В Философии зоологии Ламарк рассмотрел возможные пути происхождения двуруких (человека) из наиболее совершенных четвероруких (человекообразных обезьян) и последствия этого для исходных форм. «Нет ничего невозможного, — писал Ламарк — что одна из самых совершенных пород четвероруких приобрела господство; в силу абсолютной власти над другими породами и под влиянием новых потребностей изменила свои старые привычки; подверглась преобразованию своей организации и обогатилась новыми способностями; положила предел дальнейшему развитию других высоко организованных пород...». А чуть ранее на той же странице читаем: новая порода, «мешая размножаться близким к ней породам и вынуждая их ютиться в лесах или каких-нибудь других диких местностях, она тем самым неизбежно остановит развитие их способностей...», а самой ей «удастся достигнуть того, что между нею и другими высоко организованными животными окажется огромная разница и как бы незаполненный промежуток». Ламарк, таким образом, на примере человека четко говорит, что новая группа ставит предел и даже замедляет дальнейшее развитие других групп, а сама в это время ускоренно дивергирует от них. Здесь прописан механизм, благодаря которому одни группы внутри сообщества консервируются, а другие прогрессируют. Упомянутый выше Вильям Уэльс писал о возможности естественного отбора среди рас, которые многими в то время воспринимались как аналоги видов. Иными словами, речь у него шла об отборе видов (не внутривидовом отборе, как думал Ч.Дарвин). По Уэльсу, сначала вид распадается на расы как результат обитания в разных областях, и уже потом между сформировавшимися расами идет отбор. По духу и смыслу это повторяет то, что писал Ламарк в Философии зоологии о конкуренции человека и четвероруких, из которых первый выделился. Иными словами, у Уэльса речь идет о межвидовом отборе, о котором первым начал говорить, по всей видимости, Ламарк. Суммируем принципиальные позиции, отличающие дарвиновский естественный отбор от отбора между видами. По Дарвину, отбирается малое различие, сопряженное с более плодовитым на выходе потомством. Из этого понимания следует, что (1) область действия отбора — это популяция или вид, (2) результат действия отбора — это замещение в популяции одного признака другим, сопряженным с более плодовитым потомством. Первое условие подразумевает возможность более или менее свободного скрещивания. Если это условие исключить, то это будет означать, что особи с новыми признаками не соревнуются с особями материнской популяции за право жить. Они существуют независимо от нее и теперь уже обладают собственной исторической (эволюционной) судьбой. И если материнская популяция исчезнет, то это произойдет по причине ее собственной неспособности приспособиться. В этом случае мы будем иметь пример межвидового отбора. В случае дарвиновского отбора члены популяции соревнуются между собой по степени выживаемости относительно действующих на популяцию факторов среды. Допустим, например, что появился новый ограничивающий фактор, скажем новый хищник, который начал снижать численность популяции, до этого находившейся в устойчивом равновесии. Если вдруг у какой-то особи появится наследственно закрепленная возможность противостоять данному хищнику (за счет большей плодовитости, способности лучше прятаться или лучше бегать), то потомки этой особи получат реальный шанс выжить. Дарвин приводит пример вытеснения одним видом ласточки (рыжекрылой) другого вида (бурокрылой ласточки). Это является примером межвидового отбора. Но если бы в популяции бурокрылой ласточки появились случайно особи, способные противостоять давлению рыжекрылых ласточек, то замещение материнской популяции бурокрылых ласточек этой новой формой было бы отбором по Дарвину. В случае межвидового отбора среда выступает в роли сита, отсеивающего менее удачные независимо существующие формы. Мы, конечно, предполагаем, следуя дарвиновской теории, что все эти независимые формы приобрели видовую самостоятельность через естественный отбор. Иными словами, внутривидовой и межвидовой отбор — это две стороны единого процесса, в котором внутривидовой отбор является причиной межвидового. В большинстве случаев это, по-видимому, так. Можно, однако, указать на примеры независимого от естественного отбора возникновения форм. В 1899 г. наш выдающийся ботаник Сергей Иванович Коржинский (1861-1900) выступил с оказавшейся плодотворной идеей гетерогенезиса (термин заимствован из концепции гетерогенного размножения Кёлликера — Kolliker, 1864) — о внезапном появлении новых форм среди растений. Причем «сразу возникает особая раса, столь же прочная и постоянная, как и те, которые существуют с незапамятных времен». СИ. Коржинский отличал гетерогенные различия от индивидуальных: «гетерогенные признаки представляют всегда более или менее резкие уклонения, тогда как индивидуальные характеризуются всегда мелкими и незаметными отличиями». «Индивидуальные вариации заключаются в пределах типа, гетерогенные же выходят из этих пределов и составляют нарушение типа». СИ. Коржинский обосновал свою концепцию рядом показательных примеров. Гетерогенные формы отмечались с давних пор. Немецкий фармацевт из Гейдельберга Шпренгер (Sprenger) еще в 1590 г. обнаружил дуболистную форму (incisa form) чистотела Chelidonium majus, названную впоследствии laciniatum. Н.Я. Данилевский в своей критической работе о дарвиновской теории естественного отбора привел рисунок плакучей формы туи восточной (Thuja (Biota) orientalis). Одновременно с СИ. Коржинским с идеей крупных изменений, ведущих сразу к новой форме, выступил Гуго Де-Фриз, работавший с энотерой Ламарка (Oenothera lamarckiana) из семейства онагриковых. Свою теорию Де-Фриз назвал мутационной, согласно которой, «виды в природе возникают вообще не постепенно, не вследствие медленного приспособления к влияниям внешнего мира, но скачком...». «Как только новые виды выделились из родоначального вида, они сразу уже постоянны. Для этого не нужно ни ряда поколений, ни борьбы за существование, ни удаления негодных, ни подбора». Де Фриз, таким образом, считал, что новые формы возникают сразу в результате макромутаций и этот процесс не нуждается в дарвиновском естественном отборе. Поскольку виды возникают в результате макромутаций, то «борьба за существование происходит не между особями, а между видами. Переживают не наилучшие индивиды, а те типы, которые случайно лучше приспособлены к господствующим обстоятельствам». «Де Фриз — прокомментировал его мутационную теорию А.Е. Гайсинович, 1988) — все же допускает необходимость борьбы за существование, но лишь после образования видов. И тогда имеет место только межвидовая борьба». Именно так, но надо сделать следующий шаг и сказать, что результатом этой борьбы может быть межвидовой отбор. Иными словами, гетерогенные формы Коржинского, или макромутанты Де-Фриза могут быть полем действия отбора по Ламарку. Уильям Бэтсон — один из первых влиятельных генетиков — по тем же соображениям также не видел необходимости объяснять эволюцию через дарвиновский отбор:«... формы жизни, как правило, дискретны.. .-совершенно очевидно, что отличность и дискретность признаков выступает по неизвестным пока причинам неотъемлемой частью их природы и не зависит непосредственно от естественного отбора» (Bateson, 1894). Дарвин (1952) писал, что «Естественный отбор действует исключительно только посредством сохранения и накопления изменений, благоприятных для организма...» и что «Только те изменения, которые так или иначе полезны, сохранятся и подвергнутся естественному отбору». Естественный отбор, таким образом, связан с двумя условиями — изменчивостью и изменениями среды. Чтобы начал действовать межвидовой отбор, т.е. отбор родо-видовых характеристик, достаточно одного условия — изменения среды. Межвидовой отбор особенно масштабен в случае индуцированного средой разрушения популяционных и биоценотических связей. В истории земли такие условия создавались неоднократно и вели к смене флор и фаун как в глобальном, так и в региональном масштабах. Во всех случаях шло разрушение старых биоценозов и становление новых. Примерами могут служить имевшие место в истории Земли биоценотические кризисы, освобождавшие землю от старых ценозов, на месте которых начинали формироваться новые ценозы, в которых получали преимущество виды, находившиеся до этого в тени, и шло интенсивное формообразование без жестких на первых порах ценотических ограничений. Разрушение биоценозов ведет к распаду популяций на локальные группы. Как результат интенсивность внутрипопуляционного отбора падает, но одновременно в этих стрессовых условиях возрастет изменчивость (см. главу 8), причем резко повышается вероятность сохранения тех изменений, которые в нормальных условиях не способны закрепиться. Локальные группы превратятся в виды, обособленность которых на первых порах будет поддерживаться, по крайней мере, у животных, этологическими механизмами распознавания своих и чужих (Марков, Куликов, 2006). Возникшие локальные виды, очевидно, будут показывать разный уровень устойчивости к абиотическим и биотическим факторам. Поэтому когда виды начнут экспансию из своих очагов возникновения на окружающие территории, с неизбежностью начнется отбор на обоих уровнях - на внутривидовом (дарвиновский отбор), который может привести к новым видам, и на межвидовом, который будет связан с элиминацией одних видов и процветанием других. Межвидовой отбор является мощным эволюционным фактором, поскольку при элиминации видов освобождается поле для морфологической диверсификации других таксонов, могущей идти вне механизмов дарвиновской эволюции за счет снижения интенсивности борьбы за существование. В этом случае могут действовать механизмы межвидового отбора, описываемые как вакантное замещение. Так, грандиозную радиацию плацентарных млекопитающих в раннем кайнозое часто связывают с вымиранием последних нептицетазовых динозавров и других крупных рептилий на стыке мелового и третичного периодов. Эти рептилии могли подавлять млекопитающих через конкуренцию и хищничество. Другим примером служат так называемые параллельные замещения. Древние черепахи амфихелиды (Amphiche-lydae), включающие древнейший позднетриасовый вид Proganochelys quenstedti, не могли втягивать голову и шею внутрь панциря. Две группы современных черепах — бокошейные (Pleurodira) и скрытошей-ные (Cryptodira), которые были способны изгибать шею в первом случае в горизонтальной плоскости (прижимая ее к передней ноге), во втором в вертикальной плоскости (в виде S-образного изгиба), четыре или пять раз замещали амфихелид в различных частях мира, особенно во время массового вымирания в конце мела и в начале третичного периода. Современные группы явно не могли радиировать, пока не вымерли амфихелиды.
Концепция отбора по родо-видовым признакам, принципиально отличается от дарвиновской теории внутрипопуляционного отбора своей очевидностью и отсутствием эвристической ценности. Именно поэтому сам Ламарк не придавал данной концепции большого значения и не считал нужным формулировать ее как научную проблему. Возникновение родовидовых инноваций — вот ключевая проблема, которая интересовала Ламарка, а то, что одни инновации в определенных условиях среды могут проигрывать другим, в этом Ламарк, видимо, не видел научной проблемы. Возникает, однако, вопрос, почему Ламарк не смог сформулировать идею естественного отбора, отталкиваясь от понятия отбора между видами. Ведь дарвиновский естественный отбор фактически им подразумевался, когда он говорил о господстве двуруких, которые благодаря именно своему превосходству выделись из четвероруких. Тем не менее, Ламарк не стал разрабатывать идею отбора. Причина, на наш взгляд связана с тем, что в рамках принятого им подхода для объяснения поступательного хода эволюции нет надобности в понятии естественного отбора. Подчеркнем, что речь идет о модели, т.е. о частном описании, которое не претендует на универсальность и акцентирует внимание на какой-то отдельной стороне эволюционного процесса. Поэтому если ламарковская модель не использует понятие естественного отбора, то это не означает, что она его отрицает или, что отбора в природе нет. Напомним, что в дарвиновской модели эволюции отбор является ключевым фактором, определяющим необратимость эволюционного процесса и, следовательно, его поступательный ход. В ламарковской модели эволюция благодаря канализующей функции потребностей с самого начала предполагается направленной, поступательной. Соответственно естественный отбор в его модели является дополнительным фактором, который в одних случаях может проявить себя, в других нет. Так, если с возникновением новых потребностей внутри вида появились новые формы, то судьба неизменившихся форм уже несущественна. По Ламарку, способными к изменению должны быть все особи вида, вынужденные следовать новым потребностям. А поскольку процесс адаптации растягивается на многие поколения, то одни цепочки связанных родством организмов изменятся раньше, другие позже. Те организмы, которые адаптировались раньше, могут оттеснить особей, пока не преуспевших в этом, в худшие условия, в которых сам мотив к изменению может уже не действовать. Неизменившиеся формы могут постепенно исчезнуть, если новая форма будет им сильно «мешать размножаться», а могут сохраниться и мы получим два близких вида. Именно последний вариант предполагал Ламарк, обсуждая эволюцию двуруких из четвероруких. По нашему мнению, в дарвиновском отборе приспособленных и в ламарковском направленном изменении, возникающем через актуализацию потребностей, речь может идти об одном и том же процессе, рассматриваемом с разных сторон. Ламарк утверждает, что новые потребности будут определять возможный спектр изменений, актуализация которых приведет к образованию новой породы. Дарвин говорит, что по тому же спектру наследственных изменений, которые как удовлетворяющие потребностям окажутся полезными для их носителей, последние будут отбираться от неизменившихся форм, формируя новый вид. Традиционное противопоставление Ламарка и Дарвина основано, как известно, на том, что Ламарку приписывалось мнение о возможности прямого приспособления организмов, что исключало мутационные изменения, играющие ключевую роль в дарвиновской модели. На самом деле Ламарк ничего не говорил о природе изменений и противопоставление дарвиновской и ламарковской точек зрения введено задним числом. Мы еще вернемся к этому вопросу.
Эволюционные зависимости
На позицию Ламарка в вопросе эволюции могла сказаться его профессиональная деятельность в качестве систематика. Весь таксономический материал, доступный Ламарку, свидетельствовал о наличии определенных закономерностей в распределении морфологических различий по родо-видовым признакам. Морфологические зависимости неоднократно описывались под разными названиями — «закона баланса» Гёте, «закона компенсации», «принципа уравновешивания органов» Жоффруа Сент-Илера (на животных) и Адансона (на растениях), «принципа функциональных корреляций» Ж. Кювье, и ряда других. В качестве примера приведем формулировку «закона баланса» Гёте (1796): «ни к одной части не может что-нибудь добавлено без того, что не будет убавлено от другой, и наоборот». Систематика накопила большой материал, свидетельствующий о возможности неслучайного изменения признаков надвидовых уровней. Конечно, говорить о единых зависимостях, охватывающих все многообразие организмов и сравнимых в этом плане с периодической системой химических элементов, не приходится. Но зависимости есть (см.: Павлов, 2000; Чайковский, 2006; Попов, 2008), правда, разные для групп разного ранга и не столь часто проявляющиеся во всей своей полноте. Но это лишь говорит о том, что эволюция находится в сфере действия многих факторов, как внутренних, связанных с морфообразовательными процессами и случайными изменениями, так и внешних, обусловленных характером воздействий среды, их силой и продолжительностью. О регулярных зависимостях в морфологической эволюции говорил также Дарвин, причем с ними он связывал возможность неадаптивного изменения форм. Иными словами, сам Дарвин, в отличие от некоторых его последователей, например Вейсмана, не склонен был придавать естественному отбору значение обязательного эволюционного фактора. Ч. Дарвин собрал большое число данных, доказывающих, что некоторые типы изменчивости возникают в популяциях неслучайным образом. Причину этой неслучайной изменчивости Дарвин связывал с наследственностью. О том же до Дарвина в XVIII говорил Мопер-тюи в своем вероятностном «принципе совпадения». Основываясь на этом, Изабель Сандлер в своей диссертации охарактеризовала Мопер-тюи в качестве предтечи менделевской генетики. Систематика собрала огромный материал, свидетельствующий о неслучайности изменений признаков надвидового уровня. Таковы, прежде всего, параллелизмы. Параллелизмы часто связаны с цис-ре-гуляторными изменениями. Эукариотический ген имеет сложное строение и включает кодирующую последовательность, с которой считываемая информация о порядке расположения нуклеотидов, и цис-регуляторную некодирующую последовательность, выполняющую, как это следует из названия, регуляторные функции (Wray, 2007). Цис-регуляторная область представлена рядом функциональных элементов, являющихся обычно верховыми по расположению (в направлении 5' конца) относительно стартового кодона. Среди них выделяют промоторы, энхансеры, инсуля-торы и ряд других. Транскрипция мРНК начинается, когда РНК-полимераза связывается с промотором. Промотор содержит небольшой участок инициации транскрипции (стартовую позицию), выше которой лежит особая область связывания РНК-полимеразы с характерной для него устойчивою последовательностью из 12 чередующихся нуклеотидов тимидина и аденозина, называемой ТАТА-боксом. Ген может контролироваться несколькими независимыми промоторами, располагающимися нередко на значительном удалении друг от друга. Промотор, располагающийся непосредственно перед стартовым кодоном, называют базальным, или ко-ровым. Связь РНК-полимеразы с промотором опосредуется общими транскрипционными факторами, образующими комплекс из более чем 10 белков, мало различающийся у разных генов. Активность этого комплекса в свою очередь зависит от его соединения со специфическими транскрипционными регуляторными белками, связывающимися с энхансерами и таким образом передающие сигнал от энхансера через специфический и общий транскрипционные факторы на РНК-полимеразу. Энхансеры регулируют скорость транскрипции, и при соединении с одними транскрипционными факторами (активаторами) могут увеличивать, при соединении с другими (репрессорами) уменьшать скорость транскрипции. Специфические транскрипционные факторы обычно крайне консервативны по структуре и, как результат, по функции. Классическим примером являются белки, кодируемые Нох-генами. Мутации в кодирующей области могут привести к изменению структуры кодируемого белка. Если речь идет об изменении структуры транскрипционного фактора, то это может сказаться на функции всех генов организма, работа которых контролируется данным транскрипционным фактором. В этом случае говорят о транс-регуляторных изменениях. Многие, если не большинство мутаций в кодирующей области рецессивны. Мутация, произошедшая в энхансере (т.е. в регуляторной последовательности гена), может сказаться лишь на той функции гена, которая определяется данным энхансером. В этом случае говорят о цис-регуляторных изменениях. Работа гена обычно регулируется большим числом независимых цис-элементов (модулей), определяющих ситуативную активность гена, например, в разных тканях или органах, в разные периоды жизни организма, у разных полов и т.д. Так работу гена двухсегментной периодичности ever-skipped, участвующего в определении парасегментов у Drosophila melanogaster, контролируют пять независимых энхансеров. В свою очередь, например, энхансер stripe 2, необходимый для производства Eve-белка во второй полосе личинки, содержит сайты для двух активаторов (белки Bicoid, Hunchback) и трех репрессоров (белки Sloppy-paired, Kruppel, Giant). Наконец в одном энхансере может быть несколько сайтов для связывания нескольких молекул транскрипционного фактора. Так, в рассматриваемом энхансере имеется пять сайтов для связывания Bicoid и три для связывания Hunchback (Ludwig et al., 2005; Wittkopp, 2006). По этому показателю близкие виды могут различаться. Благодаря такой модульной организации мутация, затронувшая один цис-регуляторный элемент, может проявиться, например, у личинки, но не у имаго, или в одном органе, но не в другом. Цис-регуляторные изменения в меньшей степени подвержены плейотропным эффектам, а в силу их модульной организации они определяют модулярный характер преобразования признаков. С цис-регуляторными изменениями связаны преобразования морфологических паттернов, образующих пространственные конфигурации и рисунки. В качестве примера можно указать на эволюцию крылового рисунка у высших мух (Wittkopp et al., 2002, 2004; Wittkopp, 2006; Prud'homme et al., 2006, 2007; Кэрролл, 2007). Высшие акалипт-ратные мухи многих семейств имеют на крыльях рисунок из пятен и полос. Генетически изученные самцы Drosophila biarmipes характеризуются апикальным черным пятном в передней части крыла. Этим данный вид отличается от филогенетически близкого D. melanogaster и от более далекого от обоих видов D. pseudoobscura. Крыловое пятно является апоморфией D. biarmipes и видимо является опознавательной меткой в период брачного ухаживания данного вида (самцы «растопыривают» крылья перед самками, демонстрируя пятно). Важная роль в пигментации мух принадлежит, наряду с другими, гену yellow. Этот ген кодирует фермент, регулирующий реакции синтеза меланина. Фенетически значимые мутации в кодирующей последовательности будут менять паттерны окраски во всем теле, включая крыло, грудь и брюшко, ноги. Цис-регуляторные мутации будут проявляться в каком-то одном компартменте, например в крыле. У дрозо-филид yellow экспрессируется в крыловом зачатке на низком уровне как у пятнистых, так и лишенных пятен видов, но у самцов D. biarmipes он, кроме того, показывает повышенную экспрессию в том месте, где должно появиться пятно. Общая слабая экспрессия yellow в крыле D. melanogaster связана с энхансером wing, длиной около 800 п.о. и расположенном в одном килобазе выше стартового сайта (Gompel et al., 2005). У D. biarmipes в энхансере wing появилась новая значащая последовательность spot в дополнение к уже действующему модулю, обозначенному на рисунке 5.3 blade. Соответственно длина энхансера (spot + blade = w/ng/большой) увеличилась и стала равной 1542 п.о. Трансгенные особи D. melanogaster с встроенным репортерным геном, кодирующим зеленый флуоресцентный белок и содержащим некодиру-ющую последовательность гена yellow из D. biarmipes, показывали экспрессию флуоресцентного белка (на куколочной стадии) близкую к таковой D. biarmipes.
Благодаря модулю spot транскрипционная активность гена yellow резко возросла. Модуль spot несет также сайты для связывания транскрипционного фактора Engrailed. Ген посегментной полярности engrailed играет важную роль в процессах сегментации, специфицируя заднюю половину сегментов. В крыле он также специфицирует его заднюю половину. Для генауе/W белок Engrailed является репрессором. Поэтому в задней половине крыла темная окраска не развивается. Что касается базальной части крыла, в которой темная окраска не развита, то гены, репрессирующие активность yellow пока точно не выявлены. Но выявлены кандидаты и наиболее вероятным из них является ген distal-less и его антагонисты. Этот ген активен в апикальной части крыла. Если допустить, что кодируемый им транскрипционный фактор действует как активатор yellow, то пятно будет локализовано в верхней половине вершины крыла (в нижней половине оно будет подавляться engrailed). Такого типа апикальные пятна известны у представителей Lauxaniidae, Oti-tidae, Platystomatidae, Trypetidae. У D. biarmipes это пятно меньше и не захватывает самый апекс крыла. Поэтому возможны следующие варианты: либо существует ген с репрессирующей функцией в отношении yellow, область экспрессии которого ограничена узкой областью вдоль вершины крыла, либо ген с активирующей функцией, область экспрессии которого простирается в виде узкой полоски вдоль переднего края крыла, но не охватывает самую вершину крыла. Аналогом второго варианта может служить ген knot. Еще два гена bifid и spalt также имеют апикальную экспрессию (Prud'homme et al., 2007). spalt экспрессируется в межжилковом пространстве. Поэтому при участии этого гена апикальное пятно будет разбито на два пятна, расположенных на вершинах жилок R,+3 и R4+5, если белок, кодируемый spalt, функционирует как репрессор yellow, либо расположенных между жилками, если spalt действует как активатор yellow. Оба варианта реализованы по меньшей мере у представителей семейства Lauxaniidae. Итак, эволюция рисунка крыла связана с изменением цис-регуляторных модулей reaayellow. Эти изменения могут оказаться чувствительными к действию разных транскрипционных факторов, кодируемых генами (подобными Engrailed), которые определяют морфоге-нетические компартменты и экспрессия которых приурочена к строго определенным частям крыла. Иными словами, цис-регуляторная «мутация» переводит экспрессию yellow из одной транскрипционной (генной) сети в другую. Поскольку число таких сетей ограничено, то и возможный спектр изменений ограничен и, главное, предсказуем для данной группы. Этим изменения в цис-регуляторной области принципиально отличаются от мутаций в кодирующей области гена. Во втором случае речь идет о потере геном его нормальной функции, что часто имеет своим результатом патологию. В случае цис-регуляторных изменений кодируемый белок не теряет своих функций. Меняются лишь условия (транскрипционный ландшафт, или трансрегуляторный ландшафт), в которых действует ген. Поэтому правильнее в этом случае говорить не о мутации, но о наследуемом переключении работы гена с одного транскрипционного режима на другой. Этим будет определяться спектр морфологических изменений и их повторяемость. В гене yellow ниже энхансера wing расположен еще один энхансер body. Этот энхансер содержит сайт (модуль) stripes, определяющий черные полосы по заднему краю тергитов брюшка, а у ряда видов дополнительный модуль А5/А6, определяющий черную окраску 5-го и 6-го тергитов. В этом последнем случае активация регуляторного А5/А6-модуля осуществляется белком Abdominal-B, кодируемым соответствующим Нох-геном. Здесь также имела место кооптация в систему работы гена yellow другого гена Abdominal-B, имеющего совершенно иную главную функцию (Шаталкин, 2003). Важно подчеркнуть, что модули wing spot и body А5/А6 изменяются независимо, так что мы имеем виды дрозофилид, показывающих все возможные сочетания окраски крыльев и брюшных сегментов. За счет независимого изменения цис-регуляторных модулей разные виды могут параллельно приобретать или терять крыловые пятна. Так, в группе D. melanogaster переднее апикальное пятно на крыле терялось, по меньшей мере, пять раз, в том числе оно было предположительно утеряно у самого вида D. melanogaster (Prud'homme et al., 2006). Авторы исследовали механизмы потери данного пятна у двух, филогенетически не близких видов D. mimetica и D. gunungcola. Они оказались сходными и были связаны с изменением последовательности модуля spot. Однако, приобретение пятна у D. tristis из группы D. obscura, сестринской к группе D. melanogaster, было связано с изменением модуля intron-spot энхансера wing-wein, расположенного в интронной области гена yellow. И это отличает данный вид от D. biarmipes, у которого соответствующее пятно определяется модулем spot. Крыловое пятно у обоих видов возникло параллельно в результате изменений разных цис-регуляторных модулей. Другим хорошо изученным примером цис-регуляторных изменений является эволюция хетома у высших двукрылых насекомых. Эти примеры интересны тем, что в них рассматриваются процессы редукции макрохет, имевшие место в эволюции мух. Механосенсорные щетинки на среднеспинке мух, как правило, показывают регулярный паттерн расположения. Они, в частности, равномерно отделены друг от друга обычными эпителиальными клетками, которые лишены механосенсорной функции. Соответствующий паттерн получается за счет работы особого механизма, получившего название латеральной ингибиции, когда клетки, начинающие дифференцироваться в сенсорные, ингибируют развитие соседних клеток в том же направлении. Этот механизм опосредуется Notch-сигнальным путем, который кроме прочего определяет расположение щетинок по продольным рядам. У мутантов по Notch по крайней мере щетинки не образуют рядов. У высших круглошовных мух щетинки среднеспинки дифференцируются на макро- и микрохеты. Первые организованы в восемь рядов, образующих симметричные пары на левой и правой сторонах среднеспинки. В систематике мух наиболее важными являются два ряда срединных акростихальных макрохет (ас) и расположенных ла-теральнее их два ряда щетинок, называемых дорсоцентральными. Исходно эти два ряда состояли из трех-четырех предшовных и четырех зашовных щетинок. У большинства мух акростихальные макро-хеты представлены единственной задней парой, получившей название предщитковых щетинок. В процессе развития макрохеты закладываются у личинок, до ку-колочной стадии, тогда как микрохеты — во время куколочного развития, после секреции кутикулы. Благодаря этому макрохеты располагаются на большем удалении друг от друга и сроки формирования ими особого паттерна более продолжительные. Drosophila melanogaster, как и большинство из почти 4000 видов дрозофилид, имеет лишь две пары зашовных dc. Следовательно, становление дрозофилид как группы было связано с потерей предшовных и передней зашовной dc. Относительное положение щетинок на среднеспинке определяется экспрессией генов achaete-scute (ac-sc). Этот комплекс включает четыре гена: achaete (ас), scute (sc), lethal of scute (I'sc), asense (ase). Развитие dc определяется экспрессией sc, который активируется через особый энхансер DCE. Два транскрипционных фактора, Iroquois (Iro) и Pannier (Pnr), необходимы для активации sc. Первый активен в боковых частях среднеспинки, второй — в срединной области. Поскольку в области размещения акростихальных щетинок ген рпг блокируется продуктами гена u-shaped, а в боковых частях он показывает слабую активность, Рпг может считаться активатором дорсоцентральных щетинок. Сзади область экспрессии sc ограничена активностью islet. Данные, касающиеся механизмов ограничения области экспрессии sc спереди, противоречивы. Эта часть среднеспинки является областью активности генов stripe (sr), wingless (wg). Первый подавляет развитие макрохет, второй поддерживает экспрессию sc и одновременно подавляет активность sr. Кроме того, описаны два отрицательных регулятора sc, кодируемые генами hairy и extramacrochaetae (emc). Первый кодирует bHLH-содержащий белок, который непосредственно репрессирует ac-sc, тогда как второй действует на белковые продукты ac-sc, лишая их функции транскрипционных активаторов. Потеря функции етс ведет к атавистическому восстановлению исходного числа макрохет, характерного для примитивных круглошовных мух. Рпг, полученные из дальних родственников дрозофилид, в том числе из комара Anopheles gambiae, способны восстанавливать работу ac-sc у трансгенных D. melanogaster. Это свидетельствует о том, что изменение хетотаксии у дрозофилид связано цис-действующими регулятор-ными модулями.
Направленная изменчивость
Концепция отбора по родо-видовым признакам, принципиально отличается от дарвиновской теории внутрипопуляционного отбора своей очевидностью и отсутствием эвристической ценности. Именно поэтому сам Ламарк не придавал данной концепции большого значения и не считал нужным формулировать ее как научную проблему. Возникновение родовидовых инноваций — вот ключевая проблема, которая интересовала Ламарка, а то, что одни инновации в определенных условиях среды могут проигрывать другим, в этом Ламарк, видимо, не видел научной проблемы. Возникает, однако, вопрос, почему Ламарк не смог сформулировать идею естественного отбора, отталкиваясь от понятия отбора между видами. Ведь дарвиновский естественный отбор фактически им подразумевался, когда он говорил о господстве двуруких, которые благодаря именно своему превосходству выделись из четвероруких. Тем не менее, Ламарк не стал разрабатывать идею отбора. Причина, на наш взгляд связана с тем, что в рамках принятого им подхода для объяснения поступательного хода эволюции нет надобности в понятии естественного отбора. Подчеркнем, что речь идет о модели, т.е. о частном описании, которое не претендует на универсальность и акцентирует внимание на какой-то отдельной стороне эволюционного процесса. Поэтому если ламарковская модель не использует понятие естественного отбора, то это не означает, что она его отрицает или, что отбора в природе нет. Напомним, что в дарвиновской модели эволюции отбор является ключевым фактором, определяющим необратимость эволюционного процесса и, следовательно, его поступательный ход. В ламарковской модели эволюция благодаря канализующей функции потребностей с самого начала предполагается направленной, поступательной. Соответственно естественный отбор в его модели является дополнительным фактором, который в одних случаях может проявить себя, в других нет. Так, если с возникновением новых потребностей внутри вида появились новые формы, то судьба неизменившихся форм уже несущественна. По Ламарку, способными к изменению должны быть все особи вида, вынужденные следовать новым потребностям. А поскольку процесс адаптации растягивается на многие поколения, то одни цепочки связанных родством организмов изменятся раньше, другие позже. Те организмы, которые адаптировались раньше, могут оттеснить особей, пока не преуспевших в этом, в худшие условия, в которых сам мотив к изменению может уже не действовать. Неизменившиеся формы могут постепенно исчезнуть, если новая форма будет им сильно «мешать размножаться», а могут сохраниться и мы получим два близких вида. Именно последний вариант предполагал Ламарк, обсуждая эволюцию двуруких из четвероруких. По нашему мнению, в дарвиновском отборе приспособленных и в ламарковском направленном изменении, возникающем через актуализацию потребностей, речь может идти об одном и том же процессе, рассматриваемом с разных сторон. Ламарк утверждает, что новые потребности будут определять возможный спектр изменений, актуализация которых приведет к образованию новой породы. Дарвин говорит, что по тому же спектру наследственных изменений, которые как удовлетворяющие потребностям окажутся полезными для их носителей, последние будут отбираться от неизменившихся форм, формируя новый вид. Традиционное противопоставление Ламарка и Дарвина основано, как известно, на том, что Ламарку приписывалось мнение о возможности прямого приспособления организмов, что исключало мутационные изменения, играющие ключевую роль в дарвиновской модели. На самом деле Ламарк ничего не говорил о природе изменений и противопоставление дарвиновской и ламарковской точек зрения введено задним числом. Мы еще вернемся к этому вопросу.
Эволюционные зависимости
На позицию Ламарка в вопросе эволюции могла сказаться его профессиональная деятельность в качестве систематика. Весь таксономический материал, доступный Ламарку, свидетельствовал о наличии определенных закономерностей в распределении морфологических различий по родо-видовым признакам. Морфологические зависимости неоднократно описывались под разными названиями — «закона баланса» Гёте, «закона компенсации», «принципа уравновешивания органов» Жоффруа Сент-Илера (на животных) и Адансона (на растениях), «принципа функциональных корреляций» Ж. Кювье, и ряда других. В качестве примера приведем формулировку «закона баланса» Гёте (1796): «ни к одной части не может что-нибудь добавлено без того, что не будет убавлено от другой, и наоборот». Систематика накопила большой материал, свидетельствующий о возможности неслучайного изменения признаков надвидовых уровней. Конечно, говорить о единых зависимостях, охватывающих все многообразие организмов и сравнимых в этом плане с периодической системой химических элементов, не приходится. Но зависимости есть (см.: Павлов, 2000; Чайковский, 2006; Попов, 2008), правда, разные для групп разного ранга и не столь часто проявляющиеся во всей своей полноте. Но это лишь говорит о том, что эволюция находится в сфере действия многих факторов, как внутренних, связанных с морфообразовательными процессами и случайными изменениями, так и внешних, обусловленных характером воздействий среды, их силой и продолжительностью. О регулярных зависимостях в морфологической эволюции говорил также Дарвин, причем с ними он связывал возможность неадаптивного изменения форм. Иными словами, сам Дарвин, в отличие от некоторых его последователей, например Вейсмана, не склонен был придавать естественному отбору значение обязательного эволюционного фактора. Ч. Дарвин собрал большое число данных, доказывающих, что некоторые типы изменчивости возникают в популяциях неслучайным образом. Причину этой неслучайной изменчивости Дарвин связывал с наследственностью. О том же до Дарвина в XVIII говорил Мопер-тюи в своем вероятностном «принципе совпадения». Основываясь на этом, Изабель Сандлер в своей диссертации охарактеризовала Мопер-тюи в качестве предтечи менделевской генетики. Систематика собрала огромный материал, свидетельствующий о неслучайности изменений признаков надвидового уровня. Таковы, прежде всего, параллелизмы. Параллелизмы часто связаны с цис-ре-гуляторными изменениями. Эукариотический ген имеет сложное строение и включает кодирующую последовательность, с которой считываемая информация о порядке расположения нуклеотидов, и цис-регуляторную некодирующую последовательность, выполняющую, как это следует из названия, регуляторные функции (Wray, 2007). Цис-регуляторная область представлена рядом функциональных элементов, являющихся обычно верховыми по расположению (в направлении 5' конца) относительно стартового кодона. Среди них выделяют промоторы, энхансеры, инсуля-торы и ряд других. Транскрипция мРНК начинается, когда РНК-полимераза связывается с промотором. Промотор содержит небольшой участок инициации транскрипции (стартовую позицию), выше которой лежит особая область связывания РНК-полимеразы с характерной для него устойчивою последовательностью из 12 чередующихся нуклеотидов тимидина и аденозина, называемой ТАТА-боксом. Ген может контролироваться несколькими независимыми промоторами, располагающимися нередко на значительном удалении друг от друга. Промотор, располагающийся непосредственно перед стартовым кодоном, называют базальным, или ко-ровым. Связь РНК-полимеразы с промотором опосредуется общими транскрипционными факторами, образующими комплекс из более чем 10 белков, мало различающийся у разных генов. Активность этого комплекса в свою очередь зависит от его соединения со специфическими транскрипционными регуляторными белками, связывающимися с энхансерами и таким образом передающие сигнал от энхансера через специфический и общий транскрипционные факторы на РНК-полимеразу. Энхансеры регулируют скорость транскрипции, и при соединении с одними транскрипционными факторами (активаторами) могут увеличивать, при соединении с другими (репрессорами) уменьшать скорость транскрипции. Специфические транскрипционные факторы обычно крайне консервативны по структуре и, как результат, по функции. Классическим примером являются белки, кодируемые Нох-генами. Мутации в кодирующей области могут привести к изменению структуры кодируемого белка. Если речь идет об изменении структуры транскрипционного фактора, то это может сказаться на функции всех генов организма, работа которых контролируется данным транскрипционным фактором. В этом случае говорят о транс-регуляторных изменениях. Многие, если не большинство мутаций в кодирующей области рецессивны. Мутация, произошедшая в энхансере (т.е. в регуляторной последовательности гена), может сказаться лишь на той функции гена, которая определяется данным энхансером. В этом случае говорят о цис-регуляторных изменениях. Работа гена обычно регулируется большим числом независимых цис-элементов (модулей), определяющих ситуативную активность гена, например, в разных тканях или органах, в разные периоды жизни организма, у разных полов и т.д. Так работу гена двухсегментной периодичности ever-skipped, участвующего в определении парасегментов у Drosophila melanogaster, контролируют пять независимых энхансеров. В свою очередь, например, энхансер stripe 2, необходимый для производства Eve-белка во второй полосе личинки, содержит сайты для двух активаторов (белки Bicoid, Hunchback) и трех репрессоров (белки Sloppy-paired, Kruppel, Giant). Наконец в одном энхансере может быть несколько сайтов для связывания нескольких молекул транскрипционного фактора. Так, в рассматриваемом энхансере имеется пять сайтов для связывания Bicoid и три для связывания Hunchback (Ludwig et al., 2005; Wittkopp, 2006). По этому показателю близкие виды могут различаться. Благодаря такой модульной организации мутация, затронувшая один цис-регуляторный элемент, может проявиться, например, у личинки, но не у имаго, или в одном органе, но не в другом. Цис-регуляторные изменения в меньшей степени подвержены плейотропным эффектам, а в силу их модульной организации они определяют модулярный характер преобразования признаков. С цис-регуляторными изменениями связаны преобразования морфологических паттернов, образующих пространственные конфигурации и рисунки. В качестве примера можно указать на эволюцию крылового рисунка у высших мух (Wittkopp et al., 2002, 2004; Wittkopp, 2006; Prud'homme et al., 2006, 2007; Кэрролл, 2007). Высшие акалипт-ратные мухи многих семейств имеют на крыльях рисунок из пятен и полос. Генетически изученные самцы Drosophila biarmipes характеризуются апикальным черным пятном в передней части крыла. Этим данный вид отличается от филогенетически близкого D. melanogaster и от более далекого от обоих видов D. pseudoobscura. Крыловое пятно является апоморфией D. biarmipes и видимо является опознавательной меткой в период брачного ухаживания данного вида (самцы «растопыривают» крылья перед самками, демонстрируя пятно). Важная роль в пигментации мух принадлежит, наряду с другими, гену yellow. Этот ген кодирует фермент, регулирующий реакции синтеза меланина. Фенетически значимые мутации в кодирующей последовательности будут менять паттерны окраски во всем теле, включая крыло, грудь и брюшко, ноги. Цис-регуляторные мутации будут проявляться в каком-то одном компартменте, например в крыле. У дрозо-филид yellow экспрессируется в крыловом зачатке на низком уровне как у пятнистых, так и лишенных пятен видов, но у самцов D. biarmipes он, кроме того, показывает повышенную экспрессию в том месте, где должно появиться пятно. Общая слабая экспрессия yellow в крыле D. melanogaster связана с энхансером wing, длиной около 800 п.о. и расположенном в одном килобазе выше стартового сайта (Gompel et al., 2005). У D. biarmipes в энхансере wing появилась новая значащая последовательность spot в дополнение к уже действующему модулю, обозначенному на рисунке 5.3 blade. Соответственно длина энхансера (spot + blade = w/ng/большой) увеличилась и стала равной 1542 п.о. Трансгенные особи D. melanogaster с встроенным репортерным геном, кодирующим зеленый флуоресцентный белок и содержащим некодиру-ющую последовательность гена yellow из D. biarmipes, показывали экспрессию флуоресцентного белка (на куколочной стадии) близкую к таковой D. biarmipes.
Благодаря модулю spot транскрипционная активность гена yellow резко возросла. Модуль spot несет также сайты для связывания транскрипционного фактора Engrailed. Ген посегментной полярности engrailed играет важную роль в процессах сегментации, специфицируя заднюю половину сегментов. В крыле он также специфицирует его заднюю половину. Для генауе/W белок Engrailed является репрессором. Поэтому в задней половине крыла темная окраска не развивается. Что касается базальной части крыла, в которой темная окраска не развита, то гены, репрессирующие активность yellow пока точно не выявлены. Но выявлены кандидаты и наиболее вероятным из них является ген distal-less и его антагонисты. Этот ген активен в апикальной части крыла. Если допустить, что кодируемый им транскрипционный фактор действует как активатор yellow, то пятно будет локализовано в верхней половине вершины крыла (в нижней половине оно будет подавляться engrailed). Такого типа апикальные пятна известны у представителей Lauxaniidae, Oti-tidae, Platystomatidae, Trypetidae. У D. biarmipes это пятно меньше и не захватывает самый апекс крыла. Поэтому возможны следующие варианты: либо существует ген с репрессирующей функцией в отношении yellow, область экспрессии которого ограничена узкой областью вдоль вершины крыла, либо ген с активирующей функцией, область экспрессии которого простирается в виде узкой полоски вдоль переднего края крыла, но не охватывает самую вершину крыла. Аналогом второго варианта может служить ген knot. Еще два гена bifid и spalt также имеют апикальную экспрессию (Prud'homme et al., 2007). spalt экспрессируется в межжилковом пространстве. Поэтому при участии этого гена апикальное пятно будет разбито на два пятна, расположенных на вершинах жилок R,+3 и R4+5, если белок, кодируемый spalt, функционирует как репрессор yellow, либо расположенных между жилками, если spalt действует как активатор yellow. Оба варианта реализованы по меньшей мере у представителей семейства Lauxaniidae. Итак, эволюция рисунка крыла связана с изменением цис-регуляторных модулей reaayellow. Эти изменения могут оказаться чувствительными к действию разных транскрипционных факторов, кодируемых генами (подобными Engrailed), которые определяют морфоге-нетические компартменты и экспрессия которых приурочена к строго определенным частям крыла. Иными словами, цис-регуляторная «мутация» переводит экспрессию yellow из одной транскрипционной (генной) сети в другую. Поскольку число таких сетей ограничено, то и возможный спектр изменений ограничен и, главное, предсказуем для данной группы. Этим изменения в цис-регуляторной области принципиально отличаются от мутаций в кодирующей области гена. Во втором случае речь идет о потере геном его нормальной функции, что часто имеет своим результатом патологию. В случае цис-регуляторных изменений кодируемый белок не теряет своих функций. Меняются лишь условия (транскрипционный ландшафт, или трансрегуляторный ландшафт), в которых действует ген. Поэтому правильнее в этом случае говорить не о мутации, но о наследуемом переключении работы гена с одного транскрипционного режима на другой. Этим будет определяться спектр морфологических изменений и их повторяемость. В гене yellow ниже энхансера wing расположен еще один энхансер body. Этот энхансер содержит сайт (модуль) stripes, определяющий черные полосы по заднему краю тергитов брюшка, а у ряда видов дополнительный модуль А5/А6, определяющий черную окраску 5-го и 6-го тергитов. В этом последнем случае активация регуляторного А5/А6-модуля осуществляется белком Abdominal-B, кодируемым соответствующим Нох-геном. Здесь также имела место кооптация в систему работы гена yellow другого гена Abdominal-B, имеющего совершенно иную главную функцию (Шаталкин, 2003). Важно подчеркнуть, что модули wing spot и body А5/А6 изменяются независимо, так что мы имеем виды дрозофилид, показывающих все возможные сочетания окраски крыльев и брюшных сегментов. За счет независимого изменения цис-регуляторных модулей разные виды могут параллельно приобретать или терять крыловые пятна. Так, в группе D. melanogaster переднее апикальное пятно на крыле терялось, по меньшей мере, пять раз, в том числе оно было предположительно утеряно у самого вида D. melanogaster (Prud'homme et al., 2006). Авторы исследовали механизмы потери данного пятна у двух, филогенетически не близких видов D. mimetica и D. gunungcola. Они оказались сходными и были связаны с изменением последовательности модуля spot. Однако, приобретение пятна у D. tristis из группы D. obscura, сестринской к группе D. melanogaster, было связано с изменением модуля intron-spot энхансера wing-wein, расположенного в интронной области гена yellow. И это отличает данный вид от D. biarmipes, у которого соответствующее пятно определяется модулем spot. Крыловое пятно у обоих видов возникло параллельно в результате изменений разных цис-регуляторных модулей. Другим хорошо изученным примером цис-регуляторных изменений является эволюция хетома у высших двукрылых насекомых. Эти примеры интересны тем, что в них рассматриваются процессы редукции макрохет, имевшие место в эволюции мух. Механосенсорные щетинки на среднеспинке мух, как правило, показывают регулярный паттерн расположения. Они, в частности, равномерно отделены друг от друга обычными эпителиальными клетками, которые лишены механосенсорной функции. Соответствующий паттерн получается за счет работы особого механизма, получившего название латеральной ингибиции, когда клетки, начинающие дифференцироваться в сенсорные, ингибируют развитие соседних клеток в том же направлении. Этот механизм опосредуется Notch-сигнальным путем, который кроме прочего определяет расположение щетинок по продольным рядам. У мутантов по Notch по крайней мере щетинки не образуют рядов. У высших круглошовных мух щетинки среднеспинки дифференцируются на макро- и микрохеты. Первые организованы в восемь рядов, образующих симметричные пары на левой и правой сторонах среднеспинки. В систематике мух наиболее важными являются два ряда срединных акростихальных макрохет (ас) и расположенных ла-теральнее их два ряда щетинок, называемых дорсоцентральными. Исходно эти два ряда состояли из трех-четырех предшовных и четырех зашовных щетинок. У большинства мух акростихальные макро-хеты представлены единственной задней парой, получившей название предщитковых щетинок. В процессе развития макрохеты закладываются у личинок, до ку-колочной стадии, тогда как микрохеты — во время куколочного развития, после секреции кутикулы. Благодаря этому макрохеты располагаются на большем удалении друг от друга и сроки формирования ими особого паттерна более продолжительные. Drosophila melanogaster, как и большинство из почти 4000 видов дрозофилид, имеет лишь две пары зашовных dc. Следовательно, становление дрозофилид как группы было связано с потерей предшовных и передней зашовной dc. Относительное положение щетинок на среднеспинке определяется экспрессией генов achaete-scute (ac-sc). Этот комплекс включает четыре гена: achaete (ас), scute (sc), lethal of scute (I'sc), asense (ase). Развитие dc определяется экспрессией sc, который активируется через особый энхансер DCE. Два транскрипционных фактора, Iroquois (Iro) и Pannier (Pnr), необходимы для активации sc. Первый активен в боковых частях среднеспинки, второй — в срединной области. Поскольку в области размещения акростихальных щетинок ген рпг блокируется продуктами гена u-shaped, а в боковых частях он показывает слабую активность, Рпг может считаться активатором дорсоцентральных щетинок. Сзади область экспрессии sc ограничена активностью islet. Данные, касающиеся механизмов ограничения области экспрессии sc спереди, противоречивы. Эта часть среднеспинки является областью активности генов stripe (sr), wingless (wg). Первый подавляет развитие макрохет, второй поддерживает экспрессию sc и одновременно подавляет активность sr. Кроме того, описаны два отрицательных регулятора sc, кодируемые генами hairy и extramacrochaetae (emc). Первый кодирует bHLH-содержащий белок, который непосредственно репрессирует ac-sc, тогда как второй действует на белковые продукты ac-sc, лишая их функции транскрипционных активаторов. Потеря функции етс ведет к атавистическому восстановлению исходного числа макрохет, характерного для примитивных круглошовных мух. Рпг, полученные из дальних родственников дрозофилид, в том числе из комара Anopheles gambiae, способны восстанавливать работу ac-sc у трансгенных D. melanogaster. Это свидетельствует о том, что изменение хетотаксии у дрозофилид связано цис-действующими регулятор-ными модулями.
