Эгоистичная ДНК

…Похоже, что ДНК в организмах намного больше, чем строго необходимо для построения их; значительная доля ДНК никогда не транслируется в белок. С точки зрения индивидуального организма это выглядит парадоксом. Если «цель» ДНК состоит в управлении постройкой тела, то наличие большого объёма ДНК, который в этом не задействован – удивительно. Биологи изнуряют свои умы, стараясь понять, что же этот излишек ДНК делает. Но с точки зрения самих эгоистичных генов в этом нет никакого парадокса. Истинная «цель» ДНК состоит в том, чтобы выжить – ни больше, ни меньше. Самый простой способ объяснить излишек ДНК – предположить, что это паразит, или в лучшем случае – безвредный но бесполезный пассажир, безбилетно путешествующий в «попутной» машине для выживания, созданной другой ДНК (Докинз 1976a, P. 47).

Эта идея была выдвинута и далее более полно разработана молекулярными биологами в двух стимулирующих статьях, одновременно опубликованных в «Nature» (Doolittle & Sapienza 1980; Orgel & Crick 1980). Эти статьи вызвали значительную дискуссию в дальнейших выпусках Nature (подборка в номере 285, сс. 617–820 и номере 288, сс. 645–648), а также в других местах (например – дискуссия на радио Би‑ Би‑ Си). Эта идея безусловно крайне близка по духу к главному тезису, развиваемому в этой книге.

Факты таковы: общее количество ДНК у разных организмов очень различно, и эти различия не выглядят очевидно связанными с филогенезом. Это так называемый «парадокс величины С». «Выглядит совершенно неправдоподобным, что количество полностью различных генов, необходимых в саламандре, в 20 раз больше того, что обнаружено у человека» (Orgel & Crick 1980). Столь же неправдоподобно и то, что саламандрам с западной части северной Америки совершенно необходимо иметь во много раз в большее количество ДНК, чем однородным саламандрам с восточной части. Большая доля ДНК в геномах эукариотов никогда не транслируется. Эта «мусорная ДНК» может находиться между цистронами, тогда она называется соединительной ДНК, или она может состоять из неэкспрессируемых «интронов», которые разделяют нормально экспрессирующиеся фрагменты цистрона – «экзоны» (Crick 1979). Явно излишняя ДНК может быть в различной степени повторяющейся или бессмысленной в терминах генетического кода. Какие‑ то её части вероятно никогда не транскрибируются в РНК. Другие могут быть транскрибированы в РНК, но затем «вырезаны» до того, как РНК транслируется в последовательность аминокислот. Так или иначе, но они никогда не экспрессируются фенотипически, если под фенотипической экспрессией мы понимаем экспрессию по ортодоксальному пути управления синтезом белка (Doolittle & Sapienza 1980).

Это однако не означает, что так называемая мусорная ДНК не подчинена естественному отбору. Для неё были предложены различные «функции», где под «функцией» имеется в виду адаптивная выгода для организма. «Функцией» дополнительной ДНК может быть «просто разделение генов» (Cohen 1977, с. 172). Даже если участок ДНК сам не транскрибирован, он может увеличивать частоту кроссинговера между генами просто в силу того, что он занимает место между ними, и это тоже есть своего рода фенотипическая экспрессия. Поэтому соединительная ДНК могла бы в некотором смысле быть одобренной естественным отбором благодаря своему влиянию на частоту кроссинговера. Однако это не было бы совместимо с обычным использованием слова «ген», если мы опишем участок соединительной ДНК как эквивалент «гена данной частоты рекомбинации». Чтобы удостоиться этого звания, разные аллели (варианты) этого участка ДНК должны оказывать разное влияние на интенсивность рекомбинации. В принципе можно говорить о данном участке соединительной ДНК как имеющей аллели – отличающиеся последовательности, занимающие то же место на других хромосомах у других особей в популяции. Но так как фенотипический эффект участка генов – результат исключительно его длины, то все аллели в данном «локусе» должны иметь ту же самую «фенотипическую экспрессию», если их длина одинакова. Если «функция» дополнительной ДНК – разнести в пространстве гены, то слово «функция» здесь не очень подходит. Процесс естественного отбора здесь – не есть обычный естественный отбор между аллелями в локусе. Скорее это увековечивание свойства генетической системы – дистанции между генами.

Другую возможную «функцию» для неэкспрессируемой ДНК предположил Кавальер‑ Смит (1978). Суть его теории выражена в названии: «Управление объёмом ядра нуклеоскелетной ДНК, отбор на объём клетки и темпы роста клетки, и решение парадокса величины С у ДНК». Он полагает, что организмам, являющимся «r – стратегами» и подверженным r‑ отбору требуются большие клетки чем организмам, подверженным «K – отбору», и что изменение общего количества ДНК, приходящегося на одну клетку – хороший способ управления размером последней. Он утверждает, что «наблюдается хорошая корреляция между сильным r – отбором, маленькими клетками и низкой величиной С с одной стороны, и между K – отбором, большими клетками и высокой величиной С – с другой». Было бы интересно проверить эту корреляцию статистически, принимая во внимание трудности, свойственные количественным сравнительным обзорам (Harvey & Mace в прессе). Само различие между «r» и «K» отбором, тоже кажется вызывает широко распространённые сомнения среди экологов – по причинам, которые никогда не были мне вполне понятны, и иногда кажется, что им они непонятны тоже. Это – одна из тех концепций, которые часто используются, но почти всегда сопровождаются ритуальными извинениями, высокоинтеллектуальным эквивалентом «стучания по дереву». Прежде, чем проводить строгую проверку корреляции, нужно выработать какой‑ то объективный индекс положения вида на шкале r – K.

Ожидая дальнейших доказательств за или против гипотез Каваллер‑ Смита, стоит заметить в этой связи вот что: все эти гипотезы взращены на традиционной почве – они основаны на идее о том, что ДНК, как и любая другая часть организма, отобрана отбором потому, что делает организму некое благо. Гипотеза эгоистичной ДНК базируется на предположении, инверсном этому: фенотипические признаки имеют место потому что они помогают ДНК копировать себя, и если ДНК сможет найти более быстрые и лёгкие способы самокопирования, возможно избегая обычной фенотипической экспрессии, то она будет отобрана отбором именно за такое поведение. Даже хотя г‑ н редактор «Nature» (том 285, с. 604, 1980) идёт в характеризации её не далее «мягко шокирующей», фактически же теория эгоистичной ДНК находится на революционном пути. Но раз уж мы глубоко впитали фундаментальную истину, что организм – инструмент ДНК, скорее чем что‑ либо иное, то идея о «эгоистичной ДНК» становится неотразимой, даже очевидной.

Живая клетка, особенно ядро эукариотов, напичкана активными механизмами репликации и рекомбинации нуклеиновых кислот. ДНК‑ полимераза с готовностью катализирует репликацию любой ДНК; ей безразлично, является ли данная ДНК значащей в терминах генетического кода. «Вырезание» фрагментов ДНК, и «вклейка» в неё других фрагментов ДНК – это всё части нормального инструментария в деятельности клеточного аппарата, ибо они происходят каждый раз, когда случается кроссинговер или другой тип рекомбинации. Тот факт, что инверсии и другие транслокации происходят с такой готовностью, свидетельствует о небрежной лёгкости, с которой фрагменты ДНК могут быть вырезаны из одной части генома, и вставлены в другую. Репликабельность и «вклеиваемость», представляются одними из наиболее существенных свойств ДНК в её естественной окружающей среде (Richmond 1979) клеточных машин.

Учитывая возможности такой окружающей среды, учитывая существование клеточных фабрик, существующих для репликации и склейки ДНК, было бы естественно ожидать, что естественный отбор одобрит варианты ДНК, способные эксплуатировать эту ситуацию ради своей выгоды. Выгода в данном случае означает просто многократную репликацию в зародышевых линиях. Любая вариация ДНК, свойства которой по случаю делают её с готовностью копируемой, автоматически станет распространённейшей в мире.

Какими могли бы быть эти свойства? Как это ни парадоксально, но мы более всего знакомы с косвенными, сложными, и окольными методами, которыми молекулы ДНК обеспечивают своё будущее. Это их эффекты воздействия на тела (фенотипические эффекты), достигаемые путём управления синтезом белка, и следовательно – периферическим маршрутом управления эмбриональным развитием, непосредственно влияют на морфологию, физиологию и поведение особи. Но существуют также и гораздо более прямолинейные и простые пути, которыми варианты ДНК могут распространяться за счёт конкурирующих вариантов. Становится все более и более очевидно, что в дополнение к большим, упорядоченным хромосомам с их строго регламентированным гавотом, клетки дают приют пёстрой шайке фрагментов ДНК и РНК, наживающихся на совершенной среде, предоставляемой клеточным аппаратом.

Эти реплицирующиеся попутчики известны под различными именами, в зависимости от размера и свойств: плазмиды, эписомы, мобильные элементы, плазмоны, вирионы, транспозоны, репликоны, вирусы. Должно ли их расценивать как мятежников, покончивших с хромосомным гавотом, или как вторгшихся извне паразитов, кажется сейчас имеет всё меньшее и меньшее значение. Мы можем провести параллель с водоёмом или лесом – сообществом с определённой структурой, и даже некоторой устойчивостью. Но их структура и стабильность поддерживаются несмотря на постоянный кругооборот участников. Особи приходят и уходят, новые рождаются, старые умирают. Имеет место текучесть, запрыгивание и выпрыгивание составляющих частей, стало быть бессмысленно пытаться отличить «истинных» членов сообщества от внешних интервентов. Также и с геномом. Это не статичная структура, но текучее сообщество. «Прыгающие гены» иммигрируют и эмигрируют (Cohen 1976).

Так как разнообразие возможных хозяев в природе, по крайней мере для трансформации ДНК и для плазмид типа RP4 очень велико, то чувствуется, что по крайней мере у грамотрицательных бактерий, все популяции могут быть связаны. Известно, что бактериальная ДНК может быть экспрессироваться у широкого круга разных видов хозяев… В действительности может оказаться невозможным рассматривать эволюцию бактерий в форме простых генеалогических деревьев; сеть – как с конвергирующими, так и с дивергирующими связями будет более адекватной метафорой (Broda 1979, с. 140).

Ряд авторов полагают, что эта сеть не ограничена бактериальной эволюцией (например. Margulis 1976).

Существуют отчётливые свидетельства того, что организмы не ограничены в своей эволюции генами, принадлежащими генофонду их вида. Как‑ то выглядит более вероятным, что в эволюционном масштабе времени весь генофонд биосферы доступен всем организмам и что драматические этапы и очевидные разрывы эволюции – признаки очень редких событий вовлечения и принятие части или всего внешнего генома. Организмы и геномы можно таким образом расценивать как секции биосферы, по которым гены глобально циркулируют с различной интенсивностью, и в которые персональные гены и опероны могут включаться, если они предоставляют достаточные преимущества…» (Jeon & Danielli 1971).

Эукариоты – включая нас самих, не могут быть изолированы от этого гипотетического генетического трафика, предложенного быстро и успешно растущими технологиями «генной инженерии», или генными манипуляциями. Юридическое определение генной манипуляции в Британии – «формирование новых комбинаций наследственного материала посредством вставки молекул нуклеиновых кислот, произведённых любыми средствами вне клетки, в любой вирус, бактериальный плазмид или иную векторную систему, с целью обеспечить их встраивание в организм хозяина, в котором они естественно не существуют, но в котором они способны к долговременному размножению» (Old & Primose 1980 c. 1). Конечно, люди – генные инженеры – только новички в этой игре. Они только учатся перенимать опыт природных генных инженеров – вирусов и плазмид, которые этим и живут.

Возможно подвигом величайшего масштаба для природной генной инженерии явился комплекс манипуляций, связанных с половым размножением эукариот: мейоз, кроссинговер и оплодотворение. Двое современных, самых передовых эволюционистов не сумели объяснить преимущество этой экстраординарной процедуры для индивидуального организма так, чтобы их самих это удовлетворило (Williams 1975; Maynard Smith 1978a). Как заметили оба, и Мейнард Смит (1978a, с. 113) и Вильямс (1979), это видимо та область (и возможно – не одна), в которой мы должны переключить своё внимание с индивидуальных организмов на истинные репликаторы. Когда мы пытаемся разрешить парадокс высокой платы организма за мейоз, то вместо мыслей о том, как разнополость помогает организму, нам следует искать реплицирующих «инженеров» мейоза, внутриклеточных агентов, которые на деле заставляют выполняться мейоз. Эти гипотетические инженеры, фрагменты нуклеиновых кислот, которые могут находиться как внутри, так и вне хромосом, будут достигать своего собственного репликационного успеха как побочного следствия умения побудить организм производить мейоз. У бактерий рекомбинация производится отдельным фрагментом ДНК или «половым фактором» который в старых учебниках трактовался как часть собственного адаптивного механизма бактерии, но который лучше трактовать как реплицирующего генного инженера, действующего во имя его собственного блага. У животных центриоли полагаются самокопирующимися сущностями со своей собственной ДНК (как митохондрии), но в отличие от митохондрий, они наследуются как по мужской, так и по женской линии. Хотя сейчас только в шутку изображают хромосомы, вопящие и отбивающиеся во второй анафазе от безжалостно эгоистичных центриолей или других миниатюрными генных инженеров, но эти странные идеи были банальностью в прошлом. И в конце концов, ортодоксальное теоретизирование пока не сумело разрешить парадокс стоимости мейоза.

Оргел и Крик (1980) высказываются почти также про ослабление парадокса «величины C» и про теорию эгоистичной ДНК, объясняющую его: «основные факты на первый взгляд настолько странны, что только явно нетрадиционная идея сможет вероятно их объяснить». Комбинируя факты и мечтательные экстраполяции, я старался построить сцену, на которую сама эгоистичная ДНК может войти почти незамеченный; нарисовать фон, на котором эгоистичная ДНК будет выглядеть не‑ нетрадиционной, а почти единственно мыслимой. ДНК, которая не транслируется в белок, кодоны которой кодируют бессмысленную тарабарщину (если их всё же попробовать транслировать), может всё же изменять свою реплицируемость, свою «вклеиваемость», и свою сопротивляемость к обнаружению и удалению санирующими механизмами клеточных машин. «Внутригеномный естественный отбор» может вследствие этого приводить к росту количества определённых типов бессмысленных или нетранскрибируемых ДНК, к засорению и загромождению хромосом. Транслируемые ДНК, также могут быть подчинены этому виду отбора, хотя в этом случае внутригеномные давления отбора вероятно утонут в более мощных давлениях, положительных и отрицательных, обусловленных обычными фенотипическими эффектами.

Обычный отбор приводит к изменениями частот репликаторов по отношению к их аллелям в определенных локусах хромосом популяций. Внутригеномный отбор эгоистичной ДНК – иной вид отбора. Здесь не имеет места относительный успех аллелей ни в одном локусе генофонда, но значима способность к распространению некоторых видов ДНК на различные локусы или к созданию новых локусов. Кроме того, отбор эгоистичной ДНК не привязан к смене поколений особи; он может селективно возрастать при любом митотическом делении клетки в зародышевых линиях развивающихся тел.

Обычный отбор работает над изменениями, которые генерируются в конечном счёте мутацией, но мы обычно рассматриваем её как мутацию в рамках упорядоченной системы локусов – мутация генерирует отличающийся ген в данном локусе. Потому и возможно рассматривать отбор как выбор среди аллелей в таком дискретном локусе. Однако явление мутации в более широком смысле включает и более радикальные перемены в генетической системе, начиная с незначительных – типа инверсий, и кончая изменением числа хромосом, плоидности, и способа размножения – от бесполого к половому и наоборот. Эти крупные мутации «меняют правила игры» но они всё ещё (в различных смыслах) подчинены естественному отбору. Интрагеномный отбор эгоистичной ДНК принадлежит к числу нетрадиционных типов отбора, не вовлекающий выбор аллелей в дискретном локусе.

Отбор сформировал у эгоистичной ДНК способность независимого распространения и дублирования самого себя в новые локусы в каком‑ нибудь месте в геноме. Она распространяется не за счёт определённого набора аллелей, подобно тому, как скажем, распространился ген меланизма у бабочек в промышленных районах, вытесняя свои аллели этом локусе. Именно это есть отличительная черта «горизонтально распространяющихся мошенников», отличающая их от «аллельных мошенников» которые были предметом предыдущей главы. Горизонтальное распространение на новые локусы подобно распространению вируса в популяции, или распространению раковых клеток в теле. Оргел и Крик действительно трактуют распространение бесфункциональных репликаторов как «рак генома».

Что касается конкретных качеств, которые вероятно должны одобряться отбором эгоистичной ДНК, то мне нужно было быть молекулярным биологом, чтобы предсказать их детали. Однако не нужно быть молекулярным биологом, чтобы предположить, что они должны представлять собой два основных набора: набор качеств, упрощающих их дублирование и вставку, и набор качеств, затрудняющих их поиск и уничтожение защитными механизмами клетки. Также как яйцо кукушки защищается, мимикрируя под яйца законно населяющего гнездо хозяина, так и эгоистичная ДНК могла бы развивать мимикрирующие свойства, «делающие её похожей на обычную ДНК, и возможно менее лёгкую для удаления» (Orgel & Crick). Подобно тому, как для полного понимания кукушкиных адаптаций вероятно потребуются знания воспринимающих систем хозяев, так и полная оценка «деталей адаптации эгоистичной ДНК может потребовать детального и точного знания работы полимеразы ДНК, как именно происходят вырезание и вклейка, как именно идёт процесс верифицирующего чтения». Хотя полное понимание этих вопросов могут дать детальные исследовательские работы, в каких молекулярные биологи уже столь блестяще преуспели, но возможно молекулярным биологам этого будет недостаточно для выяснения того, как ДНК работает во благо самой себе, но не клетки. Механизмы репликации, склейки, и коррекции можно понять лучше, если на них смотреть как отчасти на продукт безжалостной гонки вооружений. Мысль можно подчеркнуть при помощи аналогии.

Представьте себе страну Утопию – скажем, на Марсе, где царит полное доверие, всеобщая гармония, отсутствует эгоизм и обман. Теперь вообразите марсианского учёного, старающегося понять смысл жизни землян и их технологии. Предположим, что он изучил один из наших крупных центров обработки данных – электронный компьютер с его модулями дублирования, редактирования и коррекции ошибок. Если он сделает предположение – естественное для его общества – что эти модули предназначены для общего блага, то он вступит на длинный путь к своей цели. Устройства коррекции ошибок, например, ясно виделись бы ему предназначенными для борьбы с неотвратимым и незлорадным Вторым Законом Термодинамики. Но некоторые вопросы остались бы озадачивающими. Он не видел бы смысла в сложных и дорогостоящих системах безопасности и защиты – секретные пароли и коды чисел, которые приходится вводить пользователям компьютеров. Если бы наш марсианин исследовал бы систему военной связи, он мог бы понять её задачу в быстрой и эффективной передаче полезной информации, и его бы расстроили трудности и издержки, на которые эта система идёт, так кодируя свои сообщения, чтобы они выглядели бессмысленными и трудными для декодирования. Это ли не экстравагантная и абсурдная неэффективность? Понятно, что раз он находится в доверчивой Утопии, то ему могла бы потребоваться яркая вспышка революционного прозрения, чтобы увидеть, что смысл многих аспектов человеческой технологии виден лишь тогда, когда вы понимаете, что люди не доверяют друг другу, и что некоторые люди действуют против лучших интересов других людей. Имеет место борьба между желающими получить запрещённую информацию от системы связи, и желающими утаить эту информацию от них. Многие человеческие технологии – продукт гонки вооружений, и могут быть поняты лишь в её терминах.

При всей возможной эффектности достижений молекулярных биологов, как и биологов других направлений, не пребывают ли они в некотором роде в позиции нашего марсианина? Предполагая клетку тем местом, где молекулярные машины тарахтят на благо организма, они вступили на длинный путь. Теперь они смогут продвинуться далее, лишь выработав более циничный взгляд, и допустив возможность, что отдельные молекулы могут производить негативный результат с точки зрения всех остальных. Очевидно, они уже вырабатывают его, изучая вирусы и других инвазивных паразитов. Всё, что теперь нужно – обратить этот же циничный взор на «родную» ДНК клетки. Так как они уже начинают делать это, то я нахожу статьи Дулитла, Сапиенцы, Оргела и Крика весьма интересными, особенно в сравнении с возражениями Каваллер‑ Смита (1980), Дувра (1980) и других, хотя, конечно их возражения могут быть справедливы в конкретных пунктах. Оргел и Крик хорошо резюмируют:

Короче говоря, можно ожидать своего рода молекулярной борьбы за существование в самой ДНК хромосом; тот же процесс естественного отбора. Нет причин предполагать, что он будет намного проще или легче предсказуем чем эволюция на любом другом уровне. Существование эгоистичной ДНК возможно потому, что ДНК – молекула, которая очень легко копируется, и потому, что эгоистичная ДНК оказывается в обстановке, в которой репликацию ДНК является жизненной потребностью. И следовательно – имеет возможность подчинить эти неотъемлемые механизмы своим личным целям.

В каком смысле эгоистичная ДНК является мошенником? В таком, что организмы выиграли бы от её отсутствия. Возможно она вредит, впустую занимая место и потребляя молекулярное сырьё, возможно – требует расточительного расхода ценного «машинного времени» механизмов коррекции и дублирования. В любом случае, мы можем ожидать, что отбор будет стремиться устранить эгоистичную ДНК из генома. Можно назвать два вида отбора против эгоистичной ДНК. Во‑ первых, отбор мог бы одобрять положительные адаптации, избавляющие организмы от эгоистичной ДНК. Например, мог быть усовершенствован уже обнаруженный принцип коррекции. Длинные последовательности могли бы быть исследованы на «осмысленность» и вырезаны, если обнаруживается потребность в этом. Также могут распознаваться длинные многократные повторы как статистическое единообразие. Это положительная адаптация – такая же, какую я имел в виду, обсуждая выше гонки вооружений, «мимикрию», и т.д. Мы говорим здесь об эволюции механизмов борьбы с эгоистичной ДНК, которые могут быть столь же сложны, и столь же специализированы, как адаптации противодействия хищникам у насекомых.

Есть однако второй вид отбора, который мог бы действовать против эгоистичной ДНК, и который намного проще и грубее. Любой организм, у которого случайно произошло стирание части его эгоистичной ДНК, будет по определению мутантным организмом. Само стирание было бы мутацией, которая была бы одобрена естественным отбором настолько, насколько организмы, ею обладающие извлекли бы выгоду из этого факта; возможно потому, что они не страдали бы от затрат места, материалов и времени, которые берёт на себя эгоистичная ДНК. Мутантные организмы, при прочих равных условиях размножались бы более успешно, чем обременённые организмы исходного типа, и следовательно – стирание станет более обычными в генофонде. Обратите внимание – я теперь не говорю об отборе в пользу способности удаления эгоистичной ДНК: это было предметом предыдущего абзаца. Здесь мы признаём, что само стирание, отсутствие эгоистичной ДНК, есть самостоятельно реплицирующаяся сущность (реплицирующееся отсутствие!), которое может быть одобрено отбором.

Здесь возникает соблазн включить в число мошенников соматические мутации, вынуждающие клетки препятствовать репродукции немутантных клеток тела, в конечном итоге причиняя вред этому телу. Но хотя своего рода квазидарвиновский отбор и существует, и он может идти в раковых опухолях, и Кэрнс (1975) изобретательно привлек внимание к тому, что выглядит адаптацией на уровне организма как целого, которая предотвращает «борьбу частей» внутри целого и соответствующий отбор по результатам такой борьбы, но я думаю, что применять концепцию мошенника здесь вряд ли было бы полезно. Кроме случая, когда соответствующие мутантные гены, так или иначе умудряются размножать себя неограниченно. Они могли бы делать это, либо перенося самих себя в вирусоподобных векторах, скажем – через воздух, или как‑ то иначе прорываясь в ядерную зародышевую линию. В любом из этих случаев они бы квалифицировались бы как «зародышеподобные репликаторы» как они определены в главе 5, и название мошенника было бы подходящим.

Недавно прозвучало поразительное предположение, что гены, являющиеся получателями выгод телесного отбора, на самом‑ то деле могут быть червоточиной в зародышевой линии, хотя в этом случае они не злокачественны, и не обязательно мошенники. Я хочу упомянуть эту работу потому, что она рекламировалась как потенциальный воскреситель так называемой «ламаркистской» теории эволюции. Так как теоретическая позиция нашей книги полностью укладывается в понятие «крайний вейсманизм», я считаю себя обязанным рассматривать любое серьёзное возрождение ламаркизма как подрыв устоев моей концепции. Поэтому необходимо обсудить её.