Введение
Мутационизм – одна из нескольких альтернатив эволюции посредством естественного отбора, существовавших как до, так и после публикации книги Чарльза Дарвина 1859 года «О происхождении видов». Согласно этой теории, мутации являлись источником новизны, создавая новые формы и новые виды, потенциально мгновенно, при этом считалось, что виды эволюционируют, а видообразование происходит скачкообразно. Жан Батист Ламарк придерживался теории постепенности, но, подобно другим ученым того времени, допускал возможность скачкообразной эволюции. В 1822 году, во втором томе своей «Философии анатомии», Этьен Жоффруа Сен-Илер поддержал теорию скачкообразной эволюции, утверждая, что «уродства могут стать родоначальниками новых видов посредством мгновенного перехода от одной формы к другой». Жоффруа писал, что воздействие окружающей среды может вызывать внезапные преобразования, мгновенно приводящие к образованию новых видов.
Mutationism is one of several alternatives to evolution by natural selection that have existed both before and after the publication of Charles Darwin's 1859 book On the Origin of Species. In the theory, mutation was the source of novelty, creating new forms and new species, potentially instantaneously, believing that species evolved and that speciation took place in sudden jumps. Jean Baptiste Lamarck was a gradualist but similar to other scientists of the period had written that saltational evolution was possible. In 1822, in the second volume of his Philosophie anatomique, Étienne Geoffroy Saint Hilaire endorsed a theory of saltational evolution that "monstrosities could become the founding fathers (or mothers) of new species by instantaneous transition from one form to the next." Geoffroy wrote that environmental pressures could produce sudden transformations to establish new species instantaneously.
Антисальтационистский постепенность Дарвина, 1859
В своей книге 1859 года "О происхождении видов" Чарльз Дарвин отрицал скачкообразную эволюцию. Он утверждал, что эволюционная трансформация всегда происходит постепенно, никогда не скачками: "естественный отбор действует исключительно путем накопления незначительных последовательных благоприятных вариаций, он не может произвести больших или внезапных изменений; он может действовать только очень короткими шагами". Дарвин придерживался этой точки зрения на протяжении всей своей жизни. Томас Генри Хаксли предупредил Дарвина, что он "взял на себя излишнюю трудность, столь безоговорочно приняв Natura non facit saltum ["Природа не делает скачков"]". Хаксли опасался, что это предположение может обескуражить натуралистов (катастрофистов), которые полагали, что крупные скачки и катаклизмы играли значительную роль в истории жизни.
Гетерогенез фон Кёлликера, 1864
В 1864 году Альберт фон Кёлликер возродил теорию Жоффруа о том, что эволюция происходит скачками, под названием гетерогенеза, но в этот раз, предполагая, что ход эволюции направляется некой нематериальной силой.
"Спорт" Гальтона, 1892 год
Двоюродный брат Дарвина, Фрэнсис Гальтон, рассмотрел доказательства эволюции Дарвина и пришел к противоположному выводу относительно типа изменчивости, на которую должен действовать естественный отбор. Он провел собственные эксперименты и опубликовал серию статей и книг, излагающих его взгляды. Уже к 1869 году, когда вышла его книга «Наследственный гений», он верил в эволюцию скачкообразно. В своей книге «Естественное наследование» 1889 года он утверждал, что естественный отбор выиграет от признания того, что этапы не обязательно должны быть, как указывал Дарвин, незначительными. В своей книге «Отпечатки пальцев» 1892 года он прямо заявил: «Прогресс эволюции не является плавным и равномерным, а происходит рывками, через последовательные «мутации» (как их называют), некоторые из которых подразумевают значительные органические изменения; и каждый из них, в свою очередь, благоприятствуется естественным отбором». С 1860 по 1880 год скачкообразная эволюция была маргинальной точкой зрения, настолько, что Гальтон чувствовал, будто его работы игнорируются повсеместно. К 1890 году она стала широко распространенной теорией, а его взгляды послужили началом крупномасштабных споров.
Дисконтинентная вариация Бейтсона, 1894
Книга Уильяма Бейтсона 1894 года «Материалы для изучения изменчивости, рассматриваемые с особым вниманием к дискретности в происхождении видов» ознаменовала появление мутационистского мышления до повторного открытия законов Менделя. Он исследовал дискретные вариации (подразумевая форму скачкообразной эволюции), наблюдаемые в природе, опираясь на работы Уильяма Кита Брукса, Гальтона, Томаса Генри Хаксли и Сент-Джорджа Джексона Миварта. Тщательные исследования Хьюго де Вриса в 1901 году диких вариантов вечерней примулы Oenothera lamarckiana показали, что отчетливо новые формы могут возникать внезапно в природе, по-видимому, случайным образом, и могут размножаться на протяжении многих поколений без утраты или смешения признаков. Он назвал такие изменения «мутациями». Под этим де Врис подразумевал, что новая форма растения создается за один шаг (что не тождественно мутации в современном понимании); для видообразования не требовался длительный период естественного отбора, равно как и репродуктивная изоляция. По мнению историка науки Питера Боулера, де Врис использовал этот термин для обозначения масштабных генетических изменений, способных мгновенно породить новый подвид или даже вид. По мнению историка науки Эдварда Ларсона, де Врис был главным образом ответственен за трансформацию сальтационизма викторианской эпохи в теорию мутаций начала XX века, «и тем самым поставил дарвинизм на грань исчезновения как жизнеспособной научной теории».
quote|large scale genetic changes capable of producing a new subspecies, or even species, instantaneously. In the view of the historian of science Edward Larson, de Vries was the person largely responsible for transforming Victorian era saltationism into early 20th century mutation theory, "and in doing so pushed Darwinism near the verge of extinction as a viable scientific theory".
Эксперименты Йоханнсена "чистая линия", 1903
В начале 1900-х годов сторонники непрерывной изменчивости, главным образом биометрики Уолтер Уэлдон и Карл Пирсон, понимали дарвиновский механизм естественного отбора как способный действовать на непрерывно изменяющиеся признаки, в то время как де Врис утверждал, что отбор по таким признакам был бы неэффективен. Эксперименты Вильгельма Иоганнсена с "чистыми линиями" на фасоли Phaseolus vulgaris, казалось, опровергали этот механизм. Используя истинно размножающийся сорт фасоли "Принцесса", тщательно инбридированный в пределах весовых классов, работа Иоганнсена, по-видимому, подтверждала точку зрения де Вриса. У потомства наблюдалось плавное случайное распределение. Иоганнсен полагал, что его результаты показали, что непрерывная изменчивость не наследуется, следовательно, эволюция должна основываться на скачкообразных мутациях, как утверждал де Врис. Иоганнсен опубликовал свои работы на датском языке в статье 1903 года "Om arvelighed i samfund og i rene linier" ("О наследственности в популяциях и чистых линиях") и в книге 1905 года "Arvelighedslærens Elementer" ("Элементы наследственности").
Мимикрия Пуннетта, 1915 год
В 1915 году Реджинальд Пуннетт в своей книге "Мимикрия у бабочек" утверждал, что 3 морфы (формы) бабочки Papilio polytes, имитирующие различные виды бабочек-хозяев, демонстрируют эволюцию скачкообразно, в действии. Различные формы существовали в стабильном полиморфизме, контролируемом двумя менделевскими факторами (генами). Поскольку аллели этих генов имели дискретный характер, Пуннетт предположил, что они должны были эволюционировать скачкообразно.
Анализ Менделизма и непрерывных вариаций Юла, 1902
Подрыв мутационизма начался почти сразу же, в 1902 году, когда статистик Удний Юль проанализировал теорию Менделя и показал, что при полном доминировании одного аллеля над другим соотношение аллелей 3:1 будет сохраняться неопределенно долго. Это означало, что рецессивный аллель может оставаться в популяции без необходимости прибегать к мутациям. Он также продемонстрировал, что при наличии множественных факторов теория Менделя допускает непрерывную изменчивость, как и сам Мендель предполагал, тем самым устраняя ключевой аргумент мутационистской теории, и критиковал конфронтационную манеру Бейтсона. Однако, несмотря на то, что работа была "превосходной", это не помешало менделистам и биометрикам поссориться.
Эксперименты Нильсона-Эле по менделевскому наследованию и непрерывной вариации, 1908
Шведский генетик Н. Нильсон Эле в 1908 году в статье, опубликованной на немецком языке в шведском журнале Einige Ergebnisse von Kreuzungen bei Hafer und Weizen (Наблюдения за скрещиваниями овса и пшеницы), продемонстрировал, что непрерывную изменчивость можно легко получить, используя множественные менделевские гены. Он обнаружил многочисленные менделевские соотношения 3:1, указывающие на доминантный и рецессивный аллель, у овса и пшеницы; соотношение 15:1 при скрещивании сортов овса с черными и белыми колосковыми чешуями соответственно, что предполагает наличие двух пар аллелей (двух менделевских факторов); и что скрещивание краснозернистой шведской бархатной пшеницы с белой дало в третьем (F3) поколении сложный набор соотношений, ожидаемых от трех факторов одновременно: 37 зерен дали только красное потомство, 8 – 63:1 в потомстве, 12 – 15:1, а 6 – 3:1. Зерен, дающих полностью белое потомство, не было, но поскольку он ожидал только одно такое зерно в своей выборке, результат в 0 не был маловероятным. Гены могли очевидно комбинироваться в почти бесконечном количестве вариантов: десять его факторов позволяли получить почти 60 000 различных форм, без необходимости предполагать участие каких-либо новых мутаций. Эти результаты показали, что естественный отбор действует на менделевские гены, способствуя объединению дарвиновской эволюции и генетики. Аналогичная работа Эдварда Иста в Америке по кукурузе в 1910 году продемонстрировала то же самое для биологов, не имевших доступа к работе Нильсона Эле. По той же теме математик Рональд Фишер опубликовал в 1918 году работу "Корреляция между родственниками при условии менделевского наследования", вновь показав, что непрерывную изменчивость можно легко получить, используя множественные менделевские гены. Он также показал, что менделевское наследование не имеет существенной связи с мутационизмом: Фишер подчеркнул, что небольших вариаций (на ген) будет достаточно для естественного отбора, чтобы направлять эволюцию.
Эксперименты Касла с выбором крысы с капюшоном, 1911
Начиная с 1906 года Уильям Касл провел длительное исследование влияния отбора на окраску шерсти у крыс. Пятнистый или капюшонный рисунок был рецессивным по отношению к серому дикому типу. Он скрещивал крыс с капюшонным окрасом с крысами черно-спинной ирландской породы, а затем проводил обратное скрещивание полученного потомства с чисто капюшонными крысами. Темная полоса на спине становилась шире. Затем он в течение 5 поколений пытался проводить отбор разных групп по размеру полосы – более крупной или более мелкой – и обнаружил, что характеристики можно изменить значительно за пределами первоначального диапазона изменчивости. Это эффективно опровергло утверждение де Вриса о том, что непрерывная изменчивость не может быть устойчиво унаследована и требует возникновения новых мутаций. К 1911 году Касл отметил, что результаты можно объяснить дарвиновским отбором, действующим на наследственную изменчивость менделевских генов.
Малые менделевские гены Моргана в дрозофиле, 1912
К 1912 году, после многих лет исследований генетики дрозофилы, Томас Хант Морган показал, что у этих животных существует множество малых менделевских факторов, на основе которых могла происходить дарвиновская эволюция, словно изменчивость была полностью непрерывной. Это позволило генетикам прийти к выводу, что менделизм согласуется с дарвинизмом.
Сбалансированное смертельное объяснение Мюллера "мутаций" Оенотера, 1918
Мутация Де Вриса получила серьезный, если не смертельный удар в 1918 году от американского генетика Германна Джозефа Мюллера. Он сравнил поведение сбалансированных леталей у дрозофилы с предполагаемыми мутациями Де Вриса у энотеры, показав, что они могут проявляться схожим образом. Реальных мутаций не происходило, но редкие хромосомные кроссинговеры объясняли внезапное появление признаков, которые изначально присутствовали в генах.
Объяснение полиморфизма Фишером, 1927
В 1927 году Фишер открыто критиковал теорию Паннетта 1915 года о скачкообразной эволюции мимикрии. Фишер утверждал, что отбор, действующий на гены, вызывающие небольшие изменения в фенотипе бабочки (ее внешнем виде), позволит сформировать множественные формы полиморфизма.
Макромутации Уиллиса, 1923
В 1923 году ботаник Джон Кристофер Уиллис предположил, что виды формируются в результате крупных мутаций, а не постепенной эволюции посредством естественного отбора, и что эволюция движется ортогенезом, который он называл "дифференциацией", а не естественным отбором.
"Надежные монстры" Голдшмидта, 1940
Масатоси Ней утверждает, что эволюция часто ограничена мутациями. Однако интерес к идеям Голдшмидта возродился в области эволюционной биологии развития.
Мутационная эволюция Nei, 1987
Современные биологи признают, что мутации и отбор играют роли в эволюции; преобладающая точка зрения заключается в том, что, хотя мутации предоставляют материал для отбора в виде изменчивости, все ненаправленные результаты обусловлены естественным отбором. Масатоси Ней утверждает, что создание более эффективных генотипов посредством мутаций является фундаментальным для эволюции, и что эволюция часто ограничена мутациями. Книга Нея получила содержательные рецензии; в то время как Райт отверг идеи Нея как ошибочные, Брукфилд, Гальтье, Вайс, Стольцфус, а также теория макромутаций Гулда отдали дань уважения своему предшественнику, предположив "разрыв Голдшмидта" между эволюцией внутри вида и видообразованием. Его поддержка идей Голдшмидта подверглась критике с "крайне негативными комментариями" со стороны Алана Темплтона. Футуйма приходит к выводу, вслед за другими биологами, изучающими эту область, такими как К. Стернелли и А. Минелли, что по сути все утверждения об эволюции, движимой крупными мутациями, можно объяснить в рамках дарвиновского синтеза эволюции. Утверждение Джеймса А. Шапиро о том, что молекулярная генетика подрывает дарвинизм, зоолог Энди Гарднер охарактеризовал как мутационизм и крайнюю точку зрения. Случаи мутационного смещения приводятся сторонниками мутационизма расширенного эволюционного синтеза, которые утверждают, что мутационное смещение является совершенно новым эволюционным принципом. Эту точку зрения критиковал Эрик Свенссон. В обзоре 2019 года Свенссон и Дэвид Бергер заключили, что "мы находим мало подтверждений мутационному смещению как независимой силе в адаптивной эволюции, хотя оно может взаимодействовать с отбором в условиях небольшой численности популяции и при ограниченной существующей генетической изменчивости, что полностью согласуется со стандартной эволюционной теорией". В отличие от Свенссона и Бергера, обзор Арлина Стольцфуса и его коллег в 2023 году пришел к выводу, что существуют убедительные эмпирические данные и теоретические аргументы, подтверждающие, что мутационное смещение оказывает предсказуемое влияние на генетические изменения, зафиксированные в процессе адаптации.
Историография
В начале XX века биологи в целом согласились с тем, что эволюция произошла, но сомневались в эффективности механизмов, предложенных Дарвином, включая естественный отбор. Крупные мутации казались более вероятным двигателем быстрой эволюции и позволяли избежать трудности, которая справедливо беспокоила Дарвина, а именно, что смешение наследственных признаков усредняло бы любые небольшие благоприятные изменения. Более того, крупные скачкообразные мутации, способные создавать виды за один шаг, давали очевидное объяснение большим разрывам и периодам быстрых изменений в летописи окаменелостей. Эти открытия часто интерпретировались сторонниками современного синтеза середины XX века, такими как Джулиан Хаксли и Эрнст Майр, как полемика между ранними генетиками – «менделеями», включая Бейтсона, Йоханнсена, де Вриса, Моргана и Пуннетта, которые отстаивали менделизм и мутацию и считались противниками первоначальной постулации Дарвина о постепенности эволюции, и биометриками, такими как Пирсон и Уэлдон, которые выступали против менделизма и оставались более верными идеям Дарвина. Согласно этой точке зрения, в период «затмения дарвинизма» прогресс был незначительным, а дебаты между мутационистскими генетиками, такими как де Врис, и биометриками, такими как Пирсон, завершились победой современного синтеза примерно в период с 1918 по 1950 год. Согласно этому истолкованию, новая популяционная генетика 1940-х годов продемонстрировала объяснительную силу естественного отбора, в то время как мутационизм, наряду с другими недарвиновскими подходами, такими как ортогенез и структурализм, был в значительной степени оставлен. Эта точка зрения стала доминирующей во второй половине XX века и была принята как биологами, так и историками. Однако более современная точка зрения, продвигаемая историками Арлином Стольцфусом и Келе Кэйблом, заключается в том, что к 1918 году Бейтсон, де Врис, Морган и Пуннетт сформировали синтез менделизма и мутационизма. Понимание, достигнутое этими генетиками, охватывало действие естественного отбора на аллели (альтернативные формы гена), равновесие Харди-Вайнберга, эволюцию непрерывно изменяющихся признаков (например, роста) и вероятность закрепления новой мутации. Согласно этой точке зрения, ранние генетики принимали естественный отбор наряду с мутацией, но отвергали неменделевские представления Дарвина о изменчивости и наследственности, и синтез начался вскоре после 1900 года. Традиционное утверждение о том, что менделеисты полностью отвергали идею непрерывной изменчивости, является ложным; еще в 1902 году Бейтсон и Эдит Сондерс писали: «Если бы существовало даже всего четыре или пять пар возможных аллеломорфов, различные гомо- и гетерозиготные комбинации, при серировании, могли бы дать настолько близкое приближение к непрерывной кривой, что чистота элементов осталась бы незамеченной». Историки по-разному интерпретировали историю мутационизма. Одни считают, что генетика логически привела к современному синтезу, а мутационизм был одной из нескольких «тупиковых» антидарвиновских линий развития, отделенных от основного направления, ведущего от Дарвина к современности. Альтернативная точка зрения заключается в том, что мутационисты принимали как мутацию, так и отбор, с примерно теми же ролями, что и сегодня, и рано признали и даже предложили правильное объяснение непрерывной изменчивости на основе множественных генов, тем самым подготовив почву для постепенной эволюции. Во время столетия Дарвина в Кембридже в 1909 году мутационизм и ламаркизм противопоставлялись естественному отбору как конкурирующим идеям; 50 лет спустя, в 1959 году, на столетии публикации «О происхождении видов» в Чикагском университете, мутационизм больше не рассматривался всерьез.