Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

По-прежнему трудно дать уверенный общий ответ на этот ключевой вопрос эволюции, однако имеющиеся ограниченные прямые исследования эволюционных траекторий как индивидуальных белков, так и бактериальных популяций принесли неожиданные результаты (O’Maille et al., 2008; Ostrowski et al., 2008; Weinreich et al., 2006). Похоже, что в большинстве случаев лишь небольшая часть из теоретически возможных путей на самом деле доступна для эволюции, так что эволюция представляется менее стохастической, более детерминированной и более предсказуемой, чем предполагалось ранее (см. рис. 13-2). Эти наблюдения позволяют предположить, что адаптивные ландшафты по меньшей мере некоторых из развивающиеся генов и геномов являются существенно неровными, так что большинство путей прерывается глубокими оврагами низкой приспособленности и, таким образом, запрещены (O’Maille et al., 2008). Основной подоплекой этого, вероятно, является эпистаз, то есть взаимодействие между различными частями одного и того же гена или между различными генами: на пересеченном ландшафте одна мутация часто приводит к фатальному падению приспособленности, но вторая, путем эпистаза, способна привести в область высокой приспособленности. Эпистаз представляется одним из важнейших факторов, поддерживающих целостность эволюционирующих биологических систем, которая проявляется в многих аспектах эволюции (Kogenaru et al., 2009). Как отмечалось в предыдущем разделе, эпистаз неизбежно ограничивает применимость представления эволюционирующих геномов ансамблями слабо взаимодействующих «частиц». Эпистатическое взаимодействие сильно ограничивает диапазон доступных эволюционных траекторий – но насколько сильно, еще предстоит выяснить с помощью дальнейшего моделирования и экспериментальных исследований эволюции. Вполне может оказаться, что модель детерминированного хаоса верна и что обнаруженные ограничения на практике мало влияют на предсказуемость эволюции, то есть на результат метафорического повторного проигрывания пластинки. Доступные траектории, даже если они и составляют лишь малую долю теоретически возможных, все же могут оказаться столь многочисленными и разнообразными, что эволюция окажется на практике непредсказуемой. Важнейшей и пока нерешенной проблемой оказывается взаимосвязь между доступными траекториями. Если эти траектории кластеризуются на небольшом участке геномного пространства-времени, эволюция может быть квазидетерминированной[139]; если же доступные траектории беспорядочно разбросаны, (не)предсказуемость эволюции не будет сильно зависеть от подобных ограничений (см. рис. 13-2).

Скорее всего, результаты детального анализа эволюционных ландшафтов и траекторий на них будут различаться для эволюции на различных уровнях и в различных ситуациях, в согласии с концепцией плюрализма эволюционных процессов, обсуждавшейся выше. Кроме того, следует еще раз подчеркнуть, что соотношение между детерминизмом и стохастичностью определяется давлением отбора, то есть эффективным размером популяции. В эффективно бесконечной популяции эволюция фактически детерминирована, в то время как в небольших популяциях эволюция происходит стохастически в рамках фундаментальных ограничений. Чтобы исключить всякую возможность недоразумений, отметим, что, даже если эволюция и может быть описана как квазидетерминированный процесс, такое описание не имеет ничего общего с телеологическими представлениями. Тем не менее канализация в смысле Уоддингтона (см. гл. 2) представляется интересной аналогией.

Сложное и неоднозначное соответствие генома и фенотипа

Рис. 13-2. Пересеченный адаптивный ландшафт и доступные эволюционные траектории: а — квазидетерминированная эволюция: канализация доступных траекторий; б — стохастическая эволюция: случайное распределение доступных траекторий. Сплошные линии – монотонно восходящие траектории, доступные для эволюции, движимой исключительно отбором. Пунктирные линии – немонотонные траектории, доступные только с участием генетического дрейфа.

Принято считать, что геном (генотип) определяет фенотип организма (с некоторым участием эпигенеза), фенотип жестко контролируется отбором, a фенотипические изменения не имеют эволюционных последствий. Сравнительная геномика и системная биология показывают, что все эти утверждения не являются истиной в последней инстанции, и такие упрощенные обобщения оставляют в стороне ключевые биологические явления. Отсутствие простой детерминированной связи между фенотипом и генотипом выражается по крайней мере в двух взаимодополнительных аспектах их взаимоотношений:

1. Фенотипические мутации и другие формы шума, такие как случайная транскрипция практически всех геномных последовательностей у животных, неотъемлемо присущи биологическим системам и вносят вклад в их эволюцию (см. гл. 9)[140]. Эти эволюционно важные фенотипические изменения частично контролируются геномом, но связь между геномом и шумом стохастическая по своей природе.