Из сказанного выше следует, что постепенное повышение общей устойчивости особей в окружающей среде, происходящее на первом этапе эволюционного цикла, должно быть обязано стабилизирующему отбору.
Однако стабилизирующего отбора самого по себе недостаточно, чтобы вызвать направленное изменение биологической организации, например требуемое для приобретения устойчивости к какому-нибудь необычному внешнему фактору или для развития способности к потреблению ранее неиспользуемого компонента пищевого ресурса.
В таких случаях, когда требуется длительное преобразование биологической организации в определенном направлении, как правило, изменению подвергается наиболее существенное свойство организма — его экологический потенциал. Это свойство характеризует круг возможных условий активного существования организма. Так, приобретение устойчивости к определенному фактору внешней среды может открыть доступ к ранее неиспользуемому пищевому ресурсу и таким путем экологическая ниша вида может быть качественно изменена.
Подобные изменения организмов обычно происходят уже на второй стадии эволюционного цикла в условиях повышенной плотности и возникающей из-за этого «борьбы» за пищевые ресурсы. Обратим внимание, что в этом случае устойчивость организма к какому-нибудь внешнему фактору затрагивает его экологические способности (как, например, устойчивость насекомого к яду поедаемого растения), и поэтому такая устойчивость не эквивалентна общей устойчивости организма в окружающей среде. Последняя достигается на первом этапе эволюционного цикла благодаря действию стабилизирующего отбора и главным образом обеспечивается высокой плодовитостью особей.
Совсем другой характер приобретает отбор на следующем этапе эволюционного цикла, в условиях внутривидовой конкуренции за пищевые ресурсы. Эта форма отбора протекает более сложно и поэтому на всякий случай мы будем иметь в виду в качестве модели какой-нибудь гаплоидный организм. В самом деле мы иногда забываем, что закономерности эволюции, установленные на таких организмах, как дрозофила, могут больше характеризовать поведение диплоидов как особых биологических систем и вовсе не иметь общебиологического значения. Совершенно очевидно, по крайней мере, что у множества видов, особенно у простейших, а также у низших растений (примером может служить водоросль Chlamydomonas), в жизненном цикле преобладает гаплоидная фаза, а диплоидное состояние ограничивается кратковременным существованием зиготы, претерпевающей немедленно редукционное деление с образованием гаплоидных продуктов.
То, что у высших животных и растений в жизненном цикле преобладает диплоидная фаза, может быть связано с каким-то преимуществом или каким-то особым эффектом диплоидного состояния и, строго говоря, мы могли бы прибегать к диплоидным моделям в наших рассуждениях об эволюции, лишь ясно осознавая, в чем именно заключается влияние диплоидного состояния на эволюционный процесс. Но до тех пор, пока не достигнуто ясного понимания на этот счет, более разумным было бы ограничиваться рассмотрением гаплоидных систем как более простых.
В связи с этим уместно привести очень меткое замечание Кимуры в отношении закон Харди—Вайнберга, характеризующего распределение генотипов в диплоидной популяции: «Вероятно, никто не обратил бы внимания на закон Харди—Вайнберга, если бы мы, люди, были гаплоидными организмами».
Но очевидно, что и самые простые гаплоидные организмы — бактерии, водоросли, грибы и т. д устроены достаточно сложно и содержат очень много генов. Поэтому и по отношению ко всем гаплонтам (т. е. к организмам, у которых в жизненном цикле преобладает гаплоидная фаза) в одинаковой мере применимо понятие устойчивой, эпистатически коадаптированной системы генов, образующих геном. Более того, в гаплоидном геноме относительная сбалансированность набора разнообразных генов должна проявляться более жестко и, например, негативный плейотропный эффект отдельных мутаций несомненно более вероятен у гаплонтов.
Итак, мы исходим из того, что направленный отбор должен привести к изменению биологической организации как сбалансированной системы генов. Такое изменение, как уже отмечалось выше, характерно для второй стадии эволюционного цикла, когда происходит как бы дополнительная еще более узкая специализация особей в рамках экологической ниши данного вида. Можно представить себе, что требуемое в этом случае качественное изменение биологической организации инициируется плейотропной мутацией, оказывающей влияние на сбалансированность многих генов в геноме. Согласно этому предположению, направленный отбор осуществляется следующим путем.
Допустим, что какой-то неблагоприятный фактор, обусловливающий отбор в популяции, действует периодически, например только один раз через 5—10 поколений, причем такое действие каждый раз приводит к отбору довольно редких мутантных форм, характеризующихся плейотропным эффектом и соответственно понижением общей приспособленности. Таким образом, действие упомянутого фактора отбора оказывается весьма сильным. Именно это обстоятельство способствует сохранению редких выживающих мутантов, характеризующихся понижением приспособленности, в последующих поколениях: ведь область, занятая популяцией, время от времени почти полностью освобождается от особей, не обладающих необходимым селектируемым свойством. В последующих поколениях уцелевшие особи, обладающие каким-то особым свойством, могли бы претерпеть «обычный» (т. е. стабилизирующий) отбор на восстановление общей приспособленности, постепенно накапливая разнообразные мутации, понижающие негативный плейотропный эффект селектируемой мутации. Но очередное действие такого же неблагоприятного фактора может вновь привести к отбору небольшого числа мутантов определенного типа и одновременно к понижению общей приспособленности у выживших особей популяции и т. д.
В этой схеме отбора периодически действующим неблагоприятным фактором оказывается не что иное, как острый дефицит пищевого ресурса, возникающий в условиях внутривидовой конкуренции на поздних этапах эволюционного цикла, а редкие выживающие мутанты — различного рода «крайние» формы, тем или иным способом «уходящие» от конкуренции за пищевой ресурс.
То что обострения конкуренции за пищу и соответственно жесткий отбор происходят изредка, вообще выглядит довольно естественным и вполне реальным. Таким образом, естественный отбор на второй стадии эволюционного цикла происходит на фоне периодически обостряющихся кризисов, связанных с перенаселением ареала и возникающим отсюда дефицитом пищевых ресурсов. Такие кризисы периодически создают условия преимущественного выживания каких-то особых, определенным образом отклоняющихся форм. В этом контексте кризис перенаселения, непосредственно предшествующий появлению «перспективной» гибридной формы на заключительной стадии цикла, выглядит как логическое завершение цепи следующих одно за другим периодических обострений дефицита пищевого ресурса в данной экологической нише.
Попытаемся теперь применить изложенную схему отбора к рассмотренному выше условному примеру специализации гаплоидных животных с образованием форм а и б. Мы приняли, что раса а специализирована в отношении утилизации растений А, а раса б соответственно растений Б. Допустим, что специализация расы а связана с появлением у животных способности к утилизации какого-то необычного и потому ранее не утилизируемого компонента растения А, например полисахарида А. Как могла бы впервые появиться у животных способность к утилизации ранее не используемого полисахарида А?
Представим себе, что у каких-то рассматриваемых нами примитивных гаплоидных животных происходит повреждение регуляции метаболизма, сопровождающееся неоправданно высоким уровнем синтеза целой группы ферментов. Если один из этих ферментов способен (хотя бы вначале и не очень эффективно) катализировать расщепление полисахарида А, то такого рода изменение метаболизма может быть подхвачено отбором (т. е. обеспечит выживание организма) в условиях очередного кризиса, связанного с недостатком пищи. Последующий стабилизирующий отбор затем мог бы снять общий негативный эффект указанного регуляторного изменения при сохранении способности животных утилизировать полисахарид А. Повторение такого же «микроцикла» из разных форм отбора, начиная с отбора очередной селектируемой мутации с общим неблагоприятным эффектом на приспособленность, изменяющей экологический потенциал организма в каком-то определенном направлении, очевидно, может привести к дальнейшему усовершенствованию нового свойства, в нашем примере способности животных усваивать полисахарид.
Таким образом, мы видим, что в принципе на протяжении всего эволюционного цикла отбор совершается по одной и той же схеме. На первом этапе эволюционного цикла стабилизирующий отбор компенсирует общий неблагоприятный эффект на приспособленность, обусловленный депрессией аутбридинга, тогда как на втором этапе эволюционного цикла стабилизирующий отбор также должен устранять неблагоприятный плейотропный эффект, в этом последнем случае — отдельных селектируемых мутаций.
Понятие селектируемой мутации в рассматриваемой схеме отбора подразумевает, что периодически осуществляется «одноактная» селекция с очень высокими значениями коэффициента отбора (скажем, 0,99) в пользу определенной мутации. Такого рода отбор легче представить себе «в приложении» к низкоорганизованным формам, например к бактериям. Так, если на селективной среде со стрептомицином клоны бактерий, обнаруживающие устойчивость к данному антибиотику, появляются с частотой 10-4, то коэффициент отбора в пользу стрептомицинустойчивых мутантов составит 1—10-4 = 0,9999.
Как мы уже указывали, у бактерий Escherichia coli устойчивость к стрептомицину может быть следствием повреждения рибосомного белка S12. Любопытно, что этот белок специально служит для создания помех в процессе трансляции: оказывается, нарушение точности трансляции «спасает» продукты многих генов, несущих повреждения. Соответственно мутация устойчивости к стрептомицину обнаруживает неблагоприятный плейотропный эффект на функцию многих других генов или, другими словами, понижает общую приспособленность бактериальной клетки. Однако Несомненно, что последующим отбором (за счет мутаций в разных генах) можно было бы добиться восстановления высокого уровня приспособленности при сохранении исходной мутации устойчивости к стрептомицину.
Можно привести много других примеров, когда отбору подвергается мутация, понижающая приспособленность организма, а последующий отбор должен компенсировать негативный эффект селектируемой мутации. Наиболее показательный пример в этом отношении — уже упоминавшийся выше случай отбора на удлинение шеи у жирафа. Этот пример наилучшим образом демонстрирует, как много «проблем» (в основном касающихся физиологии, в связи с необходимостью подачи крови на большую высоту) возникает в качестве своеобразного «последствия» отбора, направленного на увеличение роста животного.
В самом деле новый признак организма при своем зарождении может выглядеть почти как уродство и нуждаться в дополнительных усовершенствованиях или, по крайней мере, в «стабилизации». В связи с этим обратим еще раз внимание на то, что направленное изменение биологической организации достигается в результате периодического отбора мутантных форм, изначально характеризующихся пониженной приспособленностью. Вероятно, только таким образом может произойти изменение экологического потенциала организма. В этом отношении эффект селектируемой мутации, затрагивающей экологический потенциал организма, не отличается от соответствующего эффекта гибридизации: в том и другом случае изменение экологического потенциала сопровождается нарушением относительной сбалансированности генов в геноме.
Если взаимная «пригнанность», или сбалансированность, генов, составляющих геном, реально существует, то мы должны признать также и существование общей закономерности, по которой «одноактное» мутационное изменение экологического потенциала организма невозможно без снижения его общей приспособленности (как зависящей от сбалансированности генов в геноме).
Этот вывод позволяет по-новому оценить потенциальную роль разнообразных «вредных» мутаций в эволюции, в том числе рецессивных мутантных аллелей, присутствующих у диплоидных организмов в гетерозиготном состоянии и составляющих так называемый генетический груз. Хотя по общему мнению вредные мутации должны постепенно «выметаться» стабилизирующим отбором (исключение — «уравновешивающий» отбор в пользу гетерозигот), именно такие мутации обеспечивают возможность преобразования биологической организации в эволюции. В накоплении «вредных» мутаций, способных вызвать изменение экологического потенциала организма и тем самым «спасти» популяцию при кардинальном, качественном изменении условий существования, и заключается одно из главных преимуществ, которое предоставляет видам диплоидное состояние.
В самом деле имеются данные, что диплоидность сама по себе не дает никакого преимущества: так, у дрожжей гаплоидные клетки превосходят по приспособленности (скорости размножения) диплоидные.
Интерпретация генетического груза не как неизбежного «зла» (с биологической, а не с человеческой точки зрения), а как ценного запаса мутационных изменений («геноварйаций») для последующих эволюционных преобразований концептуально восходит к знаменитой статье С. С. Четверикова: В этой статье неявно подразумевается, что диплоидность — приспособление для сохранения мутаций. По свидетельству В. В. Бабкова, именно Четвериков впервые использовал выражение «запас (резерв) наследственной изменчивости», которое затем мы встречаем у Шмальгаузена, Гершензона и других авторов. Разумеется, если основываться на теории естественного отбора Фишера, то вряд ли можно признать за рецессивными мутациями, понижающими общую приспособленность организма в гомозиготах, какую-либо (а тем более решающую) эволюционную роль. Но с биологической точки зрения как раз особенно важно осознание парадоксальной закономерности, заключающейся в том, что вредные мутации, понижающие абсолютную, или общую, приспособленность организма, способны обеспечить ему большую относительную приспособленность в некоторых экстремальных природных ситуациях.
Таким образом, диплоиды в отличие от гаплоидов как бы располагают готовым пулом мутаций, способных изменять экологический потенциал организма. Но упомянутый выше высокоинтенсивный «одноактный» отбор определенной селектируемой мутации, возможный у гаплоидов, в применении к диплоидной популяции означает в принципе такой же отбор, но уже рекомбинантной формы — гомозиготы по определенным рецессивным мутациям. Напомним, что Четвериков подчеркивал значение выщепления гомозигот по рецессивным мутациям как явления, лежащего в основе процесса внутривидовой дивергенции. Отсюда вытекает, что признание важной эволюционной роли за рецессивными «вредными» мутациями — совершенно необходимое дополнение взглядов Четверикова. Подобная точка зрения, очевидно, основывается на том, что вредные мутации по своей природе в большинстве являются повреждениями генов и соответствующих функций и потому, как правило, рецессивны.
Заметим, что согласно общераспространенным эволюционным воззрениям, высокоинтенсивный отбор редких мутантных форм вряд ли допустим. Напротив, в качестве примера действия отбора, имеющего эволюционное значение, обычно рассматривается довольно длительный процесс замещения одного аллеля другим. В связи с этим попробуем разобраться, на чем основывается представление о высокоинтенсивном отборе в изложенной выше модели направленного отбора.
Интенсивность отбора, т. е. значение коэффициента отбора S в пользу определенных форм, каждый раз зависит от действия конкретных, складывающихся в природе селективных условий. Такие условия, как мы указывали, создаются на второй стадии эволюционного цикла в результате перенаселения и возникающего дефицита в источниках питания. В подобных ситуациях высокоинтенсивное, причем периодическое действие селективных условий действительно кажется наиболее вероятным. Но в конечном счете в изложенной схеме отбора важно лишь то, что определенным образом отклоняющиеся редкие формы выигрывают при каждом усилении действия селективного фактора, но проигрывают при ослаблении его действия, так как превосходят исходную форму лишь по относительной приспособленности и уступают ей по общей приспособленности. Поэтому действие селективного фактора должно быть достаточно сильным либо достаточно частым в какой-то непродолжительный период, чтобы исходная форма в определенный момент оказалась полностью замещенной на прежде редкую селектируемую форму, и последняя стала бы объектом стабилизирующего отбора.
Либо одно, либо другое — такова «логика» направленного отбора как биологического явления. Если бы действие селективного фактора было недостаточно сильным, исходная форма сохранялась бы и каждый раз вновь вытесняла селектируемую форму в периоды между обострениями (селективных условий, в таком случае направленный отбор был бы невозможен. В то же время действие селективного фактора обязательно должно быть периодическим, допускающим возможность восстановления общей приспособленности отбираемых мутантных форм в интервалах между «актами» направленного отбора.
Любопытно, что такого рода периодический отбор селектируемых мутантов, каждый раз вытесняющих исходную популяцию, обнаруживается в бактериальных культурах, поддерживаемых в хемостате. Если в бактериальной культуре, поддерживаемой на протоке в течение длительного времени, измерять накопление разного рода неселектируемых мутаций, например устойчивости к какому-нибудь бактериофагу, то можно получить характерную зазубренную кривую. Вообще количество неселектируемых мутаций в любой стационарной культуре обычно нарастает линейно со времени появления первых мутаций. Однако в длительно поддерживаемой культуре время от времени происходит смена популяций, вызванная появлением селектируемых мутаций, которые имеют определенное преимущество в данных условиях роста по отношению к исходной популяции. Природа таких мутаций в большинстве случаев остается неизвестной, хотя в опытах Новика и Сцилларда, которые выращивали бактерии в среде с недостаточным содержанием триптофана, селектируемые мутанты предположительно обладали повышенной способностью к транспорту триптофана в клетку.
То, что кривая накопления неселектируемых мутаций состоит из отдельных пиков, показывает, что каждый раз при экспансии нового (селектируемого) мутантного клона культура избавляется от неселектируемых мутаций, накопленных ранее доминировавшим клоном. Подобный консервативный эффект периодической селекции, очевидно, должен характеризовать и направленный отбор в нашей модели. Консервативный эффект, т. е. избавление от множества неселектируемых мутаций, тем более значим в каждом случае отбора редких селектируемых мутантов с пониженной жизнеспособностью, что на этом фоне исключительно маловероятно случайное включение в селектируемую популяцию каких-либо дополнительных мутаций, независимо понижающих общую приспособленность.
Таким образом, мы видим, что направленный отбор, изменяя определенные гены, одновременно оказывает побочное стабилизирующее действие на остальной геном. В то же время разнообразные нейтральные изменения, не влияющие на жизнеспособность организма, очевидно, могут случайно включиться и размножиться в популяции в процессе направленного отбора по селектируемым генам. Отсюда следует, что генетический дрейф нейтральных мутаций — событие, неизбежно сопровождающее направленный отбор.
В работе Коча было показано, что у прокариот вероятность «захвата» и наследования неселектируемой мутации тем выше, чем продолжительнее интервалы между периодическими изменениями генотипа популяции в результате экспансий селектируемых мутаций.
Известно, что слабым звеном концепции генетического дрейфа как причины эволюционного преобразования популяций является допущение, что эволюционирующие популяции малы или что они должны претерпевать не зависящие от отбора сокращения численности. Изложенное выше представление о периодическом жестком отборе, требующемся для изменения экологического потенциала организма, дает более естественное объяснение многочисленным фактам дрейфа нейтральных изменений, как, например, в случае аминокислотных и нуклеотидных замен: последние могли бы накапливаться в организмах в результате их случайного включения в потомство, происходящее от редких селектируемых мутантов, в процессе направленного отбора.
Явление случайного наследования и распространения неселектируемой мутации в популяции в том случае, когда осуществляется отбор по другому (обычно, сцепленному) гену, известно в популяционной генетике под наименованием «бесплатного проезда». Такое же объяснение накопления нейтральных аминокислотных замен дали авторы одной из работ, посвященной исследованию эволюции гена препроинсулина. Кимура подверг ожесточенной критике подобное истолкование природы генетического дрейфа. Он писал, что такое объяснение возможно лишь в том случае, если «мы игнорируем принципы популяционной генетики». Не вдаваясь в анализ аргументации Кимуры, заметим только, что его критика основана на теории естественного отбора Фишера и, в частности, на утверждении, что «селектируемые изменения происходят с очень низкой скоростью».
На самом деле селектируемые эволюционные изменения происходят с очень высокой скоростью, но если только эти изменения действительно «селектируемые», т. е. подвергаются достаточно интенсивному отбору, в противном случае они не происходят вообще. Утверждать, что селектируемые изменения происходят с низкой скоростью, можно лишь в свою очередь игнорируя тот очевидный факт, что эволюционируют организмы, а не отдельные гены. Между тем не мешало бы прежде иметь ясную биологическую интерпретацию эволюционного процесса в целом, чтобы можно было затем правильно оценить эволюцию отдельных генов.