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

На первый взгляд может показаться, что речь идет об одном и том же — о мутациях, которые либо никак не влияют на организм, либо влияют совсем немного. Однако с точки зрения эволюции разница между полным отсутствием эффекта и очень слабым влиянием на приспособленность оказывается принципиальной. Сегодня считается, что именно судьба мутаций с небольшим эффектом — ключ к пониманию различий между видами. Это касается и «разрастания» генома, о котором мы говорили во второй главе (увеличение числа и размера интронов, накопление ДНК между генами), и частоты возникновения мутаций.

Ключевое различие между нейтральными мутациями и мутациями со слабым эффектом заключается в том, как они эволюционируют. Скорость эволюции нейтральных мутаций зависит только от частоты их возникновения, но не от размера популяции. А вот мутации со слабым эффектом ведут себя иначе: эволюционные изменения в ДНК накапливаются быстрее в небольших популяциях (какой до недавнего времени была и человеческая). Давайте разберем это подробнее, тем более что роль случайности в эволюции малых и больших популяций часто понимают неверно.

Размер популяции не имеет значения, если эволюция — просто череда случайных изменений

Давайте отправимся в прошлое, в 1960-е годы: пока планета была захвачена идеями мира, любви и силы цветов, эволюционистов волновали совсем другие вопросы. Особенно их занимали две проблемы. Первая: почему внутри популяций обнаруживается так много полиморфизма? Полиморфизм — это когда в популяции существует несколько разных вариантов одного и того же участка ДНК или белка. Измерить его можно, например, определив, как часто две копии одного гена — полученные от матери и отца — различаются по последовательности ДНК. Скажем, может существовать две версии гена, кодирующего какой-нибудь фермент, которые отличаются всего одной аминокислотой. Согласно классической теории естественного отбора, для большинства генов должен существовать оптимальный вариант (гены, участвующие в играх в кошки-мышки, — особый случай). А значит, у всех особей в популяции должна быть одна и та же, лучшая версия гена и обе ваши копии этого гена должны быть одинаковыми. Но в реальности все иначе. Уже первые исследования на мухах показали, что примерно 40% их белков в популяции представлены двумя разными версиями. Это никак не согласовывалось с идеей о существовании единственного оптимального варианта.

Вторая проблема касалась скорости эволюции генов. Японский генетик Мотоо Кимура, изучив расчеты Джона Бёрдона Холдейна о скорости эволюции под действием естественного отбора, обнаружил, что белки эволюционируют слишком быстро. Ведь скорость эволюции должна ограничиваться тем, какую смертность способен выдержать вид. Возьмем, к примеру, белых и черных бабочек: изменение их соотношения в популяции происходит из-за того, что мотыльки одного цвета чаще погибают в зависимости от окраски поверхностей, на которых они отдыхают. Но Холдейн задался вопросом: что происходит, когда под действием отбора находится сразу много генов? Должен существовать предел возможных изменений — ведь не могут погибнуть вообще все особи. Холдейн рассчитал эти ограничения и определил верхний предел скорости эволюции белков. Однако расчеты Кимуры показали, что в реальности белки эволюционируют намного быстрее.

Тогда Кимура предложил простое решение обоих парадоксов. Он предположил, что существуют мутации, которые никак не влияют на приспособленность организма, а их частота в популяции меняется чисто случайно. Говоря научным языком, существует множество «нейтральных» мутаций — они не приносят ни пользы, ни вреда, они просто никак не действуют на организм.

В случае нейтральных мутаций эволюция работает не как силы ПВО, сбивающие самолеты, а, скорее, как казино: все зависит от чистой случайности.

Если предположить, что различия между нашей ДНК и ДНК шимпанзе вызваны нейтральными мутациями, то проблема избыточной смертности исчезает, ведь такая эволюция не требует никаких жертв. Заодно решается и загадка полиморфизма. Мутации, не влияющие на приспособленность, меняют частоту в популяции подобно пылинкам, парящим в воздухе комнаты. Рано или поздно они осядут на потолке или на полу, но прежде долго будут случайным образом подниматься и опускаться. Загляните в комнату в любой момент — и вы увидите пылинки, плавающие в воздухе в ожидании приземления. Точно так же, утверждал Кимура, нейтральные мутации случайным образом колеблются, то учащаясь, то становясь реже — исключительно по воле случая. Исследуйте популяцию в любой момент времени, и вы обнаружите разные версии одного и того же гена просто потому, что эти различия ни на что не влияют.

Мы уже видели, какую роль играет подобная случайность. Когда появляется новая мутация, пусть даже полезная, из-за случайного характера отбора при ее малой частоте шансы на то, что она распространится, невелики (всего 2 × процент преимущества). Когда мутация становится единственным вариантом ДНК в определенной позиции у всех особей популяции, говорят, что она «зафиксировалась» или «достигла фиксации». Однако, как показал Кимура, мутации могут становиться распространенными и фиксироваться просто по воле случая. Естественный отбор не единственный механизм изменения ДНК во времени. Эти идеи стали первым серьезным вызовом представлениям о дарвиновском отборе как единственном двигателе эволюции видов.

Давайте разберем, как это работает, на примере мутации, которая совершенно не влияет на приспособленность организма. Когда такая мутация только появляется, в геноме оказывается одна старая и одна новая версия гена. Дальше множество случайных событий может повлиять на то, станет ли эта мутация более или менее распространенной в популяции. Частично эта случайность связана с тем, как формируются половые клетки. В среднем половина потомства получает одну версию каждого гена, а половина — другую: это все равно что подбрасывать монетку. Представим, что в семье двое детей. В 25% случаев новая мутация окажется у обоих. Ее частота увеличилась (с одной копии до двух) не потому, что мутация какая-то особенная, и не потому, что несущие ее половые клетки имели преимущество. Просто ей повезло.

Влияние случая на судьбу мутаций этим не ограничивается. Подобно тому, как невезучий бомбардировщик может получить несколько попаданий, организм может случайно накопить множество мутаций, и некоторые из них могут оказаться в критически важных участках. Безвредное попадание не будет учтено в статистике, если тот же самолет получил критическое повреждение и упал. Нужно помнить и о капризах судьбы — от них никто не застрахован. Так и безвредная мутация не сможет распространиться, если появится в геноме одновременно с летальной. Также если ее носитель волею случая попадет под трамвай, то и мутация погибнет вместе с ним.

Под влиянием случайных событий частота одних нейтральных мутаций будет расти, а других — падать. Важно понять, какая скорость изменений между видами определяется только случайностью. Холдейн попытался решить эту задачу с помощью теории ветвящегося процесса — раздела математики, который