О приобретении изменений

Общепризнанным считается, что частота мутирования гена у всех организмов составляет в среднем 10^-5 – 10^-7 на клеточное поколение (Ж. Бейссон, 1976, стр.102), то есть в среднем одна гамета из миллиона оказывается мутантом по данному гену. Если учесть, что число генов в геноме “очень велико”, то оказывается, что, например, у дрозофилы каждая 20-я гамета несет мутацию какого-либо гена (Ш. Ауэрбах, 1959, стр. 68), у человека - каждая гамета несет хотя бы один мутантный ген (К. Вилли, 1966, стр. 520), у растений - каждая 50-я или 100-я (Г.В. Гуляев, В.В. Мальченко, 1975, стр. 103). Как видно из этих расчетных данных, генотипическая гетерогенность гамет, а в равной степени и соматических клеток, уже достаточно велика, чтобы было над чем работать отбору. Однако частоту мутирования гамет оценивают косвенно, отождествляя ее с частотой мутирования организмов. Клеточная наследственная изменчивость должна быть значительно выше уже потому, что гаметы - носители мутаций, проходят зачатковый отбор (гониальный отбор, гаметический отбор, селективное оплодотворение), прежде чем мутации проявятся на уровне организма, где только они и фиксируются наблюдателем как мутации. Так что, и число и качество мутаций на уровне организма должно отличаться от числа и качества мутаций на уровне клеток. “Несомненно, - пишет Лобашев, - что элиминация мутаций имеет место, и она снижает истинную частоту их возникновения” (М.Е. Лобашев, 1940, стр. 1040). И далее: “Значение зачаткового отбора в определении (особенно в сторону снижения) динамики появления мутаций может быть очень велико у растительных форм” (там же).

Кроме того, суммарная частота мутирования вычисляется на основании противоречивых предпосылок. Фактически, средняя встречаемость отдельной мутации (частота мутаций - “число гамет с вновь возникшей мутацией, отнесенное к общему числу учтенных гамет одного поколения”(Г.В. Гуляев, В.В. Мальченко, 1975, стр. 103) перемножается на число генов, которое в свою очередь находится делением числа нуклеотидов в ДНК генома на среднее число нуклеотидов в гене. Тем самым как бы предлагается считать все варианты отклонений данного гена от “дикого” типа - одной мутацией, что находится в противоречии с общепринятым пониманием мутации как каждого отдельного варианта такого отклонения. Так, считается, что мутация “в самом общем смысле представляет собой изменение последовательности нуклеотидов гена” (Ж. Бейссон, 1976, стр. 74). И “наименьший участок гена, изменение которого вызывает появление мутантной формы организма (мутон), предположительно может быть равен одному нуклеотиду” (Г.В. Гуляев, В.В. Мальченко, 1975, стр. 103).

При таком понимании мутации, суммарная частота мутирования окажется совсем иной. Практически, таких мутаций (как вариантов генома) может быть бесконечное множество (для цепи только из 10 нуклеотидов может быть составлено 4¹⁰ вариантов их последовательностей, вся же ДНК генома может содержать 100000 нуклеотидов (Ж. Бейссон, 1976, стр. 58). Если каждая из таких мутаций будет встречаться у одной гаметы на миллион или даже гораздо реже, то каждая данная гамета должна отличаться от любой другой гаметы по множеству изменений в ДНК, то есть множеством наследственных свойств, что и должно обусловить генотипическую гетерогенность любой клеточном популяции на данный момент перед требованиями, предъявляемыми к ней условиями среды.

Кроме этого, из самого существования мутаций следует, что любой данный геном не остается идентичным самому себе на протяжении жизни клетки, и то структурное состояние генома, которое обусловливает поведение клетки на данный момент должно быть далеко не единственным за время существования клетки. Наличие системы темновой репарации, способной исправлять до 99% повреждений ДНК у бактерий и до 60-70% у высших организмов (Н.П. Дубинин, Г.Д. Засухина, 1975, стр. 77), говорит в пользу того, что генетический материал изменяется во времени гораздо чаще, чем об этом можно судить по встречаемости той или иной мутации в клеточной популяции, а тем более в популяции организмов.

Вероятно, можно считать, что геном клетки непрерывно испытывает главным образом мелкие изменения своей структуры, значительная часть которых обращается системой репарации, другая часть - восстанавливается в результате обратного мутирования, третья, оставшаяся - испытывается внешними по отношению к ней условиями на способность быть в них. При этом должен осуществляться как отбор вариаций генома в целом (геномный отбор в клетке), так и отбор вариаций участков ДНК, кодирующих конкретный белок или цепь какого-либо синтеза (“генный” отбор).

Геномный субклеточный отбор можно представить себе как процесс испытания непрерывно возникающих вариаций генома в целом на способность его быть в данных условиях, если принять, что чем более интенсивный метаболизм способен осуществить данный геном в данных условиях, тем больше возможностей у него быть, воспроизводить себя во времени (не только путем редупликации при делении клетки, но и через самовоспроизведение своих элементов в процессе обмена веществ, подобно тому как существование вида во времени обусловлено не “редупликацией” вида целиком, а непрерывной гибелью и восстановлением его элементов - особей). Клетка, попавшая в измененную среду и не погибшая сразу, будет существовать “перебирая и пробуя” непрерывно возникающие варианты генома на способность осуществлять метаболизм в новых условиях. При этом геном данной клетки может быть представлен во времени в виде “вертикальной” популяции вариаций, в которой вариации существуют не одновременно (“горизонтальная”, обычная популяция), а последовательно во времени. Эта последовательность будет включать в себя и эволюционную последовательность, когда каждый удачный шаг закрепляется и служит основанием для следующего шага, осуществляемого тем же методом проб и ошибок, путем предложения отбору случайных по отношению к его факторам вариаций. В результате может получиться клетка, генотип которой направленно изменен средой, направленно в смысле большей приспособленности к существованию в измененной среде, чем у исходного генотипа, из популяции клеток, помещенных в новую среду, таких клеток, которые способны существовать в ней, окажется может быть незначительное число. Возникшая из их потомков популяция с измененными свойствами может быть представлена сторонниками идеи о наследовании приобретенных признаков как пример направленной переделки наследственности уже не организма, а клетки. Однако, это малое число выживших клеток и то, что новая популяция получена из этих размножившихся выживших клеток, указывает на возможность предсуществования приспособленных (положим, устойчивых к яду в среде, в клеточной культуре) клеток, то есть на возможность их возникновения независимо от воздействия новой среды, действительно, в некоторых случаях в культуре клеток из одной родительской линии получают клоны с разной степенью устойчивости к среде (Н.Б. Варшавер, 1965, стр. 195) без всякого предварительного контакта со средой (хотя и здесь нельзя исключить того, что устойчивость возникает сразу при испытательном контакте со средой). В других случаях, увеличение устойчивости культуры клеток к возрастающей концентрации антибиотика вызывалось только последовательным культивированием на средах со все более высокой концентрацией антибиотика, то есть возникновение приспособительной мутации было прямо связано с контактом популяции со средой, приспособленность к которой она обнаружила впоследствии (там же, стр. 196). Этот случай может быть объяснен именно внутриклеточным геномным отбором, приведшим к направленному изменению генома отдельной клетки.

Клеточный отбор и субклеточный отбор вовсе не исключают друг друга. Клеточная гетерогенность должна включать в себя и гетерогенность по способности наследственно изменяться приспособительно к среде, в связи с этим нужно ожидать, что чем мягче, постепеннее будут изменяться условия, тем большая часть популяции будет сохраняться при “переделке”. При этом не нужно привлекать невероятную гипотезу, согласно которой антибиотик выступал бы в качестве мутагена, непосредственным воздействием на геном вызвавшего мутацию устойчивости клетки к себе.

Кроме отбора “по вертикали” может быть и внутригеномный “генный” отбор “по горизонтали”. Отдельные участки ДНК могут оказаться в разной степени изменяемыми в соответствии с условиями среды, со степенью занятости их в метаболизме, в пользу чего свидетельствуют факты избирательного действия мутагенов, разной мутабильности отдельных участков хромосом в зависимости от генной среды и внешних условий.

Чем на более глубоком уровне произведен отбор, тем менее очевидна для наблюдателя “полезность” признака, появившегося в результате такого отбора, у организма в целом, тем более шансов у этого признака быть отнесенным в разряд бесполезных. Организм - сложная система и жизнеспособность его в целом обеспечивается жизнеспособностью множества подсистем (орган, ткань, клетка, геном, молекула), качественно различающихся по комплексу условий, требуемых для их бытия. А поэтому, признаки организма в целом - всегда компромисс частей как равноправных, так и иерархически соподчиненных. Так, например, черная окраска снегирей, питающихся конопляным семенем (пример определенной изменчивости, приводимый Дарвином) - признак экологически бесполезный для организма в том смысле, что не является ни маскирующим, ни привлекающим и не мог возникнуть в результате отбора индивидов. Но, очевидно, что этот признак полезен для организма в том смысле, что его наличие необходимо связано с существованием каких-то глубоких жизненно важных элементов организма, отобравшихся в условиях измененного питания. Понятие корреляции фиксирует характер и количественное выражение связи между изменчивостью частей целого. Здесь мы хотим подчеркнуть полезность для организма любого изменения его (при условии сохранения самого организма), полезность относительно данных условий, как внешних, так и внутренних, по отношению к организму как целому. Поскольку внутренние условия также зависят от внешних, то, в конечном итоге, любые изменения организма как целого (под действием изменений среды), должны быть приспособительными к изменениям внешней среды, только при разной степени опосредованности.

Может показаться, что представление о подвижном, испытывающем непрерывные мельчайшие изменения порядка своих элементов, наследственном материале конкретной клетки, представление об организме как наследственно гетерогенной эволюирующей популяции, противоречит наблюдаемому относительному постоянству форм, трудности, с которой они поддаются изменению в поколениях, отсутствию убедительных доказательств наследования приобретенных признаков. Однако это противоречие принципиально не отличается от противоречия между относительным постоянством формы, положим, куска металла и непрерывными колебаниями и перемещениями его атомов и субатомных частиц. Стабильность, сохранение идентичности самой себе любой формы материи обеспечивается условиями, в которых форма находится, на которые форма опирается. Прочность любой конструкции зависит как от самой конструкции, так и от среды, в которой она находится Невозможно альтернативно решить вопрос: - что обеспечивает надежность моста - прочность его конструкции или прочность породы, на которую он опирается.

Устойчивость живой формы в поколениях можно сравнить с устойчивостью канатоходца на проволоке. Устойчивость канатоходца обеспечивается не жестким его креплением к какому-то предмету, а уничтожением спонтанных микродвижений, могущих нарушить равновесие, - контрдвижениями, то есть направленным отбором случайных движений тела. Относительно постоянная среда уничтожает в живой форме все, что выходит за пределы способного быть в ней, уничтожает или “руками” своими, или “руками” тех или иных условий внутри организма, оставляя только способное быть, а поскольку имеет в качестве исходного один и тот же материал, то и получается у нее, естественно, относительно однообразное, вызывающее впечатление консервативного самого по себе.

Изменяются условия - с необходимостью изменяется и живое, но не все в нем одинаково быстро, и не все в одинаковой степени. Любое резкое изменение, за пределы допустимого, приводит к гибели изменившегося объекта, любое малое изменение - проверяется окружающей средой - генотипической, ядерной, клеточной, тканевой, организменной, популяционной, средой обитания популяции., на способность быть в ней, и этот многоэтажный постоянный отбор, с одной стороны, охраняет генотип от аморфности, обеспечивает ему его знаменитую консервативность, а с другой - направленную приспособительную изменчивость в ответ на установившиеся изменения в среде. Преобладание в общем числе изменений - микроизменений, обеспечивает генотипическому материалу пластичность, ограниченную по скорости ее проявления во времени и почти беспредельную по разнообразию производимых форм, то есть как раз то, о чем свидетельствует летопись живого за время существования земли.

Изменения внешних по отношению к организму условий среды, прежде чем неизбежно сказаться в изменении генотипа клетки, проходят множество буферных систем, уменьшающих изменяющую силу внешнего воздействия. Обнажение какого-либо уровня, например, выращивание клеток вне организма в клеточной культуре, - сразу увеличивает генотипическую гетерогенность этого уровня (Р.Г. Бутенко, 1975 а, стр. 94). Увеличение генотипической гетерогенности клеток в клеточной культуре можно рассматривать как результат усиления мутирования под действием мутагенных факторов, находящихся в новой среде и под действием самой среды в целом как мутагенного фактора, а с более общих позиций - как результат изменения селективной среды, которой раньше был организм, а теперь - искусственная питательная среда, клеточное окружение и все другие факторы искусственных условий культивирования. Если выражение “действие мутагенных факторов” говорит всего лишь о том, что изменения генома произошли не сами по себе, а к этому причастны внешние силы, то, выражение “изменение селективной среды” - указывает на механизм возникновения этих мутаций - через отбор средой элементов на всех субклеточных уровнях организации живого (если считать мутацией относительно устойчивую во времени вариацию генома клетки, отличающуюся от условно исходного типа и образовавшуюся не в результате полового процесса или его аналога).

Одним из моментов, объясняющих отрицательное отношение генетиков к возможности направленной изменчивости генотипа, является устаревшее и сознательно не исповедуемое представление о механизме возникновения мутации, давно отвергнутое самими генетиками. Оно состоит в том, что мутации вызываются только необычными, нерегулярными факторами внешней среды. Неверное впечатление о чрезвычайной редкости события мутирования, полученное по причине низкой разрешающей способности средств наблюдения, явное увеличение частоты мутирования при повышении фона радиоактивности среды и при использовании химических веществ, ранее не существовавших в природе, укрепляли в сознании мысль, что мутации как правило вредны и вызываются факторами, не являющимися нормальными компонентами среды обитания организма.

Обнаружение мутагенного эффекта повышенной температуры, обычных химических веществ, обнаружение того, что известные искусственные мутагены вызывают изменение наследственного материала не непосредственно, а через изменение окружающих геном обычных клеточных компонентов, и что простое изменение напряженности или последовательности хода естественных факторов вызывает увеличение изменчивости, все это, как видно, не поколебало противоречащую сознанию веру в то, что изменение генома возможно только при контакте его с нерегулярными, необычными факторами внешней среды, откуда и вытекала столь желанная для генетиков безусловная случайность получающихся мутаций. По-прежнему в качестве мутагенов, рекомендуемых для практического применения в селекции, на первом месте фигурируют ионизирующие излучения и синтетические химические вещества, способные непосредственно повреждать генетический аппарат. По-прежнему обнаружение отличных от стандарта форм в посевах константного сорта, выращиваемого в измененных условиях (подзимний сев яровых, искусственное освещение и т.п.) объясняется часто засоренностью исходного материала.

Представление о наследственности организма как о системе самовоспроизводящихся популяций объясняет как мутагенное действие изменений в обычных условиях, среды, так и возможность генотипически обусловленной приспособительной изменчивости организма в ответ на изменения в среде. Из этого же представления следует, что для каждого объекта как популяции (вид, организм, клетка...), изменчивость его элементов, необходимая для творческой работы отбора, поставляется также отбором, но уже на подуровнях (организм, клетка, геном…). Таким образом, само происхождение любой исходной изменчивости для любого уровня отбора также обязано отбору, включая моменты повреждения ДНК в результате, положим, теплового движения молекул, когда условия “отбирают” участки ДНК, различающиеся или по прочности на данный момент, или по их положению относительно других участков, или даже просто по положению в пространстве.

Поиск по сайту: