Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает

Одна из самых больших загадок, которые окружают эволюцию живых существ, связана с механизмами, участвующими в адаптации видов к быстрым изменениям. Эта тема была одной из главных составляющих теории выдающегося натуралиста Чарльза Дарвина, который изучал эволюцию и способность к выживанию более приспособленных видов. Ему же приписывают выражение Survival of the fittest, которое принято переводить как «Выживает сильнейший», хотя более точно, наверное, будет сказать «Выживание наиболее приспособленных». Согласно Дарвину, выживают только те особи, которые проворны настолько, что могут убежать от врага, готовы защищаться или способны так замаскироваться в окружающей среде, что хищник их не найдет.

По всей видимости, его знаменитое выражение верно и заключает в себе очень важный нюанс. Зачастую его интерпретируют ошибочным образом, когда полагают, что особи, обладающие «лучшей генетикой», имеют больше шансов выжить, и отождествляют «лучшую генетику» и «лучшую адаптацию», когда в действительности не обязательно дела обстоят именно так. Дарвин не Мендель, и естественный отбор — это не только генетика, но и, скорее всего, эпигенетика. Вывод: только виды с более адаптированным эпигеномом выживут и увидят зарю нового дня. Хотя прежде чем рассмотреть это утверждение более подробно, возможно, стоит немного вспомнить историю, вернуться во времена, когда создавали свои теории Чарлз Дарвин (1809–1882), Грегор Мендель (1822–1884) и Жан Батист Ламарк (1744–1829), и подробно рассмотреть, в чем именно эти теории заключаются. Ведь у нас даже не возникает сомнения, что мы прекрасно понимаем их общеизвестные принципы, но в то же время часто страдаем склонностью к упрощениям и обобщениям, которые нас только путают.

Немного истории

Напомним, что первые более серьезные теории о механизмах эволюции берут начало в XIX веке. Именно Ламарк и Дарвин предложили две теории, которые дожили до наших дней, хотя ламаркизм, по крайней мере его наиболее радикальная версия, имел меньшее влияние. Начнем с Дарвина, не зря же из этих трех ученых именно его имя наиболее известно для среднестатистического человека.

Чарлз Дарвин родился в обеспеченной английской семье. Его отец был известным на всю округу врачом, а дед по отцовской линии, Эразм Дарвин, тоже был выдающимся медиком и знаменитым натуралистом, который сформулировал несколько теорий о наследовании приобретенных признаков, которые по иронии судьбы были опровергнуты его собственным внуком.

Уже в детстве Дарвин интересовался естественной историей и коллекционировал минералы и раковины, он хорошо учился и, следуя семейной традиции, начал изучать медицину в Эдинбургском университете. Однако он был настоящим ипохондриком и, даже будучи старательным студентом, не смог выдержать натуралистичности занятий по анатомии и с ужасом обнаружил, что хирургические операции вызывают у него непреодолимые приступы отвращения. По истечении двух лет он бросил учебу и, не без отцовской помощи, поступил в Кембридж, чтобы впоследствии стать священником. Там он посещал занятия Джона Генслоу, ботаника и энтомолога, который восхищал его своими знаниями. Их дружба изменила жизнь Дарвина навсегда, так как по окончании учебы Генслоу порекомендовал ему участвовать в качестве натуралиста в морской кругосветной экспедиции на борту «Бигля». Это позволило ему за пять лет исследовать берега Южной Америки, Галапагосские острова, Таити, Океанию, Маврикий и Южную Африку. Благодаря этой поездке он стал экспертом-геологом, натуралистом и, конечно, великим коллекционером, который собрал тысячи экземпляров разных видов. Их каталогизация заняла немало времени, но именно этот долгий процесс помог ему сделать предположение, а затем сформулировать свою эволюционную теорию, изложенную в книге «Происхождение видов», опубликованной в 1859 году. С первого дня продажи книги она вызвала большой ажиотаж и стала бестселлером в Англии. В ней Дарвин выдвигает новую теорию о том, что виды эволюционируют из поколения в поколение благодаря процессу, известному как «естественный отбор». Дарвин утверждал, что особи, менее адаптированные к окружающей среде, имеют меньше шансов выжить, а наиболее приспособленные выживают, размножаются и передают по наследству свои признаки. Это, в конечном счете, приводит к медленному процессу естественного отбора, который способствует изменениям, необходимым для адаптации к окружающей среде, а также к тому, что эти изменения накапливаются и со временем приводят к появлению новых видов.

Вокруг новой теории разгорелись яростные споры. Дарвин умышленно писал свою книгу простым языком, чтобы не только ученые мужи, а любой желающий смог ее понять. При этом автор утверждал, что человек, как и другие виды, происходит от одного далекого общего предка, что простому англичанину казалось невероятной ересью. Главенствующая в то время теория гласила, что человек доминирует среди прочих видов и не имеет — не может иметь — не только по теологическим, но и по политическим причинам ничего общего с ними.

В настоящее время Дарвин считается (помимо звания автора первого в мире научного бестселлера, написанного простым языком) одним из предшественников теории эволюционной биологии. Мы говорим «один из» потому, что хотя сегодня его концепция адаптации в процессе естественного отбора действительно является одним из столпов современных эволюционных теорий, он не был первым, кто сформулировал теорию, связанную с эволюцией видов. И это обязывает нас поговорить о Ламарке и Менделе.

Грегор Мендель был австрийским монахом, который благодаря экспериментам по скрещиванию разновидностей гороха в 1865 году сформулировал законы, в которых первым раскрыл основы генетического наследования; теперь они известны как законы Менделя. Однако когда он представил свои эксперименты в Обществе естественной истории в Брюнне (организация с давней традицией, прославившая этот город, ныне Брно, в котором находился Августинский монастырь, аббатом которого и был Мендель), назвав их «Опытами над растительными гибридами», его труды не были оценены современниками. И прошло еще тридцать лет, пока они были поняты и признаны.

Для своих экспериментов Мендель выбрал горох — дешевое растение, доступное на любом рынке, занимающее мало места, созревающее за короткое время и, что самое важное, представляющее большое количество вариантов цвета, размера и формы. То, что он сделал, было не так просто, хотя и не так сложно: сначала он наблюдал (и в этом он похож на Дарвина) и заметил, что существует семь признаков растения, которые никогда между собой не перемешиваются. Мендель — и это важно — был сыном садовника и тоже увлекался садоводством. Своими опытами он доказал, что горох может демонстрировать среди самых очевидных признаков белые или фиолетовые цветки, желтые или зеленые плоды, гладкие или морщинистые семена и высокие или низкие стебли. Однако ни разу не было такого, чтобы одно растение имело бы комбинацию из всех этих противоположных признаков одновременно, и это показалось Менделю таким любопытным, что он начал проводить опыты по скрещиванию растений с противоположными признаками, то есть горох с белыми цветками с горохом с пурпурными цветками или горох с коротким стеблем с горохом с длинным стеблем, горох с гладкими семенами с горохом с морщинистыми семенами и т. д.

И что же потом?

Растения — «дети» этих сочетаний не показали смешения генетических признаков, у них преобладал один признак, который Мендель назвал «доминантным», как например, длинный стебель или зеленый цвет плода… Однако когда он продолжил скрещивание, оказалось, что в четвертом поколении рецессивные признаки появлялись у потомков в малом количестве снова, то есть снова появился горох с желтым плодом или коротким стеблем.

Это позволило Менделю (который также был великолепным математиком и успешно применил статистику к анализу результатов скрещиваний и их последствий) понять, что признаки, которые не были доминантными, никуда не исчезли, но и не проявились. И благодаря этому после тысяч скрещиваний (согласно подсчетам, он посадил примерно тридцать тысяч растений гороха в течение 7 лет) Мендель смог сформулировать свои теории о наследственной передаче признаков через половые клетки. Сейчас, когда прошло уже более ста пятидесяти лет, ученые смогли доказать, что его законы наследования не всегда соблюдаются, но совершенно точно, что именно он, несмотря на использование терминологии, отличной от той, что используется сейчас, заслужил звание основателя генетики.

Жан Батист Ламарк, возможно, самый оспариваемый из трех ученых, о которых мы сейчас говорим, автор первой в истории книги на тему эволюции — «Философия эволюции». Можно сказать, именно он ввел спорную и в то время очень обсуждаемую концепцию «наследования приобретенных признаков». Согласно Ламарку, это наследство (то есть совокупность признаков, приобретенных родителями в течение их жизни) может быть передано следующему поколению и далее по генеалогическому древу.

На сегодняшний день эта теория (известная как ламаркизм, или трансформизм) не принята, хотя некоторые эпигенетические модификации являются здесь любопытным исключением. Позднее, в течение XX века, благодаря научному прогрессу, новым технологиям, лучшему качеству и большей точности инструментов ученые смогли более основательно проработать эти теории и результаты научных исследований, полученные в позапрошлом веке, так что ламаркизм уступил позиции (и достоверность) теории естественного отбора Дарвина.

Дарвин (и Уоллес) против Ламарка

В настоящее время общепринято мнение, что именно теория естественного отбора объясняет (или была первой теорией, объясняющей пусть не полностью, но и не ошибочно) механизмы эволюции. Эта теория была предложена Чарлзом Дарвином, а также Альфредом Уоллесом (1823–1913), наличности которого мы подробнее остановимся.

Альфред Уоллес был английским натуралистом, современником Дарвина, который, в каком-то смысле, двигался в параллельном с ним направлении. Он тоже был исследователем и в 1848 году на торговом паруснике отправился в путешествие в Бразилию для изучения амазонских флоры и фауны. Затем, с 1854 по 1862 год он пробыл на Малайском архипелаге, собирая коллекцию видов. Именно во время этого путешествия Уоллес начал разрабатывать теорию естественного отбора и по возвращении в Англию состоял в тесной переписке с Дарвином, с которым они обменивались идеями. И как по волшебному совпадению, оба сформулировали независимо друг от друга теории об эволюции видов путем естественного отбора. Отношения между ними были хорошими и даже дружескими Известно, что Уоллес отправил свои работы Дарвину, который, имея больше полезных контактов, способствовал их публикации в 1858 году. Более того, именно эта публикация сподвигла Дарвина завершить свой труд о происхождении видов, который увидел свет на год позднее.

В тени успеха Дарвина теории Уоллеса, скажем так, пошли на спад, и когда он перестал путешествовать и окончательно осел в Англии, их отношения, как и их дружба, только укрепились.

В чем же заключаются его эволюционные теории?

В целом они основаны на существовании дефектов в наследственной передаче информации от одного поколения другому. Эта нестабильность создает вариативность и определяется феноменом мутаций, большинство которых в результате не приводит к адаптивным преимуществам, а является нейтральным. То есть в определенных обстоятельствах некоторые варианты могут иметь преимущество перед другими в процессе естественного отбора, в котором, как мы уже сказали, выживают более приспособленные особи.

В наши дни имя Ламарка снова появилось в научной литературе из-за того факта, что эпигенетические изменения, эпимутации, могут быть переданы потомкам таким вопиющим способом, что, кажется, нарушают все правила менделевского наследования. Некоторые ученые предполагают, что они могут иметь адаптационную роль, укладывающуюся в концепцию Ламарка, хотя на самом деле знаменитый пример ученого о шеях жирафов некорректен. Последователи ламаркизма настаивают на том, что способность организмов адаптироваться к окружающей среде породила эволюцию и разнообразие видов, и самый известный пример, доказывающий эту теорию, о шее жирафов. Ученый сформулировал принцип, по которому использование или неиспользование частей тела приводит к тому, что части тела, используемые чаще, развиваются и усиливаются настолько, насколько менее используемые части слабеют и деградируют, иногда даже исчезают. Согласно Ламарку, поколение за поколением жирафы должны были вытягивать шею, чтобы достать до самых высоких веток деревьев, и, как следствие, их шея удлинялась. Затем, согласно второму принципу, основополагающему в его теории, принципу наследования приобретенных признаков, у жирафов с самой длинной шеей рождались дети с такой же длинной шеей, которая продолжала расти из поколения в поколение, так как потомки продолжали вытягиваться, чтобы достать до самых высоких ветвей.

Пятьдесят лет спустя в свете теорий Дарвина и Альфреда Уоллеса (последний из которых утверждал, что по линии отца был потомком великого шотландского героя Уильяма Уоллеса) постулаты Ламарка и этот конкретный пример были опровергнуты: жирафы, которые вытягивали шеи, чтобы есть листья на самых высоких ветвях деревьев, не передавали этот признак своему потомству. Согласно естественному отбору, то, что могло произойти с шеями жирафов, берет начало в существовании двух групп жирафов: с длинной и с короткой шеей. Первые доставали до листьев деревьев, питались и выжили, в то время как несчастные «короткошейки» умирали от недоедания, как и их потомство. Так что выживали и размножались особи с длинными шеями, в то время как другие вымирали.

Так какие выводы в свете современной науки можем сделать мы с вами?

Совершенно точно то, что единственная реальная возможность передачи приобретенного признака следующим поколениям заключается во внедрении этого признака в эмбриональную линию, другими словами, в сперматозоиды или яйцеклетки. Это новое изменение в половых клетках может быть эпигенетическим, а эпигенетические модификации отличаются быстродействием и могут сделать так, чтобы виды адаптировались к внезапным изменениям в окружающей среде, например к большим природным катаклизмам.

Если мы вернемся к примеру из предыдущей главы о различных человеческих популяциях, то увидим, что группа с большим числом эпигенетических вариаций — группа из Черной Африки, жители которой исторически были первыми людьми: все люди, обитающие на планете Земля, происходят от них, и у них было больше всего времени, чтобы измениться.

С другой стороны, если мы изучим, какие гены и межклеточные коммуникации, кроме уже упомянутого цвета кожи, отличают разные группы людей, то найдем два любопытных участка, связанных с чувством вкуса и чувствительностью к инфекциям.

Это связано с эпигенетическими изменениями во вкусовых рецепторах, которые миллионы лет назад позволили людям адаптироваться к новым продуктам, найденным во время первых миграций, и различать, что можно потреблять, а что смертельно опасно или ядовито. Таким же образом те люди, что должны были (и сейчас им тоже приходится) соседствовать с определенными микроорганизмами, научились сосуществовать с ними, что и происходит с вирусом Эпштейна — Барр и кишечной палочкой. Как говорится в знаменитой пословице: «С волками жить — по-волчьи выть».

А теперь обратим свой взор на наших ближайших родственников. Уверены, что каждый раз, когда вы приходите в зоопарк и смотрите на новорожденных шимпанзе, вы думаете: «Какой милый! Ну совсем как младенец». Правда ведь? Все мы так делаем, и на самом деле мы не далеки от действительности: у людей и шимпанзе 99 % генома совпадает. И несмотря на то, что говорят последователи отрицания теории эволюции, это факт: эволюционно у нас один и тот же отец и одна и та же мать. Однако мы отличаемся от них во многом, чем-то более очевидно, чем-то — менее.

Как вообще можно представить себе такую степень схожести нашей ДНК?

Эпигенетика снова является ключом к разгадке, так как исследования нашей команды ученых, как и других наших коллег, доказали следующее: несмотря на то что для определенного гена последовательности ДНК могут быть одинаковыми, наша ДНК (то есть ДНК Человека разумного) в сравнении с ДНК других человекообразных приматов, таких как шимпанзе, гориллы, орангутаны или бонобо (карликовых шимпанзе), эпигенетически регулируется по-другому, в особенности из-за изменений метилирования ДНК.

И снова эпигенетика приходит на помощь.

Обоняние — орган для выживания

Вот, пожалуйста, еще один пример на обсуждаемую тему, на этот раз связанный с запахом.

Наш геном, так же как и геном шимпанзе, обладает многочисленными генами обонятельных рецепторов. У приматов все они активированы для того, чтобы различать самые слабые запахи и определять тип приближающегося хищника или местонахождение того самого вкусного фрукта. У нас, наоборот, большая часть этих обонятельных рецепторов выключена по причине мутации (генетического изменения, так как уже многие тысячелетия мы не используем этот ген) или метилирования (эпигенетического изменения, потому что раньше нам все-таки было необходимо различать эти запахи).

Объяснить это просто: в современном обществе мы уже не различаем большинство веществ и организмов по запаху, потому что зрение стало основным органом восприятия, а также потому, что из-за сосредоточения запахов (мыло, духи, шампуни и разнообразные загрязнения) со временем становится все сложнее использовать обоняние и отличать одни запахи от других.

Проще говоря, мы почти не используем обоняние, оно атрофировалось, метилировалось.

А вот шимпанзе все еще остро в нем нуждаются, потому что им необходима способность воспринимать угрожающие запахи, запахи продуктов, которые могут быть токсичными, запахи приближающихся хищников… И поэтому они сохраняют чувство обоняния неметилированным.

В качестве заключительного аккорда хотелось бы привести пример, демонстрирующий обратное: гены, связанные с передачей нервных импульсов и речью, не метилированы у людей, и поэтому мы обладаем этой «активированной» (обозначим это таким образом) возможностью, в то время как у приматов эти функции выключены и неактивны.

Вывод: людям необходимо говорить, чтобы общаться, обезьяны этого не делают, зато их обоняние невероятно развито в сравнении с нашим, таким образом, в сражении за способности восприятия между людьми и приматами результатом будет ничья: 1 (обоняние) — 1 (речь).

Или, как говорится: «Ежели где-то что-то убыло, то где-то что-то должно прибыть непременно».

А сейчас повторим

Идея Ламарка о том, что приобретенные в течение жизни особи признаки передаются ее потомству, была опровергнута, и многие годы, вплоть до недавнего времени, научное сообщество считало, что только генетические мутации, произошедшие в гоноцитах (яйцеклетках и сперматозоидах), могут передаваться следующим поколениям.

Однако последние исследования эпигенетического наследования, другими словами, способов, которыми приобретенные одной особью эпигенетические метки могут передаваться следующему поколению, способствуют пересмотру некоторых выводов Ламарка с целью встроить их в более полную теорию эволюции видов.

Так как у людей и приматов общий предок, большая часть наших геномов совпадает. Однако эти гены работают неодинаково: некоторые более активны у людей и выключены у шимпанзе, и наоборот. Так, хотя те же самые гены активны в тех же самых зонах мозга человека и шимпанзе, их активность будет различной. Сотни или даже тысячи расхождений влияют как на функционирование, так и на развитие мозга, что может объяснить, почему мозг человека больше и наделен большим интеллектом.

Одно исследование доказало, что гены, которые не подвержены метилированию в человеческом мозге, связаны с большей восприимчивостью к неврологическим, психическим и даже онкологическим заболеваниям.

Есть два хорошо изученных вымерших вида: неандерталец и денисовский человек. Ученые смогли изучить не только их геном, взяв ДНК из окаменелых костей, но и их эпигеном. Как ни странно, было доказано, что между этими древними людьми и современными людьми существуют различия в метилировании ДНК. Эти различия находятся в основном в генах, функция которых заключается в управлении развитием конечностей (гены HOXD), что объясняет анатомические различия между нами и нашими вымершими родственниками.