Стресс — ускоритель эволюции

Но будет ли такая скорость мутагенеза действительно оптимальной для эволюции? Представим, например, ситуацию, когда требуется возникновение сразу двух мутаций в одной клетке (вероятность 1×1012) или трёх мутаций (вероятность 1×1018)? Понятно, что для этого число клеток в популяции должно быть 1018. А такой размер популяции даже для микробов — „це занадто“.

Так как же быть со случайной наследственной изменчивостью,скорости которой для эволюции может быть не достаточно? Как быть со вторым общебиологическим принципом (который для биологов то же, что для физиков второй закон термодинамики)? Опять ссылаемся на последнюю статью Тимофеева-Ресовского: „Мне кажется, что формулировка второго общебиологического принципа ещё недостаточно строга и совершенна“. И затем вопрос: „Какие условия, какие дополнительные воздействия будут направлять характер той прогрессивной эволюции, которая будет создаваться естественным отбором?“

Ответ пришел через двадцать лет. Это воздействие — стресс.

И теперь уточним: не просто стресс, а стресс, который замедляет жизнедеятельность организма. Именно такой, обрушившийся на популяцию стресс в критических ситуациях и приводит к резкому повышению её генетического разнообразия — следовательно, и к увеличению вероятности, что из-за множественных мутаций какой-то из организмов сможет преодолеть кризис и выйти из него „обновлённым“. При этом резкое повышение частоты возникновения мутаций происходит не потому, что механизмы, обеспечивающие точность репликации ДНК, при стрессе просто ослабевают, а потому, что включается специальный механизм мутагенеза, работающий только тогда, когда происходит остановка деления клеток.

3

Остановись, мгновенье!

Ты прекрасно!

Гёте

В эти мгновенья всё и происходит. Хотя клетка не растёт, она тем не менее пребывает в жизнеспособном состоянии. То есть когда стрессовая ситуация (например, голодание) закончится, клетка возобновит свой рост. А если стрессу конца не видно? И неизвестно, что впереди? Что делать: ждать, медленно и необратимо теряя жизнеспособность? Можно и так. Назовём эту стратегию „рискованное ожидание“.

Но есть и другой вариант: не ждать в оцепенении, а попробовать измениться. И закрутить рулетку мутагенеза. Авось повезёт! Повезёт — если в клетке случайно возникнет мутация, одна или несколько, благодаря которым появится возможность преодолеть стрессовую ситуацию и начать деление. Впрочем, тут есть и своя закавыка. А если такая, именно полезная, мутация не возникнет? Вполне может быть. Тогда длительный мутагенез, да ещё идущий в неделящихся клетках и приводящий к резкому накоплению вредных мутаций, настолько повредит нормальные гены, что даже если условия среды вдруг и улучшатся, клетка рост не начнёт. В общем, риск. Поэтому такая стратегия — с рулеткой мутагенеза — и называется „рискованная изменчивость“.

Отсюда законный вопрос: что же для клетки в ситуации стресса лучше — ждать или рисковать? Как известно, на вопрос студентов Института красной профессуры, какой уклон хуже, правый или левый, тов. Сталин ответил: „Оба они — хуже“. И верно: обе рассмотренные выше стратегии поведения популяции клеток при стрессе действительно „хуже“. А если так, то поставьте себя на место эволюции и предложите нам третью стратегию, которая „лучше“. Получилось?

А вот что получилось у природы.

Если популяция микроорганизмов попадает в неблагоприятные условия среды (скажем, в среде нет ни одного из привычных субстратов — компонентов пищи), то клетки, естественно, прекращают рост и преобразуют свой обмен веществ так, чтобы, во-первых, наиболее безопасно пережить голод и, во-вторых, включить особый механизм, чтобы создать мутации, которые смогли бы адаптировать клетку к непривычному для неё субстрату, находящемуся в среде. Этот особый механизм был назван адаптивным мутагенезом.

Вот его суть. Как полагается, в таких неделящихся клетках идёт синтез ДНК. Но необычный: случайно, то в одном, то в другом месте генома, удаляется участок одной нити ДНК (для особо интересующихся: у бактерий кишечной палочки это происходит за счёт систем RecBCD, RecA и SOS-ответа), и на оставшейся нити, как на матрице, происходит синтез второй нити, но с мутациями! (Опять же для особо интересующихся: за счёт снижения активности системы репарации неправильно спаренных оснований, которая сокращённо называется MMR — от английского Mis Match Repair.) В итоге в одной из нитей какого-то участка ДНК накапливаются мутации. Такие мутации, с большой частотой возникающие в неделящихся клетках, были названы гипермутациями.