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

Говоря научным языком, я исходил из допущения, что новая мутация как минимум «полудоминантна» — то есть даже в паре со старой версией гена она влияет на внешний вид бабочек. При полной доминантности новой мутации особи с одной старой и одной новой версией гена выглядят так же, как особи с двумя новыми версиями. К несчастью, некоторые болезнетворные мутации тоже бывают доминантными — например, для развития болезни Хантингтона достаточно получить всего одну дефектную копию соответствующего гена, чтобы заболевание проявилось в полную силу. Однако новая мутация может оказаться и рецессивной — в этом случае ее эффект будет полностью замаскирован. Именно так работает мутация, вызывающая муковисцидоз, — болезнь развивается, только если человек унаследовал две дефектные копии гена.

А что, если особь становится пятнистой, только получив обе копии нового гена, тогда как сочетание старой и новой версии дает прежнюю серо-черную окраску? Британский генетик Джон Бёрдон Холдейн заметил, что отбор действует здесь как дополнительное сито: полезные и при этом генетически доминантные мутации имеют больше шансов на успех, когда они редки, а значит, именно они чаще вносят вклад в адаптивные изменения. Это происходит потому, что судьба мутации во многом определяется тем, как она проявляет себя на ранних этапах, когда встречается редко. Этот принцип получил название «сито Холдейна» — своего рода фильтр доминантности поверх фильтра положительного отбора. Однако картина становится еще сложнее, если принять во внимание другие аспекты доминантности. Что, если, например, наиболее приспособленными окажутся особи, несущие одну копию старого гена и одну новую мутацию?

Еще одно важное допущение связано со скоростью мутирования. Я объяснял, как естественный отбор помогает выбранному варианту гена распространиться в популяции гораздо быстрее, чем появляются новые мутации, способные помешать этому процессу. Но что произойдет, если скорость мутаций окажется слишком высокой? Сможет ли принцип выживания сильнейших работать, если сами сильнейшие будут стремительно разрушаться под напором новых мутаций? В большинстве случаев этот вопрос неактуален — скорость мутаций обычно довольно низкая. Однако эта проблема может оказаться критической для некоторых вирусов.

Я также очень бегло коснулся еще двух принципиально важных допущений. Первое из них касается механизма передачи генов: предполагается, что он работает без искажений. Обратите внимание: я исходил из того, что особь, имеющая одну старую и одну новую версию гена, передаст новую версию ровно половине своих потомков, а старую — второй половине. С точки зрения биологии это вполне разумное допущение. Процесс формирования половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), при всей своей удивительной сложности, как правило, действительно обеспечивает равномерное распределение мутаций между родителями и потомками.

При формировании половых клеток происходит переход от клетки с двумя копиями каждой хромосомы (у человека 2 × 23) к клеткам с одиночным набором хромосом (1 × 23). Причем в половую клетку попадает не случайный набор из 23 хромосом, а строго по одной хромосоме каждого типа — одна первая хромосома, одна вторая и так далее. Когда сперматозоид с 23 хромосомами сливается с яйцеклеткой, тоже несущей 23 хромосомы, образуется новый человеческий организм с полным набором из 46 хромосом (2 × 23).

Механизм этого процесса напоминает честное подбрасывание монеты. Давайте, к примеру, посмотрим, что происходит у мужчин: исходная клетка с двумя копиями каждой хромосомы сначала производит клетку с четырьмя копиями каждой хромосомы (4 × 23). Затем эта клетка делится на две, каждая из которых содержит по две копии каждой хромосомы (получается два набора по 2 × 23). После этого каждая из этих клеток делится еще раз, образуя по две клетки с одиночным набором хромосом (в итоге получаются четыре клетки, в каждой по 23 хромосомы). Я же говорил, что процесс удивительно сложный!

Ключевой момент процесса — это поведение хромосом при каждом делении клетки. Они выстраиваются парами, словно партнеры в танце: первая хромосома находит свою пару — тоже первую хромосому, вторая — вторую, и так далее. При делении клетки хромосомы из каждой пары расходятся по разным дочерним клеткам. Если хромосома с новой мутацией отправляется в одну клетку, то хромосома со старой версией гена неизбежно попадает в другую. В результате ровно половина клеток получает новую версию гена, а половина — старую. Такое равномерное распределение 50:50 — это норма, заданная самой природой. Но что произойдет, если этот механизм передачи исказится? Будет ли судьба мутации зависеть только от того, насколько она полезна для организма, или же скорость ее передачи тоже начнет играть важную роль?

В моих рассуждениях скрылось еще одно, почти незаметное допущение: я считал, что судьба мутации зависит только от того, полезна она или вредна для организма. Я не учитывал фактор случайности. А ведь он может иметь огромное значение. Представим: появляется первая бабочка, несущая как новую мутацию, так и старую версию гена. Благодаря своей внешности (то есть генам) она имеет больше шансов выжить. Но что происходит, когда ее половые клетки случайным образом встречаются с половыми клетками другой бабочки (у которой только старая версия гена)? Допустим, от этого спаривания появляется два потомка. В половине случаев чистая случайность определит, что один потомок унаследует новую мутацию, а другой — нет. В четверти случаев просто благодаря везению при слиянии половых клеток оба потомка получат новую мутацию. И в четверти случаев ни одному не достанется новой мутации. В среднем частота мутации не меняется (работает то самое распределение 50:50, о котором мы говорили), но, когда мутация только появляется в популяции, ее влияние на приспособленность может оказаться ничтожным по сравнению с обычным невезением. Подумайте только: в четверти случаев эта замечательная новая мутация будет потеряна просто потому, что в результате случайной встречи сперматозоида и яйцеклетки ни один из потомков ее не получит.

Любая мутация наиболее уязвима именно в тот момент, когда она редка. На этом этапе она может легко исчезнуть из популяции просто по воле случая. Холдейн произвел интересный расчет: если новая мутация повышает приспособленность организма на x%, то вероятность ее закрепления в популяции составляет примерно 2x%. Другими словами, даже если мутация увеличивает приспособленность на целый процент (это очень существенное преимущество!), у нее есть всего лишь 2%-ный шанс закрепиться. В остальных 98% случаев она будет потеряна — ведь когда признак редок, одной только полезности мало, нужна еще и удача, чтобы он стал достаточно распространенным и не исчез по чистой случайности.

Как мы вскоре увидим, нарушение любого из этих допущений может привести к тому, что эволюция не создаст более совершенную версию — это, собственно, и происходит довольно часто. Особенно