Молекулярний відбір та вік тарганів

Взимку 1898 року американський біолог Бампус підібрав на вулиці після сильної бурі з дощем і снігом 136 напівживих горобців і приніс їх у лабораторію. Хороший догляд не міг врятувати всіх: вижили тільки 72, 64 загинули. На цьому можна б і закінчити сумну історію, але Бампус зацікавився, чи не відрізняються чим-небудь загиблі від живих? Озброївшись циркулем і лінійкою, він ретельно виміряв у тих і інших довжину тіла, крил, дзьоба, голови та інші показники. Результат вийшов досить чіткий. Загинули ті горобці, у яких ознаки більше відхилялися від середніх, характерних для горобця, величин. Сліпа стихія виявилася не така вже сліпа: вона знищила всі відхилення від видового стандарту. Природний відбір зберігав ознаки виду!

Але ось інший випадок. На початку 19-го століття витончений метелик березовий п’ядун, мешкав в південно-східній Англії, легко відрізнявся від інших видів по світлих з темними цятками і смужками крилам, дивно нагадував кору берези, покриту лишайниками. Правда, вкрай рідко колекціонерам траплялися темні, майже чорні п’ядуни. Але їх було мало: вони були занадто добре помітні птахам. Минуло 50 років. У південно-східній Англії виросли заводи. Тисячі фабричних труб прокоптили навколишні ліси, стовбури дерев вкрилися шаром кіптяви, а лишайники загинули. І забарвлення п’ядунів чудодійно змінювалось: чорні метелики складають вже 99 відсотків, тому що світлих п’ядунів, що сидять на закопчених деревах, скльовували дрозди, вівсянки і мухоловки. Світла форма збереглась тільки в сільських місцевостях – і зараз, дивлячись на карту поширення цих двох форм, ми можемо судити про розміщення об’єктів важкої промисловості на Британських островах.

Отже, у випадку з горобцями природний відбір зберіг ознаки виду. А у випадку з п’ядунами – змінив їх, та ще й як: переробивши біле в чорне. Чи немає тут протиріччя? Ніякого.

Ще Дарвін, творець вчення про природний добір, розумів, що природний відбір не тільки змінює види. В інших випадках, навпаки, він може їх зберігати, знищуючи всі виникаючі відхилення. Як тепер прийнято говорити, існує два види відбору: відбір творчий і відбір стабілізуючий. Творчий відбір (його називають ще спрямованим) відбувається тоді, коли зовнішні умови сприятливі для виживання особин, що по якихось ознаках відхиляються від середньої норми. Такий відбір проводить, наприклад, селекціонер, залишаючи для відтворення найбільш скоростиглих свиней або, скажімо, саму холодостійку пшеницю. В історії з п’ядунами роль селекціонера грали птахи, що з’їдають найпомітніших метеликів.

Але можуть скластися умови, за яких саме середня норма – організми зі стандартними ознаками виду – виявиться найбільш пристосованою (як горобці Бампуса). Тоді вступить в дію відбір стабілізуючий: всі відхилення не залишать потомства. До речі, штучний відбір теж може бути стабілізуючим: на виставках собак медалі, як відомо, отримують експонати, у яких немає відхилень від породного стандарту.

Якщо умови середовища постійні, стабілізуючий відбір збереже до наших днів давні форми тварин і рослин – до тих пір, поки умови ці не зміняться.

Чи є відбір молекул

Що ж відбувається при дії цих двох форм відбору на молекулярному рівні? Насамперед: чи змінюється під впливом відбору будова нуклеїнових кислот і білків? Або еволюційні перебудови зачіпають тільки вищі рівні організації: будова клітин і тканин, форму і функцію органів тіла тварин?

Подивимося, як йде справа з нуклеїновими кислотами. Короткі словосполучення – ДНК і РНК ось вже багато років не сходять зі сторінок спеціальної та популярної літератури. Все частіше їх навіть не розшифровують (дезоксирибонуклеїнова і рибонуклеїнова кислоти): досить сказати: «деенка» і «еренка», і будь-яка людина, яка хоч трохи цікавиться проблемами біології, зрозуміє, про що йде мова. У лабораторіях ці скорочення примудряються схиляти і навіть виробляти від них прикметники та дієслова. Виходять фрази на кшталт: «У цій деенці багато еренкашної домішки».

Фахівці, що працюють над проблемами молекулярної еволюції, набагато частіше схиляють і відмінюють слово ДНК, ніж РНК. Це й зрозуміло: ДНК – хранитель генетичної інформації, матеріальне вираження тих гіпотетичних генів, існування яких більше ста років тому було передбачене безсмертними дослідами Менделя. Без змін ДНК немає еволюції. А ось РНК: яка її роль в еволюційному процесі?

До самого останнього часу це питання не досліджували, – тому, зокрема, що РНК представлялася вченим простим зліпком з ДНК, що в точності повторює її склад. Лише порівняно недавно було доведено: зліпком ДНК є лише одні з трьох видів клітинної РНК, а саме так звана інформаційна РНК, що переносить інформацію про склад білків з ДНК в плазму клітини; складу іншого виду РНК – транспортного – практично стабільний у різних видів. Зате складу третього виду РНК – а її в клітці 80% – значно змінюється від виду до виду. До речі, і функції цього виду РНК найбільш туманні.

Який же він, цей склад, і що в ньому може змінюватися? Всі РНК побудовані в загальному однаково. Це довгі ланцюги молекул цукрів-пентоз, зшиті між собою залишками фосфорної кислоти. До кожної пентозу підвішена азотна основа; їх чотири: аденін, гуанін, цитозин і урацил. Комбінація молекули пентози і підстави іменуються нуклеотидом.

Молекула РНК нестійка, вона закручується, як кажуть хіміки, сама на себе. Достатньо змінити температуру або іонну силу розчинника, як молекула РНК змінить свою форму. У деяких організмів число кожного з чотирьох підстав в РНК практично однаково, як число карт кожної масті в колоді. Однак у величезній більшості випадків відносини значно складніші. Але і вони підкоряються певним закономірностям.

Кількість пар «гуанін + цитозин» і «аденін + урацил» у різних організмів може змінюватись дуже сильно. Але мінливість цікава не сама по собі. Чим більше в РНК пар Г-Ц (так званий ГЦ-тип РНК), тим стійкіше її вторинна структура до температурних і інших впливів. Нагріємо розчин РНК до певної температури – і складна упаковка нуклеотидного ланцюжка зруйнується, молекула перетвориться на безладний клубок. РНК, багата гуаніном і цитозином, довше витримує хаотичні удари молекул, що знаходяться в стані теплового руху. Природно припустити, що і в живій клітині рибосоми з РНК ГЦ-типу виявляться більш стабільними, «тугоплавкими». Це і робить останній показник гуанін + цитозин, аденнн + урацнл (так званий фактор специфічності) дуже цікавим.

Тепер нам залишається тільки вибрати яку-небудь велику групу організмів, де є форми і молоді, створені творчим відбором, і стародавні, що дійшли до наших днів у результаті відбору стабілізуючого, та подивитися, який у тих і інших ФС – фактор специфічності.

Латимерія і тарган

Наш вибір припав на великий клас комах. Чому комах, а не риб, наприклад? Фактор специфічності РНК комах дуже мінливий. Тільки в типі найпростіших виявлена така ж мінливість РНК. Але найпростіші, за небагатьма винятками, не зберігаються в викопному вигляді, їх історія не записана в палеонтологічному літописі. Риби в цьому відношенні благодатний об’єкт, але найцікавіші форми важкодоступні. Як добути, наприклад, РНК єдиної кистеперої риби, що дожила до наших днів, – латимерії? Колесити по всьому світу, збираючи розкидані там і тут «живі копалини», – заняття не на місяці, а на роки.

Інша річ комахи. Це найбільший клас тварин (число їх видів наближається до мільйона), вельми різноманітний, широко поширений і доступний. Загони комах еволюційно різновікові. У кам’яновугільний період (325-240 мільйонів років тому) було вже багато крилатих комах, але багато загонів ще не з’явилися на світ. Ліси кам’яновугільного періоду населяли головним чином родичі нині існуючих метеликів і тарганів. Деякі стародавні метелики досягали гігантських розмірів – до 75 сантиметрів у розмаху крил.

Надокучливого супутника людини – таргана також всі добре знають. Було б помилкою вважати, що таргани живуть тільки в людських оселях. Поворушивши навесні яке-небудь у кримському лісі опале листя, і ви побачите, як будуть розбігатися від світла досить великі комахи – родичі наших чорних тарганів.

Найбільше їх у вологих тропічних лісах – там мешкають справжні гіганти. І всі таргани, які дожили до наших днів, використовують тактику премудрого пічкура: місця їх проживання – гниючі рослинні залишки, щілини в каменях і під корою дерев, звірині нори і … затишні куточки людських жител. Для того, щоб переселятися в останній біотоп (якщо висловлюватись науковою мовою), тарганам не треба було змінюватись. Умови життя тараканових з кам’яновугільних часів практично не змінились і стабілізуючий відбір як би законсервував цих противних комах на мільйони років. Так що, зустрівши де-небудь на кухні таргана, давіть його, але пам’ятайте, що він древніше динозаврів, древніше латимерії …

Інші загони комах виникли і набули широкого поширення в кінці кам’яновугільного періоду і в наступних – пермському, тріасовому і юрському (240-135 мільйонів років тому). Такі, наприклад, прямокрилі (цвіркуни, коники, саранча) і жуки. Тільки в меловому періоді (135-75 мільйонів років тому) в епоху розквіту і швидкого вимирання величезних ящерів – динозаврів виникли лускокрилі – метелики. Але не ця група наймолодша. Найбільш молодий і бурхливо еволюціонуючий загін комах – на жаль, самий неприємний з життєвої точки зору – двокрилі. До цього загону відносяться комарі, мухи, ґедзі, і безліч інших, не настільки широко відомих, але часом не менш шкідливих шестиногих. Хоча найдавніші двокрилі відомі ще з відкладень тріасового періоду, розквіт їх припадає на кайнозойську еру, що почалась приблизно 75 мільйонів років тому і триваючу до нашого часу.

Виявилося, не так легко зібрати по п’ять-десять грамів комах кожного виду, необхідних для аналізу РНК. Адже навіть така порівняно велика комаха, як бджола, важить не більше однієї десятої грама, з яких значна частина припадає на хітиновий скелет, що не йде в аналіз. На щастя, мені в той час доводилось вести літню практику студентів-біологів МГУ в підмосковній місцевості і в моєму розпорядженні було часом до сорока рук і двадцяти сачків. Крім того, багато даних можна було почерпнути з літератури: всього набралося 29 видів комах з 11 загонів. І відразу кинулася в очі чітка тенденція.

Стародавні комахи, які дійшли до наших днів завдяки зберігаючій дії стабілізуючого відбору, мали РНК з великим переважанням гуаніну і цитозину. Наприклад, у дослідженому нами метелику-коромислу, у чорного таргана фактор специфічності не менше як 1,3. У прямокрилих і твердокрилих (жуків) близько 1,2. РНК метеликів містить приблизно рівну кількість гуаніну – цитозину і аденіну – урацилу; фактор специфічності дорівнює одиниці. Сама легкоплавка, найбільш багата аденіном і урацилом РНК виявилася у двокрилих – у них фактор специфічності завжди менше одиниці: 0,7-0,9.

Склалося враження, що в еволюції комах боролися дві протилежні тенденції: стабілізуючий відбір волів РНК стабільну, спрямований, творчий – легкоплавку.

Ми можемо прийняти таку гіпотезу, в результаті стабілізуючого відбору фактор специфічності РНК підвищується; творчий відбір призводить до протилежного результату. Але, як буває в науці, ледь вирішується одне питання, відразу виникає інше: чому ж стабілізуючий відбір воліє, щоб в РНК переважали гуанін і цитозин. а творчий, навпаки, ці підстави відкидає? Яка тривалість життя комахи? У старих дитячих віршика йдеться від особи метелика: «Не довгий мій вік. Він не більше дня…»

Це, зрозуміло, не так. Адже до тривалості стадії дорослої комахи, як його називають ентомологи, – імаго, треба додати вік личинки. А зростання і перетворення (метаморфоз) личинки тривають місяці, а то й роки.

Мабуть, сама довговічна комаха – північноамериканська ясенова цикада. Ці комахи старше багатьох юних людей – 17 років риється личинка цикади в землі, перш ніж вибратися на поверхню і перетворитися в дорослу форму. Хрущ перетворюється на імаго на п’ятому році життя. Не менше двох років триває метаморфоз і у поденщин і великих метеликів. Чорний тарган, залежно від температури навколишнього середовища, стає дорослим у 2-4 роки. Коникам-стрибунцям і метеликам в наших широтах зазвичай потрібно рік на завершення метаморфоза (взимку, при низьких температурах, розвиток зупиняється), але багато метеликів, особливо якщо літо спекотне, встигають дати і друге покоління. Найшвидше розвиваються двокрилі – комарі і мухи. Шкідлива домашня муха за літо може дати більше десяти поколінь. І не випадково генетики зробили більшість відкриттів на дрозофілі – адже від схрещування виробників до появи потомства у неї проходять лише два тижні.

Ви вже помітили, до чого я хилю? Виявляється закономірність: комахи – представники еволюційно древніх загонів – мають РНК ГЦ-типу і розвиваються з набагато меншою швидкістю, ніж молоді види з меншим вмістом гуаніну і цитозину в РНК, – тобто з низьким фактором специфічності. Ми можемо виміряти цей зв’язок кількісно, якщо виведемо емпіричну формулу.

А маючи формулу, виробити і зворотний розрахунок: визначити ФС (тобто склад РНК) на підставі швидкості метаморфоза комах. Це припущення зручно було перевірити на комах з коротким циклом розвитку. Я зупинився на попелицях. За законом найбільшої шкідливості (такий закон існує і добре знайомий всім експериментаторам) ця ідея виникла взимку, коли попелиць в природі дістати було неможливо. На щастя, співробітники Ботанічного саду з радістю запропонували попелиць, що мешкають на оранжерейних рослинах, з побажанням обібрати всіх до одної. Три дні поспіль я сидів в оранжереї і змітав пензликом в спирт кротних попелиць з листя розмарину. Це була настільки нудна робота, що запах розмарину у мене до сих пір викликає неприємні асоціації.

Далі робота пішла звичайною чергою, але в кінці її обличчя у нас витягнулися. Фактор специфічності виявився дуже високий – 1,35! Стало ясно, що наша гіпотеза не всеосяжна. А потім стало зрозуміло – чому.

Справа в тому, що комахи дуже різняться за вагою в дорослому стані. Як правило, дорослі комахи тяжчі від свого яйця личинки в 2-6 тисяч разів. Попелиці в цьому відношенні представляють дивовижний виняток. Вони або народжують живих личинок, що за вагою лише незначно поступаються матері, або відкладають дуже великі яйця.

Виявилося, нуклеотидним складом РНК визначається не швидкість метаморфоза, а приріст кількості білка в тілі комахи за одиницю часу. Зрозуміло, чому попелиці з їх виключно повільним приростом не корилися нашим розрахункам.

А тепер поставимо собі питання. Ми вільно застосовуємо терміни: древній вигляд і молодий вигляд, але, мабуть, не віддаємо собі звіту в тому, як міряти вік виду. Ясно, що його не можна міряти роками. За 17 років проходить одне покоління ясеневої цикади, 3 покоління хруща, 17 – метеликів, які розмножуються раз на рік, і до 170 поколінь мухи. Покоління – ось справжня міра віку видів.

Але якщо це так, то види з «легкоплавкої» РНК, багатої аденіном і урацилом, тому й піднялися так високо по сходах еволюції, що: мали для цього більше часу. Адже кожне нове покоління відрізняється від попереднього тим, що в ньому з’являються нові організми, які ухиляються від колишнього видового стандарту: зовнішнє середовище сортує їх по життєстійкості і здібності залишити потомство. Більше поколінь – більше матеріалу для відбору: звідси значніше і його результати.

Навпаки, якщо відбір стабілізуючий, якщо зовнішні умови знищують всі відхилення від норми, то кожна зміна поколінь для виду несприятлива, оскільки нежиттєздатні відхилення будуть виникати в кожному новому поколінні. Для виду в даному випадку вигідно подовжити тривалість кожного покоління, підвищити «тугоплавкість» РНК. Стабілізуючий відбір – в той же час спрямований відбір на підвищення відсотка гуаніну і цитозину в рибосомній РНК.

Отже, еволюція комах. Якою вона представляється нам тепер? Деякі молекули ДНК, на яких синтезується рибосомна РНК, під дією безлічі причин змінюються, мутують. Частина цих мутацій може позначитися на РНК: гуаніну і цитозину, може бути в ній менше або більше. У першому випадку вона виявиться більш «легкоплавкою», у другому – більш «тугоплавкою».

Зрозуміло, все, що тут висловлено, поки ще гіпотеза, хоча і дуже ймовірна. Слідом за римським автором Секстом Емпіриком можна повторити: «Ні про що з того, про що тут йдеться, ми не можемо стверджувати, що так було насправді, але висловлюємо це питання так, як це нам зараз здається».

Автор: Б. Медніков.