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

внизу, даже не успев толком начать. С точки зрения генетики это означает, что новая мутация мгновенно исчезает из популяции. Именно поэтому для любой мутации самый опасный период — момент ее появления, когда она еще очень редка. Но если повезет и выпадет орел, мы поднимемся на вторую ступеньку. Бросаем монету снова и либо поднимаемся на третью ступеньку, либо возвращаемся на первую. Бросаем еще раз, и так далее.

Что же происходит дальше? На первый взгляд задача кажется довольно сложной. Как рассчитать вероятность того, что мы в итоге доберемся до самого верха (то есть мутация закрепится в популяции), а не скатимся вниз (то есть мутация исчезнет — либо сразу же, если первый бросок окажется неудачным, либо позже)?

Давайте рассуждать. Мы уже знаем, что, если вы находитесь на середине лестницы, то шансы добраться до верха или спуститься вниз равны — ведь игра честная. Теперь представим самый простой случай: лестница всего из двух ступеней. Вы начинаете с первой ступеньки, и у вас равные шансы либо подняться наверх, либо спуститься вниз. Первая ступенька здесь как раз посередине пути, значит, вероятность добраться до верха — 50%, или 1/2. А что, если ступенек четыре? Оказавшись на второй ступеньке (то есть на середине), вы имеете 50%-ный шанс достичь верха. Значит, общая вероятность добраться до верха — это 1/2 (вероятность достичь второй ступеньки), умноженная на вероятность подняться оттуда до конца. Мы уже выяснили, что вероятность добраться до второй ступеньки — тоже 1/2. Получается, что при четырех ступеньках шанс подняться с первой ступеньки до самого верха равен 1/2 × 1/2 = 1/4. То есть в четверти случаев, начав с первой ступеньки на четырехступенчатой лестнице, вы доберетесь до верха — и все это благодаря чистой случайности.

А что произойдет, если ступенек будет восемь, 16, 32 или 64? Та же логика работает дальше. Мы знаем, что вероятность добраться до четвертой ступеньки — 1/4. Значит, чтобы вычислить шанс подняться на самый верх восьмиступенчатой лестницы, нужно умножить вероятность дойти от четвертой ступеньки до верха (1/2) на вероятность добраться до этой четвертой ступеньки (1/4). Получается 1/8.

Здесь просматривается четкая закономерность. Если вы начнете с первой ступеньки, ваш шанс случайно добраться до верха равен единице, поделенной на общее число ступенек: при двух ступеньках — 1/2, при четырех — 1/4, при восьми — 1/8, при 16 — 1/16 и так далее. Если обобщить: вероятность того, что случайные перемещения приведут от одного из N ко всем N, равна 1/N. А поскольку у нас каждый ген представлен двумя копиями, в популяции размером N вероятность того, что новая мутация (появившаяся всего в одной копии во всей популяции) закрепится — то есть все копии данного участка ДНК станут новым вариантом, — только за счет случайности составляет 1/2N. Получается, что у таких видов, как мы, каждая мутация, ставшая чертой, отличающей нас от шимпанзе, должна была преодолеть 2N ступенек. Это один из ключевых выводов Кимуры, и он математически подтверждает нашу интуитивную догадку: случайные блуждания чаще приводят к закреплению мутации (превращению ее из редкой в общепринятую) в малых популяциях (низкое N), чем в больших.

Обратите внимание на важный момент: чтобы добраться от нижней ступеньки до верха, вовсе не требуется, чтобы удача сопутствовала вам постоянно. Не нужно, чтобы всегда выпадал орел. Ваш путь может выглядеть так: 1 → 2 → 3 → 2 → 1 → 2 → 3 → 4 → 3 и так далее. Вы словно порхаете вверх-вниз по ступенькам в случайном порядке. Но стоит вам оступиться с первой ступеньки (то есть спуститься с первой ступеньки на пол), игра окончена. Точно так же она заканчивается, если вам повезет добраться до самого верха.

Вот так работает нейтральная эволюция в ее базовом виде. Ее главный принцип — равная вероятность движения вверх или вниз по ступенькам, обусловленная исключительно случайностью. С естественным отбором все иначе. Его можно представить как дополнительную силу, например встречный ветер, сталкивающий вас вниз по ступенькам (это очищающий отбор, который стремится избавиться от новой мутации), или попутный ветер, подталкивающий вас вверх к следующему этажу (это положительный отбор полезной мутации, которая с каждым поколением становится все более распространенной, словно поднимаясь по лестнице).

Пока все логично. Если вы решили, что нейтральная эволюция должна играть гораздо более важную роль в малых популяциях — просто потому, что в них сильнее влияние случайных колебаний, — вы одновременно и правы, и неправы.

И тут мы подходим к неожиданному и важному открытию. Если речь идет о мутациях, которые вообще не влияют на организм, вы ошибаетесь. Но если мы говорим о мутациях с небольшим эффектом, о почти нейтральных мутациях — вы правы. И это совсем не очевидный вывод.

Если говорить о строго нейтральных мутациях, Кимура показал, что такое представление ошибочно. Звучит невероятно, правда? Казалось бы, случайные колебания просто обязаны иметь большее влияние в малых популяциях. Разве мы не убедились в этом только что?! Мы же видели, что вероятность пройти путь от редкой мутации (первая ступенька) до полного закрепления уменьшается с ростом числа ступенек — это наш результат 1/2N. Да, в этой части наши рассуждения абсолютно верны. Но мы упустили нечто важное. Кимура заметил еще кое-что. Нас ведь интересует не просто судьба одной конкретной мутации. Мы хотим понять общую скорость эволюции нейтральных мутаций, а не только то, что происходит с каждой из них по отдельности.

Мы уже знаем, что, когда новая мутация появляется в популяции, у нее есть шанс 1/2N добраться от первой ступеньки до самого верха просто за счет случайных блужданий. Но тут возникает другой вопрос: как часто такие мутации вообще возникают в популяции? К счастью, ответ нам известен. Все зависит от скорости мутирования.

Если сравнить вашу ДНК с ДНК ваших родителей, вы обнаружите изменения — обычно от 10 до 100 штук. Это новые мутации, которые есть только у вас. Самый простой способ измерить скорость мутирования — взять это среднее число: примерно 50 новых мутаций на каждого новорожденного, то есть на поколение. Но чаще используют другой показатель — то же число, но с поправкой на размер ДНК, ведь чем больше ДНК, тем больше мутаций следует ожидать. Это число принято обозначать греческой буквой μ