Ламарковский, дарвиновский и райтовский режимы эволюции и критерии для обнаружения ламарковского наследования

Прежде чем обратиться к широкому кругу явлений, в которых можно усмотреть все или некоторые признаки эволюционного механизма, ассоциирующегося с именем Ламарка, необходимо сформулировать суть ламарковского подхода и критерии, которым эволюционный процесс должен удовлетворять, чтобы считаться ламарковским. Я не рассматриваю подробно различия между оригинальными взглядами Ламарка и многочисленными их последующими интерпретациями; напротив, я хочу сосредоточиться на вычленении сущности того, что обычно известно как наследование приобретенных признаков и эволюция по Ламарку. Концепция наследственности Ламарка, будучи одним из двух краеугольных камней его эволюционной теории (Gould, 2002), зиждется на двух принципах, которым Ламарк в своей «Философии зоологии» и других работах придавал статус фундаментальных законов:

1. Использование или неиспользование органов.

2. Наследование приобретенных признаков.

Ламарк напрямую связывал «использование или неиспользование» с воздействием среды на «повадки» организма и, через эти повадки, на «форму и свойства» частей тела. При этом он, конечно, полагал, что такие адаптивные, вызванные воздействием среды, изменения наследуются. Ламарк писал: «Природа дает нам несчетные… примеры воздействия среды на поведение, а поведения на формы, организацию и пропорции частей тела животных». Таким образом, его идея наследственности была основана на трехкомпонентной причинно-следственной цепочке: среда – поведение – форма. Ламарк настаивал на важности изменений поведения в качестве промежуточного звена, связывающего окружающую среду с (наследуемым) изменением формы организма:

«Каково бы ни было влияние природных условий, они не вырабатывают непосредственных модификаций формы и организации животных. Однако серьезные перемены в окружающей обстановке влекут за собой изменение стимулов, а смена стимулов с неизбежностью приводит к перестройке поведения. И тогда, если новые потребности становятся постоянными, у животных вырабатываются новые повадки, которые сохраняются столько времени, пока действуют стимулы, породившие их» (Lamarck, 1809).

Ламарк ни в коем случае не был единственным, кто верил в наследование приобретенных признаков: по-видимому, таково было всеобщее убеждение того времени. Однако он был более конкретен, чем другие, в разъяснении цепи причин наследственности и, что более важно, сделал эту схему основой своей незаурядной концепции эволюции. Другим основанием эволюционной теории Ламарка была его убежденность в присущем эволюционирующим организмам стремлении к усложнению организации – или, попросту, прогрессу – которое, в глазах Ламарка, определяет процесс биологической эволюции вместе с наследственностью, как он ее понимал.

Хотя для обозначения этой фундаментальной тенденции Ламарк часто использовал словосочетание «жизненная сила» (pouvoir de la vie), его идея была абсолютно материалистической, можно даже сказать механистической, поскольку причину стремления к прогрессу он видел в движении жидкостей в теле животных. По его мысли, эти жидкости проделывали каналы и полости в мягких тканях, что постепенно вело к эволюции в сторону усложнения организации. Для объяснения присутствия просто устроенных форм жизни, несмотря на предположительно прогрессивный характер эволюции, Ламарк постулировал, что постоянным источником примитивных организмов служит самозарождение. Идеи самозарождения и врожденной склонности к усложнению в настоящее время безнадежно устарели.

Однако по-прежнему широко распространено убеждение, будто эволюция ведет к усложнению организации в результате многочисленных последовательных адаптаций (разумеется, в наши дни ученые, продолжающие выступать за реальность такой тенденции, не назовут ее «врожденной»). Как уже обсуждалось в главе 8, оно явно не соответствует действительности: на самом деле никакой глобальной тенденции к усложнению живых форм в ходе эволюции не прослеживается, даже если максимум наблюдаемой сложности растет в силу стохастических причин. В данной главе мы обратимся к более значимой и интересной проблеме из наследия Ламарка, а именно рассмотрим наследование приобретенных признаков и его вклад в эволюционный процесс.

Рис. 9–1. Ламарковский, дарвиновский и райтовский режимы эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

Схема Ламарка, представленная в терминах, совместимых с современной генетикой (см. рис. 9–1), утверждает следующее:

1. Факторы окружающей среды вызывают (наследуемые) изменения генома.

2. Индуцированные изменения (мутации) затрагивают конкретный ген или группу генов.

3. Индуцированные изменения обеспечивают адаптацию к первоначальному причинному фактору.

Очевидно, что адаптивная реакция на конкретный фактор окружающей среды должна быть опосредована молекулярным механизмом, который бы вызывал изменение в соответствующем гене (или генах). В этом состоит явное отличие от хода дарвиновской эволюции: в ней окружающая среда не является фактором, вызывающим адаптивные изменения, скорее она служит источником внешнего селективного давления, которое способствует фиксации тех случайных изменений, что адаптивны при данных условиях (см. рис. 9–1). Дарвиновская схема проще и менее взыскательна по сравнению со схемой Ламарка, поскольку Дарвину не требовались специальные механизмы, направляющие мутации в соответствующие локусы генома и ограничивающие изменения конкретными мутациями, которые обеспечивают необходимую адаптацию.

С другой стороны, режим эволюции Ламарка был бы более эффективным и быстрым по сравнению с дарвиновским. В самом деле, за предпочтение дарвиновского механизма приходится платить втридорога: многочисленные мутации, что возникают в геномах, по-настоящему вредны, так что их носители погибают, другие почти нейтральны и иногда закрепляются с помощью дрейфа, однако при этом не вносят непосредственного вклада в адаптивную эволюцию. Поэтому ламарковская схема оказалась бы очень полезной для эволюционирующих организмов, будь она практически осуществимой. Трудность обнаружения или даже гипотетического представления механизмов направленного адаптивного изменения в геноме отправила сценарий эволюции Ламарка на долгие десятилетия в мусорную кучу истории науки.

Несмотря на существенные различия в механизмах и невзирая на кажущуюся «расточительность» дарвиновской модальности, которая контрастирует с потенциальной эффективностью эволюции по Ламарку (см., однако, дискуссию ниже в этой главе), схемы Дарвина и Ламарка похожи: у обеих конечные результаты преимущественно адаптивны, и в этом отношении, они радикально отличаются от случайного дрейфа. Последний процесс может быть обозначен как «райтовская модальность эволюции», в честь Сьюэлла Райта, одного из отцов-основателей популяционной генетики и создателя концепции случайного генетического дрейфа (см. рис. 9–1 и гл. 2). В последующих разделах я расскажу о недавних исследованиях некоторых феноменов, которые, на мой взгляд, заставляют нас возвратиться к одной из версий ламарковского сценария в качестве важного вклада в эволюцию на уровне геномов и организмов.