Гены, эгоизм и сила сотрудничества: Эволюция как командная игра - Джонатан Силвертаун

с неродственными клетками, они отлично себя чувствуют. Но в природе амебы живут не так. Они, как и бактерии, быстро размножаются делением, образуя скопления клеток-клонов. Стало быть, мутант-обманщик очень скоро окажется в окружении собственных копий: те не образуют ножек, и паразитировать будет не на ком[326]. Мошенники подрываются на собственной мине. Эти эксперименты иллюстрируют важное общее правило, уже знакомое нам: чем ближе родство, тем лучше защита от мошенничества, поскольку мошенники благоденствуют лишь тогда, когда рядом есть отличные от них особи, которых можно эксплуатировать. Однако в защите D. discoideum есть изъян. Существует два способа формирования многоклеточного организма: первый – разрозненные клетки собираются воедино (агрегация), как это делает диктиостелиум, второй – новые клетки порождаются делением и не расходятся, как у растений, животных и грибов[327].

Во втором случае на определенном этапе жизненного цикла организм проходит через одноклеточную стадию, после чего многоклеточное тело развивается путем деления клеток. И хотя клетки, образованные таким способом, могут брать на себя разные функции, генетически они идентичны, что обеспечивает их сотрудничество. У клеточных слизевиков, напротив, такого предохранителя нет, так как они создают многоклеточную стадию агрегацией, а не делением. Формировать многоклеточное тело таким способом рискованно: мошенники, услышав сигнал «общий сбор», могут незваными явиться на праздник жизни.

Успех многоклеточного организма зависит от того, насколько клетки готовы сотрудничать ради общего блага, даже если какая-то их часть, как клетки ножки диктиостелиума, запрограммирована на гибель. Незваные гости плевать хотели на общее благо – они озабочены лишь самовоспроизведением, а это подрывает кооперацию, без которой многоклеточность немыслима. Из-за того, что диктиостелиум создает многоклеточные структуры агрегацией, он плохо подходит на роль модели для изучения эволюции сложной многоклеточности, зато потенциально полезен для осмысления главной угрозы, нависшей над этой эволюционной инновацией, – онкологических заболеваний.

Рак – заболевание, разрушающее сотрудничество, на котором зиждется сложная многоклеточность. У него много разновидностей, но все они так или иначе связаны с неконтролируемым размножением клеток – процессом, который при наихудшем развитии событий может стремительно разрушить весь организм. Раковая клетка – мошенник с особыми мутациями в генах, позволяющими ей обойти все защитные механизмы, которые эволюция встроила в геном многоклеточных организмов для сохранения межклеточного сотрудничества. Рак встречается не только у животных, но и у наземных растений, водорослей и даже грибов[328]. В той или иной форме рак развивается у половины людей, хотя, к счастью, если распознать болезнь на ранней стадии, она поддается лечению.

Мутация – дело случая, каждое клеточное деление – как бросок игральных костей. Мутации редки, но многоклеточные организмы бросают кости с одержимостью заядлого игрока. Каждую неделю – даже дважды в неделю – все клетки эпителия, выстилающего ваш кишечник, полностью обновляются[329]. Другие виды клеток обновляются не столь быстро, но для поддержания организма клеточные деления совершенно необходимы. Умножьте число клеточных делений в неделю на число недель в человеческой жизни (а их более 4000) – и вы поймете, что редкое событие становится почти неизбежным.

Генетический анализ раковых клеток показывает, что в них мутировали самые разные гены-супрессоры опухолей. Некоторые из этих же генов регулируют рост клеток при развитии многоклеточного тела диктиостелиума[330]. Одна из распространенных мутаций в раковых клетках наблюдается в гене PTEN, но его трудно изучать на животных, поскольку он жизненно важен для эмбрионального развития. Это не позволяет определить функцию гена PTEN путем его удаления или изменения. К счастью, аналог PTEN имеется у диктиостелиума. Если убрать этот ген, слизевик утратит способность образовывать многоклеточные структуры, но отдельные клетки при этом выживут. Если снабдить их человеческим геном PTEN взамен удаленного собственного, многоклеточность восстановится. Человека и слизевиков разделяет примерно 1,4 миллиарда лет эволюции, однако функция этого гена, от которого зависит и становление многоклеточности, и ее нарушение при раке, за это время не изменилась. Это весьма убедительное свидетельство огромной важности этого гена.

Отслеживание эволюционной истории 3000 генов, связанных с различными формами рака у человека, – полезнейшее занятие. Все они делятся на две группы, представляющие два эволюционных всплеска. Первая – это набор очень древних генов-смотрителей, отвечающих за процессы, которые необходимы для клеточной жизни как таковой. Их историю можно проследить вплоть до самого появления клетки. Вторая группа – более молодые гены-привратники. Привратники участвуют в межклеточной сигнализации и регулируют рост тканей. Показательно, что они возникли одновременно с многоклеточностью животных. Ген PTEN, имеющийся и у диктиостелиума, и у человека, относится к наиболее давним привратникам – он появился у общего предка всех эукариот, к которым принадлежат и слизевики, и животные[331].

Раковые клетки до жути похожи на одноклеточные организмы. Некоторые даже умудряются получать энергию, вырабатываемую путем ферментации, – совсем как бактерии и дрожжи[332]. Многоклеточным организмам приходится с этим бороться. Когда здоровые клетки эпителия отшелушиваются от выстилки с кишечника и других тканей, они запрограммированы на самоуничтожение. Такой акт клеточной кооперации защищает многоклеточный организм от нерегулируемого размножения клеток. Система контроля клеточного роста, что немаловажно, снабжена аварийным предохранителем: режим ее работы по умолчанию настроен на самоликвидацию клеток. Только присутствие соседних клеток удерживает здоровую клетку от гибели.

Раковые клетки глухи к сигналам от соседних клеток, которые в норме регулируют деление и запрограммированную гибель. По мере прогрессирования заболевания это приводит к образованию метастаз – опухолевые клетки разбредаются по всему организму[333]. Для таких клеток характерна повышенная скорость мутаций. Как только опухоль начинает расти, ее клетки эволюционируют подобно микроорганизмам. Опухолевые клетки приобретают устойчивость к противораковым лекарствам точь-в-точь как бактерии – к антибиотикам. Иммунная система, наша защита от рака (как и от микробов), тоже оказывает давление отбора на опухолевые клетки, высокая скорость их мутаций означает, что постоянно возникают новые варианты клеток, способные противостоять иммунной атаке.

Благодаря огромной скорости деления и обилию мутаций опухоли превращаются в банды мятежных клеток, втягивая обманом в свои ряды и нормальных собратьев – под фальшивым флагом сотрудничества. Недавно выяснилось, что раковые клетки могут прибегать к помощи бактерий, которые помогают им отбиться от иммунной системы и обезвредить противораковые препараты[334]. Трудно удержаться от параллели с пиратами – вольными разбойниками, плюющими на закон, но верными друг другу.

Несомненно, многоклеточные организмы со сложным строением – величайшее достижение сотрудничества. Но не забывайте: историю пишут победители. Да и вообще писать умеют только многоклеточные существа. Вспомните вопрос, которым я задавался в начале главы: если переход к многоклеточности одновременно и чрезвычайно прост, и крайне важен, то почему большинство организмов так и остаются одноклеточными? Ответов может быть несколько. Одноклеточные организмы, такие как бактерии, и без того пользуются некоторыми преимуществами многоклеточности, объединяясь в биопленки и общаясь между собой с помощью чувства кворума[335]. Вершина социальной организации среди прокариот – Myxococcales, или миксобактерии, которые освоили образ жизни, поразительно схожий с образом жизни диктиостелиума (а он, напомню, эукариота). Миксобактерии охотятся на других бактерий стаями: они окружают жертву и коллективно обливают ее своими выделениями, содержащими ферменты, а затем всасывают образовавшийся «суп» – жидкие останки. Словом, это хищники с суповыми ложками. Когда «суп» иссякает, миксобактерии собираются вместе и образуют орган на ножке, производящий споры, – прямо как диктиостелиум[336].

Сложность, наблюдаемая у миксобактерий, впечатляет – по бактериальным меркам, конечно. Прошу прощения, если это прозвучит снисходительно, но почему бы прокариотам не брать пример с эукариот? Ответ, вероятно, кроется в недостатке у прокариот запаса энергии – той самой, которую эукариотам обеспечивают митохондрии[337]. Однако отсутствие митохондрий не может быть единственным препятствием на пути к возникновению сложной многоклеточности – ведь большинство эукариот все-таки одноклеточные. Первая, самая простая причина тому – в природе великое множество мелких экологических ниш, успешно занятых одноклеточными, но недоступных для более крупных форм жизни. Но есть и вторая причина.

Как показывают микробы и подражающие им раковые клетки, их быстрое деление и стремительная эволюция – неизменные эволюционные козыри одноклеточного существования. Если не верите мне, представителю многоклеточных эукариот, на слово – вспомните об одноклеточных дрожжах, которые, судя по всему, не меньше 12 раз эволюционировали от многоклеточных грибов. Если вы недоумеваете, с чего бы