95-летие со дня рождения академика Д.К. Беляева

Доклад главного научного сотрудника лаборатории эволюционной генетики д.б.н. Людмилы Николаевны Трут

17 июля 2012г. на Ученом совете Института цитологии и генетики СО РАН, посвященном 95-летию со дня рождения академика Д.К. Беляева,

«Краткая биография эволюционных идей Д.К. Беляева и их современный статус».

 

Уважаемые Члены Ученого Совета я с самого начала хочу сказать, что на этот раз мне не удалось заранее подготовить свой доклад. Доклад сегодняшний будет полной импровизацией, поэтому я не уверена, что смогу уложиться за 10 минут.

Как вы слышали, Дмитрию Константиновичу сегодня исполнилось бы 95 лет. Жизнь его была сравнительно короткой (в 68 лет его уже не стало), а период творческой жизни особенно коротким, если учесть, что часть жизни была отдана войне, а другая часть была отдана созданию Института. Поэтому времени для настоящей творческой, мыслительной деятельности у него оставалось немного, тем не менее весь его творческий путь полон оригинальных идей, оригинальных гипотез, он высказывал их на протяжении всей своей жизни. Я попытаюсь сегодня в хронологическом порядке, очень коротко рассказать об этих идеях и о том, что они представляют собой сегодня.

Дмитрий Константинович–генетик-эволюционист, он разрабатывал общебиологическую теорию эволюции. Главное внимание свое в течение всей своей творческой деятельности он отводил естественно, как и Дарвин, эволюции, отбору и изменчивости. Он стоял на строгих дарвиновских позициях, но в то же время он не соглашался со многими постулатами синтетической теории эволюции, которая рассматривает отбор и изменчивость как совершенно независимые факторы эволюции: отбор только сортирует изменчивость, а изменчивость возникает независимо от направления действий отбора. Дмитрий Константинович полагал, что последствия отбора гораздо глубже, гораздо полнее, что эволюция гораздо более интересный процесс, чем изменения в поколениях частоты определенных генов. Он считал, что последствия отбора зависят прежде всего от направления его действия, зависят прежде всего от тех признаков, которые являются мишенью действия отбора. Особую роль он отводил, как известно, признакам поведения в эволюции. Что такое поведение? Поведение–это активность целого организма, поведение–это первый адаптивный шаг приспособления к изменившимся условиям. Уже когда с помощью поведения невозможно приспособиться, включаются другие механизмы приспособления. Он полагал, что гены, которые контролируют поведение, это особые гены, эволюционно они возникли не для регуляции поведения прежде всего, а первой их функцией была регуляция генетических процессов, а участие в регуляции поведения – это их более позднее эволюционное приобретение. А если так, то тогда отбор, векторизованный на признаки поведения, может иметь очень многогранный эффект на генетические процессы и на формообразование на уровне фенотипов. Он считал, что именно отбором, векторизованным на поведение, можно объяснить специфический характер эволюционного процесса при доместикации, который всех поражал широтой и скоростью расхождения домашних животных, необъяснимых с позиции классических генетических механизмов. Он говорил, что на самом раннем этапе доместикации, который теперь называют протодоместикацией, животные испытывали сильнейшее давление отбора по социальному поведению, по способности адаптироваться к новому социальному фактору, человеку, по способности сосуществовать с этим новым фактором. Этот отбор, действующий  на самом начальном этапе доместикации всех животных, сделал геномы очень мобильными во всей последующей эволюции домашних животных и обеспечил широчайшую морфологическую и физиологическую дивергенцию. Такую гипотезу высказывал Д.К. Беляев. Сначала он высказал идею о ключевой роли поведения, а потом гипотезу о том, что именно отбор по поведению является важнейшим фактором в эволюции домашних животных. Но эта гипотеза, как и любая другая гипотеза, требовала тестирования. А что такое тестировать эту гипотезу? Это значит в эксперименте воспроизвести исторический процесс продолжительностью в 15-20 тыс. лет и даже более.

15-20 тыс. лет назад появились уже первые примитивные собаки, а до этого эволюционировал в сторону доместикации предок собаки-волк. Прошло, как теперь оценивают, чуть ли не 300 лет того процесса, который подготовил возникновение первых собак. И когда Дмитрий Константинович высказывал гипотезу об экспериментальной проверке этой гипотезы никто серьезно к этой гипотезе не относился. Всем казалось немыслимым делом в эксперименте, в течение одной жизни, воспроизвести исторический процесс такой продолжительности. Но он говорил в ответ: «Исторический процесс доместикации занимал не только тысячи лет, но и сотни лет». А если давление естественного отбора по свойствам поведения, действующего в историческом процессе доместикации на первом этапе, на том этапе, который называют протодоместикацией, применить в эксперименте такой направленный, сознательный отбор по этим свойствам поведения экстремальной интенсивности, то можно ужать этот исторический процесс.

Несмотря на жесточайшую критику этой идеи, этой гипотезы воспроизвести исторический процесс доместикации, он начал это воспроизведение. Он начал его еще в Эстонии, в том зверосовхозе (1951-1952 г.г.), на базе которого он работал, работая в Институте пушного звероводства, еще до образования Сибирского отделения. Ну а потом этот эксперимент перекочевал в Сибирское отделение, и как вы все хорошо знаете, ему более 50 лет. И вот за этот промежуток времени многие эволюционные последствия доместикации воспроизведены. Прежде всего, осуществлена сильнейшая, генетическая трансформация поведения. В это никто не верил. Никто не верил, что за такой короткий промежуток времени из дикого волка можно создать собаку или из дикой лисицы такую же лисицу, как собака. Но созданы ведь такие животные. И у этих животных, помимо трансформации поведения, возникали очень многие морфологические, физиологические изменения, которые гомологичны тем, которые имеются у домашних животных.

Дмитрий Константинович не мог объяснить такую широту изменчивости, такую скорость ее возникновения, как и многие другие, в рамках традиционных генетических механизмов. И тогда он придумал гипотезу, которую впоследствии разработал в концепцию дестабилизирующего отбора. Он считал, что отбор по поведению - это ведущая форма отбора. Ведущая форма отбора на определенных этапах приобретает, в частности при доместикации, функцию, противоположную функции стабилизирующего отбора, т.е. приобретает дестабилизирующую функцию. Главная функция стабилизирующего отбора стабилизировать видовой фенотип, не выводить его за рамки вида и гасить на уровне фенотипа любыми механизмами любую возникающую фенотипическую изменчивость, которая выводит эти фенотипы за рамки видового фенотипа. Функция же дестабилизирующего отбора прямо противоположная. Как мы видим, он выводит видовой фенотип не только за рамки вида, порой даже за рамки семейства. Гены, которые изменены в процессе отбора по поведению дестабилизируют весь онтогенез, и на фоне этого дестабилизированного онтогенеза и появляются на уровне фенотипа различные фенотипические изменения. Возникал главный вопрос, с помощью каких все-таки механизмов-генетических, онтогенетических- действовал дестабилизирующий отбор. Что он использовал прежде всего, создавая такую изменчивость? Дмитрий Константинович считал, что не мутационные изменения генов лежат в основе формообразовательного процесса у домашних животных. Он высказал гипотезу, что главным генетическим механизмом, действующим в процессе доместикации, является изменение генетической экспрессии, изменения активности генов. Сейчас это неудивительно, сейчас это каждому известно. Но это было высказано, когда не было даже первых данных о гормональной индукции экспрессии. Это было высказано только на основе анализа тех фенотипических признаков, какие возникали у лисиц, что указывало на то, что в процессе доместикации прежде всего идет изменение активности генов. Если раньше никакого фундамента под этим предположением не было, то теперь, на настоящем этапе, под этим твердый фундамент фактического материала.

Прежде всего, проведен сравнительный анализ генетической экспрессии гипоталамических генов у собак и волков и показано, что расхождение в экспрессии между волками и собаками такие широкие (волки и собаки дивергировали в течение 15-20 тыс. лет), что они во много раз превосходят расхождения между волками и койотами, которые разошлись миллионы лет тому назад. Миллионы лет эта экспрессия была стабильна у волков и койотов, а вот вмешался процесс доместикации в эволюцию собаки и произошла дивергенция экспрессии гипоталамических генов у домашних собак. Первые исследования–это были исследования активности гипоталамических генов, поскольку гипоталамус-это древняя структура, которая управляет гормональными ответами, эмоциональными ответами. Теперь есть данные, полученные в лаборатории Паабо, в которой проведен сравнительный анализ генетической экспрессии уже не гепаталамических генов, а генов коры головного мозга у нескольких доместикатов и их диких сородичей -у свиней, у коз, у овец, у морских свинок-, и удивительно, они показали, что фактор дивергенции активности мозга специфических генов у многих доместикатов подобен, на основе чего высказывается предположение, что какой-то общий фактор изменял эту экспрессию, если направление изменения этой экспрессии одинаково. Более того, на настоящем этапе, в совместных наших исследованиях с американскими коллегами проведен анализ транскриптом префронтальной коры головного мозга и показано, что по 360 генам ручные и не ручные лисицы дивергировали по своей экспрессии, т.е. и характер этой дивергенции очень похож на ту дивергенцию, какую продемонстрировали в лаборатории Паабо, сравнивая другие домашние животные. Т.е. идея Беляева Д.К. о том, что главным генетическим механизмом, играющим большую роль в эволюции домашних животных, является изменения генетической экспрессии, теперь имеет твердый фундамент фактического материала.

Конечно, на данном этапе, пока еще нельзя связать конкретные изменения в экспрессии конкретных генов с конкретными фенотипами. Эти данные демонстрируют только то, что главным механизмом доместикации является изменения генетической экспрессии. Далее Беляев Д.К. рассуждал так: если в процессе доместикации изменяется генетическая экспрессия, изменяется довольно сильно, то эти изменения генетической экспрессии могут привести к полной инактивации генов или наоборот к активации  ранее неактивных генов, иными словами он высказал гипотезу об эволюционной роли дремлющих генов. Вы знаете, более активного протеста против его идеи, чем протест против идеи молчащих генов, я не помню. И главный протест был высказан внутри нашего института. Я помню двух активно возражающих людей- это С.Н. Родин и В.А. Бердников. Но несколько лет назад С.Н. Родин написал из США такое письмо: «Что только здесь я понял, насколько пророческими были идеи нашего Дмитрия Константиновича». Безусловно, не Америка дала ему это понять, просто развитие науки привело  к этому. А теперь генетический сайлесинг у всех на устах, его демонстрируют, изучают механизмы этого процесса. Молчащие гены теперь продемонстрированы во многих родословных и прежде всего в родословной человека. О приложении своей идеи он очень много думал применительно к антропогенезу. Возражение тех, кто выступал против молчащих генов, было такое: «Да как же это может неусыпный контроль стабилизирующего отбора упустить вот эти гены? Ведь если они есть, если они активны, они нужны. Ну как стабилизирующий отбор может допустить, что они теряют свою активность». Дмитрий Константинович на это возражал, что иногда потеря активности тех или иных генов наоборот стимулирует дальнейшие прогрессивные изменения. Тогда он это просто гипотетически высказывал. А вот несколько лет назад появилась статья Олсена «Когда меньше означает больше». И в этой статье он развивает идею Дмитрия Константиновича, что порой потеря активности некоторых генов как раз играет прогрессирующее значение и разбирает это на примере эволюционной родословной человека. В частности, там очень много генов стали молчащими в обонятельной функции, функции иммунной системы, и если потерю активности генов обонятельной системы можно понять, обонятельные сигналы в эволюции человека ослабили свое значение по сравнению с предками, то как можно понять потерю активности генов иммунной системы? Здесь есть опять одно объяснение. В работах И.Н. Оськиной очень четко показана взаимосвязь между гипофизарной, надпочечниковой и иммунной системами. Было показано, что ослабление гипофизарной, надпочечниковой системы ведет к ослаблению клеточного иммунного ответа, т.е. тот же отбор по поведению, тот же отбор на доместикацию, мог вызвать в порядке косвенного эффекта потерю функции некоторых генов иммунной системы.

Итак, идея о существовании молчащих генов в современной науке подтверждена, продемонстрирована. Далее Дмитрий Константинович высказал очередную идею о функциях отбора по поведению в эволюции природных популяций животных. В природных популяциях также могут быть такие ситуации, когда мишенью сильнейшего отбора являются свойства поведения. И он высказал идею, что дестабилизирующий отбор, как отбор по поведению, может действовать на природные популяции животных любого уровня организации, если эти животные попадают под сильнейшие изменения средовых условий. Меня в свое время очень  поражал феномен гавайской дрозофилы. Он очень активно обсуждался в литературе генетической. В чем этот феномен? На Гавайских островах описано такое интенсивное расхождение гавайской дрозофилы, такое интенсивное формообразование, возникновение почти фантастических морфологических и физиологических признаков. В генетической литературе была активная дискуссия о механизмах, лежащих в основе эволюции  гавайской дрозофилы. Интересно, чем все-таки завершилась эта дискуссия? Эта дискуссия завершилась тем, что большинство участвующих в ней согласились, что главным фактором в эволюции гавайской дрозофилы явился отбор по оборонительному, защитному поведению, поскольку на Гавайских островах, как нигде в другом месте, у дрозофилы очень много врагов. И этот интенсивный отбор по этой форме поведения и вызвал вот такой феномен, активно в свое время обсуждаемый феномен гавайской дрозофилы. Он часто подчеркивал, что эффекты такого отбора применительно к высокоорганизованным животным, конечно, многократно возрастают. Он много думал о его применимости к родословной человека. Поскольку именно в родословной человека наиболее сильное давление на функции мозга специфически х генов, т.е. тех генов, которые еще и обладают функцией регуляции генетических  процессов. В 1937 году жил эволюционист-психиатр С.Н. Давыденко, и он постоянно поднимал вопрос о парадоксе нервно-психической эволюции человека. Как это возможно, что отбор создал такой совершенный орган, как мозг человека? Ну почему же отбор не создал совершенные механизмы функционирования этого органа? Почему работа этого органа постоянно срывается, часты неврозы среди человечества и возникновение психических заболеваний. Дмитрий Константинович, обсуждая этот парадокс, высказывал гипотезу, что изменчивость, порождающая патологические формы в человечестве, тоже индуцирована сильнейшим давлением отбора на мозгоспецифические гены. Теперь в современной литературе показано, что среди генов, детерминирующих патологической формы поведения-шизофрению, маниакально-депрессивный психоз - крайне высокая частота de novo возникающих мутаций. Что их создает? По главной идее Дмитрия Константиновича их создает сильнейшее давление отбора на мозгоспецифические гены, которые в эволюции человека имеют несопоставимо большее значение по сравнению с другими родословными. 

Закончить мне хочется все-таки тем, с чего я начала. А начала я с того, что Дмитрий Константинович гипотетически предполагал, что в самом начале доместикации, т.е. в течение того процесса , который теперь называют протодоместикацией, произошли те ключевые генетические изменения, которые повлияли потом на всю последующую эволюцию домашних животных. В настоящее время мы вместе с американскими коллегами идентифицировали на 12-ой хромосоме лисицы регион, который наиболее тесно связан с доместикационным поведением, но самое интересное состоит в том, что в опубликованной уже 2 года назад работе в Sciance по сравнению сиквенса всех пород собак и волка показано, что все породы собак отличаются от волка по региону на 5 хромосоме. Этот регион оказался синтенным тому региону, который идентифицирован нами на 12 хромосоме лисиц. Исследователи, которые идентифицировали регион на 5 хромосоме, по которому отличаются волки от собак, считают его ответственным за переход волка в примитивную собаку. Иными словами, идея, которую в самом начале своей творческой жизни высказывал Дмитрий Константинович, теперь имеет некоторые подтверждения и на уровне молекулярной генетики. Я вслед за Сергеем  Александровичем Родиным хочу сказать, что чем больше я думаю над идеями Д.К. Беляева, чем больше я думаю над его научной биографией, тем больше убеждаюсь, насколько пророческими были идеи этого человека.

Но их еще разрабатывать и разрабатывать, было бы только кому.