Макромутации и макроэволюция

Еще до формирования СТЭ неоднократно высказывались предположения, что макроэволюция может идти не через микроэволюцию, а путем фиксации специфических макромутаций.

Термины «микроэволюция» и «макроэволюция» предложены Ю. А. Филипченко[553], который считал, что вряд ли можно говорить о том, что макроэволюция идет через микроэволюцию. Филипченко здесь был близок к представлениям начала XX века, согласно которым мутации, ведущие к кардинальным перестройкам онтогенеза, могут стать основой для возникновения новых групп. Так, теория Гарстанга обсуждала вопрос о возможной роли педогенеза (личиночного размножения) в происхождении насекомых от шестиногих личинок многоножек. Болк выдвинул концепцию эмбрионализации онтогенеза как механизма возникновения из человекообразных обезьян гоминид, с их относительно крупным головным мозгом и уменьшенной лицевой частью черепа. В отличие от Ю. А. Филипченко, большинство последующих исследователей периода формирования и торжества СТЭ считали, что не существует закономерностей макроэволюции, отличных от микроэволюционных, равно как не существует специфичных механизмов для микро- и макроэволюции. В течение 30—70-х годов характерным для СТЭ было сведение эволюции к изменению частот аллелей.

Что такое макромутация? Это такая мутация, которая дает организму данного вида признак, свойственный таксону другого высокого ранга. Так, для разных видов плодовых мушек-дрозофил, как и для комнатной мухи, известна мутация tetraptera, в результате которой у этих представителей отряда двукрылых вместо редуцированной второй пары крыльев (жужжалец, или галтеров у мухи) возникают нормально развитые крылья (рис. 250). Для дрозофил и домовой мухи (Musca domestica) отмечены и другие нарушающие онтогенез так называемые гомеозисные мутации, при которых вместо антенны возникает нога (aristopedia) или вместо ноги возникает антенна (antennapedia). Большинство таких мутаций изучались в 20—30-е годы в школе Н. К. Кольцова в Москве (Б. Л. Астауровым, Е. И. Балкашиной)[554], К. Бриджесом и Ф. Г. Добржанским в США[555], а также другом Кольцова Рихардом Гольдшмидтом в Берлине.

Какова роль подобных макромутаций в эволюции? Шансы на выживание таких монстров, безусловно, крайне малы, но, быть может, они могут дать начало новой линии развития? Еще в начале нашего века обсуждался, например, вопрос о том, что личиночное размножение, или педогенез, т. е. кардинальная перестройка индивидуального развития, может стать основой для возникновения новых групп (теория Гарстанга)[556].

Рис. 250. Пример гольдшмидговской системной макромутации tetraptera у Drosophila melanogaster, при которой мухи теряют основной признак отряда Diptera — двукрылость.

^{Из В. Astaurov (1929).}

Вновь привлек внимание к эволюционному значению макромугации крупнейший немецкий генетик Рихард Гольдшмидт (1878—1958, рис. 251). Когда становление СТЭ уже завершалось, Гольдшмидт[557] выступил с ее критикой. В цикле лекций, прочитанных им в Йельском университете (1939), и в изданной на основе этих лекций книге он говорил о существовании принципиальной разницы между процессами микро- и макроэволюции и предложил гипотезу о роли макромутаций и системных мутаций (мутаций, изменяющих ход индивидуального развития — онтогенеза) в процессе возникновения высших таксонов.

По мнению Гольдшмидта, продуктом микроэволюции являются географические расы, обеспечивающие приспособленность вида как целого к разнообразным условиям внутри видового ареала. Виды и высшие таксономические категории происходят в результате единичных макроэволюционных изменений, обеспечивающих формирование совершенно новых генетических систем. Эти новые системы могут обладать новыми возможностями для адаптации, продуцируемыми системными мутациями. Опираясь на данные экспериментальной эмбриологии, Гольдшмидт показал, сколь большие потенции открывают изменения механизма онтогенеза за счет единичных макромутаций.

Начав с описания давно известного явления неотении (личиночного размножения) у аксолотля, который может под влиянием гормона щитовидной железы испытать метаморфоз и превратиться во взрослую форму — амблистому (Ambystoma mexicanum), Гольдшмидт предположил, что такая группа амфибий, как Perennibranchia, куда относится известный житель подземных озер Далмации протей (Proteus vulgaris), могла возникнуть полностью за счет неотении. Гольдшмидт обсуждает результаты парадоксальных опытов Хармса с рыбкой мангровых зарослей Periophtalmus, у которой два нижних глаза приспособлены для зрения в водной среде, а два верхних — в воздушной. Инъекции тироксина — гормона щитовидной железы личинки Periophtalmus — вызывают ускоренное развитие верхних глаз и образование настоящих «рук» из грудных плавников.

Рис. 251. Рихард Гольдшмидт в берлинский период его деятельности.

^{Фото из архива Общества Макса Планка.}

Много позднее по отливкам мозга было показано, что гигантизм у нелетающих птиц-моа Новой Зеландии и эпиорнисов Мадагаскара связан с гиперфункцией гипофиза. Единичная мутация вызывает гигантизм и способствует занятию особых экологических ниш.

Анализируя эту проблему, я обратился к случаям фиксации макромутаций у млекопитающих[558]. Мутации безволосости (hairless, nude) известны для многих лабораторных грызунов — мышей, крыс, хомячков Peromyscus, домашних кошек, собак, эфиопских овец. Среди 1037 родов современных млекопитающих для 53 родов безволосость является таксономическим признаком. Если исключить из этого числа всех китообразных, чья безволосость может быть объяснена как с позиций градуализма, так и макромутационно, остается пять родов млекопитающих, где макромутационное происхождение безволосости представляется несомненным. Это один род летучих мышей Cheiromeles из семейства Molossidae, африканский роющий грызун — голый землекоп Heterocephalus из семейства Bathyergidae (остальные роды семейства имеют волосяной покров), целебесская свинья бабирусса (Babyroussa, семейство Suidae) и морж (Odobaenus rosmarus) — единственный представитель ластоногих без волосяного покрова.

Второй случай фиксации макромутаций как видового признака относится к мутации мопсовидности, хорошо известной для человека, собак, домашних кошек и свиней. При этой мутации редуцируются межчелюстные кости, резко сокращаются размеры лицевой части черепа. Среди диких млекопитающих эта мутация фиксирована у Centurio senex — представителя листоносых летучих мышей (Phyllostomidae), тогда как лицевая часть черепа у представителей всех других родов данного семейства имеет форму, типичную для всех летучих мышей.

Третий случай — фиксация макромутаций, вызывающих онкогенный эффект у многих грызунов, — особенно интересен. Мутация, следствием которой является заболевание мышей, полевок, леммингов папилломатозом, приводит к разрастанию роговой выстилки эпителия желудка, где появляются многочисленные ворсинки — папиллы. Такие животные в конце концов гибнут, однако обычно успевают дать несколько пометов и передать этот ген потомству. У африканского хомяка Mystromys (подсемейство Cricetinae), азиатских роющих грызунов — цокоров Муоspalax (Myospalacinae, Cricetidae), африканских роющих грызунов Tachyoryctes (Tachyoryctinae, Cricetidae) и представителей совсем другого подотряда грызунов — африканских землекопов Cryptomys (Bathyergidae) я обнаружил существование ворсинчатого эпителия в желудке, полностью копирующего злокачественные новообразования при папилломатозе[559]. Такие ворсинки способствуют развитию в желудке симбиотических микроорганизмов, участвующих в расщеплении клетчатки до моносахаридов. Таким образом, мутация папилломатоза, при которой формирование ворсинок сдвинулось на ранние этапы онтогенеза, смогла зафиксироваться у неродственных видов грызунов, обеспечив морфологическую основу для симбиоза с микроорганизмами, что способствовало биологическому прогрессу данных групп.

Почему же взгляды Гольдшмидта не были восприняты современниками? Почему лекции пожилого немецкого профессора в Йельском университете, читавшиеся на неважном английском языке, были не поняты или отвергнуты его американскими слушателями? Ведь Гольдшмидт, как и Кольцов, принадлежал к первому поколению генетиков, характеризовавшемуся уникальной широтой общебиологического образования, к поколению, которое легко переходило с одного объекта на другой, которое владело широчайшим экспериментальным арсеналом.

В анализе взглядов Р. Гольдшмидта[560] отмечается, что два обстоятельства препятствовали в свое время принятию его концепции: во-первых, она звучала слишком фантастично для своего времени; во-вторых, критика неодарвинизма и зарождающейся СТЭ, во многом связанных с достижениями американских генетиков школы Т. Г. Моргана, тысячами рядовых американских биологов воспринималась как выступление представителя немецкой науки (в условиях начала второй мировой войны!) против наиболее выдающихся достижений американской и, в целом, англосаксонской науки[561]. Психологически и исторически время для подобной критики было неблагоприятным. Парадоксальность ситуации состояла в том, что Р. Гольдшмидт сам был жертвой нацистского террора и был вынужден эмигрировать из Германии, однако его антифашистские взгляды были хорошо известны лишь немногим ведущим американским ученым. Позднее концепция макромутаций Гольдшмидта получила поддержку в работах крупнейших специалистов по биологии развития (А. Дальк[562], К. Уоддингтон). В новейших открытиях молекулярной генетики М. и А. Вольские, вслед за Уоддингтоном, видят новые свидетельства в пользу гольдшмидтовского макромугационизма.

В 1980 г. полузабытая книга Р. Гольдшмидта была переиздана и стала одной из наиболее цитируемых. Публикация книги палеонтолога С. Стэнли[563] породила сомнения в том, что один из постулатов синтетической теории эволюции — о сводимости макроэволюции к микроэволюционным процессам — справедлив[564].

Многие современные авторы сходятся в том, что эволюция происходит не столько путем отбора постепенных изменений, сколько за счет фиксации внезапных, резких перестроек морфогенеза, которые могут дать так называемых «многообещающих монстров» Гольдшмидта. Существенные изменения морфологии могут происходить в результате мутаций регуляторных генов, под контролем которых идет морфогенез. Таким образом, идеи Гольдшмидта находят свое место в русле современного эволюционизма[565]. Л. И. Корочкин[566] предложил модель возможного эволюционного эффекта генетически подвижных (GM) ретровирусоподобных элементов, которые, по его мнению, могут вызывать появление «многообещающих монстров» — гольдшмидговских макромутаций.

В 1960-е годы было установлено, что удвоения отдельных участков ДНК, дупликации генов могут стать основой для формирования новых полипептидных цепей, принимающих на себя новые функции. Со временем дуплицированные гены внутри одного генома могут дивергировать, т. е. кодировать синтез несколько различных полипептидных цепей, чем объясняются различия в выполняемых ими функциях. Явления дупликации объясняют нам происхождение слегка отличающихся друг от друга по своему аминокислотному составу полипептидных цепей гемоглобина и других сложных белков. Вскоре было обнаружено, что дупликации могут захватить не только отдельные гены, но и большие участки хромосом. В настоящее время ясно, что близкие виды могут отличаться друг от друга по доле гетерохроматиновых неактивных участков хромосом. Все это вместе взятое позволило американскому генетику японского происхождения Сусумо Оно выступить со специальной книгой «Эволюция путем генных дупликаций»[567], в которой подробно рассматривается роль дупликационных макромутаций в макроэволюции. По сути дела, идеи Оно во многом созвучны с идеями Р. Гольдшмидта.

В настоящее время накапливается все больше фактов, свидетельствующих о важной роли дупликаций в макроэволюции; во многих случаях удается более или менее точно определить время возникновения отдельных дупликаций. Так, фермент карбоангидраза, участвующий в обратимой гидратации СО2, представлен у плацентарных и сумчатых млекопитающих двумя полипептидными цепями КА-1 и КА-2, тогда как у беспозвоночных, рыб и птиц он состоит из единственной цепи[568]. Эта дупликация могла произойти до ответвления родословного древа сумчатых и плацентарных млекопитающих, т. е. не позднее рубежа юры и мела или раннего мела («130 млн. лет назад), но не раньше отделения ствола рептилий, от которых произошли поздние птицы и млекопитающие, т. е. не ранее середины перми («260 млн. лет назад).

Мы знаем также, что ДНК в геноме эукариот представлена не только уникальными последовательностями нуклеотидов, но и в виде фракций с повторяемостью в сотни, тысячи и миллионы раз[569]. Эта повторяющаяся (репетитная) ДНК может служить резервом для возникновения новых генов или замещения старых; будучи временно выключенной из активного функционирования, репетитная ДНК может претерпевать эволюцию своего нуклеотидного состава, причем эта эволюция может длительное время избегать контроля естественного отбора, поскольку высокорепетитная ДНК непосредственно не связана со структурными генами, т. е. с биосинтезом белка или с проявлением функциональной активности генов[570].

Есть все основания предполагать, что дупликации генома играли существенную роль в возникновении такого важного признака структурной организации тела многоклеточных, как метамерия. Метамерия совершенно независимо, неоднократно возникала в разных типах животного царства в результате морфологического процесса полимеризации частей тела, органов — метамерно повторяются органы у червей, членистоногих (примерами метамерных образований у млекопитающих являются такие повторяющиеся структуры, как позвонки, ребра, спинномозговые ганглии). Трудно представить себе, чтобы процесс полимеризации сегментов организма, ведущий к появлению метамерии, шел за счет отдельных точковых мутаций структурных генов путем микроэволюционных процессов. Легче представить себе возникновение метамерии путем дупликации значительных участков генома, в результате чего в процессе формообразования появляются множественные закладки метамерно расположенных органов. Сравнительно-генетический анализ амерных (несегментированных) и метамерных животных сможет раскрыть молекулярно-генетические предпосылки коренной перестройки формообразовательных процессов в связи с возникновением метамерии. Отметим, что явления полимеризации и олигомеризации гомологичных органов играли огромную роль в макроэволюции практически всех типов многоклеточных животных[571].

А. М. Уголев[572] обратил внимание на возможность макроэволюции за счет комбинаторики элементарных функций и функциональных блоков. Одни и те же пептиды могут синтезироваться в тканях разного фило- и онтогенетического происхождения. Эти блоки могут переставляться внутри клетки, перераспределяться между частями одного органа или между разными органами. Так, инсулинпродуцирующие клетки у круглоротых и рыб расположены в кишечнике, а у млекопитающих — в поджелудочной железе. По Уголеву, отдельные функциональные блоки в ходе эволюции могут интегрироваться в комплексы более высокого порядка, которые затем эволюируют как единое целое. Из концепции функциональных блоков Уголева следует, что «рекомбинация» таких блоков представляет собой важный путь макроэволюции.