18.01.96 Лев МОСКОВКИН

ПРИЛОЖЕНИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ОТНОШЕНИЙ К ПРАКТИЧЕСКОЙ СЕЛЕКЦИИ

Принято считать, что селекционный процесс является ускоренной, оптимизированной, целенаправленной моделью естественной эволюции. Альтернативная точка зрения не утрачена, но принципиальность различий естественного и искусственного потеряла актуальность и суть разногласий сместилась в узкопрофессиональную область генетики. Однако и ее можно формализовать в достаточно общем виде.

В генетической среде существуют два несовместимых мнения относительно происхождения эволюционной новизны. Исследователь генетико-инженерных конструкций скажет, что новое не появится, пока в геном не введен извне новый, несвойственный именно данному геному ген. С другой стороны, хорошо известно: любой сложный геном является прибежищем множества последовательностей со своеобразной индивидуальной обособленностью эволюционной судьбы, но до времени никак себя не обнаруживающих, и лишь их перекомбинация, иными словами – актуализация скрытой генетической информации, приводит к принципиальным эволюционным скачкам вроде возникновения новых таксонов, арогенетических поднятий и открытия новых эволюционных путей. Фактически принципиальность расхождения касается того, что считать собственно эволюционной новизной. В настоящее время методы конструирования новых, не существующих в природе геномов превратились в мощную, хорошо налаженную технологию. Однако любая искусственная генетическая конструкция, равно с точки зрения эволюциониста и селекционера (но не молекулярного биолога!), не является завершающим этапом получения нового сорта или породы. Совсем наоборот – в лучшем случае введенный ген возбуждает в геноме цепь последовательных событий наподобие естественной эволюции (человек на нее влиять уже почти не может), но возможную исключительно благодаря искусственным поддерживающим условиям (стерильности, отсутствию патогенов и конкурентов). Чем дальше от пробирки и ближе к земле, тем больше вероятность вырождения или гибели de novo созданной искусственной конструкции.

С другой стороны, исследования геномов существующих возделываемых (доместицированных) форм показывают, насколько далеки они могут быть от всех мыслимых природных предков, причем их возникновение часто было сопряжено с генетическими событиями типа современной генной или клеточной инженерии. Также и изучение нежелательных спутников человека и его деятельности почти всегда показывает, насколько важным моментом, как правило ключевым для расообразовании патогенов с последующими эпидемиями или эпифитотиями, является обеспеченный невольно самим же человеком контакт с передачей чужеродной генетической информации. Почему без современной целенаправленной технологии синтеза генетических искусственных конструкций они возникают сами по себе и возможна ли технология завершенного процесса, то есть поточное создание пород и сортов в лаборатории?

Ответ на вопрос фактически не несет новизны ни самим ответом, ни его аргументацией. События макроэволюционного характера, как в эволюционной судьбе самого человека, так и его спутников по жизни на Земле, относятся к тому классу случайных событий, которые не могут иметь в принципе характеристик частоты или вероятности. Это означает, что для их происхождения можно создать условия, но их нельзя прогнозировать и тем более – подсчитать статистическую достоверность результата. Иными словами, единственным доказательным моментом может служить только само по себе возникновение новой формы с улучшенными хозяйственно-важными качествами, ибо привычные биологу методы доказательства достоверности результатов эксперимента здесь неприменимы. В случае успеха любое его объяснение мало помогает последователям оригинатора. Если же новая форма не доходит до промышленной эксплуатации, показывая на испытаниях ухудшение качеств, то генетическая инженерия остается всего-навсего еще одним эффективным методом исследования структуры, функции и эволюции генетической информации. С другой стороны, если формообразующая эволюция происходит и ее дальнейшее продолжение нуждается в событиях генетико-инженерного характера, то они и случаются буквально на глазах исследователя, но практически без его изощренного инструментария. Другими словами, если геном нуждается в инородной генетической информации и находится в компетентном к ней состоянии, то можно не утруждаться конструированием вектора – достаточно просто полить ткани или целое растение раствором ДНК.

Однако и при более узком понимании роли молекулярной биологии косность человеческого восприятия приводит к стойкому взгляду на эту науку части исследователей как на «хорошо оснащенную бессмыслицу». К сожалению, нам так и не удалось опубликовать работу, доказывающую возбуждение препаратами высоко вариабельной ДНК из тимуса теленка активности транспонируемых элементов в меристематических эксплантах чеснока – требовались недоступные на данном удобном объекте «доказательства».

Однако подобная типичная негативная логика не мешала автору ранней сводки по сомаклональной изменчивости ссылаться на работы Т.Герасимовой по гибридному дизгенезу Р-М системы у Дрозофилы! Распространенная косность мышления приводит к тому, что для каждого конкретного исследователя труднее создать реально работающую конструкцию, чем пойти по заведомо неконструктивному, но уже проторенному пути.

Чеснок - это вид с наибольшим содержанием повторяющихся последовательностей в пределах рода Allium, в ответ на обработки препаратами вариабельной ДНК возникали пучки однотипных хроматидных аберраций. Для публикации статьи научный редактор требовал указания пределов статистической достоверности – «нужно ?m». Между тем все ключевые эволюционные события относятся к тем типам случайных явлений, которые не имеют характеристик частоты или вероятности, соответственно моменты распределения вычислить просто не из чего. Совместное действие колхицина и тимусной ДНК в наших экспериментах на чесноке повышает не только выход новых форм, но и выживаемость. Эффект чисто системный, и колхицин, и ДНК в отдельности выживаемость резко снижают. Опубликовать это было нельзя, понять это мог только Сергей Гершезон – в 1988 году старик только тихо и счастливо смеялся в ответ.

Надо понять, с чем мы столкнулись в данном случае: семь десятков лет бурного развития науки из спектра диссертабельной тематики выпало наиболее существенное. Когда системное мышление вернулось к ученым, рассыпалось само научное сообщество, сохраняя консерватизм в своих реликтах. И демонстрируя тем самым еще один уровень примеров вырожденной эволюции. С непониманием коллег сталкивались все исследователи, поставившие целью жизни доказать очевидное – факт системных самоорганизованных трансформаций: Барбара Макклинток, Симон Шноль, Сергей Гершензон. Сын известного философа первым применил обработки тимусной ДНК для получения новых форм с помощью трансформации еще задолго до «двойной спирали» Уотсона и Крика. Практически ни один экспериментальный результат Гершензона коллеги не приняли, как и не поняли его теоретические выкладки, например, о «мобилизационном резерве вида». Еще меньше повезло гениальному Ивану Шмальгаузену – он целиком остался за скобками бурной юности науки ХХ века. На «странности» проповедника идеи системности Александра Малиновского не обращали внимания. Небольшие осколки лаборатории «соратника» Трофима Лысенко Ивана Глущенко в Институте сельскохозяйственной биотехнологии творили истинные чудеса в культуре ткани, но Валентина Внучкова умерла от рака, не завершив обобщения своих многочисленных работ, до этого умер сам Глущенко и его бесценный архив пошел в макулатуру. Сейчас уже никому не нужно, что это был единственный человек, который результативно противостоял воинствующему невежеству – Трофима Лысенко увозила скорая помощь после их стычек на ученых советах.

Кстати, возведение дарвинизма в ранг парадигмы не способствовало пониманию Дарвина – имеется целое исследование Юрия Чайковского о его ошибочных трактовках в справочниках и энциклопедиях.

Нам теперь трудно понять, как генетики и эволюционисты ухитрялись вести смертный бой друг с другом, приходя к одинаковым выводам в их эволюционном понимании на разных объектах и с помощью вновь изобретаемой терминологии. Так, сторонники Лысенко типа Презента или Куперман сконструировали свое отрицание формальной генетики уже после того, как Тимофеев-Ресовский ввел в обращение термины пенетрантность и экспрессивность. По счастью, взаимная агрессивность ученых на фоне ГУЛАГа не помешала сохранить по крайней мере идеи ламаркизма в переводе на русский, методы Фаины Куперман, результаты довоенных исследований супругов Тимофеевых-Ресовских. Пропало намного больше, а сейчас уже некому обобщить лавину накапливающихся экспериментальных данных, хотя сделать это было бы теперь легко на основе синергетики, получившей наконец право на существование в наших умах.

С субъектом исследования ничего сделать нельзя. У объекта вероятность вырождения можно снизить, исключив некоторые определенно тупиковые эволюционные пути. Например, хорошо известна тупиковость неконструктивной эволюции in vitro, связанной с получением новизны через повышение генетического шума при мутагенных обработках и проведении через культуру in vitro, когда отсутствует такой критерий программной полноценности генома, как морфологический – эстетическая завершенность развития на каждой фазе онтогенеза.

Однако известно это специалистам по культуре клеток и тканей и практическим селекционерам, но в статьях обычно не публикуется, поскольку в теории микроэволюции (динамики популяций) мутационный процесс считается единственным эволюционным фактором, поставляющим изменчивость. Здесь речь идет об изменении частот аллелей, но не о конструктивной макроэволюции.

Мутационный процесс в природе вообще стабилизирует форму от эволюции, и вид, обладающий значительными размерами генома, выдерживающего без заметных нарушений морфогенеза высокий уровень мутабильности, как правило, остается примитивным навсегда. Тем не менее сотни исследователей в десятках лабораторий продолжают мутагенные обработки множества образцов или рассаживают в огромном количестве пробирок каллусную ткань. Понятно, что проведение через каллусный рост приводит к необходимой фетализации (у многих видов растений иначе просто невозможно в искусственных условиях возобновить генеративный путь). Но длительное отсутствие морфогенеза в растительном каллусе или животных опухолях, а также в культурах клеток эквивалентно мутагенной обработке и приводит к невозможности возврата к морфогенезу, т.е. организменной формы существования. Причем речь идет не о специфическом мутагенезе, а о лавинообразном накоплении всевозможных аберраций генома расширяющегося спектра подобно тому, как это происходит уже несколько десятков лет в культурах бессмертных клеток HeLa (раковые клетки француженки Хелен Лабарб, давно умершей).

Другой пример. Уже первые эксперименты создания искусственных генетических конструкций с помощью лабораторных методик показали, что возможна перетасовка генетической информации, но само развитие можно лишь переключать в пределах известной для более высокого таксона сети каналов морфогенеза. То есть примерно так, как это описано Николаем Вавиловым для сложившихся форм культурных растений.

Совместить в одной продуктивной форме достоинства различных каналов развития единственно усилием воли исследователя не удается. Дело в том, что основополагающие эксперименты по конструированию искусственных генетических форм были произведены задолго до широкого распространения термина «генетическая инженерия»: Дубининым на Drosophila melanogaster, Навашином на Crepis capillaris, Карпеченко с получением капустно-редечных амфидиплоидов. Также известна серия работ отечественных авторов с безуспешной попыткой совмещения достоинств зимующих и летних коконов тутового шелкопряда.

Приходится признать, что программа может возникнуть только от программы эволюционным путем – единственный творец не может написать ее собственной волей ни символами на бумаге, ни генетическим языком. Возможно, что утверждение является еще одним биологическим принципом наряду с известными: omni vivo ex ovo, omni cellula ex celluli, omni molecula ex moleculi (Н.К.Кольцов вслед за Колли) и, наконец, omni programma ex programmi.

В перспективе видимо будет сформулирован один общий принцип эволюции в форме примерно «только смысл от смысла», означающий, что на каждом этапе преобразования структуре или функции можно приписать некую цель, которая может девиировать, но не должна исчезать, сохраняя т.о. гарантию невырожденности будущего исхода.

Часть тупиковых путей составляют попытки расширенного применения успешной технологии, разработанной для формы со специфическим эволюционным состоянием или возделываемой в специфических условиях на окраине ареала. Например, возделывание промышленных гибридов кукурузы через использование цитоплазматической мужской стерильности в США или чувствительной к грибному поражению пшеницы в Бразилии не может быть эффективно повторено на пшенице в России. Данные примеры интерпретируются в рамках концепции эволюционного состояния, которое раскладывается на три условные градации (или три типа популяций по V.Grant'у).

1. Примитивные, обычно монотипические полиморфные виды с обширными ареалами, которые оказываются генетически нечувствительными ни к значительным переменам внешней среды типа изменений климата, ни к экотонам вроде изменений ландшафта, горных цепей и берегов – в пределах ареала существует как бы единственная панмиксная популяция единственного вида в своем роде. Например, ареал волка – циркумполярный, для него не является преградой даже океан.

Подобная форма в культуре нуждается в преодолении инбредной депрессии при обязательном воспроизводстве обоеполой популяции. Попытки клонирования не приводят к успеху. Зато легко можно получить эффект гетерозиса – если не натолкнешься на гибридный дизгенез при скрещивании родителей географически отдаленного происхождения: «ареалы» транспонируемых элементов могут не совпадать с ареалами популяций их хозяина.

Критериями примитивности вида являются относительно высокое число хромосом в наборе, большой запас ДНК в геноме, относительно высокая доля повторяющихся последовательностей, также отсутствие морфологических признаков специализации, характерных в пределах рода. Разумеется, вероятность гибридного дизгенеза вынуждает воспроизводить форму структурно со множеством генеалогических линий – истинная панмиксия требует увеличения эффективной численности, резко снижая средний уровень качества потомства и эффективность воспроизводства популяции в целом.

2. Так называемые полуколониальные формы с трудно идентифицируемыми видами, пронизанные сетью репродуктивных барьеров в пределах кружева ареала, часто легко переходящего через аллопатрию к вторичной симпатрии.

Формально они являются как бы промежуточными по своему эволюционному состоянию и изменения в среде, перемены ландшафта, землетрясения и иные подобные факторы способны воспринимать в качестве возбудителей собственной эволюции. Именно в таком эволюционном состоянии находится подавляющее большинство важных с точки зрения человеческой деятельности биологических форм всех трех групп: культивируемых доместицированных животных, растений и микроорганизмов; быстро эволюционирующих патогенных микроорганизмов, грызунов и иных объектов борьбы; самого человека с его разнообразием в пределах общего условного вида. Форма с таким «промежуточным» эволюционным состоянием обладает геномом со специфической характерной организацией, предоставляющей возможность катастрофического эволюционного режима (некогерентной эволюции).

3. Специализированные виды (стенобионты), часто паразитические, множественные в своих родах, с обилием генетически изолированных видов-двойников и специфическими узкими ареалами или острым «разделением труда» в пределах кажущейся общей экологической ниши.

Почти любая перемена условий существования для специализированного вида может оказаться фатальной. Пожалуй, возделывание в культуре формы с таким крайним эволюционным состоянием наиболее просто – практически исключены инбредная депрессия и гибридный дизгенез в узком смысле (типа Р-М несовместимости у Drosophila melanogaster), возможно воспроизводство без полового процесса и из лабораторных методик может потребоваться лишь оздоровление от вирусов. Эти формы легко клонируются, особи показывают идентичные белковые спектры на диск-электрофореграммах. Получить гетерозис в данном случае невозможно, тем более использовать эффект скрещивания на практике для повышения урожайности. Критериями служат низкое число хромосом, количество Feulgen-DNA и почти полное отсутствие повторов в геноме, по крайней мере, некоторых типов. Такие формы часто встречаются среди облигатных паразитов и редко – в пределах возделываемых полезных человеку групп. Позвоночные не могут довести специализацию до полного завершения, слишком высока их взаимозависимость с меняющейся средой. У млекопитающих единственным известным относительно завершенной специализации является гепард.

Разумеется, разделение типов популяций по эволюционному состоянию достаточно условно и заведомо не работает для вида с выраженным разделением так называемых облигатной и факультативной компонентами генома, когда различной эволюционной судьбой обладают не родственные виды, а различные формы генетической информации в пределах генетической системы одного вида. Согласно автору термина М.Голубовскому, облигатная часть генома содержит в основном гены общей жизнеспособности, доступна трем факторам классической генетической рекомбинации, поддерживающей единство вида (комбинация хромосом в гамету, комбинация гамет в зиготу и crossing-over) и обычно каким-то образом защищена от проникновения повторяющихся последовательностей.

Факультативная компонента содержит множественные повторяющиеся последовательности разных типов включая транспонируемые элементы, может быть защищена от кроссинговера и иногда вообще от полового процесса, но там активны факторы mail recombination Drosophila melanogaster. Именно факультативная компонента акцептирует чужеродную генетическую информацию, если такое событие происходит в эволюционной судьбе вида, и возбуждает режим катастрофического перехода между непреодолимо различными условиями внешней среды при резкой или непредсказуемой их перемене. Происходит это посредством возбуждения активности транспонируемых элементов (molecular drive).

По указанным генетическим характеристикам филетически родственные виды могут отличаться намного больше, чем представители живого мира, не имеющие казалось бы ничего общего: грибы, чеснок, человек и Drosophila melanogaster. При этом в пределах рода дрозофил есть очень похожие по внешнему виду мухи с принципиально различным генетическим устройством. Два вида с разным числом хромосом (54 и 46) случайно обнаружили студенты на практике в Звенигороде у морфологически одинаковой формы полевки Microtus arvalis.

Характерно, что несовершенные грибы, как и вообще виды с «широкой специализацией», имеют выраженную факультативную компоненту, содержащую гены существования в острых экологических условиях. Белковые спектры на диск-электрофореграммах у них непвторимо ращзнообразные. Парасексуальный процесс fungi imperfecti почти не затрагивает факультативную компоненту, генетическая информация которой располагается дистальнее хромосомной центромеры и вообще далеко от нее. Фактически целые подпрограммы генома способны переключаться в пределах одного генома или передаваться между геномами отдаленных видов по их факультативным компонентам, если этого потребует экологическая специализация – например, широкое неконтролируемое применение антибиотиков или пестицидов. Если факультативная компонента выражена, то именно в ней располагается генетический материал, определяющий патогенность, вирулентность и синтез видоспецифичного токсина.

Под давлением широкого и бесконтрольного применения антибиотиков у бактерий роль факультативной компоненты приобрели бурно эволюционирующие плазмиды – маленькие дополнительные хромосомки, первично определяющие у Прокариот половую принадлежность. Надо отметить, что хромосома или пол бактерии – понятия условные, но действительность такова, что даже наш естественный симбионт E.coli «взбесилась», вызывая аппендицит, эмпиему мозга и вообще все что угодно.

Можно предполагать, что полуколониальность подразделенной популяции и двухкомпонентное устройство генома с аппаратом molecular drive возникли эволюционно как способ переживания таких условий среды, в которых невозможно существовать по механизмам согласованной эволюции (в когерентном режиме аллогенеза). Катастрофизм включается для выхода из состояния, соответствующего тому, чего уже нет, он имеет свои каналы и является своеобразной «памятью о будущем». У высших животных и растений существуют механизмы регулируемого катастрофизма, работающие на основе самоорганизованной генетической нестабильности: стрессовая реакция хит-шока, иммунный ответ теплокровных, независимо возникшие в эволюции сходные системы запасных белков покрытосеменных растений.

Разумеется, гибель при катастрофическом режиме очень высока, но ни естественный отбор, ни конкуренция не способны стабилизировать геном до завершения арогенеза. Однако помехоподавление происходит эффективно – если бы его не было, не только не возникали бы новые формы, но и вообще никакая новизна не имела шансов на существование, так как катастрофизм с его мощными перетасовками генетической информации есть единственный путь генерации всего принципиально нового в любой эволюции.

Таким образом, конструирование искусственных форм, равно как и возникновение любых новых форм в природе, может быть оптимизировано или ускорено при предотвращении вырожденных путей с помощью механизма активного эстетизма. Казалось бы, речь идет всего лишь об одном из двух механизмов генетической стабилизации, которые у Дарвина называются борьбой за существование и естественным отбором. Фактически активный эстетизм – человеческое в человеке, возникшее задолго до появления самого человека на эволюционно-исторической арене и предопределившее феномен человека – есть инструмент управляемой эволюции и единственный механизм поддержания нового, неизвестного прежде и даже случайно возникшего. Возможности концепции шире, чем принято считать. Например, плодовые тела грибов являются специальным органом-носителем визуальной красоты своего вида, которая становится его виртуальным свойством, прогностически маркирующим генетическую полноценность в качестве способности к длительной невырожденной эволюции. Приведенный пример также показывает феномен преадаптации, ведь плодовое тело гриба возникает в эволюции как место образования спор и способ их распространения.

Кстати, именно у грибов возможны буквально все известные и мыслимые пути и механизмы эволюции. По своему уникальным является человек – у нас механизм молекулярного драйва возбуждается такими факторами, которые не требуют катастрофизма для их переживания, исключительно ради ощущения постоянного обновления.

Резюмируя смысл настоящей статьи, можно сформулировать некоторые общие принципы селекции.

1. Искусственно сконструировать можно едва ли не любую генетическую химеру, но жизнь ее вне стерильных условий in vitro скорее всего не будет возможной. Способные к невырожденной эволюции формы могут возникнуть только посредством самопроизвольной эволюции.

2. Человек может оптимизировать или ускорить естественный процесс, искусственно возбудив катастрофизм и, в частности, активность транспонируемых элементов различными приемами (например, введением в геном чужеродной генетической информации скрещиванием или векторно). Само по себе введение гена становится началом цепи событий, которые могут привести к новой форме, но отнюдь не является завершением процесса.

3. Наиболее существенная роль человека проявляется в виде эмоциональной эстетической реакции, поддерживающей новые формы и, в конечном счете, управляющей искусственной эволюцией посредством дарвинова отбора.

4. Невозможно рассчитать позитивный результат эволюции, в том числе искусственной. Но можно сказать, чего не следует делать для предотвращения заведомого вырождения – искусственно повышать мутабильность или путать фазы эволюционного становления новой формы, вводя ее в повторный катастрофизм, действуя необходимыми факторами последовательно, но не одновременно.

5. Если некий фактор действует как эволюционный, вызывая в геноме эффект системного характера, который можно использовать для возбуждения и направления необходимой изменчивости, то исследователя не должны вводить в заблуждение физический механизм его действия, непосредственная клеточная мишень, способ проникновения действующего начала в клетку, равно и противоречие с известными молекулярно-биологическими моделями.

Впрочем, исследователя ничто не должно вводить в заблуждение и он не должен быть профаном, т.е. убежденным верующим, тем более не стоит следовать заблуждениям толпы. Люди боятся генетически измененных продуктов – не надо их убеждать. Весь мир ест клонированные триплоидные бананы и похоже не подозревает, что отсутствие семечек – это неспроста. Клонировать человека невозможно, но так же бессмысленно это доказывать.

Hosted by uCoz