Наука Плоского Мира III: Часы Дарвина - Терри Пратчетт

Благодаря проекту «геном человека» мы все теперь знаем, что человеческие существа имеют около 34000 генов. Так что каждый отдельный человек имеет 3400 гетерозиготных генов, а не десять как предполагали Холдейн и Фишер.

Кроме того, если взять образцы у множества живых организмов, окажется, что около одной трети всех генов имеют различные аллели. Некоторые из них встречаются довольно редко, но многие из них встречаются в популяции с частотой более чем один процент.

Нет никакого способа согласовать реальную картину генетической структуры популяции с классической точки зрения популяционной генетики. В настоящее время практически весь естественный отбор должен умело разбираться в различных комбинациях древних мутаций. Дело не в том, что когда возникает новая мутация она сразу же становится предметом отбора: вместо этого, эта мутация обычно миллионы лет болтается без дела, пока в конечном итоге не начинает играть роль, которая обратит на себя внимание естественного отбора.

Сейчас уже стало очевидно, что все существующие в настоящий момент породы собак уже были «доступны», том смысле, что все необходимые аллели уже существуют в исходной популяции одомашненных волков.

Для накопления необходимых мутаций только среди современных собак просто не было времени. Дарвин знал о большом количестве загадочных и явных разновидностей среди голубей. Однако его преемники, спеша по горячим следам молекулярных основ жизни забыли о волках и голубях. Они едва не забыли о клетках. ДНК имеет довольно сложную структуру: попытки клеточной биологии понять органум были безнадёжны.

Открытие Левонтина стало важным поворотным моментом в истории нашего понимания эволюции и наследственности. По крайней мере он был столь же радикален как более известная революция в физике, заменившая Ньютона Эйнштейном, что было, пожалуй, большее важным. Мы видим, что в течении последнего года или даже больше происходит ещё более радикальный пересмотр наших представлений о контроле клеточной биологии и проектировании генов. Все догматы о ДНК, транспортном РНК и белках претерпевают проверку в реальных условиях, и внутренние «аудиторы» науки посчитали столь же архаичными как и взгляды Фишера на генетику популяции.

Не только среди обычных продюсеров популярных научных телепередач, но и среди известных авторов научных книг, принято считать что ДНК, «секрет жизни», эволюция и её механизмы являются для нас открытой книгой. В конце пятидесятых, вскоре после открытия структуры ДНК и механизма репликации Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком средства массовой информации и учебники биологии различных уровней начали упоминать ДНК в качестве «Чертежа жизни». В семидесятых годах многие книги, в том числе и «Эгоистичный ген» Ричарда Докинза поддерживали точку зрения о том, что если мы будем знать всё о механизме наследственности, то сможем найти ответы на все важные вопросы медицины и биологии, включая и эволюцию.

Вскоре после применения такого ошибочного предположения в медицине произошла большая трагедия. Все чаще прописывалось и отпускалось без рецепта успокоительное средство талидомид в качестве средства против тошноты и других незначительных неудобств, возникающих на первых неделях беременности.

Лишь спустя какое-то время было обнаружено, что в редких случаях, талидомид может вызвать врождённый дефект под названием фокомелия, при котором руки и ноги развиты только частично и напоминают тюленьи ласты.

Чтобы заметить такую связь потребовалось некоторое время, отчасти потому, что до 1957 года только некоторые врачи общей практики имели опыт работы с фокомелией. Практически только немногие из них видели такой случай вобще, однако после 1957 года, такие случаи стали встречаться два или три раза в год. Второй причиной является то, что было очень трудно связать этот дефект с определённым лекарством: зачастую беременные женщины принимают большое количество пищевых добавок и часто не помнят, что именно они принимали. Тем не менее, к 1961 году медицинские исследования связали увеличение количества случаев фокомелии с приемом талидомида.

Американские врачи могли поздравить себя с тем, что упустили патологию, потому что Фрэнсис Келси, медицинский работник Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США, выразила опасения по поводу первоначального тестирования препарата на животных. Её опасения оказались необоснованными, однако они спасти США от множества проблем. Она заметила, что препарат не был протестирован на животных в период беременности, потому что в те времена такие исследования не проводились. Все знают, что эмбрион имеет свой собственный план развития, не похожий на план его матери. Однако эмбриологи, обучающиеся на кафедре биологии, в отличии от медицинских эмбриологов, знали о работе Сесила Стокарда, Эдварда Конклина и других эмбриологов 20-ых годов. Их исследования показали, что многие обычные химические вещества могут вызвать ужасные дефекты развития. К примеру, литиевые соли легко могут вызвать циклопию — один глаз посередине — у зародышей рыбы. Эти альтернативные пути развития, индуцированные химическими изменениями, многое рассказали нам о биологическом развитии живых организмов и способах его контроля.

Кроме того, мы узнали, что ДНК клеток не определяет чётко развитие организма. Экологическая обстановка может направить развитие в сторону патологических изменений. Кроме того, генетика организмов, и в частности генетика живых организмов в дикой природе, обычно устроена таким образом, что «нормальное» развитие происходит вопреки различным экологическим условиям, и даже вопреки некоторым изменениям в генах. Это так называемое «направленное» развитие имеет большое значение для эволюционного процесса, поскольку всегда присутствуют изменения температуры, дисбаланс химических веществ, атаки со стороны паразитических бактерий и вирусов. Растущий организм должен противостоять этим изменениям. Должны существовать универсальные пути развития для того чтобы независимо от среды обитания рождались «такие же» хорошо приспособленные организмы. Во всяком случае, в разумных пределах.

Для достижения этой цели есть много тактик и стратегий развития. Они варьируются от простых приемов вроде белка HSP90 до очень умных компромиссом млекопитающих.

HSP относятся к «белкам теплового шока». Существует около 30 таких белков и они производятся в большинстве клеток в ответ на внезапные и не очень резкие изменения температуры. Другой ряд белков вырабатывается в ответ на другие изменения. Один из них называется HSP90, потому что он находит в гораздо более длинном списке клеточных белков. HSP90, как и большинство других белков теплового шока является шаперонином. Его задачей является окружать другие белки во время их образования, так что когда образуется длинный ряд аминокислот, он принимает «правильную» форму. Белку HSP90 хорошо удаётся формировать «правильную» форму, даже если в гене ответственном за формирующий белок накопилось много мутаций. В результате организм и вовсе не замечает мутаций — белок «нормален» и организм выглядит и ведёт себя так же как его родители.

Однако, если во время развития происходит тепловой шок или другие чрезвычайные изменения, HSP90 отвлекается от своей задачи шаперонина, и другие менее действенные шаперонины допускают выражения мутационных различий в большей части потомства. Для эволюции это означает сохранение организмов относительно неизменными, до тех пор пока внезапно в одном из поколений, не появляется множество ранее скрытых, но наследуемых вариаций.

В большинстве книг, в которых описывается процесс эволюции, предполагается что каждый раз когда возникает мутация окружающая среда быстро определяет её в качестве хорошей или плохой. Но одна маленькая хитрость в виде белка HSP90, которая присутствует у большинства живых организмов (в том числе и бактерий), делает это утверждение полной ерундой. И с открытием Левонтина о том, что треть генов популяций, живущих в дикой природе, имеют общие вариации и что практически все организмы являются носителями многих из них, становится ясно, что древние мутации постоянно проходят испытания в различных современных комбинациях, тогда как потенциальные эффекты более новых мутаций прикрываются белками, подобными HSP90.

Хитрость, которую используют млекопитающие является более сложной и перспективной. Используя новые и более управляемые стратегии развития, они реорганизовали свои гены и избавились от множества генетических усложнений, которые использовали их земноводные предки. Большинство рыб и лягушек, чьи икринки часто подвергаются большим перепадам температуры в течении всего периода своего развития.

Представьте себе лягушачью икру в замерзающем английском пруду, нагревающемся до 35 °C в течении дня, в то время как происходит её хрупкое ранее развитие. В результате лишь немногим головастикам придётся терпеть такие температурные изменения. Теперь представьте, что немногие из этих головастиков станут взрослыми лягушками.