Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

состоит из мотыльков, у которых есть несколько пятен. Это было первое селективное замещение. Мотыльки по-прежнему не слишком хорошо сливаются с фоном, но все же маскируются лучше, чем их предки. Здесь мы видим важнейший принцип естественного отбора: значение имеет не абсолютное совершенство, а то, насколько вы успешнее своих конкурентов. Как в поговорке: «в стране слепых одноглазый — король». Чтобы победить в конкурентной борьбе, необязательно быть идеальным с самого начала. То же самое в спорте: не нужно играть безупречно, достаточно быть лучше соперников. По этому поводу даже любят шутить: убегая ото льва, необязательно бежать быстрее него — достаточно бежать быстрее других убегающих. Именно поэтому биологи-эволюционисты, прогнозируя судьбу мутаций, используют понятие «относительная приспособленность» (насколько особь успешнее конкурентов), а не «абсолютная приспособленность» (насколько она близка к некоему идеалу).

Первый раунд положительного, или дарвиновского, отбора открывает нам еще одну важную истину. Генетическая трансформация популяции происходит не в одночасье. Вовсе не так, будто все особи вдруг понимают, какая ДНК лучше, и каким-то чудом изменяют свою или впитывают ее откуда-то. И пусть этот процесс действительно повышает выживаемость популяции, снижая риск быть съеденными, не стоит думать, будто мутации возникают целенаправленно. Многие мутации, напротив, снижают шансы на выживание (тогда включается отрицательный, или очищающий, отбор), а некоторые и вовсе не влияют на организм. Отбор, ведущий к изменениям в популяции, — это своего рода фильтр, просеивающий новые мутации.

Кстати, порой можно услышать, что эволюция неспособна вести к совершенствованию, поскольку она представляет собой случайный процесс. Такое утверждение — просто результат недопонимания: случайны только мутации, а отбор — это направленный фильтр, через который проходят возникшие изменения. В том, что популяция со временем все лучше приспосабливается к окружающей среде, нет ничего удивительного: естественный отбор похож на дуршлаг, который пропускает воду (вредные мутации), но удерживает макароны (полезные мутации).

Итак, первый раунд завершен — что дальше? В популяции мотыльков с небольшим количеством пятен продолжают возникать случайные мутации. Этот процесс не зависит от того, удалось ли первой мутации закрепиться. Мутации происходят постоянно, хотя и протекают очень медленно. И снова: одни из них окажутся вредными для носителей (например, вернут более темную окраску и ухудшат маскировку), другие не дадут никакого эффекта, а третьи создадут чуть более совершенный узор, который лучше сливается с фоном — во всяком случае, с точки зрения хищников. Вредные мутации будут отсеяны очищающим отбором, и популяция сохранит свою умеренную пятнистость. А вот полезная мутация может снова начать распространяться — с той же частоты один на два миллиона до двух на два миллиона и так далее. И не потому, что мутация повторяется, а потому, что ее носители опять получают небольшое преимущество перед остальными. После многих поколений второе селективное замещение приведет к фиксации и этого нового варианта.

Этот процесс может повторяться снова и снова. Каждый отдельный раунд представляет собой естественный отбор, а вся последовательность раундов складывается в единый процесс адаптации. Кстати, о термине «адаптация» — тут нужна оговорка. Порой им называют каждый отдельный раунд естественного отбора (даже специалисты этим грешат). Иногда — как я определил выше — это длительный процесс, состоящий из череды селективных замещений. А иногда словом «адаптация» обозначают не процесс, а его результат. Так, хорошо маскирующая пятнистость мотылька — это адаптация, а то, как она возникла, — процесс адаптации. М-да. Жаль, что наш язык скуп на термины.

Большой эволюционный старт

Резонный вопрос: когда же этот процесс остановится? В теории он должен прекратиться при достижении совершенства — когда никакая новая мутация уже не сможет улучшить приспособленность к среде. Здесь эволюцию можно сравнить с игрой в дартс: каждый бросок (новая мутация) должен быть ближе к центру мишени, чем предыдущий закрепившийся бросок, чтобы тоже закрепиться в популяции. После череды успешных замещений популяция все ближе подбирается к центру мишени, и в какой-то момент просто не останется возможности для появления еще более удачной мутации — тогда-то и будет достигнут предел совершенствования.

Представление эволюции в виде мишени для дартса имеет несколько любопытных особенностей. Во-первых, это помогает понять, почему большинство мутаций вредны и могут вызывать, например, генетические заболевания. Когда мы приближаемся к центру мишени, успешными могут быть только всё более тонкие изменения, а вероятность вредных мутаций растет — ведь теперь любое отклонение от центра означает ухудшение. Чем ближе организм к совершенству, тем вероятнее, что случайная мутация уведет его в сторону от оптимального состояния, особенно если влияние этой мутации серьезно. Тут нет ничего исключительно биологического: если наугад подкрутить что-нибудь в механизме великолепных швейцарских часов, скорее всего, они станут хуже работать. Поэтому и мутации чаще всего только портят отлаженные механизмы.

Во-вторых, эта модель показывает, что мутации, вызывающие серьезные изменения, вряд ли будут играть важную роль — разве что в самом начале процесса. Представим, что популяция стартует далеко от совершенства. В этом случае любая мутация, которая хотя бы просто попадет в мишень, окажется лучше существующего варианта гена. Допустим, первый раунд адаптации — как раз такое попадание. Дротик вонзается куда-то во внешнее кольцо мишени (как та первая мутация, создавшая слабую пятнистость у мотылька). Эта мутация появляется и закрепляется. До центра мишени еще далеко. Теперь для второго броска (то есть следующего раунда мутаций после закрепления первой полезной) пространство для улучшения уже более ограничено — ведь, чтобы закрепиться, новая мутация должна оказаться ближе к центру, чем предыдущая. И так шаг за шагом. Поэтому мы ожидаем, что сила воздействия успешных мутаций будет уменьшаться по мере приближения к совершенству. Похожим образом работают и скульпторы: начиная работу, они могут отсекать большие куски мрамора, но чем ближе работа к завершению, тем аккуратнее и точнее становятся их движения.

Из вышесказанного следует, что мутации с сильным эффектом могут оказаться успешными лишь тогда, когда популяция далека от совершенства. По крайней мере, для простых организмов у нас есть убедительные доказательства этого явления. Одно из важнейших современных исследований механизмов эволюции провели Рич Ленски с коллегами в Университете штата Мичиган. Они запустили так называемый долговременный эволюционный эксперимент (ДЭЭ). В ходе исследования ученые наблюдали за генетическими изменениями в 12 изначально идентичных популяциях кишечной палочки (Escherichia coli, или E. coli). Эксперимент начался в феврале 1988 года и продолжается по сей день. К началу 2020 года сменилось уже 73 000 поколений бактерий, но во время пандемии COVID эксперимент пришлось заморозить (в буквальном смысле этого слова). В сентябре 2020 года работа возобновилась. Изначально бактерии не были приспособлены к лабораторным условиям.