Храповик
Храповик
Генетики тоже зациклены на поврежденной ДНК. Но если Бернштейн концентрируется на том, что можно починить, то они говорят о вариантах, исправить которые так и не удалось. И называют такие повреждения мутациями.
Сначала ученые думали, что последние случаются редко. Но недавно начали понимать, что их на самом деле много. У млекопитающих мутации накапливаются со скоростью около сотни на геном за поколение. Это значит, что у ваших детей будет сотня генетических отличий от вас и вашего партнера — в результате как случайных ошибок при копировании, так и мутаций в ваших яичниках или семенниках, вызванных космическими лучами. Из этой сотни около 99 не окажут никакого эффекта: это будут так называемые молчащие (нейтральные) мутации, которые не влияют на работу генов. Может показаться, что одна на сотню — это мало, учитывая, что у вас 30 тысяч пар генов, а многие замены имеют ничтожный эффект, безвредны или происходят в молчащей межгенной ДНК. Но этого достаточно, чтобы привести к регулярному накоплению дефектов и, конечно, к устойчивой скорости возникновения новых изобретений{40}.
Большая часть мутаций вредна, многие из них убивают своих обладателей (с них начинается рак). Но порой среди плохих попадается и хорошая, настоящее усовершенствование[22]. Мутация серповидно-клеточной анемии, к примеру, летальна для тех, кто получает от родителей две ее копии. Однако она распространилась в некоторых частях Африки: люди с одной ее копией (вторая — «здоровая») устойчивы к малярии.
Многие годы генетики интересовались прежде всего полезными мутациями. Они считали, что половой процесс как способ распространения генов в популяции похож на обмен идеями в науке и технологиях. Последним нужно «скрещиваться» для взаимного обогащения инновациями. Так и живому организму для быстрейшего приобретения новых полезных признаков нужно полагаться не только на собственные мутации. Решение — выпрашивать, красть и брать их взаймы у других животных и растений. То есть получать новые гены так же, как компании копируют друг у друга изобретения. Селекционеры, пытающиеся добиться хороших урожаев, укорочения стеблей и устойчивости к заболеваниям у риса, действуют как технологи, работающие с группой изобретателей. Работая с бесполыми растениями, они должны ждать медленного накопления мутаций внутри определенной линии. Одна из причин столь малых изменений шампиньона обыкновенного за три века культивации состоит в том, что у него нет полового размножения, и его невозможно селективно скрещивать{41}.
Очевидно, что брать гены взаймы — получить возможность воспользоваться изобретательностью других. Половой процесс совмещает мутации, постоянно перетасовывает гены — до тех пор, пока случайно не образуется удачное сочетание. Среди предков жирафа один мог, к примеру, получить более длинную шею, а другой — более длинные ноги. Вместе они оказались лучше, чем каждый по отдельности.
Но в этих рассуждениях путаются причина и следствие: названные в них преимущества полового размножения — слишком долгосрочные, они никогда не успеют проявиться за несколько поколений. За это время любой бесполый организм уже давным-давно вытеснит своих размножающихся половым путем конкурентов — из-за двойного преимущества в количестве потомков. Кроме того, если половой процесс хорошо складывает гены в удачные комбинации, то еще лучше он будет их разбивать. С организмами, размножающимися половым путем, можно быть уверенным в одном: их потомство будет отличаться от них самих — к разочарованию Цезаря, Бурбона и Плантагенета. Селекционеры предпочитают сорта пшеницы или бобовых, продуцирующие семена бесполым путем — тогда они могут не сомневаться: удачные растения будут воспроизводить самих себя.
Половой процесс разбивает комбинации генов — это практически его определение. Делает он это — вызывая страшные мучения у генетиков-селекционеров — и в отношении групп сцепленных генов. Если бы не рекомбинация, последние, однажды оказавшись сцепленными (например, ген голубых глаз и ген белых волос), так и остались бы навсегда привязаны друг к другу — и ни один шатен не был бы голубоглазым, а блондин — кареглазым. Стоит появиться хорошему сочетанию, как благодаря рекомбинации оно тут же рассыпается. Половое размножение нарушает великий запрет: «Не сломано — не чини». Он увеличивает случайность.
В конце 1980-х интерес к теориям «полезных» мутаций снова начал расти. В частности, Марк Киркпатрик (Mark Kirkpatrick) и Шерил Дженкинс (Cheryl Jenkins) из Техасского университета заинтересовались способностью живых организмов изобретать одно и то же дважды. Вообразим, что голубые глаза удваивают плодовитость: у имеющих их людей детей вдвое больше, чем у кареглазых. Пусть сначала у всех людей глаза карие. Первая мутация в «гене цвета глаз» эффекта не произведет, поскольку «ген голубых глаз» — рецессивный, и доминантный ген карих глаз на другой хромосоме этого человека маскирует его проявление. Только когда ребенка рожают два потомка человека, у которого возникла первоначальная мутация, и оба их гена голубоглазости находят друг друга — только тогда двукратное преимущество голубоглазых сможет обнаружиться. Если бы не половой процесс, эти две версии одной и той же давней мутации не смогли бы встретиться, а ее эффект — проявиться. Эта так называемая сегрегационная теория пола логична и непротиворечива и указывает на одно из преимуществ полового размножения. К сожалению, этот эффект слишком мал, чтобы стать основным объяснением. Математические модели показывают: для возобладания этого эффекта потребуется 5000 поколений — за это время бесполые формы с их двукратным преимуществом в количестве потомков{42} уже давно победили бы.
В последние годы генетики переключились с «полезных» мутаций на «вредные». Теперь они считают, что половой процесс — способ избавляться от именно от последних. Корнями эта идея уходит тоже в 1960-е — к мыслям Германа Мюллера, одного из создателей теории «викария из Брея». Проработавший большую часть жизни в университете Индианы, свою первую генетическую статью он опубликовал в 1911 году. Вслед за чем последовала целая лавина плодотворных идей и экспериментов. В 1964 году его накрыло одно из самых великих озарений, ставшее всемирно известным под названием «храповик Мюллера». Для простоты, представим себе в бочке 10 дафний — причем лишь одна из них полностью свободна от мутации, а у остальных имеются один или несколько небольших дефектов. Пусть в каждом поколении, в среднем, всего пять рачков умудряются принести потомство до того, как их съедят рыбы. Дафния, свободная от мутаций, имеет шанс вообще не принести потомство 1:2. То же самое относится и к любой из них, несущей мутации — но есть один принципиальный момент. Как только исчезнет рачок, свободный от мутаций, останется лишь один способ его воссоздать — другая мутация, которая исправит мутацию у дефектной дафнии. А это событие очень маловероятно. При этом легко может возникнуть организм с двумя дефектами — при любой мутации у дафнии с одним дефектом. В итоге, случайная потеря некоторых генотипов будет означать, что среднее число дефектов в популяции постепенно увеличивается. Подобно храповику, который легко поворачивается только в одну сторону, генетические дефекты неумолимо накапливаются. Единственный для свободной от мутаций дафнии способ предотвратить поворот храповика — вступать в половые связи и передавать свои «хорошие» гены другим дафниям, пока она не умрет{43}.
Работу храповика Мюллера может сымитировать любой желающий, размножая на копире какой-нибудь документ. Если делать следующую копию не с оригинала, а с предыдущей, то качество будет падать с каждым прогоном. Вы сможете вернуть его только в том случае, если у вас хранится оригинал. Но если он хранится в одной папке с копиями, идущими в расход, а новые копии делаются только когда в папке остается одна бумажка, то оригинал пойдет в расход с той же вероятностью, что и любая копия. Как только он будет потерян, самая лучшая копия, какую вы сможете сделать, ухудшится. Зато если вы захотите специально ухудшить копию, проблем не будет: просто возьмите в качестве оригинала самую плохую.
Грэхэм Белл из университета МакГилла раскопал интересный спор, бушевавший среди биологов на рубеже XX века — о том, омолаживает ли половое размножение организм. Ученых интересовало, приходит ли популяция простейших, живущих в банке с достаточным количеством еды, но лишенных возможности размножаться половым путем, к постепенному уменьшению жизнеспособности, размера тела, скорости бесполого размножения — и если да, то почему? Заново проанализировав результаты экспериментов, Белл обнаружил яркие примеры работы храповика Мюллера: у бесполых простейших постепенно накапливаются вредные мутации. Процесс усугублялся особенностью взятых для эксперимента цилиат: они содержат гены, передающиеся потомкам при половом размножении, отдельно от копий этих же генов «для ежедневного пользования». Последние создаются копированием предыдущих версий «ежедневных наборов», которое у цилиат происходит поспешно и неаккуратно, и дефекты в них накапливаются особенно быстро. При половом размножении эти простейшие «выбрасывают» старые копии и делают новые — из оригинальных версий. Белл сравнивает цилиат с мебельщиком, каждый раз копирующим последний сделанный стул — вместе со всеми ошибками — и только иногда возвращающимся к первоначальной модели. Половой процесс, таким образом, действительно оказывает омолаживающий эффект. Он позволяет цилиатам периодически «выбрасывать» все накопленные ошибки{44}.
Белл сделал любопытное заключение. Если популяция мала (меньше 10 миллиардов) или число генов в геноме очень велико, то у бесполых организмов храповик работает на всю катушку: чем меньше популяция, тем проще потерять линию, в которой нет дефектов. Организмы с большими геномами и относительно малочисленными популяциями (вроде людей, популяция которых почти в два раза меньше этих самых 10 миллиардов) попадут в беду довольно быстро. А вот у тех, у кого генов мало, а численность высокая, все будет хорошо. Поэтому, по расчетам Белла, если ты хочешь быть большим (и, соответственно, малочисленным), половое размножение необходимо. И наоборот — половой процесс не нужен, если ты остаешься маленьким[23].
Белл рассчитал, как часто должно происходить половое размножение (или, точнее, рекомбинация), чтобы остановить эффект храповика: чем меньше геном, тем реже. Дафниям достаточно скрещиваться один раз за несколько поколений, а людям — в каждом. Более того, как предположил Джеймс Кроу из университета Висконсина в Мэдисоне, храповик Мюллера помогает объяснить, почему почкование является относительно редким способом репродукции (особенно у животных), и большинство видов — даже если размножается бесполо — все равно выращивает свое потомство из одной единственной клетки (яйца). Кроу считает, что в последней фатальные дефекты (если имеются) проявляются мгновенно, и она сразу выкидывается из популяции. Если же мутантный ген оказывается в одной из клеток почки, то она не обязательно вымрет и потому передаст вредный ген в следующее поколение{45}.
Если храповик является проблемой только для больших организмов, то почему у такого количества маленьких тоже есть половое размножение? И потом: чтобы спастись от действия этого эффекта, по идее, достаточно использовать такой вариант лишь периодически, не отказываясь от бесполого полностью. В 1982 году Алексей Кондрашов из Вычислительного центра в Пущино предложил теорию, которую можно назвать обратным храповиком Мюллера: когда особь бесполого вида умирает из-за вредной мутации, из популяции исчезает только одно изменение. У видов с половым размножением в результате рекомбинации некоторым особям перепадает много мутаций, другим — мало. Когда первые из них умирают, половое размножение заставляет храповик работать на очищение популяции от многих мутаций. Поскольку большинство новых изменений оказываются вредными, половое размножение как способ от них избавиться дает огромное преимущество{46}.
Но зачем очищать популяцию от мутаций таким способом, если можно избежать их при помощи более тщательной проверки на ошибки при копировании ДНК? Кондрашов предложил оригинальное объяснение. Цена совершенствования механизма проверки, по мере приближения к идеалу растет с огромной скоростью (в экономике это называется законом сокращающейся предельной отдачи). Допускать ошибки, но вычищать их половым размножением может оказаться дешевле.
Гарвардский молекулярный биолог Мэттью Мезельсон (Metthew Meselson) дополнил идею Кондрашова конкретными механизмами. «Обычные» мутации, меняющие одну букву на другую, чаще всего безвредны, поскольку их можно легко починить. Но инсерции — целые куски ДНК, которые в состоянии запрыгнуть в середину гена — не могут быть исправлены так же легко. Эти «эгоистичные инсерции» распространяются как инфекция, но защитой от них является половое размножение. Благодаря ему мутации оказываются в отдельных индивидах, чьи смерти вычищают эти изменения из популяций{47} [24].
Кондрашов готов к эмпирической проверке своей идеи. Он говорит, что, если скорость появления вредных мутаций окажется больше одной на человека за поколение, это будет подтверждать его теорию, если меньше — опровергнет ее. Пока все свидетельствует в пользу того, что у большинства живых организмов она колеблется на грани одной. Но даже если бы она была достаточно велика, это лишь доказало бы, что половой процесс действительно может играть роль в очистке популяции от мутаций, но не объяснило бы, почему он продолжает существовать{48}.
С теорией Кондрашова есть проблемы. Она не объясняет, почему бактерии, у одних видов которых половой процесс происходит редко, а у других не происходит вообще, меньше страдают от мутаций и меньше ошибаются при копировании ДНК. Как сказал один из оппонентов Кондрашова, половой процесс «слишком громоздок и своеобразен, чтобы возникнуть всего лишь для решения задач домашнего хозяйства»{49}.
Кроме того, теория Кондрашова обладает тем же самым дефектом, что и все остальные: она работает слишком медленно. Столкнувшись с клоном бесполых особей, популяция с половым размножением должна неминуемо вымереть из-за большей продуктивности клона — если только его генетические недостатки не проявятся раньше. Кертис Лайвели (Curtis Lively) из университета Индианы рассчитал, что при двойном преимуществе бесполых форм с каждым 10-кратным увеличением популяции половое размножение просуществует на шесть поколений дольше, а затем все равно исчезнет. Если индивидов миллион, прежде чем исчезнуть, оно будет использоваться 40 поколениями; если особей миллиард — 80–10. Между тем, все репарационные теории требуют тысяч поколений, чтобы сработали соответствующие эффекты. Теория Кондрашова, конечно, действует быстрее, но, видимо, все равно недостаточно шустро{50} [25].
До сих пор не существует чисто генетической теории, которая объясняла бы половое размножение и получила бы всеобщее признание. Все больше студентов-эволюционистов верят, что решение великой загадки полового размножения лежит в области экологии, а не генетики.