Две декады прошлого столетия многие американские исследователи, включая самого Т. Моргана, были против сведения генетики исключительно к проблеме передачи наследственных зачатков. Морган, в частности, говорил о тождестве проблемы наследственности с проблемой развития (Morgan, 1910), т.е. защищал концепцию наследственности, названную Лилли (Lillie, 1927) физиологической. Почему Морган из критика генетической концепции наследственности стал ее сторонником. Дело, видимо, не только в полученных им эпохальных результатах, позволивших ему создать хромосомную теорию наследственности — альтернативу физиологическому подходу. Т. Морган как выдающийся исследователь не мог не учитывать всех обстоятельств. А они в то время говорили не в пользу физиологической концепции наследственности. Прежде всего не было никаких данных, которые бы свидетельствовали о существовании наследственности вне генов. Как сейчас, так и раньше, когда Т. Морган выступил с хромосомной теорией наследственности, отношение между генами и признаками выражалось и выражается простой формулой: генотип определяет фенотип. О неполноте этой формулы в последнее время говорят все чаще и чаще. Детально этот вопрос обсудил в своей книге Гарольд (Harold, 2001). По нему, биологическая организация не определяется полностью молекулярной структурой; «гены специфицируют клеточные строительные блоки; они поставляют сырой материал... Высшие уровни упорядоченности, формы и функции не закодированы в геноме. Они возникают в результате согласованной самоорганизации генетически определяемых элементов». Из наших авторов солидарную точку зрения выдвигали А.В. Белоусов (1987) и его ученики (см. Черданцев, 2003). Вольперт (Wolpert, 2002) в рецензии на книгу Гарольда признал это мнение ошибочным, считая, что поскольку «только ДНК реплицируется, то только она и определяет фенотип следующих поколений». Говоря о том, что только ДНК способна реплицироваться, Вольперт соотносит понятие репликации лишь с матричной наследственностью. Оправдано ли такое сужение? Прежде чем обсуждать понятие репликации, выделим главную мысль в возражении Вольперта. Гарольд утверждал (см. также Harold, 2005), что наследственность определяется не только генами, но и некоторыми надгенетическими структурами, обеспечивающими процессы функционирования клеток. Соответствующие структуры, следовательно, должны передаваться дочерним клеткам после деления материнской в готовом виде. Эта надгенетическая информация используется параллельно с генетической в формировании надклеточных образований, тканей и органов. Если прав Гарольд, то можно говорить о физиологической концепции наследственности, материальную основу которой составляют гены и надгенетические структуры, определяющие функциональное состояние генов.
Репликаторы
Докинз ([1976]1993, Dawkins, 1982) в рамках концепции эгоистичного гена ввел понятие репликатора. Репликатор характеризуется тем, что способен производить собственные копии. К числу репликаторов Докинз отнес гены и то, что он назвал мемами (от memes). Мемы есть способные к репликации элементы культуры, распространяющиеся в определенных сообществах животных, а также в человеческом обществе через организмы. Организм не является репликатором в силу того, что не все, что им приобретается по жизни, реплицируется у его потомков. Для генетических репликаторов организм выступает в роли их носителя. Если функция репликаторов состоит в том, чтобы создавать собственные копии, т.е. размножаться, то функция организма — обеспечить подходящие условия для репликации. Эта функция организма через отбор подчинена процессу репликации. Организм, например, птица является инструментом репликатора (гена) для создания нового репликатора (гена). Из сказанного ясно, что репликаторам Докинз отводит решающую роль в явлении жизни. Жизнь началась с появления первых репликаторов. Организм (в значении сомы) является надстройкой над жизнью, т.е. над репликаторами, и служит всего лишь их носителем, через него репликаторы соревнуются между собой за право продолжения репликации. Отзвуком этих идей Докинза были работы Б.М. Мед-никова (1982, 1984, 2005), который наличие генетических репликаторов поставил главным условием (первой аксиомой) жизни. Докинз неоднократно говорил, что концепция эгоистичного гена — это всего лишь нестандартный способ изложения теории естественного отбора, что его высказывание о гене, управляющем телом во благо своего выживания, и организме, как машине выживания репликаторов, есть не более, чем метафора. Мы бы тоже согласились с такой интерпретацией, если бы при этом не высказывались недоказанные положения, проистекающие из идеи эгоистичного гена. Во-первых, через эту метафору Докинз снова вернулся к модели независимо действующих генов. Конечно, Докинз делает важную оговорку и говорит, что гены атомистичны лишь по отношению к отбору Как функциональные единицы в жизни клеток или в процессах развития они могут комплексироваться в самых разных сочетаниях. Гены в этом случае характеризуются «стадным поведением». Но в таком случае возникает ряд законных вопросов — кто это генное стадо собирает и почему отбор должен действовать на ген как таковой, а не на тот же ген в его функциональном («стадном») состоянии. Ведь фенотип является производным действующих генов. Следовательно, эта функциональная составляющая генов также должна каким-то образом реплицироваться и передаваться в ряду поколений. Во-вторых, не вполне прояснены параллели между геном и мемом. Применительно к анализу мемов Докинз использует крайне абстрактные упрощенные модели, основанные на метафоре атомизированного общества, лишенного внутренней организации. Но таких обществ нет. Организованное общество само решает, не доверяя дело случаю, какие мемы нужны обществу, каким путем их ввести в оборот, каким мемам дать дорогу, а каким поставить заслон. Конечно, в обществе имеют хождение и случайные мемы и их объем скорее всего внушителен. Но основной поток ключевых мемов создается целенаправленно и точно также идет целенаправленное просеивание мемов, уже получивших хождение в обществе. Мы, таким образом, живем в искусно подобранном мире мемов, сортируемых умелой рукой организаторов общества. Здесь можно напомнить, о чем говорил Ламарк, касаясь роли знания в своем последнем произведении (см. главу 1). Знание это власть и власть создает тот интеллектуальный мир, в котором мы вынуждены жить. Судьба самого Ламарка одно из частных подтверждений этого. Каждый может подобрать другие примеры, в том числе и из своего жизненного опыта. Если проводить параллели между мемами и генами и судить о последних по аналогии с первыми, то выводы будут не в пользу существующих ныне представлений о генах. По аналогии с манипулируе-мым обществом мы должны говорить об управляемом геноме и о центральной роли организма в этих процессах. В-третьих, концепция Докинза имела бы какие-то основания лишь при условии, что гены и мемы являются единственными репликаторами, участвующими в процессах биологической и общественной жизни. Но это далеко не так. В разобранной нами в предыдущей главе модели наследственности Шмальгаузена-Уоддингтона определенной устойчивостью обладает развитие, и эта устойчивость передается в ряду поколений. Следовательно, лежащие в основе развития материальные процессы и отвечающий им аппарат, как воспроизводимые в каждом поколении, являются реально репликаторами.
Или возьмем так называемые длительные модификации. При изменении условий питания, скажем, при переносе растительноядных насекомых с обычного для них растения на неблагоприятное, часто возникают изменения (в их плодовитости, размерах, в соотношении элементов рисунка на теле, если таковой имеется, и других признаках), которые сохраняются в нескольких поколениях и при возвращении насекомых в исходные условия питания. В качестве примера сошлемся на опыты Е.С. Смирнова (1957, 1961) по переносу оранжерейной тли {Neomyzus circumflexus) с вики (благоприятное кормовое растение) на перец (неблагоприятное для питания растение). Длительные модификации осуществляются за счет сдвига кинетических параметров в транскрипционных сетях. Этот сдвиг при сохранении новых условий питания (например, принудительное кормление оранжерейной тли на перце), очевидно, наследуется, т.е. передается следующему поколению. Но это означает, что транскрипционные сети также являются репликаторами и они обеспечивают передачу средового воздействия новому поколению. Изменения, стоит подчеркнуть, именно передаются через транскрипционные сети, а не возникают в новых поколениях каждый раз заново под влиянием новых условий. Дело в том, что переход организмов из морфологического состояния, отвечающего одним стационарным условиям (например, питанию тлей на вике), в морфологическое состояние, отвечающее другим стационарным условиям (питанию на перце) осуществляются не сразу, а растягивается на ряд последовательных поколений. В таких случаях говорят о переходных процессах между разными стационарными условиями. Причем переходные процессы могут быть апериодическиими, периодическиими (колебательными) и вырожденными разного вида, т.е. показывать разную динамику. Поэтому организмы, достигнув в каком-то поколении нового стационарного уровня приобретают изменения, которые не восстанавливаются с нуля в каждом следующем поколении, но воспроизводятся, т.е. реплицируются. «Стадность» генов, если вернуться к метафоре Докинза, есть наследуемый признак. Обеспечивают ее транскрипционные сети. Они собирают гены в кулак и, следовательно, они наряду с генами также должны реплицироваться при образовании женских половых клеток. С химической точки зрения репликация есть автокатализ, т.е. такой процесс, при котором некоторое соединение катализирует свое собственное образование (Szathmary, 1999, 2000). С этой точки зрения репликаторы нельзя ограничить лишь генами. Автокаталитические свойства показывают многие метаболические процессы, которые, следовательно, могут рассматриваться в качестве особых метаболических репликаторов. Вехтерсхойзер (Wachtershauser, 2007) в этом случае говорит о метаболическом воспроизведении (metabolic reproduction). Рост клетки и некоторых клеточных структур связан с их разделением при достижении ими некоторого критического размера. Распавшиеся структуры могут продолжить свой рост, повторяя основные особенности материнской структуры. В этом случае также можно говорить о репликаторах. Упомянем в качестве таковых клеточные мембраны. В-четвертых, концепция эгоистичного гена исходит из предположения, что жизнь началась с матричных репликаторов, т.е. с реплицирующихся нуклеиновых кислот. Доказательств и удовлетворительных сценарных реконструкций этой гипотезы нет. В то же время существуют хорошо разработанные сценарии, дающие поэтапную реконструкцию становления жизненных функций и предполагающих, что на ранних этапах ключевая роль принадлежала нематричным формам наследования (см. главу 3). Жизнь могла возникнуть и развиваться только при условии концентрации в одном месте биохимических и наследственных функций. Мембраны в этом смысле оказались наиболее подходящей физической основой для формирования соответствующего метаболического и репликационного аппаратов (Уголев, 1985; Deamer et al., 2002). Мембраны, в частности, образуют селективный барьер для получения необходимых метаболически активных веществ. В то же время через работу электрон-транспортных цепей и пигментных систем они определяют возможность получения и накопления в химически доступной форме энергии редокс-потенциала и света. Для выполнения наследственных функций важна способность мембранных пузырьков непрерывно расти и делиться при достижении некоторого порогового размера. Сурфактанты с длиной хвостовых цепей не менее 10 углеродных атомов при некоторых условиях могут самопроизвольно собираться в виде двуслойных или многослойных пузырьков, предельный размер которых будет определяться плотностью белкового ингредиента (Segre et al., 2001; Monnard, Deamer, 2002). Эти пузырьки показывают избирательную проницаемость для ионов, которая, как показали эксперименты, обратно пропорциональна длине и степени ненасыщенности углеводородных «хвостов». Отметим также, что фосфолипиды спонтанно образуют двуслойные пузырьки размером с бактериальную клетку (Bangham et al., 1965). Способность липидов при определенной концентрации самоорганизовываться в мембранные пузырьки зависит от многих факторов. Двухвалентные катионы ингибируют образование пузырьков. С другой стороны, добавление тонко гранулированной глины в раствор с субкритической концентрацией липидов вызывает спонтанное образование пузырьков, т.е. самосборка липидных пузырьков и других липидных структур может ускоряться в присутствии минералов. На этом основании была выдвинута гипотеза, что саморепродуцирующиеся мембранные пузырьки могли, составлять первые формы преджизни — липидный мир (Luisi, Varela, 1990; Segre, Lancet, 2000; Segre et al., 2001). На самых ранних этапах эволюции мембранные пузырьки состояли, видимо, из более простых одноцепных сур-фактантов, таких, как жирные кислоты, моноглицериды, которые могли образовываться самопроизвольно, судя по их нахождению в метеоритах. Некоторые сурфактанты (липозимы — Segre et al., 2001) могли выполнять функцию катализаторов, регулируя скорость превращения предшественников в определенные липиды и (или) ускоряя процесс включения последних в мембрану (Segre, Lancet, 2000). С появлением липозимов могла начаться эволюция мембранных пузырьков и образование наиболее устойчивых вариантов, структура которых за счет действия каталитически замкнутой системы липозимов могла сохраняться не только в процессах роста пузырьков, но и при делении их на дочерние. Включение в мембрану белковых молекул в состоянии уменьшить кривизну пузырьков, что приведет к увеличению их размеров. Саморепродуцирующиеся мембранные пузырьки могли функционировать как первые репликаторы нематричной природы (фене-тические репликаторы по: Szathmary, 1999).
Нематричные репликаторы обладают способностью к самоорганизации. В главе 12 мы подробно рассмотрим самоорганизующиеся системы. Здесь же ограничимся обсуждением репликационных возможностей различных клеточных аппаратов. Начнем с сетевых структур, но сначала сделаем пояснения в отношении регуляторных механизмов контроля развития.
Репликаторы
Докинз ([1976]1993, Dawkins, 1982) в рамках концепции эгоистичного гена ввел понятие репликатора. Репликатор характеризуется тем, что способен производить собственные копии. К числу репликаторов Докинз отнес гены и то, что он назвал мемами (от memes). Мемы есть способные к репликации элементы культуры, распространяющиеся в определенных сообществах животных, а также в человеческом обществе через организмы. Организм не является репликатором в силу того, что не все, что им приобретается по жизни, реплицируется у его потомков. Для генетических репликаторов организм выступает в роли их носителя. Если функция репликаторов состоит в том, чтобы создавать собственные копии, т.е. размножаться, то функция организма — обеспечить подходящие условия для репликации. Эта функция организма через отбор подчинена процессу репликации. Организм, например, птица является инструментом репликатора (гена) для создания нового репликатора (гена). Из сказанного ясно, что репликаторам Докинз отводит решающую роль в явлении жизни. Жизнь началась с появления первых репликаторов. Организм (в значении сомы) является надстройкой над жизнью, т.е. над репликаторами, и служит всего лишь их носителем, через него репликаторы соревнуются между собой за право продолжения репликации. Отзвуком этих идей Докинза были работы Б.М. Мед-никова (1982, 1984, 2005), который наличие генетических репликаторов поставил главным условием (первой аксиомой) жизни. Докинз неоднократно говорил, что концепция эгоистичного гена — это всего лишь нестандартный способ изложения теории естественного отбора, что его высказывание о гене, управляющем телом во благо своего выживания, и организме, как машине выживания репликаторов, есть не более, чем метафора. Мы бы тоже согласились с такой интерпретацией, если бы при этом не высказывались недоказанные положения, проистекающие из идеи эгоистичного гена. Во-первых, через эту метафору Докинз снова вернулся к модели независимо действующих генов. Конечно, Докинз делает важную оговорку и говорит, что гены атомистичны лишь по отношению к отбору Как функциональные единицы в жизни клеток или в процессах развития они могут комплексироваться в самых разных сочетаниях. Гены в этом случае характеризуются «стадным поведением». Но в таком случае возникает ряд законных вопросов — кто это генное стадо собирает и почему отбор должен действовать на ген как таковой, а не на тот же ген в его функциональном («стадном») состоянии. Ведь фенотип является производным действующих генов. Следовательно, эта функциональная составляющая генов также должна каким-то образом реплицироваться и передаваться в ряду поколений. Во-вторых, не вполне прояснены параллели между геном и мемом. Применительно к анализу мемов Докинз использует крайне абстрактные упрощенные модели, основанные на метафоре атомизированного общества, лишенного внутренней организации. Но таких обществ нет. Организованное общество само решает, не доверяя дело случаю, какие мемы нужны обществу, каким путем их ввести в оборот, каким мемам дать дорогу, а каким поставить заслон. Конечно, в обществе имеют хождение и случайные мемы и их объем скорее всего внушителен. Но основной поток ключевых мемов создается целенаправленно и точно также идет целенаправленное просеивание мемов, уже получивших хождение в обществе. Мы, таким образом, живем в искусно подобранном мире мемов, сортируемых умелой рукой организаторов общества. Здесь можно напомнить, о чем говорил Ламарк, касаясь роли знания в своем последнем произведении (см. главу 1). Знание это власть и власть создает тот интеллектуальный мир, в котором мы вынуждены жить. Судьба самого Ламарка одно из частных подтверждений этого. Каждый может подобрать другие примеры, в том числе и из своего жизненного опыта. Если проводить параллели между мемами и генами и судить о последних по аналогии с первыми, то выводы будут не в пользу существующих ныне представлений о генах. По аналогии с манипулируе-мым обществом мы должны говорить об управляемом геноме и о центральной роли организма в этих процессах. В-третьих, концепция Докинза имела бы какие-то основания лишь при условии, что гены и мемы являются единственными репликаторами, участвующими в процессах биологической и общественной жизни. Но это далеко не так. В разобранной нами в предыдущей главе модели наследственности Шмальгаузена-Уоддингтона определенной устойчивостью обладает развитие, и эта устойчивость передается в ряду поколений. Следовательно, лежащие в основе развития материальные процессы и отвечающий им аппарат, как воспроизводимые в каждом поколении, являются реально репликаторами.
Или возьмем так называемые длительные модификации. При изменении условий питания, скажем, при переносе растительноядных насекомых с обычного для них растения на неблагоприятное, часто возникают изменения (в их плодовитости, размерах, в соотношении элементов рисунка на теле, если таковой имеется, и других признаках), которые сохраняются в нескольких поколениях и при возвращении насекомых в исходные условия питания. В качестве примера сошлемся на опыты Е.С. Смирнова (1957, 1961) по переносу оранжерейной тли {Neomyzus circumflexus) с вики (благоприятное кормовое растение) на перец (неблагоприятное для питания растение). Длительные модификации осуществляются за счет сдвига кинетических параметров в транскрипционных сетях. Этот сдвиг при сохранении новых условий питания (например, принудительное кормление оранжерейной тли на перце), очевидно, наследуется, т.е. передается следующему поколению. Но это означает, что транскрипционные сети также являются репликаторами и они обеспечивают передачу средового воздействия новому поколению. Изменения, стоит подчеркнуть, именно передаются через транскрипционные сети, а не возникают в новых поколениях каждый раз заново под влиянием новых условий. Дело в том, что переход организмов из морфологического состояния, отвечающего одним стационарным условиям (например, питанию тлей на вике), в морфологическое состояние, отвечающее другим стационарным условиям (питанию на перце) осуществляются не сразу, а растягивается на ряд последовательных поколений. В таких случаях говорят о переходных процессах между разными стационарными условиями. Причем переходные процессы могут быть апериодическиими, периодическиими (колебательными) и вырожденными разного вида, т.е. показывать разную динамику. Поэтому организмы, достигнув в каком-то поколении нового стационарного уровня приобретают изменения, которые не восстанавливаются с нуля в каждом следующем поколении, но воспроизводятся, т.е. реплицируются. «Стадность» генов, если вернуться к метафоре Докинза, есть наследуемый признак. Обеспечивают ее транскрипционные сети. Они собирают гены в кулак и, следовательно, они наряду с генами также должны реплицироваться при образовании женских половых клеток. С химической точки зрения репликация есть автокатализ, т.е. такой процесс, при котором некоторое соединение катализирует свое собственное образование (Szathmary, 1999, 2000). С этой точки зрения репликаторы нельзя ограничить лишь генами. Автокаталитические свойства показывают многие метаболические процессы, которые, следовательно, могут рассматриваться в качестве особых метаболических репликаторов. Вехтерсхойзер (Wachtershauser, 2007) в этом случае говорит о метаболическом воспроизведении (metabolic reproduction). Рост клетки и некоторых клеточных структур связан с их разделением при достижении ими некоторого критического размера. Распавшиеся структуры могут продолжить свой рост, повторяя основные особенности материнской структуры. В этом случае также можно говорить о репликаторах. Упомянем в качестве таковых клеточные мембраны. В-четвертых, концепция эгоистичного гена исходит из предположения, что жизнь началась с матричных репликаторов, т.е. с реплицирующихся нуклеиновых кислот. Доказательств и удовлетворительных сценарных реконструкций этой гипотезы нет. В то же время существуют хорошо разработанные сценарии, дающие поэтапную реконструкцию становления жизненных функций и предполагающих, что на ранних этапах ключевая роль принадлежала нематричным формам наследования (см. главу 3). Жизнь могла возникнуть и развиваться только при условии концентрации в одном месте биохимических и наследственных функций. Мембраны в этом смысле оказались наиболее подходящей физической основой для формирования соответствующего метаболического и репликационного аппаратов (Уголев, 1985; Deamer et al., 2002). Мембраны, в частности, образуют селективный барьер для получения необходимых метаболически активных веществ. В то же время через работу электрон-транспортных цепей и пигментных систем они определяют возможность получения и накопления в химически доступной форме энергии редокс-потенциала и света. Для выполнения наследственных функций важна способность мембранных пузырьков непрерывно расти и делиться при достижении некоторого порогового размера. Сурфактанты с длиной хвостовых цепей не менее 10 углеродных атомов при некоторых условиях могут самопроизвольно собираться в виде двуслойных или многослойных пузырьков, предельный размер которых будет определяться плотностью белкового ингредиента (Segre et al., 2001; Monnard, Deamer, 2002). Эти пузырьки показывают избирательную проницаемость для ионов, которая, как показали эксперименты, обратно пропорциональна длине и степени ненасыщенности углеводородных «хвостов». Отметим также, что фосфолипиды спонтанно образуют двуслойные пузырьки размером с бактериальную клетку (Bangham et al., 1965). Способность липидов при определенной концентрации самоорганизовываться в мембранные пузырьки зависит от многих факторов. Двухвалентные катионы ингибируют образование пузырьков. С другой стороны, добавление тонко гранулированной глины в раствор с субкритической концентрацией липидов вызывает спонтанное образование пузырьков, т.е. самосборка липидных пузырьков и других липидных структур может ускоряться в присутствии минералов. На этом основании была выдвинута гипотеза, что саморепродуцирующиеся мембранные пузырьки могли, составлять первые формы преджизни — липидный мир (Luisi, Varela, 1990; Segre, Lancet, 2000; Segre et al., 2001). На самых ранних этапах эволюции мембранные пузырьки состояли, видимо, из более простых одноцепных сур-фактантов, таких, как жирные кислоты, моноглицериды, которые могли образовываться самопроизвольно, судя по их нахождению в метеоритах. Некоторые сурфактанты (липозимы — Segre et al., 2001) могли выполнять функцию катализаторов, регулируя скорость превращения предшественников в определенные липиды и (или) ускоряя процесс включения последних в мембрану (Segre, Lancet, 2000). С появлением липозимов могла начаться эволюция мембранных пузырьков и образование наиболее устойчивых вариантов, структура которых за счет действия каталитически замкнутой системы липозимов могла сохраняться не только в процессах роста пузырьков, но и при делении их на дочерние. Включение в мембрану белковых молекул в состоянии уменьшить кривизну пузырьков, что приведет к увеличению их размеров. Саморепродуцирующиеся мембранные пузырьки могли функционировать как первые репликаторы нематричной природы (фене-тические репликаторы по: Szathmary, 1999).
Нематричные репликаторы обладают способностью к самоорганизации. В главе 12 мы подробно рассмотрим самоорганизующиеся системы. Здесь же ограничимся обсуждением репликационных возможностей различных клеточных аппаратов. Начнем с сетевых структур, но сначала сделаем пояснения в отношении регуляторных механизмов контроля развития.
