Илья Колотыгин

Говоря о разнообразии организмов в природе, Чарльз Дарвин обратил внимание на некоторые трудности, связанные с определением понятия вида и разновидности. Вид считался элементом творческого акта и мог включать в себя множество разновидностей, подразумевающих общность происхождения. Не сомневаясь в способности видов меняться, Дарвин подчёркивает важность индивидуальных различий и того, чтобы они могли передаваться по наследству, сохраняясь в ряду поколений. Убедительные примеры доместикации доказывают саму способность к этому со стороны домашних животных. А чем дикие хуже?

Не меньше Дарвина смущали проблемы, с которыми сталкивались натуралисты при описании новых групп животных и растений. Не зная заранее, вид перед натуралистом или разновидность, последний не мог сказать, куда эту группу относить, и это определялось лишь опытом и интуицией и никак не поддавалось рациональным рассуждениям. Наблюдаемый полиморфизм в мире насекомых и птиц вызывал не меньше вопросов и заставлял менять прежние представления о виде. А главное, убеждал Дарвина в возможности происхождения одних видов от других путём процесса, подобного человеческому отбору при доместикации.

Прежде всего, следует отметить, что до сих пор проблема вида так и не решена окончательно, но достигнуты некоторые успехи в этом направлении. Взять хотя бы появление тех же критериев вида. Морфологический критерий объединяет в один вид организмы с одинаковым в известных пределах внешним и внутренним строением. Действие физиологического критерия распространяется на сходство функционирования организмов и связано с понятиями свободного скрещивания и репродуктивной изоляции. Географический критерий предполагает расположение особей на одной территории, из чего вытекает экологический критерий, основанный на обитании в сходных условиях среды. При использовании биохимического критерия принимается во внимание сходство биохимических реакций в клетках организмов. Совместное использование критериев придаёт классификации более строгое значение и уменьшает неопределённость и интуитивность понятия «вид».

Однако не всё так просто. Во-первых, эти критерии имеют далеко не одинаковый вес. Биохимический и физиологический критерий считаются одними из самых надёжных, а экологический и географический слабоваты. Во-вторых, все они имеют некоторые недостатки. Морфологический критерий не может учесть виды-двойники, которые представлены среди крыс, например, кариотипические формы чёрной крысы с 38, 40 и 42 хромосомами; насекомых: симпатрические виды бабочек (Lepidoptera), виды-двойники малярийного комара (Anopheles gambiae). Строгость физиологического критерия подвергается сомнению, если вспомнить пример успешного скрещивания тигра со львицей и получения плодовитых «лигрят». Широкие ареал распространения и зона оптимума не вписываются в пределы применимости географического и экологического критериев. Консервативность многих биохимических превращений и, на первый взгляд, неожиданное сходство структуры органических веществ среди совершенно непохожих друг на друга животных или растений лишает твёрдой основы и биохимический критерий.

Теперь, когда общность происхождения не только видов, но и таксонов побольше не подвергается сомнению, вид служит такой же мерой родства, как и разновидность, отражая непосредственную близость родственных связей между его представителями. На стыке этих двух понятий (вид и разновидность) рождается эволюционный процесс. Именно здесь раскрывается вся его суть.

Все сложности в различении видов и разновидностей вызваны способностью особей меняться и передавать по наследству эти изменения. В свете современных представлений можно поправить это утверждение, сказав о наследовании генетических предрасположенностей к реализации изменений. Ведь признаки сами по себе не наследуются. Наследуется информация об их развитии, закодированная в генах и регулируемая РНК-переключателями, другими, порой столь отдалёнными участками ДНК (энхансеры и сайленсеры) через регуляторные белки.

После открытия ДНК стало понятно, что в формировании признаков главную роль играют белки и нуклеиновые кислоты. Изучение их строения и функционирования выходит на передний план, потому что практически за все изменения на макроуровне ответственны эти молекулы. Таким образом, от вариаций современная биология переходит к изучению мутаций.

Мутациями называют тоже изменения, только они фиксируются на микроуровне, в пределах одной клетки или молекулы. Как выяснилось в последующем, мутации являются неотъемлемой частью жизни. Они принимают вид ошибки, которые неизбежно возникают ввиду несовершенства процессов транскрипции, трансляции, различных промежуточных модификаций, в общем, функционирования органических структур. Достаточно подробная классификация мутаций отражает их многообразие и степень влияния на организм.

Существует неограниченное количество примеров того, как мутации на клеточном уровне могут влиять на организм в целом. От фенилкетонурии и до синдрома Дауна. Все наследственные заболевания, так или иначе, связаны с мутациями. Фенилкетонурия провляется при замене аргинина на триптофан в ферменте фенилаланингидроксилазе, приводящая к неспособности человека усваивать фенилаланин, который, накапливаясь, токсично влияет на организм. Синдром Дауна вызван удвоением 23 хромосомы. Множественные взаимодействия мутировавших генов и их комбинации определяют течение эпилепсии, аутизма и других нарушений развития и функционирования мозга.

Однако далеко не всегда мутации так вредны, хотя и бытует обратное мнение. Множество исследований проводится для количественного анализа эволюционного процесса. На примере одноклеточных бесполых организмов можно моделировать различные ситуации и как бы наблюдать эволюцию в ускоренном темпе. При помощи особого способа индивидуального штрих-кодирования удалось наблюдать непосредственно появление и закрепление полезных мутаций, которые обеспечивали более быстрое размножение потомков отдельных клонов, обретающих удачные перестройки в геноме.

Синим цветом отмечены потомки клонов, не получившие ни одной мутации. Как видно, мутации обеспечивают субстрат для повышения приспособленности популяции и стабилизации развития. Однако не всегда и не все мутации успевают закрепляться из-за дрейфа, когда потомки клона с удачной мутацией не успевают достаточно размножиться, чтобы выйти в фазу экспоненциального роста и начать дальше накапливать мутации.

Однако в дальнейшем при экспоненциальном росте среди многочисленных потомков одного самого удачного клона его мутация теряет значимость. Тогда любое малейшее изменение, повышающее приспособленность, в виде пусть и менее полезной мутации будет поддерживать популяцию, тогда как остальные не получат превосходства и в конечном итоге повторят судьбу тех, кто не мутировал вообще. Поэтому многие поколения, отмеченные красными линиями, в конце концов, повторяют судьбу менее приспособленных собратьев (синие линии).

Пользу мутаций подчёркивают вирусы, если вспомнить, что единственный способ спастись от иммунной системы это мутировать раньше и лучше, чем это делают, например, лимфоциты в ходе реаранжировки. То есть присутствуют специальные механизмы для повышения ошибочности, неточности копирования генетической информации и её интерпретации. Это и изменения в работе РНК- и ДНК-полимераз, соматические мутации лимфоцитов.

На примере полиовируса (возбудителя полиомиелита) было показано не только очевидное преимущество мутантов, но и возможность разделения обязанностей в полиморфной популяции с т. н. квазивидами. Когда одни специализируются на повышении скорости репликации, а другие – на скорости сборки капсида. Так мутационный процесс приобретает ещё большую направленность и имеет строго закономерный успех, выражаемый в том, что, находясь в одной клетке, разные квазивиды помогают друг другу в сборке вирионов.

В итоге, изменчивость – важное свойство живого, обеспечивающее выживание в меняющихся условиях среды, само по себе не несущее никакой смысловой нагрузки и реализуемое через мутации, польза которых определяется контекстом.