От Ламарка к популяционной генетике

В начале XIX в. господствовало мнение, что все живые су­щества на Земле суть неизменные божественные творения. Пол­ной противоположностью этим взглядам были представления французского натуралиста Жана Батиста Ламарка. Он, напро­тив, считал, что живые существа могут подвергаться весьма су­щественным изменениям, и предложил очень простой механизм возникновения таких изменений. Ламарк опубликовал свою «Философию зоологии», в которой излагалась его концепция, в 1809 г., когда ему было уже шестьдесят пять лет. Вначале эта книга, по-видимому, не привлекла к себе особого внима­ния. Есть свидетельства, что в старости ослепший Ламарк был забыт своими современниками и умер в нищете. Имя его полу­чило известность лишь много лет спустя, когда эволюция стала объектом интенсивных исследований в связи с появлением кни­ги Дарвина «Происхождение видов». Основываясь на идеях Ламарка, несколько натуралистов из числа противников тео­рии Дарвина создали учение, названное неоламаркизмом; роль главного фактора эволюции отводилась в нем прямому влия­нию среды. (Читателям, желающим ознакомиться с авторитет­ным источником, который освещает подходы к изучению эво­люции, использовавшиеся в XIX в., мы советуем обратиться к книге Симпсона [515].)

Наш интерес к Ламарку вызван главным образом тем, что он построил — вероятно, впервые за всю историю биологии — общую теорию эволюционного процесса. Как известно, он пред­положил, что результат употребления или неупотребления раз­личных органов в соответствии с условиями жизни животного наследуется потомками; это и лежит в основе тенденции к усо­вершенствованию, характерной для процесса эволюции. Напри­мер, предки жирафы, пытаясь дотянуться до листьев на высоко расположенных ветвях, постоянно вытягивали ноги и шею. В ре­зультате таких «упражнений», выполняемых многими поколе­ниями животных, соответствующие части тела постепенно удли­нялись, а сама эта тенденция передавалась потомству. Так, согласно этому воззрению, появилась современная жирафа. Та­ким образом, теория Ламарка основана на допущении о на­следовании приобретенных признаков, сформировавшихся вследствие употребления или неупотребления органов.

Теперь ясно, что приобретенные признаки не наследуются,, и поэтому теория эволюции Ламарка ошибочна. Как заметил Симпсон [515], остается только сожалеть, что такая прекрас­ная теория оказалась неверной.

Открыто заявил о своем несогласии с гипотезой Ламарка Август Вейсман. В серии работ он показал, что эта гипотеза малоправдоподобна, а доказательства, используемые для ее обоснования, неубедительны. (Читателям, желающим получить представление о роли Вейсмана в истории генетики, можно по­рекомендовать книгу Стёртеванта [533].) Хорошо известна история о том, как Вейсман отрубал хвосты у мышей в течение двадцати двух последовательных поколений и не заметил, чтобы их длина хоть сколько-нибудь уменьшилась. Все сомнения от­носительно возможности наследования приобретенных призна­ков окончательно рассеялись в связи с интенсивным развитием менделевской генетики, завершившимся созданием современной молекулярной генетики. Тем не менее даже в наши дни еще на­ходятся эволюционисты — приверженцы гипотезы Ламарка, утверждающие, что современная теория эволюции, основанная на менделевской генетике, неудовлетворительна. Гипотеза эта регулярно возрождается, и последнее её такое возрождение было связано с открытием обратной транскриптазы.

Вейсман решительно повел возглавляемую им школу «не­одарвинизма» на бескомпромиссную борьбу с неоламаркизмом; его теоретические работы вызвали самую острую дискуссию в ранний последарвиновский период и чрезвычайно оживили эво­люционные исследования в конце девятнадцатого столетиям Вейсман был также горячим поборником селекционизма, реши­тельно защищавшим теорию отбора; говорили, что он был боль­шим дарвинистом, чем сам Дарвин [513]. По существу, одна­ко, Вейсман отвергал в дарвиновской теории эволюции все, кро­ме учения о естественном отборе. На самом деле исследование эволюции с научных позиций началось именно с работ Чарлза Дарвина. Он опубликовал свою книгу «Происхождение видов» в 1859 г., когда ему было пятьдесят лет [72], через полвека no­сле появления «Философии зоологии» Ламарка. Мастерское владение пером и множество примеров позволили Дарвину не только убедить научный мир в том, что эволюция действитель­но происходила, но и показать с помощью, теории естественно­го отбора, почему адаптивная эволюция является неизбежной. «Происхождение видов» оказало громадное влияние не только на биологию, но и на человеческую мысль в целом. Мы обязаны Дарвину нашим научным пониманием природы живых су­ществ, включая нас самих; без интеллектуальной революции, совершенной Дарвином, наша цивилизация была бы намного беднее, даже если бы в своем экономическом развитии она на­ходилась на таком же уровне, как сейчас. В публикации, по­священной столетней годовщине выхода из печати «Происхож­дения видов», Г. Дж. Мёллер [391] заметил, что эту книгу мож­но по справедливости считать величайшей из книг, когда-либо-написанных одним человеком.

Основываясь на рассмотрении искусственного отбора, кото­рый оказался очень эффективным при выведении новых сортов культурных растений и пород домашних животных, Дарвин до­казывал, что такие же законы действовали в ходе эволюции в природе. Поскольку обычно рождается больше особей каждого вида, чем может выжить, между ними происходит борьба за су­ществование, и поэтому всякое сколь угодно малое изменение, хоть в каком-то отношении выгодное данной особи, будет уве­личивать вероятность ее выживания. Благодаря «закону наслед­ственности» такое изменение имеет тенденцию к распростране­нию. Дарвин писал:
«Как бы медленно ни совершался процесс отбора, если: слабый человек мог достигнуть таких значительных ре­зультатов путем искусственного отбора, то я не вижу пре­дела для тех изменений, той красоты и сложности взаим­ных приспособлений организмов друг к другу и к физиче­ским условиям их жизни, которые могли быть осуществле­ны в течение долгого времени в силу естественного отбора...».

Дарвин придавал большое значение накоплению небольших полезных изменений, которое, по его мнению, лежит в основе постепенного и непрерывного процесса адаптивной эволюции.

Когда Дарвин создавал свою теорию, механизм наследствен­ности и природа наследственной изменчивости были неизвестны, и поэтому он не мог с полной уверенностью утверждать, что ес­тественный отбор играет ту роль, которая ему отводится в тео­рии. В следующих один за другим переизданиях «Происхожде­ния видов» он все с меньшей категоричностью настаивал на сво­ем тезисе о главенствующей роли естественного отбора в эволю­ции, допуская, что наследование приобретенных признаков также играет важную роль. Трудно поверить, что когда-то дарвиновское учение вызвало мощную волну оппозиции и ост­рую критику, поскольку теперь оно утвердилось настолько прочно, что считается почти неприкосновенным.

С возрождением менделевской генетики в нашем столетии открылся путь к выяснению механизма наследственности и при­роды наследуемых изменений, которые Дарвин столь тщетно пытался понять. Начало менделевской эры было, однако, весьма бурным. Оно ознаменовалось острым конфликтом между «био­метриками», возглавляемыми Карлом Пирсоном и У. Ф. Р. Уэлдоном, и менделистами, предводительствуемыми Уильямом. Конфликт между двумя этими группами фак­тически начался еще до повторного открытия законов Менделя в 1900 г. Уэлдон, по специальности биолог, под влиянием Френ­сиса Гальтона пришел к убеждению, что эволюцию лучше всего изучать с помощью статистических методов. Он проделал мно­жество измерений признаков животных и растений, с тем чтобы оценить скорость эволюции и интенсивность естественного отбо­ра. Карл Пирсон, выдающийся специалист в области приклад­ной математики, заинтересовался проблемами эволюции в ходе личных контактов с Уэлдоном. Хотя теория наследственности, сформулированная Пирсоном, была ошибочна, разработанные им статистические методы, такие, например, как метод  %2, оказа­лись, по мнению Холдейна [162], чрезвычайно ценными для по­следующего изучения эволюции и изменчивости. И Уэлдон, и Пирсон, следуя Дарвину, считали, что эволюция — постепенный процесс, протекающий под действием естественного отбора, «улавливающего» очень небольшие различия.

С другой стороны, Уильям Бэтсон, основываясь на результа­тах собственных исследований изменчивости растений и живот­ных, пришел к вполне определенному выводу, что, вопреки мне­нию Дарвина, эволюция не могла происходить с помощью есте­ственного отбора, действующего на непрерывную изменчивость. В этой связи Бэтсон указывал на важное значение дискретной изменчивости.

После «переоткрытия» законов Менделя конфликт между менделистами и биометриками еще более обострился. В то вре­мя как Бэтсон находился под большим впечатлением от этого события, понимая всю важность законов Менделя, Уэлдон и Пирсон занялись энергичной критикой менделизма. Рассказыва­ют, что Уэлдон бросил все свои силы на опровержение менде­лизма и в поисках исключений из этих законов пересмотрел множество огромных томов заводских племенных книг породи­стых лошадей, подорвал свое здоровье, заболел пневмонией и умер молодым. Как один из лауреатов, удостоен­ных Уэлдоновской мемориальной премии, я испытываю особый интерес к жизни Уэлдона и хотел бы добавить, что он сделал важное открытие, касающееся действия естественного отбора. Изучая улиток, он подсчитывал у них число витков, при­ходящихся на заданный отрезок оси раковины. Сравнивая это число для молодых и взрослых особей, он обнаружил, что мо­лодые улитки, у которых число витков слишком мало или слишком велико, характеризуются более высокой смертностью, чем улитки, раковины которых близки к средним. Это было, как отметил Холдейн, одно из первых сообщений относительно-«центростремительного отбора».

После смерти Уэлдона биометрики постоянно отступали, и вскоре победа менделистов, опиравшихся на многочисленные факты, стала очевидной. В это время многие менделисты сом­невались, что естественный отбор, оперирующий небольшими: непрерывными изменениями, мог, в согласии со взглядами Дар­вина, быть эффективным фактором эволюции. Более того, они взяли на вооружение мутационную теорию Гуго де Фриза, ут­верждая, что новые виды возникают посредством мутационных скачков, а не в результате постепенного действия естественного отбора. В то время мутационная теория, предложенная в нача­ле нашего века, стала очень популярной у биологов и приобре­ла множество сторонников.

Теперь известно, что «мутации», наблюдавшиеся де Фризом у ослинника Oenotheralamarckiana, вероятно, были обусловлены гетерозиготностью по особым множественным перестройкам хромосом. Как заметил Стёртевант, есть какая-то ирония в том, что теперь лишь немногие из этих «мутаций» можно бы­ло бы назвать мутациями. Тем не менее теория де Фриза, при­влекая широкое внимание к мутациям как возможной причине генетической изменчивости, способствовала уточнению понятия мутации, окончательно утвердившемуся благодаря Г. Дж. Мёллеру, громадный вклад которого в изучение механизма эволюции: будет освещен ниже.

В первое десятилетие XX в. были поставлены целенаправлен­ные эксперименты для выяснения вопроса о том, эффективен естественный отбор по количественным («непрерывным») при­знакам (как полагал Дарвин) или нет. Вероятно, самые извест­ные из этих экспериментов провел Вильгельм Иоганнсен. Он предложил теорию чистых линий, показав, что отбор в чистой линии неэффективен. Богатая событиями и противоречивая ат­мосфера этих лет отражена в прекрасном историческом очерке Провайна.

Постепенно, однако, стало ясно, что менделизм и дарви­низм вполне совместимы друг с другом. Такая перемена взгля­дов была обусловлена интенсивным развитием генетики, при­чем особое значение приобрела генетика дрозофилы, изучение которой показало, что мутационные изменения могут быть очень небольшими. В конечном счете попытки осуществить синтез дар­винизма и менделизма с помощью методов биометрии привели к созданию популяционной генетики.

Удобным исходным пунктом при изложении истории популя­ционной генетики является результат, полученный Харди (1908 г.) [168] и Вайнбергом (1908 г.) [576]. Эти авторы пока­зали, что при случайном скрещивании и менделевском наследо­вании частоты генотипов по данному аутосомному локусу из поколения в поколение остаются неизменными. Кроме того, они показали, что если два аллеля, А а а, встречаются с относитель­ными частотами р и q (p+q=1), то равновесные частоты гено­типов будут равны р2АА : 2pqAa : q2aa.

Вывод о постоянстве генотипических частот имел важное зна­чение, так как в то время некоторые биометрики критиковали законы Менделя, утверждая, что если бы они были справедли­вы, то частота доминантного признака (такого, например, как брахидактилия у человека) увеличивалась бы до 75%. Работа Харди помогла рассеять это заблуждение. В настоящее время, когда законы Менделя твердо установлены, у нас нет необхо­димости заниматься опровержением подобных умозаключений.

Одним из аспектов обобщения Харди и Вайнберга, до сих пор не потерявшим актуальности, является правило, согласно которому частоты генотипов (или зигот) в случайно скрещива­ющейся популяции можно получить простым перемножением соответствующих частот генов. Тем не менее сам закон Харди— Вайнберга — не более чем полезное правило. Обобщение, сде­ланное этими авторами, служит лишь удобным исходным пунк­том при изложении основ популяционной генетики, и мне ка­жется странным, что его значение обычно сильно преувеличи­вают. Такая традиция, вероятно, идет от Добржанского, кото­рый, излагая «закон Харди — Вайнберга» в третьем издании (1951 г.) своей авторитетной книги «Генетика и происхождение видов», писал о нем как об основополагающем принципе попу­ляционной генетики и современной эволюционной теории. По моему мнению, принятый ныне педантичный, не способный про­будить живую мысль способ изложения закона Харди — Вайн­берга не может принести ничего, кроме вреда, и поэтому пре­подавание элементарной популяционной генетики нуждается в серьезной реформе. Во многих учебниках закон Харди — Вайн­берга после его торжественного провозглашения важнейшим законом популяционной генетики формулируется следующим образом: 1) в отсутствие возмущающих факторов (таких, как мутации, отбор, миграция, случайная выборка гамет и т. д.) и при случайном скрещивании частоты генотипов остаются неиз.менными; 2) эти частоты равны р2АА, 2pqAa и q2aa. Кроме то­го, подчеркивается, что в первом пункте сформулирована более важная часть закона, чем во втором, а это, на мой взгляд, яв­ляется чистым анахронизмом.

То, что частоты генов не изменяются в отсутствие возмуща­ющих факторов, само собой разумеется, поскольку гомологич­ные гены регулярно расщепляются в мейозе и все гены явля­ются самовоспроизводящимися единицами. Мы нередко забы­ваем, что образование генотипов (зигот) есть просто объединеиие двух гомологичных генов. Так уж сложилось, что у высших организмов, в том числе и у человека, главной фазой жизнен­ного цикла является диплоидная фаза; вероятно, никто не об­ратил бы внимания на закон Харди — Вайнберга, если бы мы, люди, были гаплоидными организмами. Закон Харди — Вайн­берга не представлял бы никакого интереса, если бы он сво­дился только к правилу 1. С другой стороны, в качестве при­ближенного метода расчета этот закон действительно полезен; если мы произведем подсчет генов и генотипов сразу после оп­лодотворения, то сможем с хорошей точностью оценить генотипические частоты, просто перемножив соответствующие генные частоты, даже если они изменяются из поколения в поколение под давлением естественного отбора.
В течение двух десятилетий, прошедших после опубликова­ния работ Харди и Вайнберга, Р. Фишер, Дж. Холдейн и Сьюэлл Райт получили основные популяционно-генетические след­ствия из законов Менделя. В начале 30-х годов математическая теория классической популяционной генетики в сущности была завершена.

Из этих трех основателей теоретической популяционной ге­нетики, по-видимому, именно Фишер оказал наибольшее влия­ние на формирование ортодоксального взгляда, согласно кото­рому темпы и направление эволюции определяются почти иск­лючительно естественным отбором, а мутации, миграция и слу­чайный дрейф играют второстепенную роль.

Ортодоксальную эволюционную генетику часто называют неодарвинизмом, так как она развивается в русле традиции, идущей от Вейсмана, который отрицал наследование приобре­тенных признаков и придавал первостепенное значение естест­венному отбору. Широко используется также более вырази­тельное название «синтетическая теория эволюции», вероятно, с целью подчеркнуть, что эта концепция основывается на рас­смотрении различных факторов эволюции.

В области теоретической популяционной генетики много крупных результатов получил Фишер. В 1918 г. он опубликовал фундаментальную работу, посвященную анализу корреляций между родственниками с помощью статистических методов, ос­нованных на предположении о менделевском наследовани. Как и во многих других его трудах, изучаемый вопрос был разработан столь детально и получил такое убедительное математическое обоснование, что все дальнейшие исследования, выполненные целым рядом специалистов по математической генетике, смогли внести лишь относительно небольшой вклад в разработку данного вопроса. Даже спустя более чем полвека зта работа фактически все еще оставалась самым фундамен­тальным исследованием в области биометрической генетики. В 1922 г. Фишер опубликовал статью с довольно странным названием «О доминантном отношении» [105]. Хотя математиче­ская трактовка проблемы была весьма несовершенной и даже содержала серьезные ошибки, эта работа чрезвычайно ориги­нальна: она послужила началом использованию в популяционной генетике стохастических методов, с помощью которых мож­но изучать случайные флуктуации генных частот, происходя­щие при смене поколений. В качестве фактора, вызывающего случайную флуктуацию частоты гена, Фишер рассматривал процесс случайной выборки гамет; исключив отбор, он изучал влияние этого фактора (названное им «эффектом Хагедорна») на уменьшение генетической изменчивости вида. Используя ча­стоту гена, преобразованную с целью стабилизации дисперсии, он получил дифференциальное уравнение в частных производ­ных такого же вида, как уравнение теплопроводности. Фишер решил его и установил, что дисперсия уменьшается со скоро­стью 1/(4N) за поколение, где N — число скрещивающихся осо­бей. Отсюда Фишер сделал вывод, что уменьшение изменчиво­сти, обусловленное этим фактором,— процесс чрезвычайно мед­ленный, а его влияние на эволюцию незначительно и, напро­тив, даже самый слабый отбор имеет существенное значение. К сожалению, работа Фишера содержала несколько ошибок. В частности, скорость уменьшения дисперсии на самом деле, как показал Райт, использовавший совершенно другой метод, равна 1/(2N). Позднее Фишер проанализировал эту проб­лему более детально, исправив допущенные ошибки и сущест­венно дополнив результаты, полученные ранее. Однако он не нашел оснований для изменения своего прежнего заключения о роли процесса случайной выборки гамет; по его мнению, чис­ленность популяций большинства видов столь велика, что про­цесс случайной выборки — фактор, для эволюции совершенно не­существенный. В работе Фишера, опубликованной в 1922 г., сообщается также об одном открытии, оказавшем глубо­кое влияние на последующее развитие научной мысли в обла­сти популяционной и эволюционной генетики: Фишер показал, что если отбор благоприятствует гетерозиготам, то существует некоторое состояние устойчивого равновесия и в популяции со­храняются оба аллеля. Иными словами, сверхдоминантные ал­лели активно поддерживаются естественным отбором.

Работа Фишера, опубликованная в 1930 г., посвящена дальнейшей разработке «стохастической проблемы». В ней он предложил остроумный подход с использованием метода функциональных уравнений, позволяю­щий прогнозировать судьбу редких мутантных аллелей в попу­ляции. Хотя теперь этот метод хорошо известен математикам, изучающим ветвящиеся процессы, для того времени уровень сложности был чрезвычайно высоким. Фишер так глубоко про­ник в сущность изучаемой проблемы и с таким совершенством владел математическим аппаратом, что, по моему мнению, прев­зойти его в математическом плане будет нелегко. Достигнутые нами успехи связаны главным образом с непредвиденной устой­чивостью и универсальностью метода диффузионных уравнений (называемых теперь «диффузионными моделями»); не располагая теми знаниями, какие имеются теперь в нашем распоряжении, Фишер не мог не испытывать определенных сом­нений, применяя этот метод для изучения поведения редких мутантных аллелей. Так или иначе, он пришел к заключению, что случайные процессы, а точнее — случайный дрейф частот генов, в эволюции роли не играет. Лично мне после того, как я ознакомился с его впечатляющим математическим обосновани­ем проблемы стохастического поведения мутантов, этот вывод показался нелогичным.

Целостная концепция эволюционного процесса, разработан­ная Фишером, была изложена им в книге «Генетическая теория естественного отбора», которая внесла больший вклад в осуществление синтеза дарвинизма, менделизма и биометрии, чем любая другая.

Эта книга стала своего рода библией для многих биологов, пытавшихся понять эволюцию с позиций теории естественного отбора. Как и библия, она явилась неким откровением и в то же время содержала ряд тенденциозных идей. Поэтому имен­но Фишер в значительной мере способствовал последующему широкому распространению панселекционизма в Англии.

Одна из его любимых теорий (теория доминантности) дает объяснение процессу эволюции доминантности. Фишер выдви­нул предположение, что доминирование гена дикого типа над мутантными аллелями обусловлено продолжительным отбором модификаторов, которые придают гетерозиготам по мутантным аллелям сходство с гомозиготами дикого типа. Он пола­гал, что вначале приспособленность гетерозигот по мутантным аллелям является промежуточной между приспособленностями двух гомозигот (т. е. никакого доминирования нет). Так как гетерозиготы по мутантным аллелям обычно редки, отбор соот­ветствующих модификаторов чрезвычайно слаб (характеризу­ется величинами того же порядка, что и частота мутирования); тем не менее Фишер считал, что при длительной эволюции этот очень слабый отбор в конечном счете окажется эффективным. Для количественной оценки эффективности отбора он использо­вал выведенную им формулу, которая выражает скорость прог­ресса, достигнутого в результате модификации гетерозиготы, по сравнению со скоростью прогресса, который был бы вызван от­бором такой же интенсивности, действующим на популяцию, со­стоящую из одних гетерозигот. Эта формула с использованием обозначений и терминов, принятых в данной книге, имеет вид

2vw12/[(1-w12)(2-w12)],                                               (1.1)

где v— скорость мутирования, w12 — относительная приспособ­ленность гетерозигот. Против фишеровской теории доминантно­сти выступал Райт. Он указал, что столь слабый отбор был бы легко сведен на нет другими силами отбора, которые могли быть вы­званы влиянием модификаторов на гораздо более многочислен­ные гомозиготы дикого типа, и к тому же был бы «снят» мута­ционным давлением и случайным дрейфом. Критиковал теорию Фишера и Холдейн; он считал, что гораздо более вероят­на такая ситуация, когда отбор действует на аллели дикого типа, благоприятствуя более активным и, следовательно, более доминантным их формам.

В настоящее время представляется, что теория доминантно­сти Фишера либо неверна совсем, либо в лучшем случае при­менима только к особым ситуациям. Недавние исследования ле­тальных и слабо вредных мутаций у дрозофилы ясно показали [380], что в среднем для слабо вредных мутаций характерна гораздо более высокая степень доминантности (0,3—0,4), чем для летальных и полулетальных (0,01—0,02). В цитируемой ра­боте изучалась только выживаемость, однако тот же самый вы­вод справедлив и в отношении общей приспособленности. Му­тации с умеренным эффектом в гомозиготном состоянии обла­дают значительно большим относительным влиянием на приспо­собленность гетерозигот, чем «радикальные» мутации. Из (1.1) очевидно (и это подчеркивал сам Фишер), что, чем ближе приспособленность гетерозиготы к приспособленности гомозиготы по нормальным аллелям, тем быстрее будет расти скорость модификации доминантности. Поэтому следует ожи­дать, что умеренно вредные мутации будут ближе к почти пол­ностью рецессивному состоянию, чем летали. Однако на самом деле это не так. С подобной критикой теории Фишера выступал Чарлзуорс. Более правдоподобными, чем теория Фишера, представляются гипотезы Райта и Мёллера. По мнению этих исследователей, аллель дикого ти­па обычно детерминирует синтез какого-то полезного соедине­ния, которое рецессивный мутант или не образует совсем, или образует в меньших количествах. Таким образом, феномен до­минантности можно понять на основе анализа зависимости «до­за— эффект». В процессе эволюции гены дикого типа подвер­гаются отбору на надежность в отношении своей способности продуцировать полезные вещества, что позволяет им противо­стоять действию неблагоприятных факторов — внешних и внут­ренних; доминантность же оказывается автоматическим след­ствием такого отбора.

Во всех своих трудах Фишер все время подчеркивал, что роль, которую играл в эволюции случайный дрейф, минимальна, и это не могло не повлиять на взгляды молодых английских генетиков, оставивших без внимания эту проблему. Оказалось, однако, что основные успехи теоретической популяционной ге­нетики, достигнутые за последние годы, связаны именно с ана­лизом изменений частот генов как стохастических процессов. Отсутствие интереса к этой области исследования со сто­роны английских генетиков, по всей вероятности, обусловлено влиянием Фишера. Совершенно иная ситуация сложилась в Шотландии, где Алан Робертсон из Института генетики живот­ных, испытавший влияние Райта, выполнил выдающееся иссле­дование, посвященное изучению малых популяций.

Работы Холдейна в области популяционной генетики менее оригинальны, чем работы Фишера, однако они более разнообраз­ны, в известном смысле более объективны и во многих случаях более приемлемы в биологическом плане. В 1924 г. он присту­пил к публикации серии статей под общим названием «Матема­тическая теория естественного и искусственного отбора». Эти статьи положили начало систематическому математическому изучению динамики генных частот под действием естественного отбора. В основе его работы лежит убеждение, что удовлетво­рительная теория естественного отбора должна быть количест­венной (это положение было сформулировано в первой статье указанной серии) и что адекватность генетической теории естественного отбора можно проверить только с помощью коли­чественных исследований. Холдейн рассматривал такие разно­видности отбора, как зиготический, гаметический, семейный, а также отбор по Х-хромосоме. Типичную ситуацию, изучавшуюся им, можно описать так. В очень большой популяции со случай­ным скрещиванием отбор благоприятствует доминантным осо­бям (АА, Аа), а из рецессивных особей (аа) до репродуктивно­го возраста доживает, по сравнению с доминантными, (1- k)-я часть; величину k называют коэффициентом отбора, благоприят­ствующего аллелю А. Холдейн вывел уравнение в конечных раз­ностях, с помощью которого можно перейти от генного отноше­ния (т. е. отношения частот А и а) для данного поколения к от­ношению для следующего поколения. Это уравнение нелинейно, и хотя Холдейн не смог получить его точное решение, он нашел приближенные решения, вполне приемлемые для практических целей. Далее он составил таблицу, позволяющую легко устано­вить связь между интенсивностью отбора и временем изменения генотипических частот. Например, если k = 0,001, то для увели­чения частоты А от 1 до 99% потребуется около 16 483 поколе­ний. Если k будет в десять раз больше, то число необходимых для этого поколений составит одну десятую от приведенной ве­личины. Холдейн показал, что число поколений, необходимых Для заданного изменения частоты гена, в общем случае обратно пропорционально интенсивности отбора. Он применил эту теорию к случаю индустриального меланизма у бабочек, обитаю­щих в районе Манчестера, и установил, что коэффициент дей­ствующего здесь отбора не меньше 0,332, а возможно, достига­ет 0,5. Примерно тридцать лет спустя Кеттлуэлл [217] и другие исследователи установили, что обычно на этих бабочек действу­ет отбор именно такой интенсивности и осуществляется он главным образом птицами, которые ими питаются. Подобный анализ изменения генных частот, начало которо­му положил Холдейн, может быть назван детерминистическим, так как в нем не рассматриваются элементы случайности, в частности процесс случайной выборки гамет. Даже несмотря на то, что с тех пор были разработаны более тонкие методы, детерминистический анализ все еще широко применяется и обычно, когда численность популяции достаточно велика, ока­зывается вполне удовлетворительным. Более того, благодаря своей простоте этот подход до сих пор остается наиболее по­лезным и часто единственным приемлемым подходом к реше­нию многих проблем. В последующих статьях указанной серии Холдейн рассматривал влияние на динамику генных частот различных факторов: неполного инбридинга, ассортативного скрещивания, неполного доминирования (в том числе сверхдо­минирования) в аутосомных, а также в сцепленных с полом локусах, многофакторной наследственности, сцепления (в отсут­ствие отбора), полиплоидии, перекрывания поколений и изоля­ции. В этих статьях представлены результаты, до сих пор не утратившие своего значения, хотя нередко их недооценивают. Из работ данной серии особого упоминания заслуживают две: сообщения V и VIII. В сообщении V Холдейн формули­рует «стохастическую проблему» и изучает вероятность фикса­ции мутантных генов, используя метод производящих функций, предложенный Фишером. Он первым показал, что до­минантный мутантный ген, имеющий небольшое селективное преимущество k в большой панмиктической популяции, в конеч­ном счете зафиксируется с вероятностью примерно 2k. В другой его выдающейся работе — сообщении VIII из той же серии, вы­шедшем под названием «Метастабильные популяции»,— рассмотрен случай, когда мутантные гены сами по себе являют­ся вредными, но в сочетании друг с другом приобретают селек­тивные преимущества. Предположив для простоты, что сцепле­ние отсутствует, Холдейн с редким изяществом проанализировал ситуацию с двумя локусами, определив траектории точек, пред­ставляющих генетический состав популяции, в двумерном про­странстве. Рассматривая превращение популяции ААВВ в по­пуляцию aabb, он писал, что вид, претерпевающий превращение такого типа, можно называть «метастабильным». Он предполо­жил, что процесс видообразования сводится к нарушению ме­тастабильного равновесия и что такое отклонение от равновесия особенно вероятно для небольших изолированных сооб­ществ. Весьма примечательно сходство этого вывода с теорией Райта, предложенной независимо от Холдейна и трактующей эволюцию как процесс проб и ошибок, который рассматривает­ся в рамках концепции многомерной адаптивной поверхности («теория смещающегося равновесия», принадлежащая Райту, будет обсуждаться позднее).

Результаты Холдейна, полученные им к этому времени, по­дытожены в его книге «Факторы эволюции», опубликованной в 1932 г.. Эта книга, значительно более легкая для чтения, чем книга Фишера, вышедшая в 1930 г., внесла большой вклад в распространение идеи о взаимной совместимости менделизма и дарвинизма среди широкого круга биологов. Холдейн неодно­кратно высказывал свою точку зрения относительно использо­вания математики в биологии и особенно в генетической теории эволюции. В одной из своих статей [159] он писал:
«В настоящее время существует мнение, что математи­ческая теория эволюции оказалась в невыгодном поло­жении, так как она слишком «математична», чтобы за­интересовать большинство биологов, и недостаточно «математична», чтобы вызвать интерес у математиков. Тем не менее есть все основания полагать, что в следую­щей половине нашего столетия она разовьется в само­стоятельный раздел прикладной математики».

Его предсказание полностью сбылось, и теперь математиче­ские модели в биологии находят все более широкое применение. Убежденность Холдейна в огромном значении перехода эволю­ционных исследований на более высокий количественный уро­вень нашла яркое отражение в его блестящей статье под на­званием «Слово в защиту генетики мешка с бобами». Он написал ее незадолго до своей смерти, отвечая на критику Эрнста Майра [353], который утверждал, что в теории попу­ляционной генетики популяция рассматривается как мешок, на­полненный разноцветными бобами, и что такое упрощенное теоретизирование приводит к ложным представлениям.

В отличие от Фишера и Холдейна, Райт в своей концепции эволюции придает большое значение случайному генетическо­му дрейфу и системе неаддитивного взаимодействия генов. Раз­вивая идеи, заложенные в своей ранней работе о системах скре­щивания, в которой он предложил и разработал новый, очень эффективный подход к изучению инбридинга и ассортативного скрещивания (так называемый метод коэффициентов путей), Райт опубликовал в 1931 г. статью под названием «Эво­люция в менделевских популяциях». Эта статья наряду с трудами Фишера «Генетическая теория естественного отбора» и Холдейна «Факторы эволюции» явилась кульминационным моментом в развитии классической популяционной генетики, осуществив полный синтез дарвинизма и менделизма.

Начиная с 1932 г. Райт развивал теорию эволюции, назван­ную им позднее «теорией смещающегося равновесия». Изучая различные «модусы трансформации» под действи­ем мутационного давления (что может наблюдаться при ре­дукции бесполезных органов), массового отбора, миграции и дрейфа, обусловленного только случайностями выборки, Райт пришел к выводу, что наиболее подходящими для осуществле­ния быстрого эволюционного прогресса в результате смещения равновесия являются большие подразделенные популяции. Со­гласно Райту [603], этот процесс состоит из трех стадий: 1) случайного дрейфа генов, когда в каждом деме (локальной популяции) происходят значительные флуктуации генных ча­стот, обусловленные случайностями выборки или флуктуациями параметров, связанных с давлением различных эволюцион­ных факторов; 2) массового отбора, когда тот или иной дем слу­чайно пересекает одну из бесчисленных «двухфакторных седло­вин» на поверхности приспособленностей, что приводит к быстрому генетическому изменению этого дема при массовом отборе; 3) междемового отбора, когда дем, достигший нового ­пика приспособленности, более высокого по сравнению с теми,. на которых находятся соседние демы, увеличивается в результа­те междемового отбора. Этот процесс может распространяться концентрическими кругами, идущими из разных центров, и два таких круга, перекрываясь, могут привести к образованию ново­го, еще более высокого пика, который послужит исходным пунк­том дальнейшего прогресса. Таким образом, поистине бесконеч­ное пространство взаимодействующих генетических систем мо­жет быть «обследовано» при небольшом числе новых мутаций.

Теорию Райта часто трактуют неправильно, полагая, что случайный дрейф рассматривается в ней как важнейшая аль­тернатива естественному отбору в фенотипической эволюции ви­дов. Такое представление ошибочно и не соответствует содер­жанию теории, на что указывал сам Райт.

Согласно Райту, в основе эволюции лежит процесс смещения равновесия, в который вовлечены все эволюционные факторы, действующие при этом совместно. В течение одного-двух деся­тилетий после опубликования его статьи, вышедшей в 1931 г. [586], эволюционная теория Райта привлекла к себе всеобщее внимание. Популярности этой теории в значительной мере спо­собствовало подробное изложение ее в книге Добржанского «Генетика и происхождение видов», которая была очень известна среди биологов. Я до сих пор помню то гипнотическое состояние, в котором я находился, когда, будучи еще студентом, впервые прочитал о теории Райта в книге Добржанского.

Райта критиковали Фишер и представители его школы, сло­жившейся в Англии; эта дискуссия продол­жается и поныне. «Играет ли случайный дрейф какую-либо важную роль в эволюции?» — так формулируется вопрос, вокруг которого ведется дискуссия. Фишер был уверен, что число осо­бей, составляющих данный вид, обычно так велико, что влияние случайных событий, связанных с процессом выборки гамет, пре­небрежимо мало. Он также считал маловероятным, что значения произведений численности популяции на коэффициенты отбора. для большинства мутантных аллелей остаются в ходе эволюци­онного процесса в окрестности нуля, т. е. полагал, что селектив­но нейтральные мутанты должны быть крайне редкими. С дру­гой стороны, как уже отмечалось, Райт признавал важное зна­чение случайного дрейфа в локальных популяциях для прогрес­сивной эволюции. Он считал, что вид, представляющий собой одну большую панмиктическую популяцию, посредством массо­вого отбора быстро достигнет адаптивного плато и придет к эво­люционному застою. Фишер же рассматривал такое событие как маловероятное, поскольку популяция содержит громадное число генотипов, и если какой-нибудь крайний из них (гомози­готный) обладает в какой-либо локальности селективным преи­муществом, «то ничто не сможет предотвратить сдвига генных отношений к значениям, обеспечивающим более высокий уро­вень адаптации».

Теория Райта встретила возражение и у Майра, который считает, что у широко распространенных преус­певающих видов существует значительная миграция между демами, приводящая к сближению частот генов во всех локаль­ных популяциях. По моему мнению, никаких четких доказа­тельств правильности теории смещающегося равновесия не по­лучено, хотя эта гипотеза остается весьма привлекательной. Кроме того, мне представляется довольно удивительным, что, несмотря на свое страстное увлечение проблемами, связанными с процессом смещающегося равновесия, Райт не провел широ­кого количественного анализа этого процесса и не предпринял серьезных попыток проверить свою теорию, с тем чтобы опро­вергнуть аргументы критиков.

Хотя теория эволюции Райта весьма противоречива, его ра­боты, опубликованные после 1931 г., внесли значительный вклад в наше понимание стохастического поведения мутантных аллелей в популяциях конечной численности. Он получил рас­пределения генных частот в популяциях при наличии как пря­мых, так и обратных мутаций ([590, 591, 593, 595], см. обзор в т. 2 фундаментального труда Райта [601]). Последующая разработка этой тематики с помощью диффузионных моделей (см. [228]) в значительной мере основывается на результатах, полученных Райтом.

Развитие синтетической теории эволюции и рождение теории нейтральности

2.1. Становление синтетической теории и ее превращение в ортодоксальную концепцию эволюционного процесса

В предыдущей главе был дан очерк истории развития теоретических представлений о механизме эволюции; этот процесс завершился в начале 30-х годов созданием Фишером, Холдейном и Райтом классической популяционной генетики. Говоря о синтезе дарвинизма и менделевской генетики, нельзя не упомянуть еще одного имени. Речь идет о Г. Дж. Мёллере, который в нача­ле 20-х годов пролил свет на природу генных мутаций и их роль в эволюции путем естественного отбора.

Хорошо известно его эффектное доказательство мутагенного действия рентгеновских лучей [384]; за эту работу Мёллеру бы­ла присуждена Нобелевская премия. О его фундаментальном вкладе в наше понимание механизма эволюции известно менее широко. Мёллер предложил концепцию (убедительно обосновав ее), согласно которой в основе адаптивной эволюции путем ес­тественного отбора лежит одно замечательное свойство гена, со­стоящее в том, что самовоспроизводящимся является не только сам ген, но и его мутантные формы. Поэтому естественный отбор можно представить как дифференциальное размножение мутантных форм. Мёллер пошел еще дальше, выдвинув тезис, что ген есть основа самой жизни. И эта мысль была высказана в то время, когда многие биологи все еще считали ген неким гипотетическим фактором, введенным для объяснения результатов скрещиваний. Позже Мёллер обоб­щил концепцию «примата гена». Согласно Мёллеру, «кри­терием жизни является потенциальная способность к эволюции путем дарвиновского естественного отбора». Он также обосно­вал положение, согласно которому генные мутации, возникая по воле слепого случая, обычно вредны и, чем более они «ра­дикальны», тем, как правило, более вредны. Теперь мы редко отдаем должное проницательности Мёллера, так как это пред­ставление принимается нами как само собой разумеющееся. Другая закономерность, на которую он обратил внимание, рас­сматривая ее как следствие из приведенного здесь положения, состоит в том, что мутантные гены, как правило, менее доми­нантны, чем их «нормальные» предшественники. Все эти положения привлекались им не только для объяснения особенно­стей эволюционного процесса, но и для анализа проблем, ка­сающихся физического здоровья общества. Его статья под на­званием «Наш груз мутаций» принадлежит к числу клас­сических работ по популяционной генетике человека. Одно из замечательных предсказаний Мёллера — предположение о том, что большинство мутантных генов характеризуется определен­ной степенью доминантности и что эта степень выше в случае менее вредных мутантных генов, чем в случае более вредных. Впоследствии это предположение получило полное подтвержде­ние в работах Кроу, Мукаи и их сотрудников.

Мёллер не только ввел эти новые тогда представления, со­вершив своего рода «концептуальную революцию», но и создал первоклассные специальные линии дрозофил, содержащие зна­менитую хромосому «СlВ», что сделало дрозофилу ценнейшим объектом для экспериментальных генетических исследований; в этом смысле она уступает лишь Е. coli, которая, однако, ста­ла использоваться гораздо позже. Без крупных методических разработок, осуществленных Мёллером, изучение летальных и вредных мутантных генов в природных популяциях дрозофил было бы, конечно, невозможно. Мёллер более чем кто-либо дру­гой способствовал созданию фундамента, на котором зиждется изучение эволюции методами генетики.

На основе, заложенной Фишером, Холдейном, Райтом, а так­же Мёллером, были выполнены многочисленные исследования. Среди них особого внимания заслуживают работы Ф. Добржанского и его школы по генетике природных популяций, па­леонтологические работы Дж. Симпсона, исследования Е. Фор­да и его учеников по «экологической генетике» и теоретические построения Эрнста Майра, касающиеся видообразования. Ре­зультаты всех этих работ привели к созданию единой синтети­ческой теории эволюции, постепенно сформировавшейся в строй­ную и впечатляющую систему взглядов.

Основной вклад в популяционную генетику, сделанный Добржанским, состоит помимо тех выводов, которые содержатся в его авторитетных печатных трудах, в том, что он совместно с А. Стёртевантом обнаружил у некоторых видов дрозофил вы­сокий уровень полиморфизма хромосом, включая инверсии (т. е. обратный порядок расположения генов в тех или иных участках хромосом). Он провел обширное и весьма успешное исследование ин­версионного полиморфизма (преимущественно в природных по­пуляциях D. pseudoobscura), а помимо этого предпринял лабо­раторные эксперименты с целью изучения динамики частот хро­мосом с различными инверсиями.