Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Шрифт:
«Когда химики или физики обнаруживают, что некая нулевая гипотеза может объяснить только 1 процент полученных ими данных, они немедленно начинают искать другую, лучшую гипотезу. Но похоже, с микробной эволюцией дело обстоит иначе, что не может не беспокоить. Возможно ли, что многие биологи изо всех сил хотят отыскать древо жизни, невзирая даже на то, что говорят им факты?»
В настоящей главе я представляю полное разбиение эволюции прокариот на древовидные и сетевидные компоненты, которые, как мне кажется, вполне могут объективно определить роль и место древ в нашем понимании эволюции, а также в определенной степени разрешить полемику вокруг ДЖ. Однако, прежде чем приступить к этому количественному анализу, мы рассмотрим на концептуальном уровне корни «древесного мышления» [58] .
58
Эта глава преднамеренно кратка, и в ней без лишних отступлений описываются последние исследования, которые, на мой взгляд, отражают текущее состояние проблемы ДЖ. Интересный исторический обзор можно найти в книге Саппа, также включающей в себя обсуждение современного состояния «древесного мышления» (J. Sapp, The New Foundations of Evolution: On the Tree of Life Oxford. Oxford University Press, 2009). Еще более
Фундаментальные единицы эволюции и присущая им древовидная природа
Как было рассмотрено в главе 2, репликация генетического материала, процесс, по самой своей сути предрасположенный к ошибкам, является одновременно и условием, и прямой причиной эволюции. Критическим в определении статуса древа в биологии является то, что репликация и непременно следующая за ней эволюция суть по природе своей древовидные процессы (Koonin and Wolf, 2009a). И в самом деле, воспроизводящаяся молекула порождает две копии (в случае полуконсервативной репликации дцДНК, которая происходит во всех клеточных организмах и во многих вирусах) или множество копий (в случае консервативной репликации вирусов с геномами, представленными оцДНК или оцРНК) с ошибками, что приводит к древовидному процессу разветвления (см. рис. 6–1). В терминах теории графов – такой процесс может быть изоморфно представлен в виде особой формы направленного ациклического графа, известного как древовидное образование (arborescence) – то есть обобщенное дерево, в котором допустимы множественные разветвления, а все ребра направлены в противоположную от корня сторону (см. рис. 6–1). Хотя случайное вымирание одной или обеих молекул-потомков порождает вершины, не испускающие ребер, такой граф остается древовидным образованием; определение этого класса графов не требует, чтобы листья находились на одном уровне (см. рис. 6–1; здесь и далее вместо термина «древовидное образование» я буду использовать более распространенный термин «дерево»).
Рис. 6–1. Дерево (древовидное образование) как изоморфное представление предрасположенного к ошибкам процесса репликации генов. Схематическое изображение истории репликации генетического элемента, включающее как раздвоения, так и множественные разветвления (отмечены звездочкой). Зафиксированные мутации показаны штрихами. Адаптировано из Koonin and Wolf, 2009a.
Потенциально серьезным осложнением для древовидного характера эволюции является рекомбинация. Будучи широко распространенной, рекомбинация может превратить представление истории воспроизводящегося ряда поколений из дерева (см. рис. 6–1) в сеть (или, того хуже, в полную кашу). Возможно ли определить фундаментальный, «атомный» уровень генетической организации, на котором рекомбинацией можно пренебречь? Это представляется сомнительным в случае гомологичной рекомбинации, широко распространенной во время совместной репликации близкородственных последовательностей, в частности у эукариот, вовлеченных в обычные половые отношения, и у «квазиполовых» прокариот. Чаще всего единицей гомологичной рекомбинации является одиночная пара оснований. Однако гомологичная рекомбинация не может происходить между отдаленно родственными последовательностями, поэтому ГПГ между таксономически удаленными прокариотами подразумевает только негомологичную (незаконную) рекомбинацию, которой способствуют специфические механизмы, такие как распространение генов через бактериофаги и плазмиды (см. гл. 5). В отличие от гомологичной рекомбинации, следует ожидать, что эволюционная фиксация событий негомологичной рекомбинации вне генов или между частями генов будет гораздо предпочтительнее; сохранение целостности гена после негомологичной рекомбинации внутри генов крайне маловероятно. Распространенность внутригенной рекомбинации в ходе ГПГ между отдаленно связанными прокариотами не изучалась сколь-нибудь подробно. Тем не менее как минимум одно исследование показывает, что сегменты, кодирующие сравнительно небольшие белковые домены, в значительной степени избегаются рекомбинацией (Chan et al., 2009). Отсюда следует важный и правдоподобный, хотя и не подкрепленный пока что в достаточной мере данными, вывод: из-за гомологичной рекомбинации эволюционная история гена или домена представляет собой сетевую структуру на малых масштабах, но преимущественно древовидную на больших (см. рис. 6–2).
Рис. 6–2. Эволюция гена имеет сетевой вид на малых масштабах, но древовидный на больших. Изображение схематично описывает эволюцию четырех генов. История расхождения каждого гена была вычислена на модели произвольной гомологичной рекомбинации с экспоненциальным снижением частоты рекомбинации с расхождением последовательностей. На каждом шаге моделирования два дочерних гена расходились на постоянную величину (расхождение по принципу молекулярных часов) и либо подвергались гомологичной рекомбинации (что сводило разницу между ними к нулю), либо нет, сохраняя существующее состояние расхождения. После некоторого количества коротких периодов расхождений и рекомбинаций гены стохастически расходились достаточно далеко, чтобы (гомологичная) рекомбинация стала крайне маловероятной. После этой точки они продолжали расходиться без рекомбинации. На большом масштабе это выглядит как простое раздвоение на дереве-графе. Адаптировано из Koonin and Wolf, 2009a.
Форд Дулитл и Эрик Батист предположили и продемонстрировали на весьма убедительных примерах, что с помощью дерева можно легко описать отношения между объектами, которые отнюдь не связаны общей родословной, a потому «древесное мышление» не следует считать априорно применимым или, во всяком случае, центральным в биологии (Doolittle and Bapteste, 2007). Несмотря на то что аргумент этот сам по себе обоснован, в нем упускается из вида то принципиально важное обстоятельство, которого мы касались выше, а именно что дерево – это неизбежное формальное следствие истории репликации нуклеиновых кислот и последующей эволюции. Таким образом, деревья нельзя убрать из эволюционной биологии по фундаментальной причине: они изначально присущи эволюционному процессу. И тогда
На концептуальном уровне ответ на заданный выше вопрос кажется ясным: фундаментальную единицу эволюции можно в целом удовлетворительно определить как самую малую порцию генетического материала с отчетливой эволюционной траекторией — то есть такую, которая развивается независимо от других таких же единиц на протяжении достаточно длительного эволюционного периода. На практике, учитывая динамический характер эволюции прокариот, описанный в главе 5, критерию фундаментальной единицы древовидной эволюции отвечает геномный локус, кодирующий РНК или белок (или индивидуальный эволюционный домен). (Очевидно, такая единица соответствует гену, за исключением мультидоменных белков.) В самом деле, как впервые явно отметил Ричард Докинз (Dawkins, 2006), гены в большой степени эгоистичны, то есть подвержены отбору, частично независимому от других генов. В условиях обширного ГПГ ген или оперон потенциально может оказаться в широком спектре организмов. Конечно, обычно это происходит, когда некий ген дает селекционное преимущество организму-носителю, поэтому эволюция генов и эволюция организмов тесно связаны.
Осознание того, что отдельные гены, в противоположность геномам, являются «атомами» эволюции, ставит под сомнение самую идею ДЖ. Тем не менее, как было показано выше, деревья невозможно убрать из какого бы то ни было описания эволюции, по той простой причине, что репликация генетического материала – процесс по сути своей древовидный. Эти два фундаментальных наблюдения вместе приводят к логичному заключению о том, что должно прийти на смену ДЖ: лес жизни (ЛЖ), то есть совокупность филогенетических деревьев всех генов (за очевидным исключением ОРС). В таком случае реконструкция истории жизни (ясно, что не всей истории полностью, но ее «скелета») не так проста, как анализ топологии ДЖ. Эта реконструкция требует картирования ЛЖ в поисках «рощ» подобных деревьев, которые могут быть отражением долгосрочных тенденций связанной (вертикальной) эволюции наборов генов, и «лиан» ГПГ. Представляется, что всестороннее исследование ЛЖ и есть главная цель филогенетики. В следующем разделе я преимущественно рассматриваю результаты недавних исследований ЛЖ, проведенных совместно с моими коллегами Пере Пуигбо и Юрием Вольфом (Puigbo et al., 2009, 2010). Это ни в коем случае не единственные исследования, сравнивающие филогенетические деревья и пытающиеся провести различия между вертикальной и горизонтальной тенденциями в эволюции. Однако эта работа соответствует современным требованиям, и мне кажется, что мы нашли пригодные способы для представления отношений между деревьями многочисленных генов, поэтому краткое изложение этих результатов дает хорошее представление о структуре ЛЖ. (Изложение в следующих двух разделах носит заметно более специальный характер, чем эта книга в целом; некоторые читатели могут решить сразу перейти к заключительным параграфам каждого раздела, а затем и к краткому обзору главы.)
Лес жизни и почти универсальные филогенетические деревья
В принципе в ЛЖ входят деревья для «всех» генов. Однако на деле работать с тысячью или около того геномных последовательностей прокариот (это число увеличится на несколько сотен к тому времени, когда эта книга будет опубликована) тяжело технически, поскольку максимально правдоподобные (maximum likelihood) методы построения деревьев, обеспечивающие наилучшее разрешение, тяжелы в вычислительном отношении (то есть плохо масштабируются с увеличением числа видов). К счастью, использование всех геномов, видимо, не так уж и важно. Несмотря на динамичную эволюцию прокариот, гены ядра и оболочки в близкородственных организмах (идентифицированные, к примеру, по высокому сходству последовательностей рРНК или других генов ядра) большую часть времени эволюционируют синхронно (a только гены ядра и оболочки распространены достаточно широко для получения информативных филогенетических деревьев). Таким образом, тщательно отобранного представительного набора организмов должно быть достаточно для определения главных тенденций в ЛЖ. Для исследований, которые здесь рассматриваются, мы сконструировали такой набор из 100 геномов прокариот, 41 архейного и 59 бактериальных (в дальнейшем в этой главе мы ссылаемся на эти прокариоты как на виды – с полным осознанием ограничений этой концепции, которые были отмечены в гл. 5). Деревья были построены для всех наборов ортологов с более чем четырьмя членами (минимальное число последовательностей, необходимых для построения бескорневого дерева), таким образом, в общей сложности мы получили 7000 деревьев. Как и ожидалось, с учетом структуры генного пространства прокариот из ядра, оболочки и облака, описанной в главе 5, большинство из этих деревьев маленькие: только 2040 состояли из более чем 20 видов, и лишь небольшой набор из 102 почти универсальных древ (ПУД) [59] включали более 90 процентов проанализированных прокариот.
59
В оригинале NUTs (Nearly Universal Trees), весьма многозначное сокращение… Предоставляем читателям самим в этом разобраться.
Обычно филогенетики пытаются определить ГПГ путем сравнения деревьев отдельных генов с заданным заранее «древом видов». Однако, как мы увидели в предыдущем разделе, сама концепция «древа видов» сводится на нет всепроникающим ГПГ и эгоистичностью отдельных генов, которые являются фундаментальными единицами древовидной эволюции. Мы попытались исследовать структуру ЛЖ, не руководствуясь какой-либо предвзятой идеей стандартного древа, с которым следует сравнивать все остальные деревья. С этой целью мы проанализировали полную матрицу топологических расстояний между деревьями; это была довольно большая матрица, включающая почти 24 миллиона попарных сопоставлений деревьев, хотя многие клетки в матрице были пусты, потому что соответствующие деревья состояли из непересекающихся наборов видов.
На рис. 6–3 ЛЖ представлен в виде сети, где каждый узел соответствует дереву. Мы видим, что группа ПУДов занимает особое место в этой сети: около 40 процентов деревьев крайне похожи как минимум на один из ПУДов. (Два дерева считаются топологически подобными, когда различия в соединениях между их ветвями незначительны; из топологических различий высчитываются расстояния между деревьями. Подробности этих вычислений мы опустим.) Напротив, при использовании того же порога сходства 102 случайных дерева того же размера, что и ПУДы, были связаны всего лишь с примерно 0,5 процента деревьев в ЛЖ. Таким образом, существует высокое и неслучайное топологическое подобие между ПУДами и значительной частью ЛЖ.