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

Ленски обнаружил во всех 12 популяциях одну закономерность: улучшение приспособленности, выражавшееся в генетических изменениях, которые ускоряли рост и увеличивали размер клеток, поначалу шло быстро, но затем замедлилось, в полном соответствии с моделью эволюционного дартса.

Однако в одной из популяций исследователей ждал настоящий сюрприз — совершенно невероятные изменения. Все бактерии росли в среде, где кроме обычной пищи присутствовали вещества, которые кишечная палочка в норме не использует при наличии кислорода, в том числе и цитрат. Собственно, одна из ключевых особенностей E. coli как раз и состоит в том, что она неспособна усваивать цитрат в присутствии кислорода. Представьте же удивление ученых, когда однажды они заметили, что одна из культур стала мутной. Выяснилось, что эта популяция бактерий обзавелась мутациями, благодаря которым научилась питаться цитратом, которого в среде было предостаточно. Вот вам и доказательство: мутации с сильным эффектом не только существуют, но и могут процветать. Впрочем, этот случай еще больше запутывает всю историю. Исследователи изучили предков удивительной популяции (благо они предусмотрительно замораживали образцы на протяжении всего эксперимента) и обнаружили любопытную закономерность: вероятность закрепления мутации, позволяющей усваивать цитрат, сильно зависела от имеющейся генетической основы. Так что простая схема, где мутации просто проходят через сито естественного отбора, оказалась неполной — нельзя сбрасывать со счетов и случайные события прошлого.

Правда, не вполне понятно, насколько эта модель эволюционного дартса применима к более сложным организмам. Данная модель эволюции перекликается с уже упомянутой метафорой восхождения на холм и представляет собой простое воплощение так называемого геометрического взгляда на эволюцию, предложенного британским эволюционным биологом и статистиком Рональдом Фишером. Кстати, о Фишере: при всей своей гениальности он придерживался взглядов, которые сегодня многие сочли бы весьма сомнительными. Он был одним из первых сторонников евгеники и выступал за добровольную стерилизацию. Он также считал, что таким умным людям, как он, следует иметь побольше детей, — и следовал этому принципу. А еще он упорно отрицал связь между курением и раком. Что ж, даже самые блестящие умы не застрахованы от ошибок.

Модель Фишера обычно представляют как своего рода многомерную мишень для дартса, где каждое измерение соответствует определенному признаку. В этой усложненной версии мутации, сильно влияющие на одно свойство, могут оказаться вредными для другого — особенно у многоклеточных организмов. Это и есть плейотропия, о которой говорилось во второй главе. Такая логика лежит в основе проблемы сложности: чем сложнее вид, тем более запутанны связи между его генами, а значит, любая отдельная мутация может затронуть множество разных свойств организма. Поскольку мутации с сильным эффектом вряд ли окажутся успешными (приближая к одной цели, они могут отдалять от другой), логично предположить, что эволюция будет идти преимущественно через мутации со слабым эффектом. Ученые до сих пор спорят о том, насколько сильно это влияет на эволюционный процесс, но не исключено, что у сложных организмов даже самые первые мутации не могут быть настолько значительными, как у их более простых собратьев.

Естественный отбор в действии

Теория выглядит убедительно, но можем ли мы увидеть все это своими глазами? Да, можем! Когда окружающая среда меняется резко — скажем, из-за промышленных загрязнений, — мы видим, как полезные мутации стремительно распространяются в популяциях. Вспомним и эксперимент Ленски, где бактерии вдруг научились усваивать цитрат, — вот вам еще один пример молниеносного распространения мутации. Но, пожалуй, самый детально изученный случай естественного отбора в действии, где ученым удалось разобраться и в участвующих в нем генах, и в механизмах их работы, связан с оленьим хомячком (Peromyscus maniculatus).

Совсем недавно с этим видом произошло нечто удивительное — из-за пернатых хищников изменилась окраска меха. Исследователи из Гарвардского университета во главе с Хопи Хукстрой заинтересовались популяцией этих грызунов, обитающих в прериях Сэндхиллс в штате Небраска. Дюны этих прерий сформировались всего 8000–10 000 лет назад (в геологических масштабах это действительно недавно) и состоят из светлого кварца — в отличие от окружающих древних темных почв. Раз дюны настолько молоды и представляют собой особую экосистему, значит, и эволюционные изменения у живущих там оленьих хомячков должны были произойти совсем недавно. Как вы уже, наверное, догадались, у грызунов изменилась окраска меха. Ученые отлавливали зверьков в разных местах и обнаружили четкую закономерность: чем темнее почва, тем темнее мех. За этими различиями в окраске, как выяснилось, стоят мутации в одном-единственном гене — Агути, который отвечает за выработку желтого пигмента феомеланина.

Похоже на классический случай естественного отбора. Но есть ли тому прямые доказательства?

Чтобы получить их, Хукстра с коллегами провела эксперимент. Для начала ученые выяснили, кто главный охотник на мышей, — следы укусов на пластилиновых приманках указывали на птиц. Тогда исследователи решили посмотреть, как охота пернатых хищников влияет на окраску меха. Они построили шесть загонов размером 50 × 50 метров — по три на темной и светлой почве. Конструкция загонов не позволяла наземным хищникам добраться до мышей, но птицы могли охотиться свободно. В каждый загон, где изначально не было мышей, выпустили поровну светлых и темных зверьков. В течение нескольких месяцев команда следила за тем, как меняется соотношение светлых и темных особей. Результаты оказались предсказуемыми: светлые мыши, пойманные на светлых почвах, лучше выживали в загонах со светлой почвой. А темные мыши, соответственно, лучше справлялись на темной почве. Вот он, естественный отбор в действии!

А что происходило на генетическом уровне? Как и ожидалось, в гене Агути ученые обнаружили мутации, частота которых менялась по ходу экспериментов. Одна из них оказалась особенно любопытной. Речь идет об изменении всего одной аминокислоты: у части мышей в определенном участке белка присутствовал серин, у других его не было (мутации не всегда просто заменяют один нуклеотид на другой — порой они приводят к потере или добавлению участков ДНК). Наличие или отсутствие этой аминокислоты четко соответствовало светлой или темной окраске меха у мышей в исходных популяциях со светлых или темных почв. Более того, частота этого варианта гена заметно изменилась за все время эксперимента. Похоже, именно эта мутация отвечает как минимум за часть изменений окраски, которые наблюдались со временем.

Как именно наличие или отсутствие серина влияет на окраску? Разобраться в этом помог блестящий эксперимент. Ученые взяли хомячков другого вида, у которых от природы нет гена Агути, и создали две группы генномодифицированных особей: одним встроили версию гена без серина, другим — с серином. И что же? Грызуны без серина оказались заметно светлее тех, у кого серин был. Это прекрасно согласовывается с результатами экспериментов в загонах: когда