Изменчивость

В связи с помехоустойчивостью уместно обсудить еще одно важнейшее свойство живых систем – изменчивость. Очень важная логическая связка: от помехоустойчивости к изменчивости, от изменчивости – к эволюционной пластичности, к способности организмов приспосабливаться к новым условиям.

· Изменчивость - основополагающее свойство живых систем. За редкими исключениями, все живые организмы – разные, в том числе генетически, по своим наследственным свойствам (об этом важно помнить, потому что без этого не понять, как все устроено в жизни. Этого обычно не понимают по психологическим причинам).

· Основной источник изменчивости – мутации, не отсеиваемые немедленно отбором, то есть нейтральные или слабовредные (слабополезные встречаются намного реже).

· Изменчивость логически тесно связана с помехоустойчивостью. Благодаря помехоустойчивости многие мутации не приносят большого вреда, то есть являются нейтральными. Отбор их не отсеивает, и они могут накапливаться. Помехоустойчивость способствует накоплению нейтральной изменчивости, в том числе так называемой «скрытой» изменчивости. То есть изменчивости, которая в данных условиях не влияет на приспособленность, но если условия изменятся, эта изменчивость может оказаться важной для выживания и размножения.

· Выход из строя специальных механизмов поддержания помехоустойчивости может привести к взрывообразному росту видимой изменчивости.

· Накопленная изменчивость делает организмы «эволюционно пластичными», то есть способными быстро приспосабливаться к новым условиям.

Нужно пояснить пункт о «механизмах» поддержания устойчивости.

Под действием отбора развиваются специальные адаптации (приспособления) для повышения помехоустойчивости. Мы рассмотрим два примера таких адаптаций – регуляторные контуры с отрицательной обратной связью и белки-шапероны.

Это пример регуляторного контура с отрицательной обратной связью.

ШАПЕРОНЫ. У всех живых организмов есть особые белки – шапероны, функция которых состоит в том, что они помогают другим белковым молекулам принять «правильную» трехмерную конфигурацию. Трехмерная структура белков может быть нарушена из-за мутаций в генах, кодирующих эти белки, или, например, из-за перегрева (теплового шока). Шапероны одинаково эффективно справляются с обоими видами помех: и с мутационными, и с температурными. Ведь результат у них один и тот же: неправильная трехмерная конфигурация белковых молекул.

Как шапероны опознают не свернутые или неправильно свернутые белковые молекулы? Они опознают их, в частности, по торчащим наружу гидрофобным участкам. У большинства правильно «упакованных» белков гидрофобные участки находятся внутри глобулы. Это основной принцип их сворачивания. Но если из-за мутации или перегрева белок не смог сам свернуться в правильную глобулу, шапероны узнают их по торчащим гидрофобным участкам. Шаперон присоединяется к таким белковым молекулам и сжимает их, как тисками, используя для этого энергию АТФ. Во многих случаях это приводит к тому, что даже мутантный белок, не способный самостоятельно принять нужную конфигурацию, в итоге оказывается свернутым правильно и может выполнять свою функцию. Таким образом, нормально работающие шапероны не дают проявиться многим потенциально вредным (а иногда и потенциально полезным) мутациям других белков.

Существование шаперонов не дает многим мутациям проявится, и такие мутации накапливаются, формируя запас «скрытой изменчивости».

У животных и растений один из главных шаперонов называется Hsp-90 (от heat shock protein). Установлено, что мутации, нарушающие работу Hsp90, приводят к дестабилизации развития у животных и растений, что проявляется в многочисленных аномалиях и уродствах. В основном эти аномалии представляют собой проявления «скрытой изменчивости», то есть мутаций, которые уже существовали в данной популяции, но не проявлялись, пока Hsp90 работал нормально. Благодаря нормальной работе Hsp90 эти мутации не подпадали под действие отбора и могли спокойно накапливаться.

---------------------------------------------------

Еще один пример исследования, в котором было продемонстрировано дейстиве механизмов устойчивости к мутациям. Шведские генетики в 2005 году создали генно-модифицированных бактерий – сальмонелл, у которых скорость мутагенеза можно было искусственно увеличить, просто добавляя в среду совершенно безвредное вещество – сахар арабинозу.

Кстати, как это можно сделать? – вставить в геном бактерии ген склонной к ошибкам ДНК-полимеразы и присоединить к нему энхансер, регуляторную последовательность, чувствительную к какому-то веществу, например, арабинозе.

После этого следили за накоплением мутаций в геномах этих бактерий и за тем, как эти мутации сказываются на приспособленности. Приспособленность у бактерий обычно определяют просто по скорости размножения. Вредных мутаций всегда возникает больше, чем полезных, поэтому бесконтрольное накопление мутаций у бактерий с повышенной скоростью мутагенеза должно вести к снижению приспособленности. Поначалу так оно и было: первые несколько десятков мутаций вели к быстрому снижению приспособленности. Но потом произошла удивительная вещь: мутации продолжали накапливаться, а вот снижение приспособленности очень резко замедлилось. Как будто вновь возникающие мутации вдруг перестали быть вредными. В чем дело? Оказалось, что бактерия, отягощенная большим количеством вредных мутаций, в какой-то момент начинает производить в большом количестве... ВОПРОС К ЗАЛУ: догадайтесь, что начинает бактерия производить в больших количествах, когда груз вредных мутаций становится значительным?

- белки-шапероны. Шапероны помогают мутантным белкам правильно свернуться и тем самым компенсируют, сглаживают вредный эффект многих мутаций. Бактерии начинают вырабатывать много шаперонов, и дальнейшее накопление потенциально вредных мутаций перестает приводить к такому быстрому снижению приспособленности, как вначале. Это пример экспериментальной демонстрации роли шаперонов в повышении устойчивости организма к мутациям.

-------------------------------------------------

Повторение тезисов по помехоустойчивости и изменчивости

Живые существа в целом и отдельные их блоки (подсистемы), как правило, обладают высокой «помехоустойчивостью». Это значит, что многие случайные «помехи» (внутренние — мутации, или внешние — колебания условий среды) тем или иным способом компенсируются и не приводят к снижению приспособленности, то есть не вредят организму. Естественный отбор поддерживает развитие адаптаций (приспособлений), повышающих устойчивость организма к «помехам», в частности, к потенциально вредным мутациям.

Помехоустойчивость ведет к тому, что в популяции свободно накапливаются мутации, которые до поры до времени не оказывают заметного влияния на приспособленность (остаются «нейтральными») или даже вовсе не проявляются в фенотипе, то есть в строении организма. Но если какой-то из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость, выйдет из строя, вся эта накопленная скрытая изменчивость может внезапно «выйти наружу», и тогда в популяции произойдет всплеск видимой (явной) изменчивости.

Скрытая изменчивость может играть важную роль в эволюции, помогая популяциям приспосабливаться к новым условиям. Некоторые мутации, бывшие нейтральными в прежних условиях, могут оказаться полезными при изменении среды. Чем больше таких мутаций накопилось в генофонде популяции, тем больше шансов, что хоть какие-то из них «пригодятся» в новых условиях.

Таким образом, отбор, «пытаясь» сделать организмы устойчивыми, делает их пластичными.

------------------------------------------------

Домашнее задание: Доделать словарь из 30 слов; сегодня мы разберем вкратце те термины, которые еще не разбирали на лекциях. Глава 7 «Управляемые мутации» из кн. «Рождение сложности».