Новые приключения вейсманистов-морганистов

Эта скучная статья про генетику призвана навсегда отбить у читателя охоту рассуждать о естественном отборе и других недоступных ему материях

Участники дискуссии: Алексей Алексенко, Айрат Бикташев

Изображение: Paul Klee/Francis G. Mayer/Getty

+T-

Только самые скромные из невежд не имеют своего мнения о теории эволюции. Остальные высказывают свое мнение, не стесняясь. Недавно нам пришлось слышать, что естественный отбор не мог создать разнообразие видов живых организмов, потому что отбор только убивает, а значит, видов должно со временем становиться меньше. И это еще не самая большая глупость, которую приходится выслушивать, когда речь заходит о естественном отборе.

Или вот такой парадокс. Чтобы эволюция шла вперед, отбор должен закреплять полезные мутации и удалять вредные. Допустим, в какой-то момент отбору удается создать идеально приспособленный к своей нише организм. Но вредные мутации продолжают появляться. С самыми вредными проблем нет: их носители тотчас же погибают. Но есть мутации, вред от которых довольно мал. Скорее всего, первое  поколение потомков нашего идеального организма сохранит какую-то долю этих мутаций. Следующее поколение прибавит к ним еще. Потом еще и еще. Независимо от силы отбора всегда найдутся мутации с настолько маленьким, незаметным вредом, что отбор не будет успевать их удалить. В результате наш организм будет со временем неизбежно портиться. А вовсе не улучшаться, как должно бы происходить согласно интуиции Дарвина. Значит, генетика и дарвинизм несовместимы.

Это рассуждение по своей дурацкой простоте может соперничать с вышеприведенной сентенцией о происхождении видов. Между тем вот оно-то как раз корректно. Чтобы подобраться к разрешению этого парадокса, генетике потребовалась почти сотня лет. Но, прежде чем рассказать о недавней работе, выполненной под руководством Алексея Кондрашова, нам придется сделать небольшой исторический экскурс.

Исторический экскурс

Генетику, в отличие от дарвинизма, все уважают. Отчасти это из-за лысенковских гонений: когда целая отрасль науки становится жертвой тирании, легкомысленно шутить о ней становятся столь же неуместно, как, например, о журнале Е. М. Альбац The New Times. Дарвинизму повезло меньше: его в те поры подняли на щит силы весьма неприглядные. Это и неудивительно: дарвинизм действительно кажется на первый взгляд настолько простым, что вроде бы и не оскорбляет невежества простого советского человека, обиженного в детстве более умными одноклассниками. А вот когда такому человеку предлагают понять, отчего для эпистаза характерно расщепление 13:3 во втором поколении, впору разозлиться и написать донос.

Такое отношение сохранилось даже после полной смены идеологической полярности: как было отмечено выше, в начале ХХI века по-прежнему считается, что любой неуч может зайти с мороза и высказывать суждения о дарвинизме, теперь уже критические. Ему даже будет казаться, что у него получается.

В начале ХХI века по-прежнему считается, что любой неуч может зайти с мороза и высказывать суждения о дарвинизме

Очень похожее положение, кстати, сложилось и с двумя главными половинками физики: охотники опровергнуть Эйнштейна не переводятся уже сотню лет, а вот желающих подвергнуть ревизии квантовую механику не так много — для этого ее сперва пришлось бы выучить, а она непонятная.

Аналогию с физикой можно найти и еще в одном аспекте: как бы ни были смешны опровергатели Эйнштейна, физики пока не могут издеваться над ними с чистой душой. Беда в том, что теория относительности и правда не согласована с квантовой механикой (хотя доморощенным философам ни за что не понять, в чем именно). Вот и у генетики с дарвинизмом пока есть проблемы, также неведомые профанам.

Сам Дарвин ничего не знал о генетике и не представлял себе, откуда берутся малые наследуемые изменения, служащие материалом для отбора. Этот пробел восполнил Август Вейсман, в честь которого, собственно, генетику в СССР долго именовали «вейсманизмом-морганизмом» (вторая половина прозвища происходит от имени Томаса Моргана, связавшего абстрактные «гены» с видимыми в микроскоп хромосомами). Вейсман заговорил о спонтанных мутациях и стал основоположником теории, которую назвали «неодарвинизмом». Но в этой теории были слабые места.

Одно из таких слабых мест — это как раз вышеописанный парадокс, который получил название «храповик Мёллера» (мы уже писали о нем год назад, рассуждая о прелестях секса). Храповик — это такое колесо, которое может вращаться только в одну сторону, потому что повернуться обратно ему мешает специальный зубчик. Вот так и мутационный процесс, оказывается, способен проворачиваться только в одну сторону: ухудшать все, за что он возьмется. Половое размножение может тут помочь, время от времени перемешивая все мутации и случайно выдавая особей, свободных от вредного груза. Но математические модели показывают, что этот фокус работает только при особых предположениях о свойствах мутаций. Которые, как назло, могут такими свойствами и не обладать, а тогда вся эволюция идет насмарку.

Отбор не успеет удалить такой мутационный груз: наш вид обречен сгинуть под ним всего за десяток поколений

Война с мутантами

Те математические модели «храповика Меллера» в условиях полового размножения, о которых мы упомянули, создавал несколько десятилетий назад молодой ученый Алексей Кондрашов. Алексея сложно (хотя и очень хочется) назвать российским ученым по двум причинам. Во-первых, его научная деятельность уже давно происходит главным образом в США. Во-вторых, говоря об ученых такой мировой известности, как-то не принято указывать на происхождение (Стивена Хокинга ведь никто не называет британским ученым). Алексей Кондрашов — один из ведущих биологов-теоретиков современности, а парадоксы мутационного процесса и естественного отбора — основная тема его исследований.

И эта тема становится все более острой. Когда Герман Мёллер придумывал свой храповик, тема накопления мутаций представляла чисто теоретический интерес. Когда в 1980-х годах Кондрашов строил первые математические модели, он мог делать о мутациях любые предположения, потому что их было не так уж легко проверить. Но с тех пор были расшифрованы десятки тысяч геномов, и глазам ученых открылась мрачная реальность.

Абсолютно каждый новорожденный человек несет в своем геноме в среднем 70 новых мутаций. Раньше думали, что это не так уж много, потому что всего полтора процента нашего генома кодирует белки: есть вероятность, что из 70 мутаций ни одна вообще не попадет в жизненно важную область. Но теперь выясняется, что функционально значимы не менее 10% всего генома человека. И это значит, что каждый новорожденный несет около семи новых мутаций, которые потенциально вредны. Даже самый консервативный расчет показывает, что никакой отбор не успеет удалить такой мутационный груз: наш вид обречен сгинуть под ним всего за десяток поколений. И, кстати, плодовая мушка дрозофила сгинет тоже, потому что у нее похожая статистика, хоть ее и не так жалко, как нас.

Тем не менее, пока не сгинули ни мы, ни мушка. А значит, во всей этой истории с мутациями и отбором есть какая-то ошибка.

Ошибка обнаружена

Чтобы понять, справится ли отбор с удалением вредных мутаций, генетики сравнивают скорость появления мутаций с суммарным коэффициентом отбора. Но этот фокус работает только в том случае, если все эти мутации действуют — и устраняются отбором — независимо друг от друга. В реальной жизни гены, а значит, и мутации, взаимодействуют — генетики называют это красивым словом «эпистаз».

Тут и начинаются те самые сложности, разбираться в которых нет ни малейшей охоты у доморощенных критиков Дарвина. Зато в них разобрались Кондрашов и его коллеги.

Мутации могут взаимодействовать, например, по принципу «семь бед — один ответ»: если одна вредная мутация уже есть, остальные отбор не замечает. В такой ситуации реальный отбор окажется даже слабее, чем рассчитанный по упрощенным формулам, то есть человечество — как и мухи — обречено.

Отбор отсекает наиболее отягощенную мутациями часть распределения. Кстати, в историю науки эта гипотеза вошла как «топор Кондрашова»

Но мутации могут взаимодействовать, как говорится, «синергически»: вред от двух мутаций будет сильнее, чем сумма их индивидуальных вредов. Суммарная сила отбора (на все наши 70 мутаций) при этом может оказаться вполне достаточной, чтобы спасти человечество от мутационной катастрофы. Жаль, что рассчитать коэффициенты отбора для всех трех миллиардов локусов человеческого генома, а потом еще и проверить десять в девятнадцатой степени взаимодействий между ними — задача невыполнимая.

И вот тут можно схитрить: посмотреть на итоги опыта, уже поставленного природой. Ведь если мутации рассыпаются независимо друг от друга, их число распределится между организмами случайным образом. Примерно как число выигрышей в маджонг между четырьмя игроками, игравшими всю ночь. А если природе — то есть отбору — не нравится, когда мутаций слишком много, распределение будет более строгим, как если бы самый удачливый игрок, устыдившись своего везения, к утру начал сбрасывать нужные фишки. Остается только посмотреть, как распределено число мутаций в реальных случаях, будь то у людей или у мух. Это задачка тоже непростая, но вполне по силам современным вычислительным мощностям.

Результат Кондрашова и коллег: распределение числа мутаций оказалось совсем не случайным («непуассоновским», как выражаются эти зазнайки-ученые: дисперсия у них, видите ли, меньше). А это можно объяснить единственным способом: в среднем по всему человеческому геному мутации довольно сильно взаимодействуют между собой, так что один плюс один — это значительно больше, чем два. И в этом случае отбору гораздо проще справиться с очисткой генома от вредного груза.

Тем самым Кондрашову удалось доказать ту самую произвольную предпосылку, на которой базировалась знаменитая «гипотеза Кондрашова» о сексе и мутациях: отбор отсекает наиболее отягощенную мутациями часть распределения. Кстати, в историю науки эта гипотеза вошла как «топор Кондрашова», что и иллюстрирует забавная картинка.

Спасение человеческого рода

Итак, человеческий род спасен. По крайней мере, его существование перестает быть нелепым курьезом с точки зрения научного дарвинизма. Впрочем, существование тех, кто по-прежнему намерен опровергать научный дарвинизм из общих мировоззренческих предпосылок, ни черта толком не поняв, по-прежнему курьезно.

В заключение, наверное, надо кое-что пояснить. Когда автор говорит «человеческий род спасен, ибо отбор успевает очистить его от мутаций», надо понимать, что он ходит по тонкому льду. Очищать род человеческий с помощью естественного отбора предлагали социал-дарвинисты и реально брался Гитлер. В наше время уже неприлично радоваться тому, что человечество проходит регулярную чистку отбором. Авторы статьи поясняют, что они имеют в виду: всего 30% зачатий у человека приводят к рождению ребенка. Из оставшихся 70% подавляющее большинство — спонтанные выкидыши, происходящие обычно на ранних сроках недиагностированных беременностей. Генетики полагают, что их главная причина — именно мутационный груз, удаляемый отбором. Никто не говорит, что ранние выкидыши — это хорошо и весело, но в природе вообще мало веселого. Зато она, природа, подстроила все так, что на сцене появились мы с вами, да еще и не вырождаемся под грузом мутаций, а динамично развиваемся. И что еще приятнее, биологи наконец-то поняли, как у нас это получается.