Вперёд, к эпигенетическому будущему! Колонка в КомпьютерреOnline #87

{
"title": "Дмитро Шабанов",
"summary": "Внутрішнє важливіше зовнішнього. Вперед, до епігенетичного майбутнього!",
"body": "
Внутрішнє важливіше зовнішнього
Вперед, до епігенетичного майбутнього!

Онтологічний адаптаціонізм

Колонка в Комп'ютерреOnline #86
Колонка в Комп'ютерреOnline #87
Колонка в Комп'ютерреOnline #88

У попередній колонці я похвалився, що на конференції на харківському біофаку, до організації якої я мав стосунок, взяв участь Олександр Павлович Расницький. Я переповів деякі думки його доповіді, з яким він виступив на відкритті конференції. А зараз я хочу поговорити про епігенетичну теорію еволюції, яка стала темою круглого столу, проведеного Олександром Павловичем.

Цей фрагмент круглого столу з О.П. Расницьким у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна 21 листопада 2012 року починається з характеристики епігенетичної теорії еволюції
Тут (в якій уж раз у моїх колонках!) необхідний дисклеймер. Еволюційну біологію намагаються скомпрометувати агітатори, які намагаються підмінити науку прийняттям догми. Всякі \"наукові креаціоністи\" (даже їх самоназва є сontradictio in adjecto, протиріччям у визначенні, або, інакше кажучи, оксюмороном: наука не сумісна з прийняттям релігійної догми) дуже люблять цитувати суперечки між сторонниками різних теорій еволюції. Те, про що я буду тут писати, не має жодного стосунку до спроб спростувати добре встановлений факт еволюції; мова йде про суперечки, які стосуються недостатньо вивчених механізмів цього процесу.
Так ось, я говорю про еволюційну теорію, яку її основний творець, Михайло Олександрович Шишкін, назвав епігенетичною теорією еволюції І.І. Шмальгаузена - К.Х. Уоддінгтона. Надо сказати, що в роботах Шмальгаузена і Уоддінгтона можна знайти ключові для епігенетичної теорії еволюції думки, але одночасно там же міститься багато такого, що з цією теорією не сумісне. Тут я просто буду говорити про ЕТЕ (епігенетичну теорію еволюції), протиставляючи її СТЕ (синтетичній теорії, яку краще було б називати популяційно-генетичною теорією, адже різних синтезів може бути багато). Хочете познайомитися з ЕТЕ ближче - читайте статті, помічені \"Епігенетична класика...\" тут. Тут не тільки статті Шишкіна, а також і ключові для ЕТЕ роботи А.С. Раутяна і О.П. Расницького.
— Епігенетична теорія заснована на декількох добре відомих фактах і узагальненнях. Попробую перелічити деякі з них.
— Природний відбір (різні шанси на виживання і розмноження) відбирає або відсіває не окремі ознаки, а організми в цілому.
— Складні організми є результатом індивідуального розвитку - онтогенезу.
— На онтогенез впливають не тільки спадкові задатки організму, а й у суттєвій мірі - вплив середовища; внаслідок цього спадкується не стан ознаки, а норма реакції - набір його можливих станів, реалізований у різних умовах середовища з різною ймовірністю.
— Переважна більшість генів впливає не на одну ознаку організму, а на багато; переважна більшість ознак залежить не від одного гена, а від багатьох (у межі - від генотипу в цілому).
— Змінність організмів не нескінченно пластична; аналіз різноманіття особин у природі дозволяє віднести їх до кінцевої кількості варіантів норми і до якогось кінцевого кількості уклоняючихся типів (аберацій).
— Генотип не чертеж організму; гени містять \"рецепти\" білків, які виконують певні функції, і набір перемикачів, які визначають, який з можливих шляхів розвитку буде з більшим імовірністю вибраний організмом.
— Одні й ті ж зміни онтогенезу (і виниклі в їх результаті ознаки) можуть викликатися як генетичними особливостями, так і впливами середовища.
— У ході онтогенезу найбільш стійко реалізується той стан ознаки, який відповідає нормі; генетичний аналіз зовнішньо нормальних особин з природних популяцій показує їх несподівано високу генетичну різноманітність.

Ось, знаєте лі, склав цей список і бачу, що визнання цих тверджень штовхає до прийняття цілком визначеного уявлення про еволюційний процес - до згоди з епігенетичною теорією еволюції. Уви, це очевидно далеко не всім. Більше того, біологи діляться на меншість, яка легко приймає цю точку зору, і більшість, яка її або не розуміє, або не згодна прийняти. Для її прийняття необхідно переосмислити те, чему всіх нас учили: кого в школі, кого - в університеті.
Які ж наслідки випливають з перелічених мною припущень?
Будь-який розвивається організм має певний набір можливих шляхів розвитку. Відбір може підтримувати одну або декілька норм. Такий відбір приводить до того, що нормальне розвиток стає дедалі більш стійким; у випадку декількох норм розвиваються генетичні системи перемикання між цими шляхами (типові гени, які працюють за Менделем). Коли екологічна ситуація змінюється, відбір починає працювати проти попередніх норм. Розвиток організмів дестабілізується, починають виникати різноманітні аберації. Якщо деякі з цих аберацій підтримуються відбором у нових умовах, він починає стабілізувати вже їх розвиток, роблячи їх новими нормами. Таким чином, еволюція виявляється чередуванням стабілізації і дестабілізації певних шляхів розвитку відбором.
Давайте я спробую сформулювати альтернативну точку зору. Зразу скажу, що вона вийде трохи карикатурною. Так думають не всі прихильники СТЕ, а тільки найбільш ортодоксальні з них. Уви, навіть ті з прихильників СТЕ, які оспорять перелічені мною твердження, у своїх уявленнях про механізм еволюції змушені опиратися на них неявно. Без опори на ці, на самом деле легко спростовувані, твердження СТЕ не працює.
Властивості організму визначають його гени. Кожному стану гена (алелю) відповідає свій признак. Деякі з алелів корисні, деякі - шкідливі. Нові алелі виникають у результаті спонтаних і ненаправлених змін вже існуючих - мутацій. Якщо мутація суттєво змінює генетичний \"текст\", виникає новий алель, у якого буде своє корисне або шкідливе проявлення. Відбір видаляє носіїв шкідливих ознак, залишаючи носіїв корисних. Хоча особини у природних популяціях відрізняються один від одного по багатьом генам і по багатьом ознакам, дія відбору поступово підвищує частоту корисних алелів у популяції і тим самим забезпечує еволюційний прогрес.
Вам знайомі такі уявлення? Що, неужели навіть звичні? Як їх назвати? Один з вдалих варіантів - \"генетика горохового мішка\" (тут грається те, що СТЕ розглядає кожну ознаку окремо, як окремі горохи, пересипаються у мішку). Даже жалко: така стройна картина - і неправильна. Особливо згубні для неї два обставини. Ефект кожного алелю залежить від того, у якому генетичному оточенні він опинився і в яких умовах відбувається розвиток організму. Прямого відповідності, яке дозволяє по ознакам організму визначити його гени, немає - однакові удачі, яким благоприятствує відбір, можуть розвиватися на самій різній генетичній основі або просто у результаті специфічної дії середовища. Чем складніший організм, тим складніші зв\'язки, які впливають на розвиток його ознак. Почитайте: я досить докладно описував ускладнення зв\'язку між генами і ознаками у одній з попередніх колонок.
Думаєте, це все? Є ще одна проблема. Даже при однозначному відповідності між генами і ознаками, відбір одночасно по декільком генам виявляється крайньо неефективним (і це ми затрагували ще в одній старій колонці).
Останнє твердження часто називають \"ділемою Голдейна\". Це обставина була вперше осознана у статті \"Ціна природного відбору\", опублікованій у 1957 р. Джоном Голдейном (1892-1964), одним з творців СТЕ. Я не згоден з формулюванням ділеми Голдейна, яке пропонує Вікіпедія; її сутність - саме у неефективності відбору, який іде одночасно по багатьом генам, а не у якійсь оцінці швидкості еволюції. На відміну від автора згаданої статті Вікіпедії, я (вслід за Расницьким) дивуюся не тому, як швидко йде еволюція, а тому, наскільки вона зазвичай йде повільно (порівняно з прикладами, які показують доступні для неї швидкості змін).
Суміщати СТЕ і ЕТЕ можна ще довго. Приведу лише ще одну деталь. Для СТЕ спадковість - невідомо звідки взявся вияв живого. Спочатку виникли гени, які \"уміли\" визначати ознаки, потім відбір ознак привів до еволюції генів. Для ЕТЕ спадковість - результат відбору. Здатні до копіювання (розмноження) системи виявлялися успішними, якщо на зміну одиницям відбору, відповідним вимогам середовища, приходили схожі на них. Спадковість - наслідок відбору на відтворення збереженої відбором норми.
Чому ж до цих пір ЕТЕ залишається уделом інтелектуальної меншості біологів, а переважна більшість продовжує \"по умолчанию\" опиратися на СТЕ? Тут багато причин. СТЕ побудована на лінійних ланцюгах \"причина - наслідок\", до аналізу яких добре пристосована наша структура мислення. Задача аналізу властивостей системи управління розвитком складного організму значно складніша задачі трьох тіл, про які я розповідав у колонці, на яку дав посилання у попередньому реченні.
На круглому столі мова йшла про деякі з цих речей. Природно, Олександр Павлович зробив акцент на проблемі, з якою пов\'язаний його внесок у розвиток ЕТЕ, - проблемі адаптивного компромісу як еволюційної пастки (я писав про це в попередній раз). У екологічно стабільній ситуації аберантні особини практично не мають шансів вижити: вони практично неминуче будуть програвати компромісній нормі у якійсь важливій ознаці. Саме в цьому корениться причина стійкості багатьох видів (інакше, особливо у видів без статевого розмноження, цілком загадкової). Шанси вижити у аберантних особин з\'являться тільки у тому випадку, якщо характер природного відбору суттєво зміниться, а попередні вимоги до їх організації виявляться зняті.
Ітак, специфіка ЕТЕ - увага до організму як цілісної системи, яка розглядається феноменологічно, а не аналітично. Такий підхід діаметрально протилежний типічній редукціоністській логіці молекулярної біології. Знаєте, як важко молекулярщикам сприймати ЕТЕ? Це було видно навіть на круглому столі. Я мав задоволення спостерігати, як слухали Расницького спеці з епігенетичного спадкування. У даному випадку слово \"епігенетичний\" не має стосунку до ЕТЕ: мова йде про спосіб регуляції генної активності за допомогою \"розметки\" ланцюга ДНК, яка забезпечується хімічною модифікацією окремих нуклеотидів. Так ось, редукціоністи-молекулярщики щиро страждали! Розумування Расницького мали б видатися їм жахливою метафізикою, не то що тривимірні реконструкції макромолекул. Впрочем, це не завадило особливо виразним страдальцям відправитися фотографуватися разом з Олександром Павловичем після закінчення заходу.

Слухати виклад незнайомих думок важко, але сфотографуватися з класиком цікаво
Як зробити ЕТЕ зрозумілою і прийнятною для \"ширеної біологічної громадськості\"? Мені здається, її треба спробувати максимально формалізувати, відобразити у моделях. Можливість формалізації - це перевірка логічності і непротиворічивості тієї чи іншої системи поглядів. СТЕ частково формалізована: з самого початку вона опиралася на математичну теорію відбору, яку розвивали блискучі біологи-математики: Рональд Фішер (1890-1962), Сьюел Райт (1889-1988), вже згаданий Джон Голдейн. Створені ними моделі працювали тільки для обмеженого набору простих випадків, але зате для цих випадків працювали добре. Для складних, еволюційно значимих випадків формалізувати СТЕ не вдається, крім іншого, через ділему Голдейна. На моє оцінку, це прояв глибокої внутрішньої протирічливості СТЕ.
Мені здається, що у ситуації вибору між нормою і абераціями можна уйти від обмежень, які накладає на хід еволюції ділема Голдейна. Уви, поки зрозуміти, як формалізувати цю догадку, я не можу.
А чому логіка ЕТЕ не відображена у зрозумілих моделях досі? Причин багато. По-перше, це дуже складна задача. По-друге, як підкреслив Олександр Павлович, прихильників ЕТЕ, які справді розуміють її сутність, до болю мало. В-третє, просто час не прийшов: ми погано уміємо описувати властивості складних систем і, можливо, знаємо ще не всі механізми передачі інформації у ході онтогенезу.
Є над чим працювати.
"
}