Прошлое Земли и «Эволюционный конструктор»

20.01.09

Многие и многие годы специалисты разных отраслей знаний поэтапно рассматривают проблемы, связанные с эволюцией. И накопленный материал воспринимается порой как главы из захватывающего научно-фантастического повествования. На конференции молодых ученых, прошедшей осенью в г. Кемерово, внимание участников привлек любопытный доклад м.н.с. Института цитологии и генетики СО РАН С. Лашина «Новый метод моделирования эволюции сообществ бактерий. Программа «Эволюционный конструктор».

Чтобы по-настоящему понять содержание работы, я побеседовала с сотрудниками лаборатории теоретической генетики Института цитологии и генетики СО РАН Сергеем Лашиным и Валентином Сусловым.

Сотрудники лаборатории теоретической генетики Института цитологии и генетики СО РАН м.н.с. Сергей Лашин, заведующий сектором молекулярной эволюции к.б.н. Юрий Георгиевич Матушкин и н.с. Валентин Суслов.

— Когда идеи «Эволюционного конструктора» завладели вашими умами?

В. Суслов: Лет десять тому назад. Шла подготовка к проекту Президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы», и биологи различных специализаций включились в орбиту действий. Затем, в 2005 году, у нас в Академгородке проходила международная конференция «Происхождение и эволюция биосферы» (Biosphere Origin and Evolution — BOE'2005), где было много интересных выступлений, фактов, гипотез. Тогда-то мы и посмотрели на эволюцию глазами разных специалистов: генетиков, биохимиков, микробиологов, палеонтологов, экологов. И определились два подхода к изучению эволюции.

С одной стороны, виды повышают свою приспособленность за счет мутаций и естественного отбора. Рост приспособленности можно оценить через репродуктивный успех, эффективность потребления ресурсов окружающей среды и устойчивость к повреждающим факторам среды. Эти три компонента взаимно пересекаются, но если есть достижения хотя бы по двум из них — можно говорить об эволюционном прогрессе.

С другой стороны, организмы, чтобы жить и размножаться, вынуждены черпать энергию и ресурсы из окружающей среды и туда же отправлять отходы. Удаление жизненно необходимо — ведь законов химии никто не отменял. Например, при культивировании цианобактерий процесс фотосинтеза останавливается, если концентрация кислорода достигает 20 %. И тут есть два пути: либо его химически связать неорганическим поглотителем, либо поселить рядом с цианобактерией бактерию-аэроба, образовав таким образом цикл химических реакций. Первый путь — захоранивание — имеет естественные ограничения. Второй — нет. В Институте биофизики нам показывали фото запаянных сосудов, где такой замкнутый цикл крутится десятилетиями. Собственно, с образованием системы циклов и начинается история биосферы. И оказывается, что раз сформировавшись, такая глобальная биогеохимическая система накладывает жесткое ограничение на всю эволюцию. Вид может изменяться, повышать свою приспособленность, но лишь до тех пор, пока вписывается в систему циклов.

— Получается, что с биогеохимической точки зрения никакой эволюции нет?

В. Суслов: Точнее, не должно быть. В идеально сбалансированной системе циклов, вроде той самой запаянной пробирки, для нововведений просто нет места. Идет даже не стабилизирующий, а только очищающий отбор. Но ведь это очень простая экосистема! Оказывается, чем больше видов в экосистеме, тем труднее их «запаять в пробирку», создать идеальный баланс. Образуется неутилизируемый или медленно утилизируемый остаток, метаболический тупик. Собственно, полезные ископаемые — это тупики вымерших биосфер, захороненные на наше счастье в ходе геологических процессов. И вот тут возникает поле деятельности для прогрессивной эволюции: виды, получившие возможность утилизировать такие тупики, не только повысят свой репродуктивный успех, но и повлияют на вмещающую их экосистему, подтолкнут эволюцию других видов. И вообще, возникает вопрос: образование тупиков — это случайность, стохастический шум, или закономерность?

— Итак, мы имеем два подхода к эволюции. Но ведь в природе они действуют совместно?

В. Суслов: Именно это и было целью создания «Эволюционного конструктора» — совместить дарвиновскую и недарвиновскую области эволюции. Но у заведующего лабораторией теоретической генетики академика Н. А. Колчанова (который тогда еще не был академиком) и руководителя группы — заведующего сектором молекулярной эволюции к.б.н. Ю. Г. Матушкина были более широкие планы. Биохимически любой организм также представляет собой цикл сопряженных реакций. Открытие рибозимов — молекул РНК с ферментативной активностью — позволило сформулировать гипотезу «мира РНК». Во многих институтах, в том числе и в ИХБФМ (ак. В. В. Власов), были получены искусственные рибозимы. В отличие от белков, многие рибозимы оказались очень просты по строению (две комплементарные цепочки из 10-15 нуклеотидов). Такая структура могла возникнуть абиогенно по случайным причинам. А раз могла появиться одна, то и другая, и третья. Комбинаторное объединение реакций, катализируемых такими молекулами, запустило бы цикл сопряженных реакций, который и стал бы основой будущей жизни. На первых порах, когда еще не все рибозимы образовались, бреши в таком метаэнзимном цикле могли заполняться неорганическими катализаторами, например, глинами. Минерал монтмориллонит может катализировать реакцию полимеризации РНК, причем некоторые характеристики трехмерной структуры (но не химического состава!) монтмориллонита напоминают таковые у белков и рибозимов. Таким образом, будущий «Эволюционный конструктор» можно было использовать не только для моделирования эволюции биосферы, но и возникновения жизни.

— Наверное, задачи сходного содержание ставились и ранее?

В. Суслов: Нельзя сказать, что таких моделей до нас никто не строил — напротив, их было множество, от эйгеновских гиперциклов до моделей конкретных экосистем. Но то были модели под конкретный случай. В нашем случае требовалось создать не модель, а конструктор для создания моделей, пригодный для описания как популяций, так и экосистем. Жизнь ведь организована в форме сообществ. Из индивидуума, живущего обособленно, ничего, собственно, не получится. Драму эволюции разыгрывают сообщества двух типов. Популяции — это вертикальные сообщества, соединенные отношениями «предок-потомок». А в экосистемах организмы объединены горизонтальными отношениями партнерства или антагонизма. Генетика специализировалась на изучении вертикальных сообществ, а экология — горизонтальных. В жизни же и те и другие сосуществуют.

Естественно, мы не собирались «обнимать необъятное» и, перебрав разные объекты, решили пока остановиться на эволюции бактерий и бактериальных сообществ. Во первых, бактерии намного проще эукариот, во вторых, в бактериальных сообществах виды стехиометрически намного точнее пригнаны друг к другу, чем у эукариот. Бактерии — маленькие существа, значит запасов у них немного. А размеры сообществ огромные. Например, средний размер бактериальной клетки — 0,2-10 мкм, а бактериальную экосистему мы можем увидеть невооруженным глазом. На Камчатке, в Йеллоустоуне вокруг гидротерм бактерии образуют своеобразные ковры, по которым человек может свободно прогуляться. Это триллионы особей. Эукариотический организм, вроде нас с вами, в отсутствие пищи может бегать, искать и с какой-то вероятностью найти, наконец, требуемое. Бактерия в сообществе лишена этой возможности — на многие метры вокруг такие же, как она, всё съели. Остается лишь впасть в анабиоз или... точно согласовать реакции с симбионтом. Однако, несмотря на простоту, размеры бактериальных геномов могут колебаться от 500 до 5000 генов, а размеры популяций — от одной (бактерии размножаются делением) до триллионов особей. Чтобы вести исследования в таких объемах, требовалось соответствующее математическое обеспечение. И случай привел к нам в лабораторию математика.

С. Лашин: В 2003 г. я окончил мехмат НГУ. В те годы молодежь не особенно стремилась в науку, это сейчас ситуация изменилась. Я собирался работать в фирме, где проходил практику. Но, скажу честно, наука меня привлекала. Поворот в судьбе обозначился после того, как мой друг однажды попал на лекцию профессора Н. А. Колчанова в НГУ и был буквально очарован перспективами развития математических и компьютерных методов в биологических задачах (т.е. биоинформатики). Он увлек меня, и мы пошли в ИЦиГ. Нам показали, где можно применить математические методы — простор необычайный, целина. Привлекла красота поставленных задач, их сложность, масштабность. Первоначально задачу обозначили следующим образом: представить, как некие простые структуры пытались самоорганизовываться и совершенствоваться. Путем поглощения одна другой, переноса генов и прочее усложнялась генетическая природа. Со временем они вместили в себя некую «биохимическую лабораторию». И такие организмы, бактерии, могли функционировать гораздо эффективнее, с большим смыслом.

— Но, простите, Сергей, наверное для этого математику надо проникнуть в суть биологии, изучить законы генетики и еще много всего.

С. Лашин: Да, я чувствую, что постепенно становлюсь больше биологом, чем математиком

— Расскажите, как вы решали проблему описания больших популяций.

С. Лашин: Что касается методики, был выбор — какие средства моделирования взять на вооружение. В течение года мы изучали статьи с различными моделями и методиками моделирования. Пришли к выводу, что ни классические детерминистские и стохастические модели в виде систем уравнений, ни портретные имитационные модели не годятся. Портретные слишком трудоёмки. Реально смоделировать несколько десятков, сотен тысяч особей достаточно для популяций эукариот, но попробуйте сделать то же самое для прокариот, которые еще, к тому же, делятся раз в несколько минут. Обобщенные (классические) модели, напротив, не рассматривают отдельную особь. Но они не позволяют описывать генетическую структуру популяций, а также изменять, допустим, число видов в модели в ходе расчетов. Скажем, вы смоделировали взаимодействие двух видов системой дифференциальных уравнений. А тут мутация — и один из видов начал утилизировать ранее неутилизируемый субстрат (вполне реальная ситуация — осваивая фотосинтез, бактерии, грубо говоря, заменили H₂S на воду). Вам придется останавливать расчет и выписывать новую систему уравнений. В Эволюционном конструкторе (ЭК) модель изменяется тут же, прямо в процессе расчета, вам лишь нужно задать вероятность мутаций. Или, другой пример — горизонтальный перенос генов приводит к появлению новых видов бактерий, они образуют новые популяции, модель при этом «разрастается», ЭК это позволяет.

Кроме того, ЭК дает возможность рассматривать эволюцию сообществ как бы при разном увеличении. В природе существует много видов бактерий, но не так много экологических группировок, жизненных форм. Скажем, в группировку метанотрофов — бактерий, утилизующих метан, входят неродственные виды, эволюционировавшие параллельно. А вот, скажем, в группировке термофилов есть как археобактерии, так и бактерии, причем среди бактерий существуют и такие, которые стали термофилами в результате горизонтального переноса. В одних ситуациях нас интересует судьба каждого отдельного вида, а в других — суммарная обобщенная характеристика нескольких (например, способность утилизировать метан). В ЭК мы можем по желанию рассматривать каждую клеточную линию, клонов — потомков отдельной особи, виды либо отдельно, либо вместе, причем с желаемой степенью детальности, экономя вычислительные ресурсы. Достигается это за счет арифметики генетических спектров.

В. Суслов: Но, заметим, полового размножения при этом не было.

С. Лашин: Пока нет, но, модифицировав методику, мы надеемся учесть и его.

— Что за методика такая?

С. Лашин: Арифметика генетических спектров — это набор операций по их преобразованию. Мы не рассматриваем отдельных особей (клеток) в виде объектов — их слишком много. Наш базовый объект — популяция. Генетические спектры описывают распределение частот встречаемости аллелей (разных вариантов одного гена) в популяции. Мы строим такие распределения для всех генов, которые содержатся в клетках данной популяции. Получается такое многомерное распределение, своего рода «обобщенный генотип популяции». А арифметика задает правила, как этот генотип меняется под действием отбора, мутаций и т.д. Ведь особи с разным набором аллелей будут обладать разной приспособленностью к условиям среды. Соответственно, в рамках одной популяции какие-то комбинации аллелей вымрут, какие-то наоборот — размножатся, и это приведет к изменению генетического спектра популяции. Генетические спектры позволяют легко описать появление новых популяций в системе. Причем, иногда возникают популяции, которых мы «не ждали». Ведь, вроде бы по заданным параметрам скорее должны появиться другие. То есть, нас как бы уже ставят перед фактом.

Допустим, мы можем стартовать расчет модели с тремя популяциями. Но в зависимости от мутаций, горизонтального переноса, появления новых генов, субстратов в среде к концу расчетов имеем несколько тысяч новых популяций. Все они будут отличаться по многим параметрам, в том числе и генетически. И как это все разовьется, во многом зависит от того, как будет меняться окружающая среда.

— То есть, вы все время увязываете наличие и распределение признака в объекте с текущим состоянием окружающей среды?

С. Лашин: Обязательно моделируется влияние окружающей среды! С одной стороны, мы моделируем чисто средовые — неспецифические субстраты, которые приносятся извне. Популяции могут их потреблять, но не производить. С другой стороны, популяции и сами производят субстраты — специфические, и этим они также влияют на окружающую среду. В этом, как мы уже упоминали, суть модели. То есть, субстраты среды и геномы — это два равнозначных фактора и учитываются одновременно.

— Итак, уточним. Вы моделируете эволюцию популяций, соединенных в цикл, а потом сравниваете с реальной картиной, используя информацию биологов, микробиологов, палеонтологов и т.д.?

В. Суслов: Возьмем горизонтальный перенос генов. Обычно считается, что основное преимущество имеет лишь бактерия-акцептор. Получив новый ген, она сможет, например, освоить новый ресурс, повысить свою численность, репродуктивный успех. Но ведь в цикле все взаимосвязано. Мы промоделировали такую ситуацию, и оказалось, что эффективность потребления ресурса выросла не только у акцептора, но и у всего сообщества. Результат ожидаемый. А вот что было неожиданным, так это судьба донора. Пока неспецифического субстрата было много, его численность действительно снизилась по сравнению с тем, что было до горизонтального переноса. Но вот мы промоделировали голодовку, снизив проток неспецифического субстрата. У нас вымерла большая часть кольца. Остались лишь акцептор, те популяции, которые сформировали с ним небольшой подцикл и... донор. Он, правда, образовывал на цикле метаболический тупик — его субстрат был никому не нужен.

— То есть, в реальной экосистеме он должен был накапливаться и откладываться?

В. Суслов: Именно! Но посмотрите — донор участвовал в горизонтальном переносе и заплатил за это снижением численности. Казалось бы, потеря. Но он выжил, а те, кто не участвовал — погибли. Значит — успех. Устойчивость к повреждающим факторам среды.

— Потерять малое, чтобы приобрести большее?

В. Суслов: Тут трудно сказать, что мало, а что много — ведь речь идет о жизни и смерти популяции. Для такой ситуации больше подходит термин «адаптивный компромисс», введенный известным биологом Раснициным. Вот, например, аппендикс у человека — рудиментарный орган. Да, он содержит лимфоидную ткань, выполняет иммунные функции, на первый взгляд, непонятно, зачем он так велик. А дело в том, что аппендицит развивается при нарушении кровоснабжения, а пережать артерию в небольшом аппендиксе, например, при набухании той же лимфоидной ткани, борющейся с инфекцией, гораздо проще.

Мы столкнулись с адаптивным компромиссом и когда моделировали популяции с разными трофическими стратегиями. В одном случае недостаток неспецифического субстрата мог замещаться какое-то время специфическим, в другом — нет. При моделировании естественно оказалось, что голодовку по неспецифическому субстрату лучше переживает система с компенсаторной трофикой. Но как переживает? Почти полностью теряя биоразнообразие — среди оставшихся подавляющее большинство занимает лишь одна популяция. А без биоразнообразия какая же эволюция в дальнейшем? Зато популяции с некомпенсаторным метаболизмом сохраняют биоразнообразие до самого конца.

— Выходит, популяция каждый раз выбирает, решать ли ей сиюминутные проблемы или сохранять потенциал на будущее?

В. Суслов: На самом деле она ничего не решает. Эволюция — процесс неопределенный, она не имеет конечного результата.

С. Лашин: Это вопрос спорный, как правило, провоцирующий дискуссию. Не будем касаться этой тема — всегда начинаем с Валентином сталкивать концепции. Я считаю, наоборот, что эволюция — процесс направленный. Единственно, к вершине можно подниматься разными путями, используя всевозможные «вспомогательные» средства.

В. Суслов: Я хотел лишь сказать, что популяция не предвидит свою судьбу, не анализирует варианты, а следовательно — не решает. Та бактерия, с которой начиналось всё, вовсе не предполагала, что ее потомки могут стать человеком.

С. Лашин: Но стали же со временем! Эволюцию можно сравнить с командной игрой вроде футбола, протекающей по определенному набору правил (размер поля, состав команды), которые задаются сеткой циклов. Но стратегию и тактику определяют личные особенности игроков (наследственность, изменчивость), между которыми и идет естественный отбор. С той лишь разницей, что численность команды постоянно варьирует, правила, по которым они играют, зачастую неизвестны игрокам, а изменения внешней среды могут менять «удельный вес» правил, выдвигая на первый план то одно, то другое.

Л. Юдина

Источник: «Наука в Сибири»