5-18. Случайность в эволюции организмов

Ранее мы не раз уже касались вопроса о том, что именно можно в эволюции полагать случайным и в каком смысле. К сожалению, большинство исследователей уверено, что всякой случайности можно приписать некоторую вероятность4^ и далее оперировать с нею.

«Существует ли статистический закон для появления этих (эволюционных - Ю.Ч.) крупных скачков, или они обязаны целиком “случаю”, который подразумевается непредсказуемым?» (АЕ, 273).

Здесь «статистический закон» (повторность событий, позволяющая вычислять вероятности) справедливо противопоставлен полной непредсказуемости. Мне уже приходилось писать, что случайности бывают разными и требуют разных подходов, что в природе преобладают как раз те, которые

^ По А.Н. Колмогорову, случайное явление, происходящее с некой вероятностью (т.е. имеющее устойчивую частоту), именуется стохастическим. Cm. [Чайковский, 2004, с. 20-21]. Эволюционные события обычно нестохастичны (см. далее, п. 6-11*).

вероятностного подхода не допускают, поскольку более хаотичны, нежели те, что имеют вероятности (устойчивые частоты) [Чайковский, 2004]. Таковы, в частности, и все «крупные скачки».

Есть также много данных, говорящих о том, что элементарные события, поставляющие изменчивость, являют собой более сложную случайность, чем полагали прежде. Например,

“разные гены демонстрируют разное нестохастическое использование кодонов, и гены с высоким уровнем экспрессии отличаются максимальным смещением от стохастического использования кодонов”. При этом “вопреки ожиданиям экспериментаторов, наиболее часто используемые кодоны и соответствующие им тРНК при трансляции допускают большее количество ошибок по сравнению с редкими кодонами” (Малахов М.П., Семененко В.Е. Использование кодонов в генах цианобактерии... // ФР, 1994, № 2, с.

Выходит, что используемое реже используется аккуратнее.

Более того, сама редкость применения какого-то действия может спасать от вымирания: так, если начать редко размножаться, можно выжить в самых гибельных условиях (п. 2-13). Если таким путем выживает патогенный микроб, то немногих выживших клеток бывает достаточно, чтобы свести на нет все усилия врачей и естественной эволюции.

Такая случайность (редкое выживание) эволюцию тормозит. Однако бывает и другая случайность, которая эволюцию движет.

В теме биологической случайности важно, что ею часто именуют активность. Всякая активность есть свободный выбор, а в классификации случайностей [Чайковский, 2004] свободный выбор выступает как одна из форм случайности. Вот сравнительно простой пример такой случайности из эмбриологии дрозофил. В п. 5-15 мы говорили о прихотливом распределении клонов внутри компартмента. При этом

“поведение клеточных клонов в данной ткани изменяется от зародыша к зародышу, т.е. явно идентичные клоны в двух разных мухах дают начало разным участкам одной и той же структуры. Из этих данных был сделан вывод, что клональность сама по себе не является единственным параметром, определяющим организацию структур развивающегося организма” [Маресин, с. 117].

Что же еще является, не сказано, а это как раз и есть активность: клоны активно занимают места, допускаемые их средой, т.е. (можно полагать) активностью поля зародыша. При этом выбор между разными вариантами свободен: он не следует из логики процесса, т.е. выглядит случайно.

Самое интересное насчет случайности обнаружилось в механизме синтеза иммуноглобулинов. На первом этапе синтеза гена антитела идет комбинирование блоков. Если бы механизм Тонегавы перебирал одну за другой все возможные комбинации фрагментов, то, как показывает расчет, он наработал бы в одном организме мыши 3 млн различных антител [Стил и др. с. 111], Ho возможных антигенов, по Вигзелу- миллиарды, и нет никакой гарантии, что среди созданных были бы те самые антитела, какие в данное

время нужны.

Суть процесса пока непонятна, и иммунологи характеризуют ее как некую сложную неравномерную случайность - это выражение применил To- негава в нобелевской лекции. Через 12 лет в книге [Стил и др.] на эту тему был приведен следующий интересный цифровой материал.

Разнообразие антител на стадии комбинирования достигается комбинированием разнотипных участков, обычно именуемых буквами V, D и J. Точнее, в каждом иммуноглобулине комбинируются элементы из следующего набора: 100 V-элементов, 20 D-элементов и 4 J-элемента. Поскольку основной вклад в создание разнообразия вносят V-элементы, можно бы ожидать, что они будут очень отличны друг от друга. Однако оказывается наоборот - они почти не отличаются друг от друга. Это похоже на алфавит - ведь разные буквы одного алфавита могут очень мало отличаться друг от друга и тем самым вызывать затруднения у иностранца, но прекрасно выполнять свою функцию.

Удивительнее, что «около половины V-элементов никогда не участвуют в образовании антитела», а реальное одновременное разнообразие антител - отнюдь не 3 млн, но меньше 10 тыс. [Стил и др., с. 111 -112].

Все стадии процесса авторы называют случайными, но, как видим, случайность эта ничуть не похожа на стандартные (как в теории вероятностей) явления типа бросаний игральной кости. И легко понять, почему: стандартная случайность дает в среднем то же, что и сплошной перебор вариантов, а он был бы тут бесполезен.

В самом деле, механизм Тонегавы перебирает не нуклеотиды, а составленные из них блоки. Образно говоря - не буквы, а слоги, слова и даже фразы. Если перебор букв вполне реален, хотя и дает осмысленные слова редко (можно поочередно заменять в данном слове каждую букву и смотреть, осмысленно ли получившееся слово), то перебор слогов весьма затруднен (осмысленные слоги складываются в осмысленные слова исчезающе редко), а перебор слов просто невозможен, поскольку их в любом языке более ста тысяч, а словопар - многие миллиарды.

У мыши одновременно имеется всего 50 млн экземпляров B- лимфоцитов, причем каждый синтезирует лишь один тип антител, а деление лимфоцита занимает более 5 часов. При стохастическом распределении типов антител (а их 3 миллиона) по клеткам каждый тип будет представлен всего несколькими (менее 20) экземплярами, причем их клонирование не сможет поспеть за размножением инфицирующих бактерий (деление у которых занимает меньше часа).

Природа избрала иную стратегию. До недавних пор считалось, что в ответ на инфекцию иммунная система начинает случайный направленный четырехступенчатый поиск (п. 5-8), что налицо очень сложная случайность (о которой говорил Тонегава). Ее свойства совсем не изучались, хотя без этого нельзя решить, зависит ли судьба больного от случайности (найдено ли вовремя нужное антитело).

Первое, чего тут следовало ожидать - огромного разброса сроков иммунного ответа, а этого нет. Первичная иммунная реакция наступает сразу, а на полный ответ (через несколько суток) время тратится, в случае бактериальной инфекции, на создание «зародышевых центров» (Сидорова Е.В. Il УСБ, 2006, № 3), т.е., так сказать, “фабрик антител”. Если случайный поиск и идет, то он занимает очень мало времени по сравнению с остальными процессами. Вернее всего, что никакого поиска редкого варианта здесь нет, что нужный вариант бывает найден сразу многими тысячами клеток (поэтому разбросы усредняются, а пул компетентных В-клеток достаточно велик), следовательно, он достаточно типичен.

Ho если очень многие лимфоциты находят один и тот же вариант антитела, то налицо клеточный номогенез. Выяснение данного вопроса радикально повлияет на развитие и идей номогенеза, и иммунологии.

В принципе можно бы допустить здесь горизонтальный перенос найденной генетической информации меаду лимфоцитами, но ее никто не наблюдал (зато наблюдают перенос сигнальных молекул). К тому же известные процессы горизонтального переноса весьма нерегулярны (идут без определенной частоты), тогда как иммунный ответ достаточно регулярен.