Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции

Прокариоты в целом не склонны терпеть у себя в геноме «прыгающие» гены и интроны. Гены прокариот не отделены от аппарата синтеза белков. В силу отсутствия ядра прокариотические устройства для синтеза белков (рибосомы) плавают там же, где и ДНК. Гены считываются на матричные РНК, которые немедленно транслируются в белки. Беда в том, что синтез белков на рибосомах идет исключительно быстро, в то время как РНК-«ножницы», вырезающие интроны, работают медленно. К тому времени, как ножницы вырежут интрон, на матрице содержащей его РНК уже будет синтезировано несколько испорченных молекул белка, включающих закодированную в интроне последовательность аминокислот. Как именно бактерии избавляются от «прыгающих» генов и интронов, пока неизвестно (возможно, за это отвечает очищающий отбор в больших бактериальных популяциях), но факт остается фактом: им это удается. Большинству бактерий удалось избавиться почти от всех «прыгающих» генов и интронов, хотя у некоторых бактерий, в том числе у предков митохондрий, имелось небольшое их число. Но и у тех бактерий, у которых они есть, их всего тридцать или сорок на геном, в то время как в любом эукариотическом геноме их тысячи или даже миллионы.

Химерный предок эукариот, судя по всему, подвергся вторжению «прыгающих» генов, которыми он заразился от собственных митохондрий. Мы знаем об этом, поскольку «прыгающие» гены эукариот похожи по строению на немногие «прыгающие» гены, известные у бактерий. Мало того: большинство интронов расположено в одних и тех же участках генов у разных современных эукариот, от амебы до чертополоха, от мухи или гриба до человека. «Прыгающие» гены, из которых возникли эти интроны, предположительно заразили еще общего предка всех эукариот, расплодились в его геноме и, наконец, «умерли», застолбив себе место. Но почему эти гены так разошлись в древнейших эукариотических клетках? Одно из возможных объяснений таково. Бактериальные «прыгающие» гены уже скакали по хромосомам клетки-хозяина, археи, которая, видимо, ничего не смогла с ними поделать. Другое объяснение гласит, что первоначальная популяция химерных клеток оказалась слишком мала, чтобы ей помог очищающий отбор, успешно устраняющий дефекты в крупных бактериальных популяциях.

Как бы то ни было, перед древнейшими эукариотами стояла особая проблема. Они были заражены интронами, которые должны были часто портить белки, потому что РНК-«ножницы» не могли вырезать их достаточно быстро. Хотя такое положение дел не обязательно приводило к гибели клетки (испорченные молекулы белков постепенно расщеплялись, а «ножницы», как ни медленно они работали, рано или поздно все-таки делали свое дело, перекраивая матричную РНК так, что на ее основе начинали синтезироваться функциональные белки), в таких клетках, должно быть, царила ужасная неразбериха. Но за решением этой проблемы несчастным клеткам не пришлось далеко ходить. По мнению Мартина и Кунина, самый простой способ восстановить порядок и вернуться к постоянному синтезу функциональных белков состоял в том, чтобы дать «ножницам» достаточно времени на устранение лишнего и после этого позволять рибосомам начинать синтез белков. Иными словами, требовалось сделать так, чтобы матричные РНК, содержащие интроны, вначале шли под «ножницы» и лишь затем передавались рибосомам. Такого разделения двух процессов во времени можно добиться просто за счет разделения их в пространстве, удалив рибосомы из окрестностей ДНК. Но как? С помощью мембраны с большими дырками! Для этого достаточно было взять имевшуюся мембрану, поместить в нее гены и проследить, чтобы в ней было достаточно пор для пропускания матричных РНК к рибосомам. Таким образом, определяющая особенность всех эукариот — наличие ядра — появилась, по Мартину и Кунину, вовсе не для защиты генов, а для изоляции их от расположенных в цитоплазме фабрик белкового синтеза.

Это решение может показаться слишком уж незамысловатым (хотя для успешной эволюции это только к лучшему), однако оно сразу дало изобретательным клеткам целый ряд преимуществ. Когда «прыгающие» гены перестали представлять опасность, получившиеся из них интроны оказались даже благом. Один из их плюсов состоял в том, что они позволили по-новому перекраивать гены, обеспечивая клетки целым калейдоскопом белков, чем эукариоты не преминули воспользоваться, и теперь одну из важнейших особенностей работы их генов составляют альтернативные способы вырезания интронов. Если ген содержит несколько кодирующих участков, из него можно по-разному вырезать интроны, получая из одного гена целый набор родственных белков. В человеческом геноме лишь около двадцати пяти тысяч генов, но их кусочки перетасовываются так, что позволяют синтезировать не менее шестидесяти тысяч разных белков, а это уже немало. Если бактерии — неисправимые консерваторы, то эукариоты, благодаря интронам, стали неутомимыми экспериментаторами.

Еще один плюс в том, что «прыгающие» гены позволили эукариотам существенно увеличить свои геномы. Научившись жить фагоцитозом, первые эукариоты избавились от бактериальной рутины, особенно от постоянной подгонки под нужды быстрого размножения. Эукариотам незачем было конкурировать с бактериями: они могли просто пожирать их и постепенно, на досуге, переваривать. Им больше некуда было спешить, и они могли позволить себе накапливать ДНК и гены, открывшие им широкие возможности для колоссального усложнения. «Прыгающие» гены помогли им обзавестись геномами, в тысячи раз превышающими по размеру геномы бактерий. Хотя значительная часть приобретенной при этом ДНК была не более чем мусором, кое-что из таких приобретений пригодилось для изготовления новых генов и регуляторных последовательностей. Возрастание сложности стало чуть ли не побочным эффектом этих изменений.

Вот и вся неизбежность сложной жизни на Земле и появления человеческого сознания. Мир живой природы разделен надвое: на вечно неизменных прокариот и вечно меняющихся эукариот. Переход от первых ко вторым, судя по всему, свершился не путем эволюции, медленного восхождения к вершинам сложности, на которые взбирались несметные полчища прокариот, постепенно исследуя весь спектр возможностей. Эти полчища действительно исследовали все доступные им пути, но при этом так и остались бактериями, неспособными увеличиваться в размерах, одновременно увеличивая выработку энергии. Лишь невероятная случайность позволила разорвать этот порочный круг: она породила сотрудничество двух видов прокариот, клеткам одного из которых удалось проникнуть в клетку другого. Перед новой химерной клеткой сразу встал целый ряд проблем, но, по счастью, она сразу же обрела и небывалую свободу, получив возможность увеличиваться в размерах, не расплачиваясь за это дорогой энергетической ценой, а это означало способность сделаться фагоцитом и вырваться из сомкнутых рядов бактерий. Столкнувшись с нашествием эгоистичных генов, древнейшие эукариоты сумели справиться с ними, попутно приобретя не только клеточное ядро, но и склонность накапливать участки ДНК и перекладывать их, порождая бесчисленные вариации, наполнившие волшебный мир, в котором мы живем. И это тоже была случайность. Всеми чудесами нашего мира мы, похоже, обязаны двум великим случайностям. Наша судьба дважды висела на волоске. И нам очень повезло, что мы вообще существуем.

Глава 5. Секс

Ирландский драматург Джордж Бернард Шоу просто притягивал к себе истории. Рассказывают, например, что на одном из приемов Шоу стала оказывать знаки внимания некая красавица-актриса [36] . «Нам с вами стоило бы завести ребенка, — заявила она, — он унаследовал бы мою красоту и ваш ум». На это Шоу возразил: «Но что если он унаследовал бы мою красоту и ваш ум?»

Опасение Шоу было вполне резонным. Половое размножение — удивительный механизм, генерирующий случайные сочетания успешных генов. Может быть, лишь возможности полового процесса как генератора случайных комбинаций и могут привести к появлению такого человека, как Шоу, или такого, как та красавица-актриса. Но стоит половому процессу выстроить удачную комбинацию генов, как он тут же рассыпает ее. Создатели печально известной, хотя в основном безвредной организации, прозванной «Нобелевским банком спермы», упустили из виду именно это. Когда биохимику Джорджу Уолду предложили сдать свою заслуженную сперму в этот банк, он отказался, отметив, что просителям была бы нужна скорее не его сперма, а сперма таких людей, как его отец, бедный портной-иммигрант, чьи чресла, как ни странно, оказались источником гениальности. «А что дала миру моя сперма? — сокрушался нобелевский лауреат. — Двоих гитаристов!» Гениальность и в целом интеллектуальный потенциал действительно наследуются (точнее, на их развитие гены оказывают влияние, хотя и не строго его определяют), но половое размножение делает из наследования непредсказуемую лотерею.

36

Есть мнение, что этой дамой была Стелла Кэмпбелл, знаменитейшая английская актриса того времени, для которой Шоу впоследствии написал роль Элизы Дулиттл в пьесе «Пигмалион», а также что это была скандально известная основоположница современного танца — Айседора Дункан. Но вполне возможно, что это вымышленная история.

Многие из нас согласятся, что главное волшебство секса (то есть полового размножения) состоит как раз в его способности генерировать изменчивость, всякий раз извлекая из небытия уникальных существ, будто кроликов из шляпы. Но если взглянуть на этот процесс с точки зрения специалистов по математической генетике, окажется, что изменчивость ради изменчивости — это отнюдь не всегда хорошо. Зачем ломать удачную комбинацию? Почему бы просто ее не клонировать? Многим людям идея клонировать Моцарта или Шоу покажется попыткой «поиграть в Бога», опасным проявлением непомерной человеческой гордыни, но генетиков смущает не это. Они обращают внимание на несколько более приземленную вещь: бесконечная изменчивость, порождаемая сексом, может приводить к страданиям, болезням и безвременной смерти, в то время как простое клонирование позволяет от всего этого застраховаться. Благодаря обеспечиваемому клонированием сохранению сочетаний генов, выкованных в горниле отбора, оно часто будет самым надежным выбором.

Приведем всего один пример: передача серповидноклеточной анемии — тяжелой наследственной болезни, при которой красные кровяные тельца принимают жесткую серповидную форму и с трудом протискиваются сквозь тонкие капилляры. Эту болезнь вызывает наследование двух «плохих» копий определенного гена. Вы можете спросить, почему естественный отбор не уничтожил такие копии. Дело в том, что наличие одной подобной копии оказывается даже полезным. Человек, унаследовавший от родителей одну «хорошую» и одну «плохую» копию этого гена, не только не заболеет серповидноклеточной анемией, но с меньшей вероятностью заболеет малярией — болезнью, тоже поражающей красные кровяные тельца. Наличие лишь одной «плохой» копии гена серповидноклеточной анемии приводит к изменениям в мембране красных кровяных телец, мешающих проникновению в них возбудителей малярии, но не придает этим тельцам опасную серповидную форму. Только клонирование (разновидность бесполого размножения) может позволить неизменно передавать потомкам этот полезный «смешанный» генотип. Половое же размножение неминуемо будет приводить к перетасовыванию генов. Если, например, у обоих родителей смешанный генотип, то он достанется примерно половине их детей, четверть их получит две «плохих» копии гена и будет страдать серповидно-клеточной анемией, а еще четверть получит две «хороших» копии и с высокой вероятностью заболеет малярией (по крайней мере, если будет жить в одной из обширных зон планеты, где есть комары, переносящие это заболевание). Иными словами, повышение изменчивости ставит половину потомства под угрозу. Секс может оказывать на жизнь следующего поколения непосредственное губительное воздействие.

Это далеко не единственный недостаток секса. Полный список должен, казалось бы, отвратить любого разумного человека от самой идеи полового размножения. У Джареда Даймонда есть книга «Почему нам так нравится секс?» Как ни странно, Даймонд не дал в ней ответа на вынесенный в заглавие вопрос. Должно быть, ответ представлялся ему очевидным: если бы секс нам не нравился, никто бы в здравом уме не стал им заниматься. И где бы мы все тогда были?

Давайте представим себе, что Шоу все-таки решил рискнуть и попытаться завести ребенка, которому достался бы его ум и красота той актрисы. Давайте также представим (погрешив против справедливости ради информативности примера), что актриса, о которой идет речь, соответствовала расхожему представлению о женщинах ее профессии и страдала каким-то венерическим заболеванием, скажем сифилисом. Ее встреча с Шоу произошла еще до начала эпохи антибиотиков, когда сифилис перестал внушать ужас обездоленным солдатам, музыкантам и артистам — регулярным клиентам столь же обездоленных женщин легкого поведения. В тот век у всех на слуху были примеры Ницше, Шумана и Шуберта, которых поразило безумие, и наказание за половую распущенность было вполне реальным. Кроме того, средства лечения, популярные в те времена, такие как мышьяк или «металл Меркурия» (ртуть), не были приятнее самой болезни. Как тогда говорили, за ночь в объятиях Венеры можно расплатиться, проведя остаток жизни рука об руку с Меркурием.

Разумеется, сифилис — лишь одна из многих неприятных и часто смертельных болезней, передающихся половым путем. К таким болезням относится и СПИД, заболеваемость которым во многих странах мира продолжает стремительно расти. Эпидемия СПИДа в Африке к югу от Сахары — поистине ужасное явление. На момент написания этих строк больше 24 миллионов африканцев заражены ВИЧ, а доля зараженных среди молодежи составляет около 6 %. В странах, где ситуация особенно тяжелая, доля зараженных гораздо выше 10 %, в связи с чем уже больше десяти лет средняя продолжительность жизни продолжает снижаться. Хотя положение, несомненно, усугубляется недостаточными возможностями здравоохранения, бедностью и другими смертельными заболеваниями, такими, как туберкулез, основную проблему по-прежнему составляет секс без презервативов [37] . Но каковы бы ни были причины этого бедствия, сами его масштабы уже позволяют понять, насколько это сомнительное занятие — секс.

37

В Уганде, одной из немногих африканских стран, где распространение ВИЧ удалось остановить, заболеваемость за десять лет снизилась с 14 до 6 % — во многом благодаря разъяснительной работе среди населения. Предложение, которое постарались донести до людей, предельно просто, но на практике не всегда осуществимо: необходимо избегать секса без презервативов. Одно из исследований показало, что успех пропагандируемого в Уганде «курса ABC» (Abstinence, Be faithful, Condoms — Воздержание, верность, презервативы) во многом связан именно с последним пунктом.