В третьей главе мы отметили, что организм может быть описан с двух принципиально разных позиций, предикативно, с точки зрения характеризующих его признаков, и как работающая конструкция (система), т.е. с точки зрения слагающих его рабочих элементов и частей. Понятия фенотипа и генотипа являются предикативными описаниями организма. В то же время, когда мы говорим, что организм является связующим звеном между генотипом и фенотипом, то в этом случае имеется в виду живой активный организм, т.е. речь идет о конструктивном понимании организма. Как и рабочий коллектив на производстве, живой организм обладает собственной активностью, определяемой независимо от генов, в процессе взаимодействия сначала белков и других активных молекул, затем клеток, тканей и т.д. На производстве подобного рода автономная активность определяется в понятии самоорганизации. Способность коллектива к лучшей самоорганизации определяется двумя факторами — (1) временем совместной работы, когда приобретается необходимый личный и коллективный опыт, оптимизируются важные для выполнения дела связи и устраняются регулярные помехи в работе, и (2) передачей накопленного производственного опыта от одного поколения работающих следующему. Этот второй фактор может быть описан в понятии наследственности. То же самое должно иметь место в жизни организма. Организм передает дочернему организму не только геном, но и клетку, т.е. ту минимальную конструктивную единицу, которая открыта для восприятия регулирующих команд, но одновременно способна к автономной самоорганизующей деятельности, поскольку получила в наследство от материнского организма опыт работы с генами. Резюмируем сказанное. Говоря о ключевой роли генов в строительстве организма, мы начали объяснять не с того конца. Мы сразу завязали геном на среду, говоря о прямой роли среды в активации тех или иных генов. В итоге из рассмотрения выпал организм. Подавляющее число факторов среды действуют на гены опосредованно, через организм; организм оценивает факторы и решает вопрос о стратегии своего поведения и реакции составляющих его клеток, тканей и органов. Выбранная стратегия поведения и определяет, какие гены и в каком порядке будут экспрессироваться. Не только факторы среды определяют, как изменится организм, но и он сам решает, как ему измениться, чтобы с меньшими потерями противостоять средовым воздействиям. Эта активность организма часто опосредуется через процессы самоорганизации. Существует много определений данного понятия, но все они сходятся на одной общей особенности — самопроизвольном структурном усложнении самоорганизующейся системы, возникающем без вмешательства каких-либо внешних факторов. В живых системах самоорганизация находит выражение в различных формах упорядоченности морфологических структур и элементов, а также в поведении. О самостоятельном значении самоорганизующейся компоненты морфогенеза, действующей наряду с наследственной информацией (генами) говорят ныне многие, описывая эту компоненту под разными названиями: физическая динамика (Hogeweg, 2000), механическая природа морфогенеза (Nelson et al, 2005; Ingber, 2006), биологическая физика (Forgacs, Newman, 2005), морфомеханика (Beloussov, Grabovsky, 2006). В качестве примера, дающего наглядное представление о важнейшей роли активного начала в поддержании жизни, рассмотрим процессы автоконструирования в колониях микроорганизмов.
