Расширенный фенотип. Дальнее влияние гена

Тут напрашивается поверхностная аналогия с групповым отбором. Одно из затруднений теории о том, что группы организмов могут быть эффективными транспортными средствами, — очень высокая вероятность появления отщепенцев (с точки зрения группы) и отбор в их пользу. Если бы нам вздумалось выдвигать гипотезы об эволюции индивидуальных ограничений посредством группового отбора, то ген, заставляющий особь вести себя эгоистично в группе альтруистов, был бы с нашей точки зрения геном-отщепенцем. Тот факт, что появление таких «отщепенцев» практически неизбежно, разбил надежды многих пытавшихся строить модели группового отбора.

Отдельный организм выглядит в роли транспортного средства для генов гораздо более убедительно, чем группа, потому что, помимо всего прочего, вряд ли отбор будет благоприятствовать находящимся в организме репликаторам-отщепенцам намного сильнее, чем конкурирующим с ними аллелям. Основная причина этого — отточенный формализм процессов размножения индивидуума, «гавот хромосом», как назвал его Гамильтон (Hamilton, 1975b). Если все репликаторы «знают», что единственная их надежда попасть в следующее поколение — это бутылочное горлышко обычного репродуктивного процесса, тогда у всех у них одни и те же «личные интересы»: чтобы их общее тело дожило до зрелого возраста, благополучно прошло через периоды ухаживания и размножения и стало счастливым родителем. Когда у всех равные ставки в нормальном размножении одного и того же организма, вероломству препятствует просвещенный эгоизм.

При бесполом размножении ставки равные и максимальные: у всех репликаторов одни и те же 100-процентные шансы очутиться в каждом из произведенных совместными усилиями потомков. Если же размножение половое, то шансы каждого репликатора вдвое скромнее, однако куртуазный обряд, именуемый мейозом, — «гавот» Гамильтона — довольно эффективно обеспечивает всем аллелям равенство возможностей в получении прибыли от совместного репродуктивного предприятия. Другой вопрос, разумеется, в том, почему гавот хромосом столь аристократически учтив? Вопрос чрезвычайной важности, но я трусливо уклонюсь от него. Это один из тех вопросов об эволюции генетических систем, над которыми и более светлые умы бились без особого успеха (Williams, 1975, 1980; Maynard Smith, 1978а), один из тех вопросов, которые побудили Уильямса написать, что «в эволюционной биологии намечается нечто вроде кризиса». Я не знаю, почему мейоз таков, каков он есть, но приняв его как данность, можно сделать немало выводов. В частности, беспристрастность мейоза помогает понять слаженность и гармонию во взаимодействии частей индивидуального организма. Если бы на уровне такого потенциального транспортного средства, как группа индивидуумов, право размножаться предоставлялось бы со столь же скрупулезной честностью, в столь же дисциплинированном «гавоте организмов», групповой отбор был бы более убедительной эволюционной теорией. Но, за возможным исключением очень специфического случая общественных насекомых, «размножение» групп анархично и открывает простор для индивидуального вероломства. Да и колонии общественных насекомых больше уже никогда не будут выглядеть безоблачной идиллией после проведенного Трайверсом и Хейром остроумного исследования противоречий, связанных с соотношением полов (см. главу 4).

Эти соображения дают нам подсказку, где искать гены-отщепенцы в первую очередь, если в качестве их транспортного средства мы рассматриваем индивидуальный организм. Любой репликатор, который сумеет взять мейоз в свои руки и получить больше причитающихся ему законных 50 процентов вероятности попадания в гамету, будет, при прочих равных, успешнее, чем его аллельные конкуренты по естественному отбору. Таковы, например, хорошо известные генетикам гены мейотического драйва или, как их еще называют, факторы, нарушающие сегрегацию. Я уже использовал их в качестве поясняющего примера, когда давал определение гена-отщепенца.

«Гены, обманывающие систему»

О факторах, нарушающих сегрегацию, я буду говорить, по большей части пересказывая Кроу (Crow, 1979), чей язык по духу вполне соответствует этой книге. Его статья называется «Гены, которые преступают законы Менделя», и заканчивается она так: «Менделевская система предельно эффективна, только будучи безукоризненно честной для всех генов. Однако ее благополучию постоянно угрожает опасность со стороны генов, подчиняющих мейоз своим собственным интересам… В процессе мейоза и формирования сперматозоидов имеется множество тонкостей, очевидная цель которых — уменьшить вероятность подобного мошенничества. И все же некоторым генам удалось перехитрить систему».

Кроу предполагает, что нарушители сегрегации могут встречаться гораздо чаще, чем мы обычно думаем, поскольку методы, которыми пользуются генетики, не слишком приспособлены для выявления таких факторов, особенно если те производят незначительный, количественный эффект. Особенно хорошо изучены гены SD у Drosophila, причем в данном случае имеются и подсказки насчет реального механизма возникновения дисбаланса. «Пока в процессе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют, SD-хромосома, вероятно, успевает сделать что-то со своей партнершей (и соперницей), и позднее это становится причиной дисфункции сперматозоидов, получивших нормальную хромосому… Не исключено, что SD разрушает другую хромосому физически» (Crow, 1979, зловещий курсив мой. — Р. Д.). Есть данные о том, что у особей, гетерозиготных по SD-хромосоме, не содержащие ее сперматозоиды имеют хвосты аномальной формы — по всей видимости, неисправные. Можно было бы подумать, будто испорченный хвост возникает вследствие какой-то диверсии, учиненной по отношению к «не SD»-xpoMOCOMe в получивших ее спермиях. Но Кроу обращает наше внимание, что наверняка это еще не вся правда, поскольку было показано, что сперматозоиды способны отращивать нормальные хвосты, не имея вообще никаких хромосом. В самом деле, ведь, казалось бы, обычно фенотип сперматозоида не зависит от его собственного гаплоидного генотипа, а всецело находится под контролем диплоидного генотипа отца (Beatty &: Gluecksohn-Waelsch, 1972; см. ниже). «Следовательно, влияние SD-хромосомы на свой гомолог не может сводиться к простому выключению некой функции, так как никакой функции и не требуется. SD каким-то образом подталкивает партнершу к активному вредительству».

Факторы, нарушающие сегрегацию, благоденствуют, когда они редки, так как в этом случае высока вероятность того, что их жертвами будут их аллели, а не копии. Распространяясь, такой нарушитель все чаще будет оказываться в гомозиготе, нанося вред собственным копиям и делая организм практически стерильным. На самом деле все несколько сложнее, однако описываемые Кроу компьютерные модели заставляют думать, что стабильная частота нарушающих сегрегацию генов будет поддерживаться на уровне, незначительно превышающем тот, который держался бы только лишь за счет повторных мутаций. Это подтверждают и кое-какие фактические данные.

Для того чтобы называться отщепенцами, нарушающие сегрегацию факторы должны причинять вред большей части остального генома, а не только конкурирующим аллелям. Возможно, они делают это, уменьшая общее число производимых особью гамет. Но даже если они не обладают таким эффектом, существует причина более общего характера, по которой отбор в других локусах должен благоприятствовать подавлению нарушителей (Crow, 1979). Эта аргументация требует постепенного изложения. Начну с того, что различия между действием соперничающих друг с другом аллелей во многих случаях плейотропны. Лeвонтин доходит до того, что говорит о «…бесспорной истине, что каждый ген влияет на каждый признак» (Lewontin, 1974). Возможно, насчет «бесспорной истины», это, мягко выражаясь, восторженное преувеличение, но мне для моих целей достаточно будет допустить, что большинство новых мутаций имеют несколько различных эффектов.

Резонно ожидать, что эти различные эффекты окажутся по большей части вредными — мутации, как правило, вредны. Если отбор благоприятствует какому-то гену в связи с его полезным эффектом, то это означает, что преимущества, сообщаемые этим полезным эффектом, количественно превосходят урон, наносимый остальными эффектами гена. Обычно под «полезным» и «вредным» мы подразумеваем полезное и вредное для всего организма. Однако в случае с фактором, нарушающим сегрегацию, полезный эффект, о котором мы говорим, полезен только лишь для самого этого гена. При этом для выживания и размножения особи все остальные его воздействия очень даже могут быть вредны. Следовательно, говоря в целом, нарушающий сегрегацию фактор вероятнее всего окажется отщепенцем: можно предполагать, что в других локусах отбор станет благоприятствовать генам, действие которых будет выравнивать производимый нарушителем дисбаланс. Это приводит нас к разговору о модификаторах.

Модификаторы

Теория о генах-модификаторах была «обкатана» еще Р. А. Фишером в его рассуждениях об эволюции доминантности. Фишер высказал предположение, что за счет отбора модификаторов благотворные эффекты любого гена стремятся стать доминантными, а вредные — рецессивными (Fisher, 1930а; см., однако, Charlesworth, 1979). Он отметил, что доминантность и рецессивность — это свойства не самих генов, а их фенотипических проявлений. Действительно, при плейотропном эффекте некоторых генов одни обусловливаемые ими признаки могут быть доминантными, а другие рецессивными. Фенотипическое проявление гена формируется совместно: как самим этим геном, так и его окружением, к которому относятся и все остальные гены данного генома. В 1930 г. Фишер был вынужден подкреплять свои представления о взаимозависимом действии генов обстоятельными аргументами, однако к 1958 г. эта точка зрения стала настолько общепринятой, что во втором издании своей великой книги он счел возможным подать ее как непреложный факт. Из факта этого следует, что доминантность и рецессивность гена, как и любой другой фенотипический эффект, сами по себе могут эволюционировать в результате действия отбора на какие-либо другие гены того же генома, что и легло в основу теории доминантности Фишера. И хотя мы называем эти другие гены модификаторами, теперь нам ясно, что не существует какой-то особой категории генов-модификаторов, отличной от «основных генов». Любой ген может оказаться модификатором фенотипических проявлений любого другого гена. Ведь действительно, если взять любой конкретный ген, то его фенотипические эффекты будут видоизменяться под действием множества других содержащихся в геноме генов, которые при этом могут иметь и свои собственные разнообразные проявления, как мощные, так и незначительные (Mayr, 1963). Гены-модификаторы неоднократно использовались при построении самых разных моделей — например, в последовательном ряду теорий старения Медоуэра/Уильямса/Гамильтона (Kirkwood & Holliday, 1979).

О том, что модификаторы имеют непосредственное отношение к теме генов-отщепенцев, мы уже говорили. Поскольку фенотипические эффекты любого гена могут модифицироваться генами из других локусов, а отщепенцы, согласно своему определению, наносят ущерб всему остальному геному, то можно ожидать, что отбор будет благоприятствовать тем генам, действие которых окажется устраняющим вред, причиняемый отщепенцем организму в целом. Такие модификаторы получат преимущество перед аллелями, не влияющими на деятельность отщепенца. Хики и Крейг (Hickey & Craig, 1966), изучая ген, сдвигающий соотношение полов у желтолихорадочного комара Aedes aegypti (см. ниже), обнаружили, что вызываемый этим геном перекос эволюционирует в сторону уменьшения. Их данные вполне можно объяснить отбором, идущим среди генов-модификаторов (хотя объяснение самих авторов несколько иное). Если отщепенцы в принципе способны стимулировать отбор подавляющих их генов, то это значит, что между каждым отщепенцем и направленными против него модификаторами должна завязываться гонка вооружений.