Со времен Дарвина традиционный способ объяснения природы биологических явлений не что иное, как обращение к теории естественного отбора.
Поэтому неудивительно, что генетические рекомбинации и половое размножение обычно рассматриваются как приспособления, выработанные организмами путем естественного отбора. Подобная точка зрения подкрепляется широким распространением различных форм бесполого размножения у организмов, находящихся на более низких ступенях эволюции или, например, тем, что у бактерий половое воспроизведение вообще отсутствует.
Что касается полового воспроизведения, то как весьма совершенный биологический механизм, обеспечивающий рекомбинацию хромосом в мейозе, этот способ размножения в самом деле должен быть результатом естественного отбора. Однако, как мы будем обсуждать ниже, этот вывод, возможно, не относится к самому кроссинговеру, т. е. к рекомбинационному обмену на уровне ДНК.
Очевидный результат рекомбинации генетического материала в мейозе и полового размножения в целом состоит в производстве генотипически неоднородного потомства. Обычно подразумевается, что именно в этом заключается функция генетических рекомбинаций. Согласно такому взгляду, половое размножение — продукт адаптации к вариабельности внешних условий в последовательных поколениях.
Так, известно, что у многих беспозвоночных, например у дафний, тлей, коловраток и т. д., в природе имеет место чередование половых и бесполых (партеногенетических) поколений, причем переход к половому размножению часто инициируется каким-либо изменением внешних условий. Уильямс рассматривает существование таких жизненных циклов как прямое свидетельство целесообразности полового воспроизведения.
Ход рассуждения в данном случае весьма прост. В популяции, размножающейся путем «смешанных» циклов, т. е. путем чередования половых и бесполых поколений, легко возникают мутанты (например, партеногенетические самки), теряющие способность к половому воспроизведению. По способности к размножению такие мутанты обладают двукратным преимуществом в отношении исходной популяции, в которой половину особей составляют самцы, служащие только для оплодотворения самок. Но поскольку формы, сохраняющие способность к половому воспроизведению, не вытесняются, последнее, очевидно, должно каким-то образом поддерживаться естественным отбором.
Не находя других приемлемых альтернатив, Уильямс приходит к выводу, что по мере чередования бесполых генераций (представляющих собой «копии» родительских форм, выживающих в каждом предшествующем поколении) преимущество половой генерации рано или поздно должно проявиться в том, что только в этой генерации, т. е. в результате рекомбинации, может быть произведена некоторая исходная форма, максимально удовлетворяющая постоянно происходящему изменению внешних условий. В итоге, по завершении жизненного цикла в выигрыше оказывается форма, способная к половому воспроизведению.
Таким путем в модельной системе, которую рассматривают Уильямс и Миттон, поддерживается равновесие, или баланс, между половыми и партеногенетическими особями; преимущества последних могут реализоваться лишь в сравнительно короткий срок, измеряемый числом «проб и ошибок», т. е. количеством особей, произведенных в период жизненного цикла. Согласно такому представлению, например, в популяции, насчитывающей одинаковое число половых и партеногенетических особей, преимущество полового размножения должно быть эквивалентно преимуществу партеногенетических особей по скорости размножения.
Балансовая гипотеза пола Уильямса была подвергнута всестороннему анализу Мейнардом-Смитом в его книге «Эволюция пола», появившейся и в русском переводе. Главным результатом этого анализа является вывод, что естественный отбор мог бы обеспечить преимущество половому размножению только в случае (маловероятных) постоянных перемен в условиях внешней среды, когда в каждом поколении требовались бы новые генотипы, характеризующиеся высокой приспособленностью.
Впрочем, Мейнард-Смит, развивая взгляды Уильямса, предложил собственную модель, в которой половое размножение поддерживается отбором из-за более выраженной конкуренции между сибсами (т. е. братьями и сестрами) в бесполых генерациях. Однако следует заметить, что в модели конкуренции сибсов практически столь же маловероятные перемены в условиях Среды характеризуют местообитание популяции, т. е. фактически временное разнообразие перенесено в пространство. Такое допущение не вполне согласуется с тем, что каждый вид, не говоря о популяциях, обычно занимает определенную, причем довольно узкую, экологическую нишу. Поэтому предположение о том, что естественный отбор мог бы поддерживать генотипическое разнообразие само по себе, на самом деле не выглядит убедительным.
Заметим, что книга Мейнарда-Смита, как и предшествующая ей книга Уильямса, отражает определенный кризис в эволюционной теории, возникший из-за трудности выявления тех преимуществ, которые получают организмы в результате полового размножения.
Классическое объяснение функции генетических рекомбинаций, данное Фишером и независимо от него Меллером, указывает на значение не генотипического разнообразия вообще, а объединения в одном геноме каких-либо двух независимо возникших благоприятных мутаций. Отсюда предполагается, что в какой-нибудь группе особей, обладающих половым размножением, содержание благоприятных аллелей, приходящееся в среднем на одну особь, растет быстрее, чем при бесполом размножении. Таким образом, согласно концепции Фишера—Меллера генетические рекомбинации ускоряют эволюционный процесс (трактуемый по Фишеру как «бесконечное» возрастание приспособленности).
Однако Фишер и Меллер не уточнили, при каких условиях генетические рекомбинации могли бы поддерживаться естественным отбором. Впоследствии многие авторы пытались уточнить соответствующие условия, определяя зависимость выражения эффекта рекомбинаций от таких параметров, как величина популяции (N), частота (U) и селективная ценность (s) мутаций.
Так, Кроу и Кимура, исходя из принятой ими модели, пришли к заключению, что скорость эволюции в популяции, размножающейся половым путем, должна быть выше, чем в бесполой популяции при условии достаточно высоких значений N, а также величины U/s. Другими словами, чем выше значения величины популяции и частоты благоприятных мутаций (и чем ниже их селективное преимущество), тем вероятнее, что рекомбинационный обмен будет реально способствовать объединению благоприятных мутаций в одном и том же организме.
Работа Кроу и Кимуры оказалась первой в целой серии исследований, в которых авторы, используя математический подход, пытались уточнить условия реализации преимуществ генетического обмена как механизма, способствующего объединению благоприятных мутаций в одном геноме и, тем самым ускоряющего эволюционный процесс — по теории Фишера—Меллера. В последующей работе Кроу и Кимура, отвечая на критику их результатов Мейнардом-Смитом, подчеркивали, что в их модели рассматриваются популяции конечной величины, в которых благоприятные мутации очень редки.
Вскоре и сам Мейнард-Смит выступил, по существу, с аналогичной моделью, из которой следовало, что для достаточно выраженного эффекта генетических рекомбинаций в теории Фишера—Меллера важное условие касается соотношения значений N и U, а именно: N<1/10U, или N·U > 10. Практически это означает, что для реализации преимуществ генетического обмена, например при U=10-6, требовалась бы популяция, содержащая не менее 10 млн особей. Такое же условие — популяции порядка миллионов особей — для реализации преимущества генетического обмена при половом размножении следует из модели Кимуры и Ота.
Такого рода требование в отношении размера популяций означает фактическую неприменимость соответствующих моделей ко многим конкретным случаям эволюции. На это обстоятельство обращал внимание Уильямс в уже упоминавшейся выше книге. В частности, Уильямс указывал на неприменимость подобных представлений «к эволюции человека, по крайней мере начиная с Девона».
В связи с этими результатами обращает на себя внимание работа Бодмера, который пришел к противоположному заключению относительно размера популяций, требуемого для объяснения эффекта рекомбинаций в концепции Фишера—Меллера, а именно: чем меньше популяция, тем в большей степени сказываются преимущества генетических рекомбинаций для эволюции. Фелсенстейн, анализируя эту работу, отмечает, что Бодмер (в отличие от других авторов) рассматривает вероятность объединения в одном геноме двух данных, т. е. уже существующих мутаций (тогда как вероятность возникновения каждой новой благоприятной мутации для малой популяции была бы очень низкой независимо от генетических рекомбинаций).
Ситуация, когда требуется объединение уже существующих мутаций, напоминает модель эволюционных циклов. Во всяком случае вывод о том, что преимущества, предоставляемые генетическим обменом, тем больше, чем меньше популяция, интуитивно кажется правильным, особенно в свете данных о значении генетического дрейфа, т. е. фактически ограничения размеров популяции, для проявления преимуществ рекомбинации. В связи с этим характерно замечание, которое делает Уильямс в своей книге: «До тех пор, пока ни будет прав Бодмер, а все остальные будут неправы, меллеровская теория останется негодной к употреблению в качестве широко приложимого принципа».
Анализируя целый ряд работ, посвященных анализу концепции Фишера—Меллера, Фелсенстейн заметил, что эту концепцию не подтверждают только авторы, имеющие дело в своих моделях с «бесконечными» популяциями, в которых отбор не сопряжен с генетическим дрейфом. В результате Фелсенстейн показал, что генетические рекомбинации обеспечивают объединение благоприятных аллелей разного происхождения на фоне пониженной (в условиях дрейфа) вероятности возникновения двух или большего числа благоприятных мутаций в одном геноме.
По данным Фелсенстейна, эта функция генетических рекомбинаций особенно важна для объединения в одном геноме сцепленных благоприятных мутаций, которые согласно эффекту Хилла и Робертсона как бы препятствуют отбору друг друга (этот эффект объясняется тем, что отбор каждой отдельной из двух сцепленных мутаций, возникающих в разных особях популяции, неизбежно сопровождается отбором дикого типа аллеля для другой мутации).
Очевидно, что объединение полезных мутаций, возникающих в разных особях популяции, в отсутствие генетических рекомбинаций было бы невозможным. Фелсенстейн характеризует такого рода ситуацию как рекомбинационный дисбаланс, или неравновесность «по сцеплению». Таким образом, генетические рекомбинации устраняют неравновесность «по сцеплению» (или правильнее сказать: по комбинированию) благоприятных мутаций, возникающих у разных особей популяции.
Аналогичное рассуждение Фелсенстейн применил также к процессу «бесконечного» накопления вредных мутаций в бесполых генерациях, известному в литературе под наименованием «храповик Меллера». Генетические рекомбинации останавливают «обороты» храповика Меллера, т. е. накопление вредных мутаций, тоже как бы устраняя рекомбинационный дисбаланс, но на этот раз в отношении неблагоприятных мутаций: если в бесполой популяции каждая особь содержит хотя бы одну неблагоприятную мутацию (что может быть результатом дрейфа), то подобная «неравновесность» устраняется в результате появления рекомбинантных форм, не содержащих неблагоприятных мутаций.
В устранении накапливающихся генетических повреждений, по-видимому, заключается важнейшая функция генетических рекомбинаций. Именно в этом многие авторы, как, например, Мейнард-Смит, усматривают то главное преимущество, которое предоставляют видам в их борьбе за существование генетические рекомбинации и половое размножение в частности.
Действительное понимание значения рекомбинаций, как многие полагают, позволит ответить на вопрос, при каких условиях впервые в эволюции могли возникнуть генетические рекомбинации, включая половой процесс. Фишер и Меллер, вероятно, не пытались ответить на этот вопрос, а склонны были рассматривать половой процесс как особое свойство, характеризующее не отдельные особи, а целые популяции. Отсюда, в исходной концепции Фишера—Меллера преимущество полового размножения реализуется через так называемый групповой отбор, понимаемый как выживание в эволюции популяций и видов, обладающих половым размножением, и соответственно как вымирание видов, теряющих способность к половому размножению.
Действительно, можно совершенно определенно утверждать, что половой процесс обеспечивает видам какого-то рода долговременные преимущества, в связи с чем формы, теряющие способность к половому воспроизведению, эволюционно обречены. В этом убеждено подавляющее число биологов и в пользу такого взгляда свидетельствует спорадичность в распределении партеногенетических форм на филогенетическом древе.
Однако в соревновании половых и бесполых популяций преимущество полового воспроизведения может проявиться не скоро, в связи с чем ясно, что групповой отбор, как пишет Мейнард-Смит: «…не может объяснить возникновение полового размножения, как не может объяснить и поддержание высокого уровня генетической рекомбинации в популяциях, размножающихся половым путем».
Неудовлетворенность концепцией группового отбора обусловила появление моделей, в которых индивидуальный отбор приводит к повышению частоты рекомбинаций. В этих моделях фигурируют две сцепленные благоприятные мутации, препятствующие отбору друг друга в соответствии с эффектом Хилла-Робертсона и, кроме того, третий сцепленный ген, обусловливающий рекомбинацию благоприятных аллелей. Последний ген, как предполагается, с высокой частотой наследуется рекомбинантами, у которых происходит объединение благоприятных аллелей.
Подобный механизм отбора (в данном случае в отношении гена, повышающего частоту рекомбинации), как уже упоминалось выше в связи с отбором бактериальных мутантов в хемостате, называется «попутным транспортом», или «бесплатным проездом». Однако отбор через механизм «попутного транспорта» вряд ли стоит принимать за окончательную истину при объяснении происхождения генетических рекомбинаций. Как отмечает Мейнард-Смит, модели, основанные на механизме «попутного транспорта», объясняя полезность какого-то уровня рекомбинации, не объясняют, почему реально в природе наблюдается высокий уровень частоты рекомбинаций.
Каким образом в эволюции мог бы возникнуть механизм генетического обмена? Как известно, в основе полового процесса лежит оплодотворение, т. е. слияние двух геномов. Обычно предполагается, что слияние геномов различного происхождения исходно могло бы компенсировать действие вредных мутаций или способствовать репарации генетических повреждений. Но зададимся вопросом, существует ли альтернатива подобному представлению о происхождении генетических рекомбинаций?