Александр Марков - Перспективы отбора. От зеленых пеночек и бессмысленного усложнения до голых землекопов и мутирующего человечества

Так или иначе, исследование показало, что примесь неандертальских генов заметно влияет на здоровье современных европейцев.

Ученые сосредоточились на медицинских показателях не потому, что все прочие их не интересовали, а потому, что по другим признакам пока собрано слишком мало генетических данных для такого анализа. Дальнейшее развитие науки должно дать ответ на вопрос, какую роль играет неандертальское наследие в вариабельности внеафриканских сапиенсов по всем прочим интересным признакам, не только медицинским.

Нередко приходится слышать, что биологическая эволюция человека прекратилась и ее место заняла эволюция культурная. Это неправда: оба процесса идут рука об руку. Биологическая эволюция человека остановиться не может хотя бы потому, что нельзя остановить мутагенез, а ведь мутации — основа эволюционных изменений. Отбор тоже не может перестать действовать, поскольку никакая культура и никакая цивилизация не в силах отменить влияние генотипа на приспособленность (которая в современных развитых обществах благодаря очень низкой детской смертности почти целиком сводится к репродуктивному успеху — числу оставляемых потомков). Скорее наоборот: по мере развития цивилизации вклад случайных внешних факторов в изменчивость по репродуктивному успеху сглаживается, а относительный вклад генов растет. Чтобы понять современные эволюционные тенденции, для начала необходимо выяснить, с какой частотой возникают мутации у современных людей. В последние годы появилась возможность весьма точно оценить масштаб и специфику мутагенеза в современных человеческих популяциях. Этой возможностью мы обязаны в первую очередь прорыву в прочтении генома человека. В 2000 году был получен первый черновой вариант человеческого генома — положено своего рода символическое начало «геномной эре» в биологии. С того момента знания о мутациях, то и дело возникающих в наших генах, многократно увеличились, а методы изучения мутаций стали намного эффективнее и разнообразнее. В 2015 году журнал Science опубликовал обзорную статью американских генетиков, в которой подводятся итоги изучения мутационного процесса у Homo sapiens за первые полтора десятилетия геномной эры ( Shendure, Akey, 2015 ).

Мутагенез — одно из самых фундаментальных биологических явлений. Геномы всех без исключения живых существ подвержены мутациям. Случайные изменения в последовательности нуклеотидов ДНК возникают как во время репликации ДНК, так и в промежутках между актами репликации (например, под действием ультрафиолетового излучения и других мутагенов). Большинство мутаций сразу исправляется специальными системами починки (репарации) ДНК, но даже самые сложные и совершенные системы репарации не обеспечивают стопроцентную защиту.

Темп мутагенеза сильно различается у разных организмов, однако ни у одного существа — от вирусов до человека — он не равен нулю. Этот факт может показаться тривиальным, но на самом деле он требует объяснений, и вот почему.

Как правило, среди не нейтральных (влияющих на приспособленность) мутаций гораздо больше вредных, чем полезных. Так получается по чисто вероятностным причинам: случайно испортить сложный работающий механизм или осмысленный текст гораздо проще, чем случайно его подправить. Следовательно, чем ниже темп мутагенеза, тем выше, при прочих равных условиях, будет средняя приспособленность потомков данного организма. Поэтому отбор, казалось бы, всегда должен благоприятствовать снижению темпов мутагенеза. Системы репликации и репарации под действием отбора должны становиться все точнее и эффективнее. Почему же они так и не стали абсолютно безошибочными?

Причин, скорее всего, две. Первую можно условно назвать экономической. Сверхточные системы репликации и репарации, по всей вероятности, были бы слишком дороги: громоздки, энергоемки, их работа замедляла бы репликацию или имела какие-то другие неприятные побочные эффекты. К тому же чем точнее работают эти системы, тем слабее давление отбора, направленного на их дальнейшее усовершенствование.

Вторая причина состоит, конечно же, в том, что полезные мутации тоже происходят, причем иногда — например, при резком изменении условий среды — вероятность того, что случайная мутация принесет пользу, оказывается не такой уж и низкой (это было очень наглядно показано в Исследовании № 4). Поэтому, хотя средняя приспособленность потомков у мутирующих организмов всегда ниже, чем у немутирующих, разброс приспособленности и максимальная приспособленность у первых выше. В результате в переменчивой среде преимущество будет на стороне мутирующих организмов не только в долгосрочной перспективе (тысячи и миллионы лет), но и в краткосрочной (в масштабе одного или нескольких поколений).

Так или иначе, мутации неизбежны, вредных среди них гораздо больше, чем полезных, и всему живому приходится с этим мириться (и, более того, к этому приспосабливаться). Мы, люди, не только не являемся исключением, но даже, вместе с остальными млекопитающими, сильно опережаем большинство живых существ по темпам мутагенеза в расчете на особь за поколение (рис. 36.1).

рис. 36.1.Скорость мутагенеза у разных организмов. По вертикальной оси — темп нуклеотидных замен (на миллиард пар оснований за поколение), по горизонтальной — размер генома (в миллионах пар оснований). Вверху — вирусы и прокариоты, внизу — эукариоты (на втором графике также показаны усредненные значения для бактерий и архей). Толстая черная линия соответствует уровню мутагенеза, равному одной мутации на геном за поколение. Видно, что у вирусов и прокариот чем больше геном, тем ниже темп мутагенеза, тогда как у эукариот наблюдается обратная зависимость. Видно также, что млекопитающие характеризуются экстремально высоким темпом нуклеотидных замен. По рисунку из Lynch, 2010a.

Геном Homo sapiens впервые был вчерне прочтен в 2000 году. С того момента началась новая эра в изучении мутационного процесса у нашего вида. Благодаря стремительному развитию технологий секвенирования и анализа геномных последовательностей сегодня мы знаем неизмеримо больше, чем в начале XXI века, о темпе мутаций, о закономерностях их распределения по геному, об их роли в развитии различных патологий и о других особенностях нашего мутагенеза, имеющих как теоретическое, так и практическое значение.