Жизнь – без начала и конца

[egovoru]

Дарвин предложил механизм приспособительной эволюции, но генетики быстро обнаружили, что не всякая эволюция непременно повышает приспособленность: генофонд популяции может изменяться и ненаправленно. Одна из причин такого «дрейфа генов» – случайные колебания численности организмов, «волны жизни». До разгрома генетики в Советском Союзе их изучал Сергей Четвериков. Современный генетик Майкл Линч полагает, что «дрейф генов» может объяснить постепенное усложнение живых организмов в ходе эволюции.

Строго говоря, он имеет в виду не сложность организмов, универсальной количественной оценки которой еще никто не придумал, а сложность генома и даже просто его размер. В самом деле, размеры геномов прокариот – примерно 1-10 млн пар нуклеотидов, а геномов многоклеточных эукариот вроде нас с вами – порядка 3000 млн. Линч объясняет это тем, что где-то на пути от бактерий к человеку жизнь прошла через «бутылочное горлышко» малочисленных популяций.

Скорость утраты случайной мутации (например, дупликации какого-то гена) в череде поколений пропорциональна размеру популяции. То есть, в больших популяциях дупликации будут исчезать, а в малых – сохраняться и накапливаться. Каждый ген из пары будет мутировать независимо, а один из них может даже рекрутироваться для новой функции. В конце концов из одного гена получатся два разных, увеличив тем самым сложность генома.

Для проверки своей гипотезы Линч попробовал оценить «эффективный размер популяции» организмов с геномами разной величины по уровню «бесшумных» полиморфизмов (нуклеотидных замен, не влияющих на последовательность кодируемого белка из-за вырожденности генетического кода и потому не подверженных отбору). У него действительно получилась обратная зависимость от размера генома (график внизу справа). Правда, ему тут же указали, что распространенность полиморфизмов определяется не только величиной полуляции, но и вероятностью мутагенеза, а она может быть разной у разных видов. Критики высказали и другие сомнения, но мне кажется, рациональное зерно в гипотезе Линча все же может быть.

Диаграмма из упомянутой в тексте статьи Линча, показывающая его оценки произведения эффективного размера популяции и скорости мутагенеза (N_eu) для разных видов, и график зависимости
этого параметра и числа генов от размера генома

Comments

[egovoru.livejournal.com]

"Так они НЕ СЛУЧАЙНО изменяются, а по правилам, строго описанным в других алгоритмах более высокого уровня иерархии"

Мне кажется, тут мы опять, как уже когда-то раньше, упираемся в наше разное понимание термина "случайность". Ведь мутации тоже далеко не случайны - в том смысле, что и ошибки репликации подчинены закономерностям самого этого процесса, и повреждения ДНК под действием внешних факторов определяются физическими законами и конкретной химией этой молекулы. Все эти изначально заданные условия - эквивалент тех метаалгоритмов, которые определяют эволюцию компьютерных программ. Может быть, тут следовало бы говорить не о случайности, а о "ландшафте возможностей", во избежание недоразумений.

"Все известные мне сложные формы жизни более прихотливы, чем одноклеточные. В каких условиях это не так?"

А почему именно неприхотливость кажется Вам самым важным свойством? Как я уже упоминала, одно из ценных приобретений некоторых эукариот была способность поедать другие организмы, и она оказалась весьма полезной в условиях, когда таких съедобных оганизмов стало вокруг достаточно много.

Действительно, говоря о выживании и размножении, мы вроде бы измеряем эволюционный успех вида только его численностью. С этой точки зрения больше всех преуспел Prochlorococcus, венчающий диаграмму Линча - это такая очень маленькая цианобактерия, которую считают самым многочисленным организмом на Земле. Но даже его уникальные способности имеют свои пределы: во-первых, он зависит от света, а во-вторых, океан может вместить все же только конечное число прохлорококков. То же можно сказать и о других бактериях. Появление же эукариотичности позволило организмам освоить такие образы жизни, которые прокариотам были недоступны, а это очень важно в условиях конкуренции. То же можно сказать и о появлении многоклеточности. Усложнение открывает новые возможности, компенсирующие его побочные эффекты.

[yoginka.livejournal.com]

//Ведь мутации тоже далеко не случайны //
- Да, помню Вы упоминали о некоторых закономерностях. Инересно бы увидеть вместе все известные и прикинуть хотя бы интуитивно, как они смещают вероятности.
//Все эти изначально заданные условия - эквивалент тех метаалгоритмов, которые определяют эволюцию компьютерных программ. //
- С готовностью соглашусь с тем, что хорошо бы найти такой эквивалент, знать, где и как он закодирован.
Но тогда возникает законный вопрос: откуда он взялся? Метаалгоримы, о которых я упомянула, долго и тщательно разрабатываются программистами очень высокого уровня, отлаживаются на специально подобранных многочисленных тестах. Когда алгоритм готов, его пробуют на какой-то реальной задаче. Обычно при этом бывают всякие сюрпризы, выявляются и исправляются ошибки, не обнаруженные специальными тестами.
Тут еще нужно отметить, что именно означает научить алгоритм "решать реальную задачу" в случае обучающегося алгоритма. А означает это долгое "обучение" на СПЕЦИАЛЬНО и ТЩАТЕЛЬНО подобранных входных данных, помеченных вручную программистами. И только после этого он сможет выполнять ту задачу, которой его научили. Например, чтобы научить его отличать по фотографиям мужчин и женщин, нужно сначала предоставить ему многие тысячи или даже миллионы фотографий, уже помеченных заранее как м. или ж. И только после этого он будет сам правильно классифицировать фотографии по этому признаку.
//А почему именно неприхотливость кажется Вам самым важным свойством? //
- Она имеет преимущества, если отбор идет на выживание. И зачем учиться "поедать другие организмы" если и так можно прожить?
//во-первых, он зависит от света, а во-вторых, океан может вместить все же только конечное число прохлорококков. //
- Для того, чтобы выйти за пределы океана, не нужно становиться львом. Есть микроорганизмы и на суше, и в темноте.
//Появление же эукариотичности позволило организмам освоить такие образы жизни, которые прокариотам были недоступны//
- Можно пример таких условий, где прокариоты не могут выжить?

[egovoru.livejournal.com]

"Инересно бы увидеть вместе все известные и прикинуть хотя бы интуитивно, как они смещают вероятности"

Почему "интуитивно"? Эти вероятности можно реально подсчитать. К закономерностям относится, например, то, что сбои в работе полимеразы гораздо чаще меняют пуриновое основание на пуриновое же (т.е. Г на А или наоборот), а пиримидиновое - на пиримидиновое (т.е. Т на Ц или наоборот), и это понятно: первые содержат два кольца в своей структуре, а вторые - одно, и спаривание Г с А или Т с Ц энергетически невыгодно (на каждую пару оснований всегда приходится 3 кольца, а не 2 или 4, что и обеспечивает правильную, стабильную форму спирали).

Относительно влияния упаковки хроматина на характер мутаций авторы вот этой статьи (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4500049/#:~:text=Recent%20studies%20have%20shown%20that%20the%20chromatin%20organization%20is%20also,in%20open%2C%20transcriptionally%20active%20chromatin.) пишут так: "In both germ-line mutations and somatic mutations, base substitutions are more abundant in regions of closed chromatin, perhaps reflecting error accumulation late in replication. In contrast, a distinctive mutational state with very high levels of indels and substitutions is enriched in regions of open chromatin." То есть, характер упаковки хроматина определяет не только частоту, но и сам тип мутаций. Другой подобный механизм - метилирование Ц (то самое, которое определяет эпигенетические эффекты), которое увеличивает вероятность мутации Ц на Т. Есть еще и другие механизмы - это обширная область исследований.

"хорошо бы найти такой эквивалент, знать, где и как он закодирован"

Боюсь, моя метафора оказалась не слишком удачной. Я не имела в виду, что существует некий закодированный алгоритм, определяющий характер мутаций. Неслучайность их определяется самой химической структурой ДНК и природой процессов ее репликации и репарации. В дополнение к перечисленным выше закономерностям можно еще назвать, например, такую: наиболее вероятное повреждение ДНК под действием УФ излучения - это образование тиминовых димеров, которые уже не распознаются полимеразами как два тимина. Соответственно, вероятность таких мутаций зависит от того, как часто комбинации ТТ встречаются в данной последовательности ДНК.

"зачем учиться "поедать другие организмы" если и так можно прожить?"

Затем, что ресурсы органичены даже для бактерий! Рано или поздно наступает момент, когда оказывается, что "так прожить" уже нельзя.

"Можно пример таких условий, где прокариоты не могут выжить?"

Я специально написала не "условия", а "образ жизни". Фагоцитоз позволяет утилизировать ресурсы неким новым способом, недоступным прокариотам, и это обеспечило эволюционное преимущество тем, кто его приобрел. (Фагоцитоз - конечно, далеко не единственное преимущество эукариотичности, к тому же не всем эукариотам свойственное. Гораздо важнее тут масштабные преобразования структуры клетки, которые, в частности, позволили увеличить ее размеры на два порядка, а значит, опять же, открыли возможность совершенно новых способов существования).

Как я уже упоминала в нашем предыдущем разговоре, рассуждая об эволюционных приобретениях, нужно сравнивать не льва с бактерией, а организмы из одной и той же популяции. Эволюция - это, можно сказать, локальный процесс: если какая-то особенность позволяет мне обойти соседа (а точнее, брата), этого уже достаточно.

[yoginka.livejournal.com]

//Почему "интуитивно"? Эти вероятности можно реально подсчитать.//
- У меня для этого недостаточно энтузиазма и знаний :)
Кстати, я вчера посмотрела, что мы там писали в нашей дискуссии 28-29 марта. Мне тогда показалось, что упомянутые Вами белки шапероны тоже в эту же копилку идут. А еще тогда мы полностью прояснили вопрос нашего понимания случайностей и неслучайностей и договорились об этом. Ваша неслучайность была синонимом ламаркизма, а моя - примерно то, что Вы здесь написали о неравноправности разных мутаций, плюс симбиоз, горизонтальный перенос и все остальное в этом роде.
//Затем, что ресурсы органичены даже для бактерий! Рано или поздно наступает момент, когда оказывается, что "так прожить" уже нельзя.//
- С этим не спорю. Обычно в таких случаях немедленно сокращается популяция. Откуда взять время для появления новых способов питания методом проб и ошибок?
//Фагоцитоз позволяет утилизировать ресурсы неким новым способом, недоступным прокариотам,//
- На это возражение то же, что и выше.
//нужно сравнивать не льва с бактерией//
- Тогда останется за бортом мой главный вопрос об увеличении сложности. Мелкие вариации не вызывают удивления.

[egovoru.livejournal.com]

"Откуда взять время для появления новых способов питания методом проб и ошибок?"

Но тут ведь и не требуется решить задачу за определенное время?

"Мелкие вариации не вызывают удивления"

Единичные мутации могут вызывать и очень крупные изменения - я уже приготовила отдельный пост с показательным примером этого, поскольку эта тема вызвала интерес сразу у нескольких читателей, но размещу его после некоторого перерыва.

[yoginka.livejournal.com]

//Но тут ведь и не требуется решить задачу за определенное время? //
- Требуется делать это почти мгновенно. Ведь лишние вымирают быстро от голода и перестают есть, да в добавок и сами становятся едой. Абсолютно не вижу повода учиться заглатывать живых.
//Единичные мутации могут вызывать и очень крупные изменения //
- Нужно не просто крупные, но усложняющие. И устойчивые, со всей неоходимой поддержкой со стороны других систем жизнеобеспечения и "ремонта".

[egovoru.livejournal.com]

"сами становятся едой"

Они не могут стать едой, пока кто-то не научится их есть - то есть, не приобретет способность к фагоцитозу :) Вот тут предлагают (https://biologydirect.biomedcentral.com/articles/10.1186/1745-6150-4-9) эволюционный сценарий появления эукариогенеза и фагоцитоза, а во введении дают неплохой обзор этой проблемы. Помимо необходимости специфических липидов, для фагоцитоза нужны актиновые филаменты, которые уже есть у некоторых архей (хотя они и не способны к настоящему фагоцитозу). Эти филаменты позволили захватить бактерий, у которых были некие (полифункциональные) белки, которые теперь используются в механизме эукариотического фагоцитоза.

Остается выяснить, зачем археям потребовался актин, но эти авторы вроде этот вопрос не обсуждают. Обычный же механизм - какая-то структура формируется под действием одного направления отбора, а потом приспосабливается для другой функции, когда направление отбора меняется. Что-то типа того, что сначала вокруг было мало съедобных бактерий, а филаменты появились для чего-то другого, а потом бактерий стало много, и филаменты пригодились для их захвата.

В любом случае обсуждать эволюционные преобразования имеет смысл только тогда, когда мы хорошо представляем себе, о чем идет речь - то есть, детально знаем молекулярно-биологическую природу той структуры, эволюцию которой мы пытаемся проследить. Общие рассуждения "на пальцах" тут вряд ли помогут.

[yoginka.livejournal.com]

//Они не могут стать едой, пока кто-то не научится их есть//
- В любом случае мертвые бактерии перестанут есть, вся еда останется живым :) И рано или поздно мертвые чисто химически будут разлагаться, разве не так? А чем питаются живые бактерии?

[egovoru.livejournal.com]

"А чем питаются живые бактерии?

О, бактерии чем только не питаются! Среди них есть фототрофы (в том числе бесхлорофилльные!), хемолитотрофы и огромное разнообразие гетеротрофов. Думаю, не будет ошибкой утверждать, что на любое природное органическое соединение найдется бактерия, способная его есть :)

[yoginka.livejournal.com]

Значит, мертвые бактерии могут быть пищей для живых без всякого фагоцитоза? Именно это я и предполагала выше, когда написала "сами становятся едой".

[egovoru.livejournal.com]

Конечно, любой труп со временем распадается на молекулы просто под действием второго закона термодинамики, но в случае бактерий для этого надо ждать довольно долго - они ведь покрыты исключительно прочной клеточной стенкой! Интересно, что, насколько знаю, среди бактерий довольно мало способных к выделению протеолитических ферментов - хотя такие феременты есть, например, у нас с Вами и, конечно, у бактериофагов. (Вообще говоря, во всех этих эволюционных рассуждениях мы должны заменить слово "бактерия" словом "архея", потому что именно они считаются предками основной части эукариотической клетки - от бактерий произошли только митохондрии).

Как бы то ни было, за 70 лет, прошедших с тех пор, как мы выяснили механизм наследственности, никаких других механизмов эволюции, кроме отбора случайных мутаций и случайного же дрейфа генов, мы не обнаружили. На сегодня эти механизмы - не гипотетические предположения, а экспериментально подтвержденные явления. Невозможно логически доказать, что этих механизмов недостаточно для объяснения любого наблюдаемого результата эволюции. Вам, как я понимаю, хочется надеяться, что, возможно, существуют и еще какие-то механизмы, нам пока не известные. Исключить этого, конечно, нельзя - но и обсуждать тут нечего: вот если их откроют, тогда и будем обсуждать :)

[yoginka.livejournal.com]

//Как бы то ни было, за 70 лет, прошедших с тех пор, как мы выяснили механизм наследственности, никаких других механизмов эволюции, кроме отбора случайных мутаций и случайного же дрейфа генов, мы не обнаружили. //
- "мы не обнаружили" - как же не обнаружили, Вы же мне несколько перечислили выше, и в мартовской дискуссии тоже (напомню, что мы тогде же договорились, что неслучайнось не обязательно ламаркизм). И разные гены мутируют с разной вероятностью, и белки шапероны влияют. И механизм починки ДНК, про который Вы написали, что разные поломки могут иметь разный приоритет в "очереди" на починку. Где же тут случайность? Поэтому Ваши слова "кроме отбора случайных мутаций" некорректны, безусловно речь не может идти о чистой случайности, так как уже есть отбор мутаций на уровне одного организма до того, как он оставит потомство, да и сами мутации не вполне случайны, так как разные гены мутируют с разной вероятностью.

[egovoru.livejournal.com]

"Где же тут случайность?"

Похоже, круг замкнулся :) Разумеется, любые изменения генома подчиняются всем известным нам физико-химическим закономерностям, и в этом смысле они отнюдь не случайны. Если бы это было не так, то у нас были бы все основания говорить об élan vital и т.д. :) "Случайность" при обсуждении эволюции означает, что изменения генома не несут приспособительный характер - за исключением единственного, очень специального случая бактериального иммунитета с ипользованием CRISPR механизма.

"уже есть отбор мутаций на уровне одного организма до того, как он оставит потомство"

Не поняла, что Вы имеете в виду? Отбором называют тот факт, что организмы с одним набором мутацией оставляют больше потомства, чем с другим. Отбор внутри организма может, конечно, идти и среди отдельных клеток, в том числе половых: если какой-то сперматозоид, например, медленнее плавает, то у него меньше шансов добраться до яйцеклетки и передать свои гены следующему поколению (а сперматозоиды одного человека различаются своими генами из-за рекомбинации при мейозе и из-за своей гаплоидности). Среди соматических клеток отбор тоже, конечно, идет (в том числе и отбор соматических мутаций), но на потомстве он не сказывается.

[yoginka.livejournal.com]

//Не поняла, что Вы имеете в виду? Отбором называют тот факт, что организмы с одним набором мутацией оставляют больше потомства, чем с другим. //
- Я написала специально просто "отбор", а не "дарвоновский отбор". И там же сразу перечислила то, что имела в виду после слов "не обязательно ламаркизм)". Это не отбор организмов или даже клеток, а еще ниже уровень - отбор самих мутаций. В этом вполне может быть "собака зарыта". По крайней мере часть ее там уже найдена, и Вы же сами мне обо всем этом и рассказали :)

[egovoru.livejournal.com]

"Это не отбор организмов или даже клеток, а еще ниже уровень - отбор самих мутаций"

В биологии говорить об отборе можно только в контексте поколений - организмов или хотя бы клеток внутри многоклеточного организма. Что такое "отбор самих мутаций", совершенно непонятно.

Жизнь любого организма, как Вы знаете, начинается с оплодотворенной яйцеклетки, которая (если речь идет о многоклеточном организме) потом начинает делиться. Если это деление - митоз, то ему предшествует удвоение ДНК, в ходе которого и возникают ошибки репликации. Если же мутация произошла за счет химического повреждения еще до удвоения ДНК, то это означает, что при удвоении на место поврежденного нуклеотида встанет не комплементарный неповрежденному, как должно быть в норме, а какой-то другой (то есть, фактически тоже все сводится к ошибке репликации).

Теперь, как я уже упоминала выше, мутации в соматических клетках не имеют никакого значения для эволюции, а вот мутации в клетках зародышевой линии (из которых в конце концов образуются половые клетки) - таки да. Соответственно, можно говорить либо об отборе мутаций в поколениях клеток зародышевой линии (они претерпевают несколько последовательных делений), либо об отборе мутаций в поколениях самих огранизмов. А какой еще "отбор мутаций" Вы имеете в виду?

[yoginka.livejournal.com]

//В биологии говорить об отборе можно только в контексте поколений//
- Назовите это как хотите :) Что-то Вы все не о том. Я - о том, что мутации в одной отдельно взятой клетке не полностью случайны, есть уже известные закономерности. И наверняка есть куча неизвестных пока. Здесь слово "неслучайная" не означает полностью детерминированная, а означает то, что есть некоторые закономерности, перечисленные мною выше и узнанные от Вас. Или Вы отказываетесь от своих слов?

[egovoru.livejournal.com]

"Здесь слово "неслучайная" не означает полностью детерминированная, а означает то, что есть некоторые закономерности"

Но о каком же "отборе" тут можно вести речь? Тот факт, что Г чаще меняется на А, а не на Ц или Т, не зависит ни от какого отбора, а определяется исключительно термодинамикой. Вы, вероятно, имеете в виду вот что: если в процессе дупликации на место, где должен стоять Г, попадает Ц или Т, то он не удерживается настолько долго, чтобы образовать связь с предшествующим нуклеотидом, а вот если А, то вероятность образования связи хотя и существенно ниже, чем для правильного Г, но все же достаточна, чтобы связь образовалась в малом числе случаев? В каком-то смысле, наверное, и можно назвать это "отбором" А по сравнению с Ц и Т, но лучше этого не делать, потому что "отбор" в эволюционной биологии - это именно и только то, что я описала выше :)

[yoginka.livejournal.com]

Да, это уже близко. Насчет слово "отбор" я уже предложила назвать это иначе, если хотите.
//он не удерживается настолько долго//
- По мне так это вполне "отбор" на прочность мутации.
А как насчет починки ДНК? Все ли чинятся с одинаковой вероятностью? В марте Вы готовы были считать, что не все. Тогда еще появляется "отбор" на "выживание" мутации во "враждебной" к ней среде клетки. Ну и, конечно, важно, чтобы клетка не была сразу убита внешними силами (например, иммунной системой) из-за "выжившей" в ней мутации и чтобы могла нормально функционировать с этой мутацией, а не умерла сама из-за нее.

[egovoru.livejournal.com]

"важно, чтобы клетка не была сразу убита внешними силами (например, иммунной системой) из-за "выжившей" в ней мутации и чтобы могла нормально функционировать с этой мутацией, а не умерла сама из-за нее"

А вот это уже отбор в обычном биологическом смысле!

[yoginka.livejournal.com]

Вот еще в копилку о "выживаемости" самих мутаций, почему они не фатальны гораздо чаще, чем можно было бы ожидать. Мы вроде этого аспекта не касались (https://evgeniirudnyi.livejournal.com/238800.html?thread=4628944#t4628944):
"Суть дела связана с вопросом о том, почему типичная мутация не летальна, и, возможно, даже перспективна. Почему неправда, что мутаций всегда лучше избегать.
Ответ состоит в том, что рассмотрение дифференциации тканей и морфогенеза в многоклеточных организмах показывает, что клетки должны быть адаптивны к широкому диапазону экспрессии протеинов, и, в том числе, к полному отключению синтеза многих групп протеинов. Из-за наличия совсем разных тканей, а так же морфогенеза в растущем организме, всё время есть сильное эволюционное давление в сторону такой адаптивности. "

[egovoru.livejournal.com]

Не знаю, кого цитирует уважаемый evgeniirudnyi, но человек, который пишет об "экспрессии протеинов", явно слабо знаком с предметом: экспрессия бывает только генов, поскольку означает не что иное, как транскрипцию ДНК (синтез РНК). Кроме того, слово "протеины" по-русски звучит или очень архаично, или, наоборот, как неуклюжая калька с английского.

Миф о преимущественной вредности мутаций вытекает, как мне кажется, из непонимания того, что не бывает универсальной приспособленности: приспособленность всегда относительна, поскольку то, что способствует выживанию в одних условиях, может не способствовать этому в других.

[yoginka.livejournal.com]

Это не Евгений цитирует, а один из комментаторов.
Я же в основном имела цель сохранить в подходящем месте ссылку, а не принимать сейчас ту или иную сторону.

[egovoru.livejournal.com]

Ну, этому комментатору простительно не знать терминологии - он же не биолог, а математик :) То, о чем он пишет, по существу, конечно, верно: в любой клетке многоклеточного организма задействована только часть ее генома, и именно это и обеспечивает специализацию тканей - в эпителии работает одна часть генов, в нейронах - другая и т.д. Но я не поняла, какое отношение это имеет к полезности или вредности мутаций?

Я видела этот пост Евгения, но не стала его читать: вести разговоры об эволюции бессмысленно, если собеседники слабо представляют себе молекулярно-генетические основы наследственности. К тому же я уже давно пришла к выводу, что иррациональная враждебность к дарвинизму у многих, обучавшихся в советских вузах, вызвана просто тем, что в их программах он шел в одной связке с научным коммунизмом. В чем есть горькая ирония истории: государство, начавшее с преследования генетики, закончило насаждением дарвинизма как партийной идеологии :(

[yoginka.livejournal.com]

//Но я не поняла, какое отношение это имеет к полезности или вредности мутаций? //
- А об этом и нет речи, речь лишь о нелетальности. Я с этого начала и свой первый комментарий, и саму цитату:
https://egovoru.livejournal.com/157127.html?thread=12380871#t12380871
(У него речь не о полезности или вредности для функционирования организма.)

[egovoru.livejournal.com]

Летальной может быть только мутация, серьезно нарушающая функцию какого-то жизненно-важного белка. Но, как правило, такие белки в клетке не единственные - действительно важные функции дублируются несколькими белками, кодируемыми разными генами.