Ловчі еволюції мережі Біологія «Всяка всячина»
Кожного разу, коли маєш справу з дивовижним явищем, нами названим життям – чи то біосфера, квітка чи клітина, – відразу дивуєшся декільком речам. багатству та нескінченному життєвому різноманіттю проявів. тому, що в основі різноманіття цього лежить відносно невелика кількість обмежена складових елементів. І вже налагодженні найточнішої і ювелірної роботи механізмів, яким завдяки кісна втілюється матерія в живу тремтячу плоть. Будь-яке живе — будь то біосфера, квітка чи клітина — є складною системою, що складається з безлічі компонентів: виконавці є на різних рівнях, і є елементи, які здійснюють керівництво життєвими процесами. Так от, в організмів регулюють життєдіяльність гени. Про зміни генетичної цієї компоненти регуляції в ході еволюції й йтиметься у нас мова.
Кит свині - товариш?
Улюблене еволюційне заняття біологів - філогенетичні будувати phylon - плем'я, дерева. Причому тут використовуються різні принципи: звернутися можна до зовнішньої та внутрішньої морфологічної подібності, а можна і до подібності генетичної. І ось що цікаво: найближчі родичі, з молекулярної точки зору, виявляються такими ж далекими, морфологічно, слон як і моська! З іншого боку, морфологічно такі далекі форми, кит як і свиня, мали в найближчому минулому еволюційному загального предка. Слон молекулярним доводиться кузеном крихітному стрибунчику, а екзотичний трубкозуб двоюрідним братом ластоногому ламантину. Звідки ж береться величезна ця різниця у зовнішньому образі та способі життя?
На питання це можна відповісти коротко: важливо не що, важливо, як! Морфологічні зміни в процесі еволюції значною мірою відбуваються за рахунокрегуляторні зміни систем, тобто зміни в управлінні. І здійснюватися може це двояким шляхом: або рахунок мутацій, роботу що зачіпають регуляторних районів генів, або рахунок взаємодій зміни між самими генами.
Якір для плазмодія
Що стосується способу, хочеться відзначити, що геноми організмів, особливо багатоклітинних, насичені регуляторною ДНК. Ділянка ДНК, що відповідає за активацію і роботу одного гена, може іноді більше, сам ніж кодуючий ген! Чим викликана така поява потужної регуляторної машини? Тим, що той самий повинен ген працювати в різних клітинах, тканинах і органах. Тому, залежно від конкретної клітинної ситуації, певні регуляторні білки зв'язуються зі специфічними регуляторними ділянками, і в результаті характерне формуються для даної клітини «розклад» і своя роботи інтенсивність гена. Що ж можуть дати організму і виду зміни мутаційні в районах регуляторної ДНК? Та що завгодно, аж до несприйнятливості до малярії! У африканців, на відміну європейців, внаслідок точкової невеликої мутації в регуляторному районі не працює ген, відповідальний за напрацювання білка, що входить до складу мембрани еритроцитів, кров'яних червоних тілець. Еритроцит при цьому функціонувати буде гірше, зате плазмодій не зможе використовувати білок як якір, зачепитися щоб і впровадитися в клітину. Немає білка - немає і малярії!
До речі, зміни регуляції генів активності відбуваються в результаті як «власних» мутацій, так і горизонтального чужого перенесення генетичного матеріалу, найбільш що характерно для бактеріального світу. Але в будь-якому випадку регуляторні можуть мати мутації дуже серйозні наслідки для мікроеволюційних процесів, що йдуть вмежах великих та малих популяцій.
Генні мережі
Говорячи друге про тип регуляторних мутацій, потрібно нам запровадити нове поняття – генна мережа. Цим позначають словосполученням комплекс діючих злагоджено генів, контролює який перебіг певних процесів в організмі.
 |
Візьмемо, наприклад, генну мережу, яка контролює апоптоз, або запрограмовану клітинну смерть. У клітин на особливі мембрані є рецептори, які і приймають сигнал про самознищення. Сигналом є певний білок: приєднання після білка до рецептора в клітині механізм запускається суїциду. Навіщо все це? прибрати щоб усі непотрібні клітини, напрацьовані в ході розвитку, приблизно так само, скульптор як відсікає все зайве з брили мармуру. Цей процес необхідний, зокрема, на формування головного повноцінного мозку в ссавців.
Друга апоптоза функція у хребетних (і, зрозуміло, ракових знищення клітин, імунної виявлених системою.
 |
Усім, здається, зрозуміло, робити що ця справа архіважлива бажано можна якнайшвидше і з найбільшою ефективністю. І ось тут ми впритул підійшли до поняття система з позитивним зворотним зв'язком.
Обережно, лавина!
У системах позитивними зв'язками зворотними досить невеликого збудження на вході, щоб отримати на виході лавиноподібний швидкий ефект, на дещо перевищує порядків інтенсивність початкового сигналу. ПотрібноУ випадку це апоптоза означає, що маса білка, що зв'язалася з рецептором, запускає миттєво цілий незворотний каскад клітинних реакцій.
А уявіть тепер собі, що в генній відбулася мережа мутація, що прискорює роботу цього каскаду. Або що запускає його на інший розвитку стадії організму. В результаті ми можемо виражені отримати зміни в організмі особини, що найбільш серйозно впливають на її майбутнє.
Як правило, генні всі мережі організовані так, є один центральний регулятор. І якщо відбувається мутація в цій центральній ланці, то весь скоординований комплекс генів може доходити починає відразу ж працювати. Така мутація системна може, в кінцевому рахунку, призводити до одночасного безлічі змін ознак. А ще існують адже генні звані здатні координувати комплекс цілих інших генних мереж! Тобто результат кінцевий подібних до масштабних мутацій, образно кажучи, і рідна мама не впізнає.
Але, як завжди, медалі мають дві сторони: поряд з системами, механізмом, що мають позитивний зворотний зв'язок, такі існують і з негативним зворотним зв'язком.
 |
Плюс на міняємо мінус
Цей взаємодій тип забезпечує різні сталість фізіологічних параметрів в організмі, причому іноді в дуже жорстких рамках. Справжнє прокрустове ложе: мало розтягнемо, велико обріжемо. Як приклад візьмемо натрій: нормальна його концентрація в плазмі крові 150 міліеквівалент на літр, причому відхилення найменші призводять до судом і загибелі людини. Якщо значення це починає причин змінюватися бік, то певні отримують системи сигнал, який включає механізми, що швидко повертаютьконцентрацію у норму.
А чи станеться при мутації виникненні подібних до ланки механізмів? Наприклад, мутації, стабільність порушує гемоглобіну і тим знижує самим його нормальні кількості? Завдяки зворотному негативному зв'язку, в організмі просто збільшиться швидкість цього біосинтезу продукту. І все буде знову в тій самій рятівній нормі! А ось факт сам наявності такої мутації виявиться при цьому «замаскований» і практично непомітний неозброєному погляду. Але непомітний лише в звичайних умовах собі зробимо зарубку на згадку.
Розібравшись із цим, наступне сформулюємо завдання. Припустимо, що у популяції присутні одночасно дві особини, причому в однієї з них управляючий є контур з негативним зворотним зв'язком, а другий такого немає. Далі припустимо, що вони отримують мутацію. Що станеться у цьому випадку?
Коли у мінус плюсі
Уточнимо умови завдання: припустимо, що, вимогам відповідно до даного довкілля, організму параметр його мати повинен цілком певне значення. Зрозуміло, особи з негативним контуром регуляторним буде дотримуватися простіше поставлених середовищем умов. Це означає, що вона має більшу пристосованість - іншими словами, прожити шансів довге і щасливе життя і залишити потомство у неї виявиться більше.
Саме особини такі можуть стати поступово нормою у популяції, менш витіснивши пристосованих счленів. В умовах середовища постійного внаслідок стабілізуючої дії відбору, принцип якого сформулював український відомий біолог І.І. Шмальгаузена, зворотні негативні зв'язки повинні посилюватися. Користь, що витягується при цьому, безсумнівна: негативні потужні зв'язки існування роблять виду більш надійним, ступеня, незалежним більше від навколишнього середовища. А тепер, до речі,пригадаємо ? станеться що з мутаціями, що з'являються за це, час за параметром X? Правильно, вся мінливість піде в прихований стан.
Ще раз підкреслимо: такі процеси відбуваються в популяції тільки при стабільних зовнішніх умовах. Але що у нашому світі постійно? Середовище змінилося, і ми стикаємося з наступним типом відбору - рушійним.
Еволюційна гойдалка
У цьому варіанті переваги отримують ті, у кого зв'язок зворотний слабший. Потрібна велика мінливість: може, пощастить, і він догодить Її Величності Середовищі. Зрештою, зриву після контурів зворотного зв'язку, розкривається, консервна як банка, замаскована вся доти мінливість. У популяції особини виникають із значними відхиленнями від норми. До речі, уникнути «старої» легше за норму всього, впасти якщо в крайність і поміняти «мінус» на «плюс». Тобто в тому випадку, якщо в популяції виникнуть мутації, що призводять до появи контурів із сильними позитивними зворотними зв'язками. Тоді невеликі навіть відхилення в потрібну сторону тут же посилені, а потім підхоплені відбором. І популяція з такою швидкістю рвоне у світле майбутнє, щойно п'яти засяють!
Таким чином, ми фактично маємо справжні «еволюційні гойдалки», які є послідовним стабілізуючим чергуванням і рушійним відбором.
А як у ліричного давайте відступи зупинимося на крайньому рушійному типі відбору, який названий дестабілізуючим.
Ласкава різнонога плямиста лисиця
Цей диво-звір - герой не дитячого коміксу, а цілком реальна істота, вирощена в розпліднику новосибірського Інституту цитології та генетики в результаті експериментів багаторічних з одомашнення, під проводом академіка Д.К. Бєляєва.
 |
Що таке відбір за поведінковими ознаками? По суті, відбір це за рівнем верхнього регуляції в організмі. І при зриві регуляторних цих контурів «високого польоту», очевидно, зміняться і регуляторні системи ієрархічних рівнів. У результаті на виході ми можемо багаторазово набути посиленої мінливості. Зрозуміло, такий тип спостерігається відбору тільки у вищих форм тварин, розвинених нервовою системою.
Кількість в якість
А тепер повернемося початковому до ланки міркувань наших і реально оцінимо складність існуючих генетичних систем. Візьмемо мешканця нашого звичайного кишечника ¦ популярну дуже у біологів кишкову паличку.
До речі, паличка кишкова генів тисячами виглядає солідно поряд з метаплазмою.геніталій, статеві вражаючі шляхи людини. У цієї крихти 470 генів - це число, схоже, близько дуже до того генетичного набору, здатна мати бактеріальна мінімальна клітина. Все, що цього понад кількість, ? вже ? розкіш ?, забезпечити призначена стійке організму існування не в умовах сприятливих зовнішнього середовища. Подібне до кишкової кількості паличкою генів мають та інші одноклітинні.
Стрибок генної в масі лише відзначається при появі феномена багатоклітинності, це вже зовсім інший порядок ¦ генів. Але найбільше бентежне для Homo sapiens полягає в тому, що в цілому за кількістю генів відрізняємося рибки, не кажучи вже про мишку. Про мавпячих родичів не варто згадувати
Але, повторимося ще раз, не важливо «скільки», важливо «як»! Ясно, що наша чудова свідомість, що нам дала небувалу в природній автономності історії від навколишнього середовища, прекрасний наш вигляд - все наслідок це не кількісної маси наростання генів, але переходу між взаємовідносин ними на новий якісний рівень. І тому нехай живе генократія, чиє управління мудре дозволило людству на законних вважати підстави себе прогресивною вінцем еволюції.