История о нас. Как мы стали людьми? Путеводитель по эволюции человека: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Гены, кости и разум

Гены — это единицы наследуемости, которые отбираются природой и передаются следующим поколениям. Природа отслеживает физические проявления генов (фенотип), и, если они повышают шансы организма на выживание, ответственная за них ДНК наследуется и передается следующим поколениям. Гены — это матрица, на которой выстроена жизнь.

Представления о том, как ДНК превращается в живую материю, коренным образом изменились буквально за несколько последних лет. По двум причинам. Первая: последовательное изучение механизма функционирования генетического кода, генетических различий между людьми, их распределения в популяции в прошлом и в настоящем, а также связи между дефектными генами и болезнью. Генетический код в форме генов содержит биологическую информацию; гены рассредоточены среди трех миллиардов букв в составе ДНК, разделенной на 23 хромосомы и находящейся в маленьком ядре в центре большинства клеток. Все люди имеют один и тот же набор генов, но последовательность генов у разных людей может немного различаться, и именно эти различия определяют все естественные вариации человеческих признаков. Хотя нам еще многое предстоит узнать, мы уже хорошо представляем себе, как устроен геном и как последовательность букв ДНК превращается в жизнь. Чем ближе родственная связь между особями, тем больше сходство между их геномами. Это правило применимо к семьям, к особям одного вида и к представителям разных видов. Поскольку у нас одинаковые гены, мы можем сравнивать различия в последовательностях, чтобы понять, имеют ли они какое-то значение. В американском и британском вариантах английского языка встречаются разные формы написания одних и тех же слов, но выражения colour grey и color gray[57] на обоих берегах Атлантики означают одно и то же. Напротив, слова appeal и appal[58] отличаются всего одной буквой, но их смысл почти противоположен. Со временем ДНК изменяется за счет генетического эквивалента опечаток — орфографических ошибок, закрадывающихся в текст при неточном копировании и невнимательной проверке белками, ответственными за вычитывание последовательностей ДНК после репликации. Эти ошибки накапливаются почти с постоянной скоростью, так что различия в последовательностях генов разных людей и разных видов можно использовать для отсчета времени на часах, запущенных в тот момент, когда конкретная опечатка возникла в сперматозоиде или яйцеклетке предка и была передана его ребенку. Небывалые успехи в секвенировании генома за последние годы сделали расшифровку биологического кода легкой, быстрой и дешевой, и теперь у нас есть петабайты ДНК миллионов людей и животных.

Вторая причина революционного изменения генетики за последние годы также связана с техническими достижениями, но в приложении к расшифровке генома людей, умерших годы, десятилетия, столетия или даже сотни тысячелетий тому назад. ДНК — невероятно стабильная форма хранения информации. В живых клетках она активно поддерживается в надлежащей форме с помощью белков, которые проверяют и редактируют ее при каждом копировании, максимально снижая количество ошибок. В мертвых клетках никакого редактирования не происходит, но в правильных условиях (в сухой и прохладной атмосфере и в присутствии минимального количества других организмов) ДНК может сохраняться тысячелетиями. На основании генов мертвых мы можем установить генетические связи, которые в противном случае были бы потеряны во времени.

Эти два прорыва в генетике привели нас к новому пониманию наследственности и позволили перерабатывать горы информации в форме последовательностей геномов; из нее с помощью мощных статистических методов можно извлечь даже едва заметные закономерности. Вооружившись этими новыми инструментами, мы продвигаемся в понимании того, как древние люди превратились в современных людей.

24–2 = 23

Принадлежность к виду организмов определяется по морфологическим признакам, а не по ДНК. Такая таксономическая классификация используется по историческим причинам — мы обозначаем организмы в соответствии с этой системой с тех пор, как Линней в XVIII в. ввел биноминальную номенклатуру: название рода, потом название вида (Homo и sapiens, Pan и troglodytes). Геном каждого человека уникален, но геномы всех людей достаточно похожи, чтобы всех нас отнести к одному виду. Важно, что ныне живущие люди в большинстве своем имеют одинаковое количество хромосом[59]. Хромосомы — это длинные последовательности ДНК, в которых содержатся гены (у каждого из нас порядка 20 000). Все наши гены распределены по 23 парам хромосом. У горилл, шимпанзе, бонобо и орангутанов 24 пары хромосом.

Хромосомы различаются по размеру, например, хромосома 2 — одна из самых длинных: она содержит 8 % всей нашей ДНК и примерно 1200 генов. Она такая большая, поскольку в какой-то момент, быть может шесть или семь миллионов лет назад, у одного из представителей общих предков всех человекообразных обезьян родился ребенок с серьезной хромосомной аномалией. В процессе образования яйцеклетки и сперматозоида, слияние которых дало начало этой новой жизни, при репликации хромосом две из них каким-то образом сцепились между собой. При сравнении хромосом всех гоминид хорошо видно, что гены, содержащиеся на нашей хромосоме 2, у шимпанзе, орангутанов, бонобо и горилл распределены между двумя хромосомами.

Большинство мутаций такого плана являются летальными или вызывают ужасные заболевания, но этой обезьяне повезло — она родилась с полностью функциональным геномом, который в значительной степени отличался от генома ее родителей. С этого самого момента началась линия организмов с 23 парами хромосом, которая протянулась до нас с вами.

Теперь мы знаем последовательности геномов неандертальцев и денисовцев, но, к сожалению, на основании тех фрагментов ДНК, которые мы извлекли из их костей, мы не можем сказать, сколько у них было хромосом. Мы предполагаем, что эти наши родственники тоже имели по 23 пары хромосом, но точно не узнаем, пока не выделим из редких содержащих ДНК костей образцы более высокого качества. Известно, что мы скрещивались с этими людьми, а разное количество хромосом часто является препятствием для репродукции, хотя и не всегда: представители единственного современного рода «лошади» из семейства лошадиных, куда относятся лошади, ослы и зебры, могут спариваться друг с другом, хотя количество хромосом у них варьирует от 16 пар до 31 пары. Впрочем, никто не понимает, как это возможно.

Нам не удалось выделить ДНК из многих образцов костей древнейших представителей человеческой линии и, возможно, никогда не удастся, поскольку большинство наших древнейших предков жили в Африке, где жарко и ДНК сохраняется очень плохо. Вполне вероятно, что после отделения линий предков шимпанзе, бонобо, горилл и орангутанов остальные гоминиды имели 23 пары хромосом.

Гены транслируются в белки, а белки делают всю работу в организме. Буквально всю — от формирования волос и мышечных волокон до синтеза компонентов жировых и костных клеток или осуществления каталитической функции в переработке пищи, энергии и отходов жизнедеятельности. Едва заметные вариации последовательности генов могут приводить к изменению формы или активности белков, и именно поэтому у одних людей глаза голубые, а у других карие[60], некоторые люди сохраняют способность переваривать молоко после выхода из младенческого возраста, хотя большинство ее теряют, у кого-то после употребления в пищу спаржи моча имеет специфический запах, а у кого-то нет (и кто-то чувствует этот запах, а кто-то нет). Генетические различия отражаются в физических. Специфические последовательности ДНК мы называем генотипом, а кодируемые ими физические характеристики — фенотипом.

Изменения в ДНК происходят случайным образом и являются предметом отбора в зависимости от того, обеспечивают ли они фенотипические преимущества или недостатки для выживания организма. Со временем неудачные мутации обычно вымываются из генома, поскольку снижают приспособленность организмов, а удачные распространяются. Некоторые мутации могут одновременно обеспечивать как преимущества, так и недостатки: наличие одной дефектной копии гена бета-цепи гемоглобина защищает от малярии, наличие двух копий приводит к развитию серповидно-клеточной анемии. А некоторые (нейтральные) мутации, от которых организму не хорошо и не плохо, просто дрейфуют в популяции.

Хотя у человека и человекообразных обезьян почти все гены одинаковые, некоторые в небольшой степени различаются, а какие-то появились только в нашем геноме. И поэтому мы отличаемся от других. Существует множество механизмов, посредством которых за несколько поколений гены и геномы могут изменяться и генерировать новую информацию. Такие гены могут подвергаться отбору и через какое-то время создать некую комбинацию, которая послужит основой для формирования нового вида. Я не буду описывать все эти механизмы, поскольку в различных организмах их существует множество. Но некоторые механизмы возникновения мутаций важны для понимания человеческого генома, и о них стоит поговорить подробнее.

Дупликация (удвоение)

Представьте себе, что вы сочиняете симфонию и записываете ноты вручную на нотном листе. Причем только в одном экземпляре. Если вы хотите поэкспериментировать с какой-то темой, вряд ли вы решитесь писать поверху единственной имеющейся у вас копии с риском испортить рабочую версию. Вы снимете копию и для экспериментов используете второй экземпляр, будучи уверенным, что первый остался цел и невредим. Примерно так можно представить себе дупликацию генов. Работающий ген должен оставаться полезным и не может мутировать случайным образом, поскольку мутации с большой вероятностью нарушат его функцию. Но если вы скопируете фрагмент ДНК, содержащий этот ген, одна из копий может измениться и, возможно, приобрести новую функцию, но при этом организм не лишится исходной функциональной версии. Именно так наши предки приматы перешли от дихроматического зрения к трихроматическому. На X-хромосоме есть ген, который кодирует белок сетчатки, реагирующий на свет со специфической длиной волны, что обеспечивает восприятие соответствующего цвета. Примерно 30 миллионов лет назад произошла дупликация этого гена, и в одной из копий возникла мутация, добавившая к нашему цветовому восприятию возможность видеть оттенки синего. Чтобы новая функция сохранилась, процесс дупликации должен был произойти в ходе мейоза, при образовании сперматозоидов и яйцеклеток, поскольку в таком случае новая мутация появляется в каждой клетке ребенка, в том числе в тех, которые станут сперматозоидами и яйцеклетками.

Судя по всему, у приматов, и особенно у человекообразных обезьян, дупликация генов происходит достаточно часто. Примерно 5 % нашего генома возникло в результате дупликаций фрагментов ДНК, а примерно треть из них характерна только для человека. Участки генома, образовавшиеся в результате дупликации, сложно анализировать — по той причине, что они являются копиями и очень похожи друг на друга. Но терпение и труд постепенно позволили генетикам научиться их анализировать, и благодаря этому мы начинаем понимать, почему в нашем геноме так много копий, и есть ли среди них те, которые обеспечивают нам такие способности, каких нет у наших ближайших родственников человекообразных обезьян.

На настоящий момент найдено лишь несколько генов, дупликация которых произошла только у нас. И все они имеют удивительно скучные названия. В июне 2018 г. среди множества очень похожих генов была обнаружена слегка отличающаяся версия человеческого гена NOTCH2NL, которой, что очень важно, нет у шимпанзе. По-видимому, ранняя версия NOTCH2NL удвоилась у общего предка всех человекообразных обезьян, но примерно три миллиона лет назад в нашей линии она внезапно изменилась, а у шимпанзе осталась бессмысленным грузом. Мы точно не знаем, что именно делает эта версия гена в геноме человека, но, похоже, она способствует росту мозговых клеток, называемых радиальной глией, которые пронизывают кору и создают новые нейроны, стимулируя рост мозга. О функции гена можно многое узнать, если отключить его при помощи мутации, и, как выяснилось, одно из заболеваний, связанных с мутацией гена NOTCH2NL, — это микроцефалия, уменьшение размера мозга.

В геноме человека содержатся четыре копии гена SRGAP2, тогда как у других человекообразных обезьян всего одна. Мы можем определить, когда именно происходило удвоение гена: первый раз это случилось 3,4 миллиона лет назад, а затем новая версия удвоилась еще дважды — 2,4 миллиона лет назад и примерно один миллион лет назад. Далее ученые выяснили, в каких тканях данный ген проявляет активность. И вот что интересно: первое и третье удвоение, похоже, не сыграли никакой важной роли, и образовавшиеся копии просто тихонько ржавеют в нашем геноме, но второе удвоение дало начало гену, который выполняет в нашем мозге определенную функцию. По-видимому, этот ген способствует повышению плотности и длины разветвляющихся отростков нейронов коры, называемых дендритами. Нейроны такого типа существуют только у людей: в мозге мыши их нет, но, если встроить в геном мыши человеческую версию гена, у нее вырастают крепкие и плотные дендриты. Эта версия гена, SRGAP2C, появилась 2,4 миллиона лет назад, как раз тогда, когда мозг наших предков значительно увеличился в размере. Примерно в это же время мы начали расщеплять камни и превращать их в олдувайские орудия.

Связь кажется очевидной, но это лишь мои рассуждения. Хотя, возможно, не такие уж безумные. Возникает сильное искушение связать между собой эти три вещи: рождение нового гена, его предполагаемую функцию в головном мозге и одновременное появление новых способностей. Но пока это все, что нам известно. Не этот единственный ген сделал нас такими, какие мы есть, но он мог быть одним из нескольких, даже если мы пока точно не знаем, в чем заключается их функция. Эти гены стали ключом к выявлению важнейших различий между нашим мозгом и мозгом других существ, а со временем мы найдем и другие генетические подсказки. Ни одна из них не была единственным триггером, но лишь частью общей картины нашей эволюции.

Гены «нового образца»

Удвоение генов и перенос из других источников — это примеры того, как природа умеет применять уже существующие инструменты (эволюция — луддит). Но она также умеет создавать с нуля. Мы называем это мутациями de novo: кажущиеся бессмысленными участки ДНК мутируют и превращаются в читаемые фразы.

Генетический код устроен следующим образом. Алфавит ДНК состоит из четырех букв, организованных в трехбуквенные «слова», каждое из которых кодирует одну аминокислоту; аминокислоты связаны между собой в строгом порядке, определяющем структуру белка. Если использовать аналогию с языком, у нас есть буквы (например, в английском языке их 26), слова (которые могут быть любой длины) и предложения (тоже любой длины). В генетике есть только четыре буквы, а все слова состоят из трех букв. В таком случае гены — это предложения, и, как в языке, они могут быть любой длины. Если ген создается с нуля, он должен эволюционировать. В отличие от дупликаций и инсерций (вставок), возникших из уже существовавших последовательностей, гены de novo не встраивались в наш геном в рабочем виде. В книге каждое слово зачем-то нужно, а в геноме содержится огромное количество ДНК, не являющейся словами или предложениями — это просто случайный наполнитель. Допустим, у нас есть последовательность букв:

Если напрячься, можно обнаружить в этой последовательности простое предложение. Вставим после третьей буквы букву Д и прочтем:

А если между трехбуквенными словами вставить пробелы, мы получим следующее:

Эта фраза имеет смысл только в том случае, если буквы стоят в правильном порядке. В генетике мы называем такой порядок открытой рамкой считывания. В генах между словами нет пробелов, но клетки умеют распознавать трехбуквенные структуры. Возникновение генов de novo происходит тогда, когда набор букв случайно превращается в осмысленное предложение, которое прочитывается клеткой и транслируется в белок, а этот белок каким-либо образом используется. И тогда приобретший его организм передает этот новый ген своим потомкам.

В 2011 г. было идентифицировано 60 генов, возникших только в геноме человека, и это число может увеличиться. По большей части мы пока не знаем, зачем они нужны, но обычно это короткие гены, что понятно, если учесть, как они возникли: чем длиннее предложение, тем выше вероятность, что открытая рамка считывания сдвинется. Хотя эти гены есть только у человека, они не являются нашей определяющей генетической характеристикой. Возможно, они не совершают никакой важной работы; в нашем геноме гораздо больше генов, которые, хотя и мутировали уникальным для человека образом, но были унаследованы от предков или возникли в результате дупликации.

Инвазия

Еще одна важная деталь, о которой стоит сказать: в генетическом плане мы не полностью люди, примерно 8 % нашего генома не унаследовано нами от предков. Эта ДНК встроилась в наш геном усилиями других существ, пытавшихся наладить собственную репликацию. Вирус можно сравнить со взломщиком, который врывается на фабрику и подменяет рабочую схему своей собственной, в результате чего фабрика начинает производить то, что нужно ему, а не хозяину фабрики. Когда вирус взламывает стены наших клеточных фабрик, он приносит туда свою ДНК (или РНК)[61] и может встроить ее в наш геном, и тогда наши клетки начинают исполнять приказы вируса и производить новые вирусы. Чаще всего такие инсерции (вставки) вредны для организма. Многие симптомы простуды и других вирусных заболеваний связаны с тем, что наша иммунная система реагирует на вторжение чужеродной материи или наши клетки по команде вируса убивают сами себя. Иногда вставки встраиваются в середину гена, ограничивающего частоту деления клетки, и тогда начинается неконтролируемое деление — развивается опухоль. Но иногда вирусные гены просто сидят в нашем геноме и ничего не делают. ДНК вируса встроилась, но на организм это никак не повлияло. В ходе эволюции человека такое происходило множество раз, и именно так возникло 8 % нашей ДНК. Для сравнения, это гораздо больше, чем количество ДНК в составе наших генов, и больше размера некоторых хромосом, включая Y-хромосому. Если так рассуждать, мужчины в большей степени вирусы, чем мужчины.

Чужеродная ДНК отвечает за некоторые функции в нашем организме, но один пример выделяется на фоне остальных: речь идет о формировании плаценты. В теле существуют специализированные ткани с изумительным названием синцитий. Они содержат множество ядер и образуются при слиянии клеток в процессе развития некоторых тканей мышц, костей и сердца. В плаценте клетки синцития формируют высокоспециализированную и важную ткань с еще более великолепным названием синцитиотрофобласт. Это своего рода шиповидные выросты развивающейся плаценты, которые внедряются в стенки матки и обеспечивают контакт между телом матери и эмбрионом; через них происходит обмен жидкостями, питательными веществами и отходами жизнедеятельности. Эта же ткань подавляет иммунный ответ матери, что предотвращает отторжение растущего плода как чужеродной материи. Эти клетки — центральный элемент репродукции человека, необходимый для зарождения одной жизни внутри другой. Гены, обеспечивающие их рост, не являются человеческими генами. Примерно 45 миллионов лет назад приматы приобрели их у вируса. Вирусу они нужны для слияния с хозяйской клеткой, и они тоже подавляют иммунный ответ на инфекцию. Но они были захвачены нашим геномом и стали необходимыми для успешного протекания беременности. Понятное дело, млекопитающие обзавелись плацентой гораздо раньше, чем 45 миллионов лет назад, и это очередная невероятно таинственная и удивительная история в эволюции. Мыши, у которых тоже есть синцитиотрофобласт, имеют очень похожий набор генов, приобретенный от вируса, но только от другого. Это невероятный пример конвергентной эволюции на молекулярном уровне. В ходе эволюции генетическая программа вируса несколько раз почти идентичным способом применялась для развития млекопитающих.

[57] Серый цвет — в британском и американском английском соответственно.

[58] Appeal — призывать, привлекать; appal — ужасать.

[59] Существует несколько совместимых с жизнью хромосомных аномалий, характеризующихся избытком или недостатком хромосом. Самый известный пример — синдром Дауна (три хромосомы 21-й пары вместо положенных двух) и такие состояния, как синдром Клайнфельтера (наличие у мужчин дополнительной хромосомы X, что приводит к генотипу XXY) и синдром Тернера (неспаренная хромосома X у женщин).

[60] Закономерности наследования цвета глаз проходят в школе в качестве базового знания по генетике. На самом деле цвет глаз — полезный пример для иллюстрации того, как слабо мы понимаем механизмы наследования. Хотя версия гена, обеспечивающая карие глаза, доминирует над версией голубых глаз, на цвет радужной оболочки влияет множество генов, так что существует целый спектр цвета глаз от бледно-голубого до почти черного, и практически невозможно однозначно предсказать цвет глаз ребенка на основании цвета глаз родителей. Более того, любое сочетание цвета глаз родителей может дать любой цвет глаз ребенка. Генетика — сложная и вероятностная наука, даже в отношении таких признаков, в которых, как нам кажется, мы хорошо разбираемся.

[61] РНК и ДНК — родственные молекулы. Обе относятся к разряду нуклеиновых кислот (НК), но, в отличие от ДНК, которая обычно состоит из двух нитей, свернутых в классическую двойную спираль, РНК состоит всего из одной нити. В процессе экспрессии гена, за счет которого синтезируется белок, сначала ДНК превращается (транскрибируется) в молекулу РНК, а та затем транслируется в последовательность аминокислот, формирующих белок. Одни вирусы хранят генетический материал в виде ДНК, другие, такие как ВИЧ, содержат только РНК, которая превращается в ДНК в инфицированной клетке хозяина и встраивается в хозяйский геном при участии вирусного белка интегразы.