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

Похожая игра в кошки-мышки разворачивается и в отношениях между полами, а также между матерью и ребенком. Как мы уже видели, интересы детеныша («дай мне побольше ресурсов») не совпадают с интересами матери («нужно сохранить часть ресурсов на будущее»). Поэтому и здесь мы наблюдаем эволюционную гонку вооружений. И действительно, многие белки, участвующие в этих взаимодействиях, например плацентарный лактоген, эволюционируют с высокой скоростью.

Между самцами и самками тоже идет вечное противостояние. Возьмем, к примеру, плодовых мушек. После спаривания самки сильно меняются: становятся менее привлекательными для самцов и менее склонными к новым спариваниям, начинают активнее откладывать яйца и использовать полученную сперму. При этом продолжительность их жизни сокращается. И хотя некоторые из этих изменений могут быть полезны самке, все они явно выгодны потенциальному отцу. Мы знаем, что вызывает такие перемены: различные вещества, которые попадают в организм самки вместе со спермой при спаривании. Эти вещества производятся вспомогательными репродуктивными железами самца и называются Acps (белки придаточных желез). Что интересно, среди всех белков мушки именно эти вещества эволюционируют с наибольшей скоростью.

Этих белков удивительно много — каждый самец производит от 80 до 100 разных видов, и многие ученые посвящают всю свою жизнь изучению функций каждого из них. Например, Acp26Aa заставляет самку быстрее откладывать яйца, а Acp70A стимулирует длительное производство яиц. Особенно интересен Acp36DE, отвечающий за усвоение и хранение спермы. Этот белок необычен тем, что прикрепляется к стенке яйцевода самки рядом с входом в орган хранения спермы (в отличие от людей, мухи запасают сперму примерно так же, как хомяки набивают щеки семенами). По всей видимости, его задача — направлять сперму в это стратегически важное место.

Таким образом, мы видим, что самцы манипулируют самками в своих интересах, но можно ли считать это частью эволюционной игры в кошки-мышки? Действительно ли эти манипуляции вредны для самок? И развивают ли самки ответные адаптации? Тот факт, что спаривание сокращает продолжительность жизни самок, намекает: что хорошо для самца, то плохо для самки. Возникает вопрос: эволюционируют ли у самок механизмы защиты от токсичного действия веществ, содержащихся в семенной жидкости?

Одно из самых убедительных доказательств этой идеи представил Билл Райс из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Он рассуждал так: если самцы и самки действительно ведут долгую эволюционную игру в кошки-мышки, то, лишив самок возможности эволюционировать, мы должны увидеть, как самцы становятся все более агрессивными в своем воздействии на них. Для проверки этой гипотезы он поддерживал популяцию не размножавшихся прежде самок, которые не могли эволюционировать, и использовал их как матерей в каждом поколении. Их дочери не участвовали в размножении, так что женская линия не могла развивать защитные механизмы. А вот сыновья оставались в эксперименте. Таким образом, самцы могли эволюционировать, а самки — нет. Остроумное решение! Со временем приспособленность самцов возросла по сравнению с контрольной группой. При этом эволюционно неизменные самки, служившие партнершами этим самцам, страдали все сильнее: самцы спаривались все чаще, а самки после откладки яиц чаще погибали.

О мутациях, влияние которых практически незаметно

Тесты вроде Ka/Ks помогают нам находить в генах участки, которые можно сравнить с двигателями и кабинами самолета, — те жизненно важные части ДНК, которые эволюционируют очень медленно. В этих участках мы обнаруживаем между видами меньше различий, чем можно было бы ожидать, учитывая количество направленных в них «снарядов». Эволюция таких участков в каком-то смысле вполне предсказуема: как самолет с подбитым двигателем не вернется на базу, так и организм с критически важной мутацией не выживет. Но что можно сказать о «снарядах», которые причиняют совсем небольшой вред или вообще безвредны? Как часто они встречаются? И что происходит с эволюцией затронутых ими участков ДНК?

Как мы увидим чуть позже, последние исследования ДНК показывают: ключевую роль в нашей эволюции играют именно те мутации, которые лишь слегка снижают шансы на выживание. Они не только очень распространены, но и, в отличие от других видов, мы не можем от них избавиться. Мы вынуждены их терпеть из-за относительно небольшого размера популяции: чем меньше особей в виде, тем больше его судьба зависит от случайностей. В результате наша ДНК постепенно деградирует, а процессы в наших клетках все больше напоминают хаос на улицах города, где машины проезжают на красный свет, пешеходов то и дело сбивают, а автобусы едут не по маршруту. Таков новый взгляд на человеческую природу.

Давайте вернемся к показателю соотношения Ka/Ks, чтобы лучше в этом разобраться. Как вы уже знаете, характер эволюции ДНК показывает: большинство белков находится под действием очищающего отбора (Ka/Ks < 1) — как самолеты, которые не возвращаются на базу после попадания некоторых снарядов. Но есть и белки под действием положительного отбора (Ka/Ks > 1), и в этом случае случайные изменения, подобно удачным модификациям самолета, делают организм более приспособленным, особенно в эволюционной игре в кошки-мышки.

Но есть еще один вариант соотношения: Ka/Ks = 1.

Что же это значит? Для белка в целом такое значение предполагает нечто почти абсурдное: будто ни одна аминокислота в нем не играет важной роли. И хотя иногда мы действительно видим белки с показателем Ka/Ks = 1 при сравнении только двух видов, картина меняется, когда мы расширяем круг исследуемых видов. Имея данные по многим видам, мы можем вычислить Ka/Ks для каждого кодона по отдельности, а не только для всего белка целиком. И тогда выясняется, что внутри одного белка часть кодонов находится под действием положительного отбора (Ka/Ks > 1), а часть — под действием очищающего (Ka/Ks < 1). В среднем по гену это дает значение Ka/Ks около единицы. Чаще всего такую картину мы наблюдаем у генов, участвующих в эволюционной игре в кошки-мышки.

Теперь нужно задать более общий вопрос. Мы уже знаем, что попадания снарядов в разные части самолета имеют разные последствия, но существуют ли такие попадания, которые не влияют на самолет вообще или влияют совсем незначительно? Есть ли места, где пробоина никак не скажется на вероятности возвращения самолета на базу? То же самое можно спросить и про мутации в ДНК, причем не только в участках, кодирующих белки. Существуют ли изменения, которые почти или совсем не влияют на приспособленность организма — то есть не приносят ни особой пользы, ни особого вреда? Может быть, во многих белках одну аминокислоту можно заменить на другую без всяких последствий? И если такие замены возможны, как будут эволюционировать эти участки? А что происходит с мутациями в интронах и некодирующих последовательностях