Эволюция как сопротивление энтропии Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции. Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Половое размножение препятствует крупномасштабным изменениям генома

27.03.2007

Многочисленные приспособления растений, препятствующие самоопылению, имеют, как выяснилось, еще одну функцию: они препятствуют крупным генетическим перестройкам (фото с сайта mk23.image.pbase.com; © Raymond Soemarsono)

Вероятность переноса генов из митохондрий в ядро выше у растений, размножающихся вегетативно и путем самоопыления, хотя именно таким растениям этот перенос сулит меньше всего выгод. Это говорит о том, что половое размножение затрудняет крупные геномные перестройки. Оно ведет к постоянному перекомбинированию генов, а это мешает им поддерживать достаточный уровень «взаимной приспособленности» в процессе крупномасштабных изменений. Данное открытие хорошо согласуется с идеями В. П. Щербакова о половом размножении как факторе, повышающем стабильность видов и замедляющем их эволюцию.

Митохондрии — органеллы, обеспечивающие энергией клетки всех животных и растений — как известно, являются потомками симбиотических бактерий. От своих далеких предков митохондрии унаследовали маленькую кольцевую хромосому, содержащую, правда, гораздо меньше генов, чем у любой бактерии. Геном митохондрии кодирует лишь малую часть белков, необходимых для жизни, нормального функционирования и размножения самой митохондрии (они размножаются делением, как бактерии, и не могут образовываться de novo). Все недостающие белки поступают в митохондрию извне, то есть из цитоплазмы клетки, а кодирующие их гены находятся в клеточном ядре.

На сегодняшний день твердо установлено, что практически все эти митохондриальные гены ядерной локализации когда-то располагались в митохондриальной хромосоме, а затем были перенесены в ядро. Быстрее всего процесс переноса шел на ранних этапах становления эукариотической клетки, то есть вскоре после того, как предки эукариот приобрели своих замечательных симбионтов (по разным оценкам, 1,5–3,0 млрд лет назад). У животных этот процесс зашел дальше, чем у растений. Митохондриальная хромосома человека, например, кодирует всего 13 белков и имеет размер около 16,5 тысяч пар оснований. В ней остались только те гены, которые невозможно перенести по техническим причинам: строение кодируемых ими белков не позволяет транспортировать их через оболочку митохондрий. У растений митохондриальные геномы примерно в 10-20 раз больше, и эпизодический перенос отдельных митохондриальных генов в ядро продолжается по се! й день.

Остается открытым вопрос о том, зачем (или почему) митохондриальные гены переносятся в ядро. В долгосрочной перспективе ядерная локализация этих генов дает очевидные преимущества. К ядерным генам гораздо легче «пристроить» эффективные системы регуляции, которые позволяют увеличивать или уменьшать активность гена в зависимости от потребностей клетки. Ядерные хромосомы, в отличие от митохондриальной, у большинства организмов присутствуют в двух копиях (одна от отца, другая от матери). В процессе образования половых клеток парные хромосомы обмениваются между собой участками. В результате этого обмена (рекомбинации), а также вследствие слияния половых клеток (оплодотворения) в каждом поколении образуются новые сочетания генетических вариантов (аллелей). Всё это в конечном счете повышает полиморфизм популяции, ее устойчивость и приспособляемость к меняющимся условиям, создает более благ! оприятные условия для распространения полезных мутаций и снижает вероятность генетического вырождения вследствие необратимого накопления мутаций вредных. Митохондриальная хромосома не рекомбинирует, размножается исключительно бесполым путем («клонируется») и передается только по материнской линии. Поэтому все потомки одной женской особи имеют одинаковые митохондриальные геномы, идентичные материнскому. Очевидно, это не очень «здоровый» способ передачи наследственной информации, практически исключающий возможность прогрессивной эволюции генов, оставшихся в митохондриях, при том что скорость накопления мутаций в митохондриальной хромосоме намного выше, чем в ядерных.

Может быть, митохондриальные гены переселились в ядерный геном как раз для того, чтобы на них распространились все те преимущества, которые дает рекомбинация и половое размножение? Примерно так и рассуждают многие исследователи. Правда, в этом объяснении есть уязвимое место: преимущества, о которых идет речь, могут проявиться лишь в отдаленной эволюционной перспективе, тогда как конкретные генетические перестройки и поддерживающий их естественный отбор должны были иметь место «здесь и сейчас». Перенос гена из митохондрии в ядро едва ли может обеспечить организму или популяции мгновенную выгоду.

Более того, этот перенос должен идти поэтапно, проходя целый ряд промежуточных стадий. Сначала копия митохондриального гена должна встроиться в одну из ядерных хромосом. Затем к ней должна в результате случайных перестановок участков ДНК пристроиться подходящая регуляторная область (чтобы ген заработал), а также особый фрагмент, который будет сигнализировать клетке, что белок — продукт данного гена — следует транспортировать в митохондрию. Все митохондриальные гены ядерной локализации имеют такой сигнальный фрагмент. Только после этого исходный ген, локализованный в митохондриальной хромосоме, может быть отключен или удален.

На всех этих промежуточных стадиях любые перетасовки генетического материала, происходящие в результате рекомбинации и полового размножения, могут только помешать делу. Например, представьте себе популяцию организмов, размножающихся половым путем, в которой у одних особей митохондриальный ген в ядерной хромосоме уже «включился», а у других еще нет, у одних митохондриальная копия еще работает, у других — уже нет. Ничего хорошего от скрещивания особей с разными состояниями этих признаков явно не получится, поскольку жизнеспособными будут не все, а только некоторые из возможных сочетаний ядерных и митохондриальных геномов. С гораздо большей вероятностью подобные генетические изменения возникнут и зафиксируются у организмов, размножающихся вегетативным путем или практикующих самооплодотворение. И это не смотря на то, что таким организмам перенос митохондриальных генов в ядро, казалось бы, вовсе! не нужен, поскольку он не даст им тех долгосрочных преимуществ, о которых шла речь выше.

Какой же фактор был важнее для переноса митохондриальных генов в ядро — долгосрочная выгода или сиюминутная возможность? Кстати, вопрос можно поставить и шире, ведь о многих эволюционных преобразованиях не так-то просто сказать, возникли они «зачем-то» или просто «почему-то».

Биологи из Индианского университета (Indiana University) в Блумингтоне (США) решили проверить эти гипотезы на растениях, у которых, как уже говорилось, перенос митохондриальных генов в ядро не закончился давным-давно, как у животных, а продолжается и по сей день. Если верна первая гипотеза, то есть гены переносятся ради долгосрочной выгоды, то у растений, практикующих перекрестное опыление, митохондриальные гены должны переноситься в ядро чаще, чем у самоопыляющихся или размножающихся вегетативно. Если же гены переносились не ради выгоды, а случайно, то это должно было происходить чаще у тех видов, которым это проще осуществить, то есть у самоопыляющихся или размножающихся бесполым путем.

Ученые проанализировали геномы 170 родов покрытосеменных растений, время возникновения которых и положение на эволюционном древе более или менее твердо установлены. Для каждого рода было определено количество независимых событий переноса митохондриальных генов в ядро. Оказалось, что количество таких событий значительно выше в тех эволюционных линиях, где преобладает вегетативное размножение и самоопыление. Таким образом, подтвердилась вторая гипотеза: гены чаще переносятся не у тех видов, кому это выгодно, а у тех, кому это легче осуществить.

Кроме того, оказалось, что корреляция между числом переносов и способом размножения лучше выражена для тех эволюционных событий (переносов), которые произошли сравнительно недавно, чем для более древних. Одна из возможных интерпретаций этого обстоятельства состоит в том, что отказ от нормального полового размножения — это своего рода эволюционный тупик, и растения, пошедшие по этому пути, либо довольно быстро вымирают, либо возвращаются к перекрестному опылению.

Авторы предполагают, что тем же закономерностям должен подчиняться и перенос генов из пластид в ядро (пластиды, органеллы фотосинтеза, тоже являются потомками симбиотических бактерий), и перемещения генов с одной хромосомы на другую в пределах ядерного генома. Если эти предположения подтвердятся, это будет означать, что половое размножение является мощным фактором, препятствующим крупномасштабным геномным перестройкам у эукариотических организмов. Данная идея удивительно хорошо согласуется с рассуждениями В. П. Щербакова, полагающего, что половое размножение помогает организмам противостоять эволюционным изменениям (см.: В. П. Щербаков. Эволюция как сопротивление энтропии).

Источник: Yaniv Brandvain, Michael S. Barker, Michael J. Wade. Gene Co-Inheritance and Gene Transfer // Science. 2007. V. 315. P. 1685.

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

26.03 Трансгенные малярийные комары — новое оружие в борьбе с малярией

Проведенные группой американских ученых эксперименты с трансгенными малярийными комарами, не способными быть переносчиками болезни, опровергли широко распространенное мнение, что генномодифицированные животные всегда менее приспособлены, чем их дикие сородичи. Трансгенные комары могут составить серьезную конкуренцию обычным малярийным комарам.

26.03 Холодолюбивые виды зверей и птиц моложе тропических

Канадские биологи, оценив время расхождения каждой из 309 наиболее близкородственных пар видов зверей и птиц, обитающих в Новом Свете, обнаружили, что темпы видообразования и вымирания у них возрастают с географической широтой: вблизи экватора оба процесса идут сравнительно медленно, а по мере приближения к полюсам ускоряются.

24.03 Гомеопатия в Великобритании претендует на академический статус

Ученые серьезно обеспокоены тем, что в нескольких университетах Великобритании начали выдавать дипломы бакалавра (bachelor of science) в области «альтернативной медицины», в частности гомеопатии. Таким образом, к настоящей науке формально приравнивается деятельность, имитирующая науку, но не имеющая с ней ничего общего.

21.03 Во время фазы медленного сна активно закрепляются новые знания

Германские нейробиологи установили, что если во время медленного сна человек ощущает тот же запах, который он обонял в процессе обучения, то запоминание происходит эффективнее. Значит, закрепление новых знаний во время медленного сна — активный процесс, требующий работы гиппокампа, а не побочный эффект общего снижения мозговой активности.

20.03 Метаматериалы вплотную подошли к оптическому диапазону

В Соединенных Штатах создан оптически прозрачный материал, обладающий отрицательным показателем преломления в инфракрасной области непосредственно вблизи границы видимого света. Его сконструировали ученые из Университета Пердью, возглавляемые профессором Владимиром Шалаевым.

19.03 Предки человекообразных обезьян имеют азиатское происхождение

Канадские ученые обобщили данные по распространению миоценовых животных, включая и человекообразных обезьян. Они выявили общие направления расселения для различных групп и сделали вывод, что предки человекообразных обезьян, возможно, пришли в Африку из Азии, и уже там началось видообразование, приведшее к появлению человека.

17.03 Новая палеонтологическая находка проливает свет на раннюю эволюцию млекопитающих

В Китае найден скелет млекопитающего, жившего 125 млн лет назад, в строении которого сочетаются примитивные и продвинутые признаки. Находка подтвердила, что в эволюции среднего уха млекопитающих была промежуточная стадия, когда слуховые косточки уже не составляли единого целого с нижней челюстью, но еще оставались связанными с ней посредством особого хряща.

16.03 Объяснено происхождение колец сверхновой 1987А

Прошло уже 20 лет с момента взрыва сверхновой 1987А в Большом Магеллановом облаке, но тайна трех колец, высветившихся вокруг места взрыва, до сих пор не раскрыта. Астрофизики из Оксфордского университета построили трехмерную численную модель, объясняющую удивительные свойства колец тем, что взорвавшаяся звезда некогда образовалась из слияния двойной системы.

16.03 Малый размер птичьих геномов — наследие эпохи динозавров

Американские и британские палеонтологи обнаружили, что по микроструктуре ископаемых костей можно судить о размере генома вымерших четвероногих. Оказалось, что одна из отличительных особенностей современных птиц — малый размер генома — была характерна для предков птиц (динозавров-теропод) с самого начала их истории, задолго до того, как они научились летать.