Как человек отключает естественный отбор
Человек — продукт эволюции. На протяжении 4 млрд лет она безжалостно отсекала тех, кто не был приспособлен к текущему моменту. Сегодня естественный отбор почти отключен, и это неизбежно отражается на генофонде. Современная медицина стремится к тому, чтобы выживали все, независимо от накопленных мутаций. Но насколько это соответствует замыслу природы?
Рассказывает кандидат биологических наук, профессор биологии Мичиганского университета Алексей Симонович Кондрашов — гость программы «Вопрос науки» с Алексеем Семихатовым.
Положительный отбор — двигатель эволюции
Когда мы говорим про эволюцию, имеем в виду положительный отбор. Его еще называют дарвиновским, когда полезным оказывается какой-то генетический вариант, ген, аллель, которого у исходных популяций нет или он очень редок. Вот жили обезьяны, но вдруг условия изменились и им захотелось стать людьми. Для этого им надо накопить тысячу аллелей, которых у них просто нет. И вот сидят обезьяны и ждут, когда же возникнет соответствующая мутация. Потом мутация возникает, и, если повезет, ее частота в популяции обезьяны растет. В результате обезьяна сделала шаг к человеку — это и есть эволюция. И это называется положительный отбор, то есть отбор, который благоприятствует варианту исходно редкому или вообще отсутствовавшему.
А бывает отбор отрицательный. Это отбор в пользу варианта, который в данный момент в популяции частый. И, соответственно, когда возникает за счет мутаций редкий вариант, он вреден. Вреден именно в данный момент. Может быть, в будущем, если возникнет еще какой-нибудь другой признак, он станет полезным. Но в данный момент он вредный, ведь эволюция не знает, что будет дальше, у нее нет никакого предвидения. Приведу пример.
Допустим, я принадлежу к популяции чернокожих и живу в Африке. Если у меня возникнет мутация, делающая меня светлокожим, то это вредно, ведь я живу в тропиках. А если я из тропиков убежал на север, то это полезно. Я делю мутации на полезные и вредные в зависимости от того, как они в данный момент влияют на приспособленность вида
Если ты живешь в постоянных условиях, то ты и не будешь меняться. Можно привести в пример живых ископаемых. Какой-нибудь мечехвост или гинкго за 200 млн лет морфологически никак не изменился. Если выкапывать из триасовых отложений гинкго, оно морфологически от современного почти не отличается.
В то же время постоянно происходят вредные мутации. Мутационный процесс неостановим просто потому, что законы физики не позволяют нам копировать последовательности ДНК без ошибок. Так что ошибки в природе происходят всегда. Эта ошибка может затронуть неважный участок ДНК — и тогда она будет, как мы говорим, селективно нейтральна. Ошибка может быть и вредной, и полезной. Кто-то из отцов-основателей генетики сказал, что улучшать генотип за счет мутаций — это все равно что улучшать статую, обстреливая ее издали из пулемета. Есть вероятность, что ты отобьешь ей что-то лишнее, но вероятность эта маленькая. Так что удивляться надо полезным мутациям, а не вредным. В этом смысле отрицательный отбор — это тупая сила, сохраняющая статус-кво и действующая всегда. Если его отключить, то ничего хорошего не будет.
От мух до генофонда человека
Что такое отбор? Отбор — это когда разные твари производят разное количество потомков. Возьмем популяцию мух и сделаем так, чтобы от каждой пары оставалось ровно два ребенка: дочка-муха и сыночек-муха. Дальше они будут между собой снова случайно скрещиваться и жить. Этот опыт мы сделали больше 20 лет назад. И за 30 поколений приспособленность популяции упала вдвое, потому что всякий отбор был отключен. Причем отключен был и отрицательный отбор — они просто свободно копили мутации. Если каждая скотина приносит определенное число потомков, отбор не работает по определению. Эволюция происходит за счет положительного дарвиновского отбора, а с точки зрения поддержания результатов эволюции мы являемся крайне маловероятным и неравновесным объектом. Если постараться, чтобы все выживали и жили счастливо, что является целью медицины, то тогда генофонд получится — и, соответственно, уже получается — плохим.
Генофонд портится от гуманистических медицинских мер — это очевидно, и с этим никто не спорит. Но есть вещи неочевидные. Как быстро это приведет к каким-то существенным последствиям? Надо понимать, что вопросы научные и вопросы этические полностью расцеплены. Очень часто люди сразу начинают нести какую-нибудь фашистскую чушь и говорить: раз так — давайте не будем лечить больных. Вопрос о том, что надо делать, совершено никак с генофондом не связан. Гуманистическая точка зрения, принятая в цивилизованных странах, заключается в том, что жизнь человека важнее. Но оттого, что мы такие хорошие гуманисты, законы природы действовать не перестают и, соответственно, нужно понимать, что будет.
И тут возникает несколько интересных вопросов. Вопрос первый: до какой степени отбор популяции человека реально отключен? Ответ: конечно, он не отключен полностью. В отличие от опыта с мухой, который мы поставили, у человека есть существенная изменчивость по количеству детей. Правда, в большой степени эта изменчивость не приводит ни к какому отбору. Потому что то, сколько у тебя детей, зависит от чего угодно: от религиозных взглядов, жизненных установок, и гораздо меньше в современном обществе это зависит от твоего генотипа.
Отбор сейчас, безусловно, слабее, чем он был, когда наши предки были питекантропами и жили в пещерах, но вот насколько он слаб, мы на самом деле не знаем. Тут есть еще одна хитрость: тот отбор, который в популяции человека сейчас действует, может оказаться плохим. Недавно в Америке и в Исландии в независимых друг от друга исследованиях были получены очень интересные выводы: отбор действует против генов, которые способствуют получению образования. То есть чем больше у тебя аллелей, коррелирующих с получением образования, тем меньше у тебя детей. Рано или поздно такой неправильный отбор приведет к тому, что аллели, препятствующие получению образования, будут в популяции накапливаться.
Такой отбор действует в наши дни, исследования проводятся на современном срезе. Берут 100 000 исландцев и смотрят, сколько у них детей и сколько у каждого из них аллелей, способствующих получению образования. Выясняется, что чем больше таких аллелей, тем меньше детей. Мы не знаем, что было сотни лет назад, было ли больше или меньше детей у грамотного викинга. И не знаем, продлится ли такая ситуация еще 100 лет.
Эффект возраста отца и мутации
По моим ощущениям, все получится как у мухи: мы меняемся на несколько процентов за поколение. Могу сказать, на чем основано мое мнение. Пожалуй, наиболее убедительные данные — это возраст отца. У женщины все яйцеклетки практически готовы, когда она еще не родилась на свет. За четыре месяца до рождения деление в женском зародышевом пути прекращается. А если ты мужчина, ты продолжаешь как дурак генерировать сперматозоиды всю свою жизнь. В каком бы возрасте ни размножалась женщина, ее яйцеклетка проходит примерно через 35 делений. Если мужчина размножается в возрасте 18 лет, то его сперматозоид прошел через 150 делений. А если он размножается в возрасте 70 лет, его сперматозоид прошел через 600 делений, и, соответственно, он наградит своего ребенка в четыре раза большим числом мутаций.
Ученые сравнивают разные параметры детей, родившихся от молодых и старых отцов. Есть нюансы, но общая картина вырисовывается. Дети, рожденные от старых отцов, существенно уступают детям, рожденным от молодых отцов, по самым разным параметрам, прежде всего когнитивным: по скорости развития, по общему интеллекту, по всяким образовательным тестам. Страдает в первую очередь мозг, потому что это самая сложная структура в организме, содержащая большую часть наших генов. Если в моих мышцах работает 5% моих генов, то в мозгу их 80%. И, соответственно, по нему мутации бьют больше всего. Наша сложность — это прежде всего сложность мозгов.
Почему я говорю о возрасте отца? Потому что эффект возраста отца примерно равен общему эффекту накопления мутаций за одно поколение. И эффект возраста отца составляет больше процента, но меньше 10%. Если у ребенка папаше 70 лет, то когнитивные параметры этого ребенка в среднем будут уступать когнитивным параметрам ребенка, у которого папаше 18 лет, на 3%. В разных опытах, в разных исследованиях получаются очень разные результаты, но порядок такой. Из этого я делаю вывод, что если вообще в течение поколения полностью отсутствует отрицательный отбор, то именно на 3% все будет путаться. На мухе у нас получался результат 2%, но у мухи геном меньше нашего в 30 раз. Новорожденный мушонок несет одну вредную мутацию, а новорожденный человек несет примерно десять вредных мутаций.
Я говорю именно о вредных мутациях. Всего новорожденный ребенок несет 60 мутаций. Но поскольку 90% нашего генома — это мусор, а 10% — не мусор, значит, из этих 60 примерно пять-шесть штук попадут туда, где они важны, и они практически все будут вредны.
Представьте, приходит женщина к врачу, а врач ей говорит: «Поздравляю, вы беременны. Надеюсь, вы родите мутанта». Можете вы себе представить такого врача? Не можете. Потому что с точки зрения человеческого гуманизма практически все мутации — это плохо. А то, что одна мутация из миллиона полезная, будущей матери глубоко по барабану. Она не хочет, чтобы ее ребенок был мутантом.
Редактирование генов подобно каменному топору
Конечно, от накопления вредных мутаций за десять лет человечество не вымрет. Но нужно уже сейчас изучать этот вопрос и получать более точные данные. Сейчас все кричат про редактирование геномов — всякие CRISPR. Появляется надежда, что все геномы отредактируют. Но современные методы редактирования геномов на много порядков величины недостаточно точны, чтобы их можно было применять на людях. Я, в принципе, большой сторонник редактирования геномов и не вижу никаких принципиальных этических проблем. Мы же не хотим, чтобы ребенок получил какие-то вирусы от своих родителей. Почему же мы хотим, чтобы ребенок получил от родителей вредные аллели? Так что, если бы можно было эти вредные аллели аккуратно вернуть к норме, я считаю, что это не только этически допустимо, а этически необходимо. Но если ты при этом все перекорежишь... Пока никаких методов даже на горизонте не видно, и совершенно не факт, что это когда-нибудь вообще станет возможно.
Существующие методы абсолютно далеки от реальности. И все рассказы о применении их на человеке — это злонамеренное вранье. Все равно что изобрели каменный топор и сказали, что теперь мы можем делать коронарное шунтирование. Вы же не будете его делать топором? И здесь это то же самое. Есть одна единственная генетическая манипуляция, которую на людях можно делать, — это замена митохондрий. Если у женщины митохондриальная мутация, которая сделает ее ребенка неизлечимо больным, то можно взять яйцеклетку другой женщины, вынуть из нее ядро и вставить в него оплодотворенное ядро из яйцеклетки будущей матери. И тогда получится, что рождается ребенок, у которого есть генотип мамы, генотип папы, а митохондриальный генотип — это маленький-маленький кусочек — вообще от третьей женщины, здоровой. Вот это единственная хитрая ситуация, где генетическая манипуляция возможна. Она в каких-то странах уже разрешена.
Это неплохо, но это очень редкая ситуация. Вот возьмем среднего здорового человека — меня. У среднего здорового человека мутаций в генотипе порядка 1000 штук (и это только те, которые заменяют аминокислоты белка). Мне уже размножаться поздно, но, если бы я собирался размножаться, конечно, я был бы рад, чтобы в моих половых клетках эти вредные аллели заменили на нормальные. Зачем детям передавать всякую бяку? Но возможность поменять 1000 каких-то букв в геноме на другие — это сейчас абсолютно из области фантастики.
Главный эволюционный механизм, который нам позволяет существовать, — это система снижения скорости мутирования. Вероятность ошибки на одно удвоение ДНК — 1 на 10 млрд. Вы можете себе представить, что вы печатаете и делаете одну ошибку на 10 млрд символов? Одну на 100 млн страниц? Вот так и работает наша клетка. Следит за этим полимераза. И это самое важное, что вообще нам позволяет существовать.
