Ламарк был прав Л

Доктор биологических наук
История не повторяет себя: Россия не Америка, и в России никогда
не могли сосуществовать группы
обозленныхдруг на друга людей.
Д.Лэнгдон-Дэвис. Россия
переводит часы назад
Л.А.Животовский,
Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН
Ламарк был прав Л
1. Идея Ламарка
Организм развивается, следуя зало­
женной в нем наследственной про­
грамме. Однако многие индивидуальные особенности обусловлены и влия­
нием окружающей среды, которые при­
обретаются в течение жизни особи.
Передача их детям называется насле­
дованием приобретенных признаков.
Гипотеза наследования приобретен­
ных признаков была сформулирована
Ж.Ламарком в начале XIX века: если в
изменившихся условиях среды появи­
лось или усилилось какое-либо свой­
ство как прямая или опосредованная
реакция особи на новые условия, в том
числе обеспечивающее большую при­
способленность этой особи к новым
условиям среды, то такое свойство
может передаться потомкам.
Ч.Дарвин вначале не согласился с
гипотезой Ж.Ламарка: он полагал, что
открытый им принцип естественного
отбора позволяет объяснять приспо­
собление к меняющимся условиям сре­
ды. А именно: что среди случайно воз­
никающих наследственных вариаций
(тех, что генетики потом стали назы­
вать «мутациями») могут найтись такие,
которые будут «полезными» в данных
условиях среды, и что они-то и будут
сохранены естественным отбором.
Однако по прошествии многих лет
после создания своей теории Ч.Дар­
вин пришел к выводу, что наличие
сложных приспособительных признаков случайными вариациями объяснить
невозможно, и принял идею Ж.Ламар­
ка, дополнив ее гипотезой пангенези­
са — некоего физиологического меха­
низма, по которому изменения в органах и тканях, вызванные реакцией
организма на окружающую среду, пе­
реносятся особыми частицами в половые клетки особи и становятся частью
ее наследственных свойств.
времена Ламарка и Дарвина еще не
было. Более того, тогда уже накапли­
вались данные из практики разведе­
ния домашних животных, говорящие
как бы об обратном. В частности, было
достоверно установлено, что «насильственные» внешние воздействия, та­
кие, как, например,укорочение хвоста или ушей у домашних животных, не
приводят к развитию у потомков при­
знаков «короткий хвост» или «короткие
уши». Такие эксперименты позволили
Вейсману в 1885 году сделать вывод,
что «наследование искусственно выз­
ванных дефектов и потерь частей тела
вполне отвергается».
Идее наследования приобретенных
признаков Вейсман противопоставил
свою гипотезу «непрерывности зароды­
шевой плазмы», согласно которой преемственность поколений —это преем­
ственность половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток). При этом наследственная информация, заключенная в оп­
лодотворенной яйцеклетке (зиготе), обеспечивает развитие «надстройки» —соматических клеток, то есть тела. Обратный
поток информации — от соматических
клеток к клеткам зародышевого пути —
этой гипотезой запрещался. Этот запрет
получил название «барьер Вейсмана».
Важно подчеркнуть, что концепция
Вейсмана была, вообще говоря, раз­
вита только для животных, у которых
отделение клеток зародышевого пути
и соматических клеток происходит на
ранних стадиях эмбриогенеза. А у растений их отделение может происхо­
дить на поздних стадиях развития.
Поэтому у них изменения, вызванные
влиянием среды, могут остаться в воз­
никающих половых клетках и затем
передаться потомкам. Кроме того,
многие растения размножаются веге­
тативно — от корневых отпрысков и
других частей растения. При этом ве­
гетативное потомство наследует осо­
бенности той части, производным ко­
торой оно является.
2. Гипотеза Вейсмана
Идея наследования приобретенных
признаков ясна и наглядна и потому
всегда находила своих сторонников.
Однако никаких доказательств ее во
Продолжение. Начало — в № 2, 2003
22
3. Догма «барьера
Вейсмана»
Практически весь XX век биология про­
шла под знаком «барьера Вейсмана».
углог
стола'
иоло
Основной причиной было то, что центральное положение этой гипотезы —о
защищенности генеративных клеток
(сперматозоидов и яйцеклеток) от возможного влияния со стороны остальных
структур организма —идеально соответствовало принципу «чистоты гамет», вы­
сказанному еще Г.Менделем и положен­
ному в основу классической генетики, согласно которому гены не подвержены ни­
каким изменениям. Несомненно, гипотеза «барьера Вейсмана» сыграла положи­
тельную роль в развитии генетического
знания. Действительно, провозгласив
принцип независимости наследственной
информации от внешней среды, эта ги­
потеза освободила генетическое мышление от многих сложностей и во многом
свела изучение организма к исследованиям в «пробирке». Появление принци­
пиально новых методов экспериментальной работы на модельных объектах дало
исследователям возможность сконцентрироваться на проблемах вновь открытой
области науки, которая сейчас приносит
замечательные плоды, — генетики.
Принципиально важно подчеркнуть,
что, вопреки бытующему среди мно­
гих ученых мнению, Вейсман не был
уверен в универсальности своей гипо­
тезы. Так, она не отвергала наследо­
вание модификаций сложных, адаптивно важных реакций особей на среду.
Вейсман сам прямо говорил о том, что
его концепция умозрительна: «Моя те­
ория зиждется, с одной стороны, на
определенных теоретических предпо­
сылках... а с другой — на отсутствии
реальных доказательств наследования
приобретенных признаков. Она может
быть опровергнута двояко-либо пря­
мым доказательством того, что приобретенные признаки наследуются, либо
существованием явления, которое не
объясняется больше ничем, кроме как
тем, что такие признаки наследуются».
Таким образом, Вейсман обратился к
будущим поколениям ученых, предлагая им искать экспериментальные до­
казательства. Однако его объективное
отношение к собственной гипотезе
было предано забвению, а предпола­
гаемый им «барьер» между генератив­
ными и соматическими клетками был
в дальнейшем возведен в непререка­
емую научную догму.
Следует подчеркнуть, что в науке
всегда существуют догмы, которые не
доказаны, но признаны большинством
ученых —до тех пор, пока новые фак­
ты не заставляют принять эти догмы
как доказанный научный факт или сме­
нить точку зрения. Но покуда этих фак­
тов нет, устоявшиеся догмы владеют
умами ученых. При этом другие взгля­
ды не допускают до широкой научной
общественности. Именно это происхо­
дило с гипотезой наследования при­
обретенных признаков. Попытки неко­
торых исследователей доказать основ­
ные постулаты ламаркизма не только
не встречали поддержки, но и вызы­
вали активное противостояние, что
приводило порой к трагическому ис­
ходу. Вспомним историю П.Каммерера, обвиненного В.Бэтсоном в фаль­
сификации и покончившего жизнь са­
моубийством. Обращаться к идее Ламарка стало психологически еще труд­
нее после того, как в генетическом
научном сообществе она стала ассо­
циироваться с отрицательным образом
Лысенко. Зачастую и сейчас первая ре­
акция на упоминание имени Ламарка
и проблему наследования приобретен­
ных признаков резко негативна.
Именно поэтому авторы книги об эпи­
генетическом наследовании, в названии
которой есть слово «ламаркизм»
(Jablonka and Lamb, 1999, —см. указа­
ния на научную литературу в конце ста­
тьи), написали в предисловии ко второ­
му изданию: «Мы всё время ощущали,
что наиболее спорная часть нашей кни­
ги — это ее название. «Ламаркизм» —
все еще дурное слово в биологии, и мы
задавались вопросом, не лучше ли было
бы вовсе не употреблять его... Это же
относится и к термину «наследование
приобретенных признаков» - фраза
«трансгенерационная передача индуци­
рованных изменений» несла бы почти тот
же смысл, но не вызывала бы подозре­
ний и воспринималась бы гораздо спо­
койнее». Однако сейчас факты, многие
из которых стали известны совсем не­
давно благодаря открытиям молекуляр­
ной биологии и о которых речь пойдет
ниже, говорят о том, что Ламарк был прав
и что передача приобретенных призна­
ков и свойств — реальное явление.
4. Шаги к доказательству
Годы спустя под давлением фактов
начался отход с позиций «барьера Вейсмана». Однако прямо признаться в
этом сторонники гипотезы Вейсмана
не желали и стали менять формулиров­
ки, лишь бы сохранить на словах саму
эту гипотезу.
Первым шагом стало открытие в
1930-1940-х годах мутаций генов под
действием внешних факторов —рент­
геновского облучения (Г.Меллер) и
химических соединений(Ш.Ауэрбах и
И.А.Рапопорт). Стало ясно, что среда
может активно вмешиваться в гены и
менять их. Однако мутационный про­
цесс ненаправлен, то есть изменения
могут быть как полезными, так и вред­
ными или нейтральными, и потому ге­
нетическое сообщество приняло, что
наличие мутаций не нарушает принци­
па «барьера Вейсмана».
С открытием строения молекулы ДНК
в 1953 году был сформулирован моле­
кулярный вариант гипотезы «барьера
Вейсмана» в форме так называемой
«центральной догмы» молекулярной био­
логии: однонаправленности потока ин­
формации от ДНК к РНК, а затем к бел­
ку. Это выражалось формулой ДНК ®
РНК ® белок. Обратный поток инфор­
мации — к ДНК — этой догмой запре­
щался. Но вскоре после этого возникла
гипотеза обратной транскрипции: поток
информации частично может идти и в
обратную сторону-от РНК к ДНК. Вы­
сказанная в конце 1950-х годов Г.Теминым как объяснение наблюдавшимся
фактам, эта гипотеза вначале подверг­
лась жесточайшему научному давлению,
пока через десять лет не был открыт фер­
мент «обратная транскриптаза», а сам
Г.Темин не получил за свое открытие
Нобелевскую премию в 1975 году *.
После этого центральную догму стали
формулировать в форме ДНК « РНК®
белок, в которой теперь запрещался по­
ток информации только от белка к РНК
или к ДНК. Правда, уже имеются фак­
ты, которые говорят о том, что и эта
формула, возможно, не безусловна.
Например, открыто так называемое
РНК-редактирование, в процессе кото­
рого в информационной РНК некоторые
нуклеотиды вырезаются и заменяются
другими. В результате этого на изме­
ненной РНК синтезируется «правиль­
ная» аминокислотная цепь, которая не
могла бы быть получена, не будь перед
этим вырезаны «неверные» нуклеотиды.
Но как ферменты узнают, какие нукле­
отиды «те», а какие не «те» в генах раз­
вивающегося зародыша? Должна быть
какая-то информация о «правильном»
белке, по которой редактируется РНК.
И кстати, установлено, что через обрат­
ную транскрипцию на редактированной
информационной РНК может быть син­
тезирована ДНК-копия редактированно­
го гена и затем встроена в геном орга­
низма. Но тогда все это вместе означа­
ло бы формулу ДНК « РНК« белок, то
есть отсутствие барьера на пути пере­
дачи информации от белка к ДНК!
* Первым ученым, высказавшим и затем
экспериментально доказавшим идею об­
ратной транскрипции, был советский ге­
нетик СМ.Гершензон. Это признано всем
мировым научным сообществом. Нобе­
левским лауреатом он, однако, не стал.
{Примеч. ред.)
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
Следующим этапом в доказательстве
реальности наследования приобретен­
ных признаков стало открытие насле­
дования определенных функциональ­
ных состояний гена. Этот феномен по­
лучил название «эпигенетическое на­
следование».
Уже в 1930-1940-х годах генетики
знали о том, что некоторые внезапно
возникающие фенотипические измене­
ния могут длительно передаваться в
ряду поколений. Чтобы не связывать эти
изменения с наследованием приобре­
тенных признаков, их назвали «длитель­
ными модификациями» и предложили
не относить к наследственным. Однако
последние открытия молекулярной био­
логии изменили эту точку зрения.
Сейчас доказано, что подобные дли­
тельные модификации могут быть вы­
званы изменением активности генов
вследствие перестроек в хроматине,
которые сохраняются в ряду митотических делений, а стало быть, при вегета­
тивном размножении; это один из ви­
дов эпигенетического наследования
(Jablonka and Lamb, 1999). Сами же эти
перестройки возникают в ответ на дей­
ствие среды. Например, яровизация
прорастающих семян арабидопсиса или
обработка их5-азацитидином приводит
к более раннему цветению растений,
сохраняющемуся у вегетативного по­
томства; показано, что это обусловле­
но уменьшением уровня метилирования
ДНК. Как правило, измененный уровень
метилирования сохраняется лишь при
митотическом делении. Но эпигенети­
ческие изменения могут стойко пере­
даваться и при половом размножении.
Так, известное со времен К.Линнея ра­
стение Linaria vulgaris с радиальной
симметрией цветка (основная ф о р м а с билатеральной симметрией) вызвана
высоким уровнем метилирования в од­
ном из ответственных за развитие цвет­
ка генов-особенность, стойко воспро­
изводимая в семенном потомстве.
Другой пример стойкого эпигенеза:
изменение уровня метилирования уча­
стка ДНК вблизи гена «агути» вызыва­
ет наследуемые различия окраса сре­
ди генетически идентичных мышей. В
наследуемые эпигенетические измене­
ния может также вовлекаться комплекс
ДНК-РНК и другие структуры. Эпиге­
нетическими изменениями вызван и
23
«геномный импринтинг»; он обуслов­
лен инактивацией гена, полученного от
родителя определенного пола. В об­
щем, эпигенетическая изменчивость
уже давно интенсивно исследуется —
в частности, разработаны соответству­
ющие математические модели (Чураев, 1982; Jablonka с соавт., 1992), а в
настоящее время уже построены молекулярно-генетические модели этого
явления (Чураев и др., 2001). Поэтому
еще раз отметим, что передача эпиге­
нетических изменений потомству —это
в чистом виде наследование приобре­
тенных признаков, лишь в новой тер­
минологии.
В наши дни делается очередной, еще
более принципиальный шаг в описании
спектра наследуемых приобретенных
признаков. А именно: поскольку эпиге­
нетические изменения не затрагивают
кодирующего смысла того участка ДНК
(гена), в котором они возникли, а вли­
яют лишь на экспрессию этого гена, то
возникает вопрос о том, возможны ли
изменения в составе ДНК как реакция
организма на среду. В частности, воз­
можно ли возникновение новых адап­
тивных вариантов генов в соматичес­
ких клетках и последующий перенос их
в ДНК половых клеток?
В 1977 году австралийский ученый
Э.Стил сформулировал гипотезу сома­
тического отбора, за которую подверг­
ся длительному научному прессингу.
Суть этой гипотезы в следующем. У по­
звоночных животных иммунный ответ
организма на инфекцию изначально
вызывается супермутированием в так
называемых вариабельных генах слож­
ного иммуноглобулинового локуса лей­
коцитов. При этом среди множества
«плохих» мутантов может возникнуть
новый вариант гена, кодирующий анти­
тела с большим сродством к чужому
антигену. Экспоненциальный рост чис­
ла лейкоцитов с этой, «успешной», му­
тацией, продуцирование ими соответ­
ствующих информационных РНК, нали­
чие обратной транскриптазы, позволя­
ющей произвести комплементарные
фрагменты ДНК, возможность захвата
половыми клетками чужеродной ДНК (в
том числе ядром сперматозоида: см.
например, Perry с соавт., 1999) созда­
ют условия для интеграции новых вари­
антов гена в ДНК половых клеток за счет
гомологичной рекомбинации и тем са­
мым для включения соматических му­
таций в спектр генетической изменчи­
вости вида. Подробный анализ этой ги­
потезы дан в книге Стила и др. (2002),
где, в частности, указывается, что яв­
ление переноса адаптивных соматичес­
ких мутаций в ДНК половых клеток мо­
жет касаться не только иммунной сис­
темы, но и многих других физиологи­
ческих функций организма. Исследова­
ние модели этого явления показывает,
что в постепенно меняющейся среде ме­
24
ханизм соматического отбора является
эволюционно выгодным и закрепляется
генетически, о чем писал и автор на­
стоящей статьи ((Zhivotovsky, 2002).
Факты, указывающие на возмож­
ность наследования приобретенных
свойств, следует, по-видимому, искать,
в первую очередь именно в адаптив­
ных физиологических процессах. И тут
надо напомнить слова крупнейшего со­
ветского биолога академика Л.А.Орбели: «Мы говорили, что если были бы
применены надлежащие условия экс­
перимента, если бы те или иные воз­
действия производились на ранних
этапах развития, если бы они захвати­
ли организм в период его формирова­
ния, в период создания, становления
его функций и если бы для оценки были
взяты не морфологические, а функци­
ональные признаки, то, может быть,
удалось бы доказать наследуемость
приобретенных свойств».
Однако в 1920-1940-е годы эта про­
блема оставалась открытой: экспери­
менты, говорящие о реальности насле­
дования приобретенных признаков,
допускали неоднозначную интерпрета­
цию. Тем не менее уже в середине XX
века такие эксперименты казались до­
казательными тем, кто верил в реаль­
ность этого явления.
5.Эволюция
по Ламарку-Дарвину
Рассмотрим возможные последствия
принятия идеи наследования приобре­
тенных признаков для теории эволюции.
Ключевым моментом в любой эволю­
ционной теории является представле­
ние о том, как популяция (вид) адапти­
руется к измененной среде. В совре­
менной генетической теории эволюции
предполагается, что наследственное
разнообразие развивающейся популя­
ции (вида) настолько велико, что все­
гда найдутся такие генотипы, которые
обеспечат своим носителям лучшую
приспособленность к изменившимся
условиям среды. Изменчивость постав­
ляется мутациями, возникающими слу­
чайно и ненаправленно,а их влияние
на приспособленность организма не за­
висит от существующих на данный мо­
мент времени условий среды. Иными
словами, механизм возникновения но­
вой изменчивости, по сути дела, пред­
полагает, что варианты, оказавшиеся
сегодня адаптивными в данной среде,
предсуществовали, то есть находились
в популяции и раньше, до воздействия
данного средового фактора.
Если признать возможным наследо­
вание приобретенных признаков и
свойств, то мы приходим к принципи­
ально иной схеме возникновения новой
адаптивной изменчивости в популяции.
А именно: новый вариант признака,
обеспечивающий приспособленность
его носителей к изменившимся усло­
виям среды, может возникнуть в момент
воздействия средового фактора и вклю­
читься в наследственную изменчивость
популяции. В этом смысле мы говорим
о ламарковском механизме возникно­
вения наследственной изменчивостив дополнение к генетическому механиз­
му (за счет случайных мутаций). Раз
включившись в пул наследственной из­
менчивости вида, приобретенные вари­
анты далее подвергаются тем же про­
цессам дарвиновского отбора, что и ва­
рианты, появившиеся за счет мутаций.
Хотя включение приобретенного при­
знака в пул наследственной изменчи­
вости происходит, вероятно, не часто,
это отнюдь не исключает его важности
в эволюции: такой признак может быть
адаптивным, то есть в данный момент
приспособительным. К тому же часто­
та возникновения адаптивных мутаций
генов неизвестна (большинство мута­
ций неадаптивны или просто вредны)
и, не исключено, столь мала, что мо­
жет оказаться маловажной в сравнении
с частотой возникновения приобретен­
ных адаптивных вариантов.
Теперь укажем на различие роли
внешней среды с позиций генетичес­
кой теории эволюции и с позиций тео­
рии, включающей ламарковский меха­
низм (на основе наследования приоб­
ретенных признаков).
В рамках генетической теории сре­
да рассматривается лишь как некий
оценщик наследственной изменчивос­
ти популяции. При наличииламарков-
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
ского механизма среда выступает еще
и как активный творец эволюции. Мож­
но предположить, что наследование
приобретенных реакций на среду чаще
обнаруживается в экстремальных ус­
ловиях, когда новый вариант признака
проявляет себя в большей способнос­
ти особи адаптироваться к качествен­
но новым условиям среды. Не исклю­
чено также, что появление такого при­
знака или свойства приурочено к ран­
ним стадиям развития или к стадиям,
чувствительным к изменению условий
внешней и внутренней среды.
Будущая теория адаптивной эволю­
ции, включающая как ламарковский
механизм возникновения адаптивной
изменчивости, так и дарвиновский
принцип отбора, должна рассматри­
вать комплекс «фенотип-генотип», или
феногенотип, как единицу отбора.
Формально это соответствует теории
эволюции культурных признаков (то
есть признаков, передающихся путем
обучения, восприятия и подражания),
довольно хорошо развитой концепту­
ально (Cavalli-Sforza and Feldman, 1981)
и которую можно описать в виде обоб­
щения классических популяционно-генетических моделей (Feldman, Zhivotovsky, 1992).
Заключение
Итак, единственное, что остается, —
это назвать вещи своими именами.
Гипотеза Ж.Б.Ламарка о наследова­
нии приобретенных признаков верна.
Новый признак может возникнуть че­
рез образование регулирующих ком­
плексов белок/ДНК/РНК, модифика­
цию хроматина или через изменения
в ДНК соматических клеток и затем пе­
редаться потомству.
Многое здесь еще не известно, в ча­
стности — сколь часто происходит пе­
редача таких признаков следующим по­
колениям. Можно полагать, что часто­
та возникновения приобретенного
адаптивного признака с устойчивой пе­
редачей потомству невелика (скажем,
на уровне частоты генных мутаций), и
потому такие случаи трудно выявить. А
если так, то понятно, почему наследо­
вание приобретенных признаков чаще
описывали у растений: просто потому,
что селекционер имеет возможность
просмотреть многие десятки и сотни
тысяч образцов и найти среди них из­
менение. Можно надеяться, что быст­
ро развивающаяся молекулярно-биологическая техника предложит методы
оценки возникновения наследуемых
приобретенных признаков.
Значение таких признаков для прогрес­
сивной эволюции и селекции может быть
неизмеримо больше, чем роль постули­
руемых классической генетикой случай­
ных ненаправленных мутаций в ДНК ге­
неративных клеток, потому что случайные
мутации, как правило, ухудшают приспо­
собленность особей. В то же время на­
следуемые приобретенные признаки, воз­
никшие как реакция организма на новые
условия среды, повышают приспособлен­
ность особей и потому сразу включают­
ся в адаптивную изменчивость вида.
Приводим короткий список научных трудов,
авторы которых упомянуты
в тексте статьи:
ЖивотовскийЛ.А., 2002. О наследовании
приобретенных признаков. Веб. «Матери­
алы научной генетической конференции. М.,
изд-во Моск. Сельскохоз. Акад. им. КА. Ти­
мирязева.
ОрбелиЛ.А., 1948. Доклад на заседании
Президиума АН СССР от 24-26 августа
1948 г. Вестник Академии наук СССР.
ЧураевР.Н., 1982. Прикладные аспекты кон­
цепции эпигенов. Журн.общ.биол. т. 43, 1,
с. 79-87.
ЧураевР.Н., СтупакИ.В., Тропинина Т.С.,
СтупакЕЭ., 2001. Сконструирован двухкомпонентный эпиген с наперед заданными
свойствами. Биохимия, Биофизика, Моле­
кулярная биология. Т. 378. С. 837-840.
Cavalli-Sforza LL, M.W. Feldman, 1981.
Cultural Transmission and Evolution: A
Quantative Approach. Princeton University
Press, Princeton, N.J.
Feldman M.W., LA. Zhivotovsky, 1992. Geneculture coevolution: toward a general theory
of vertical transmission. Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 89: 11935-11938.
Jablonka E, M.J.Lamb, 1999. Epigenetic
Inheritance and Evolution: Lamarckian
Dimension. Oxford Univ. Press. Oxford.
Langdon-Davies J., 1949. Russia Puts the
Clock Back (A study of Soviet science and
some British scientists). London, Victor
Gollancz Ltd.
Weismann A., 1891. Essays upon Heredity. Vol.
I. Oxford. Clarendon Press.
Weismann A., 1904. The Evolution Theory.
(transl. into English). Edward Arnold. London.
Zhivotovsky LA. 2002. A model of the early
evolution of soma-to-germline feedback. J. of
Theoret. Biol. 216: 51-57.
25