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.
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.
Сбор данных по мутагенезу у Arabidopsis thaliana
Статья группы исследователей из США, Германии, Франции и Швеции, опубликованная 12 января в журнале Nature, показывает, что как минимум один хорошо изученный организм — модельное растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) — обладает искомой способностью. Почти наверняка арабидопсис в этом не уникален, но не будем забегать вперед: строгие доказательства пока получены только для этого вида.
Исследователи собрали большой массив данных по мутагенезу у Arabidopsis. Одна из главных трудностей тут в том, что эффекты мутагенеза нужно тщательно отделять от эффектов отбора. Например, если мы просто отсеквенируем геномы 1000 растений, сравним их между собой и выявим все полиморфизмы (вариации нуклеотидной последовательности), то получим картину, отражающую не мутагенез в чистом виде, а совместное действие мутагенеза и отбора. Например, мы не увидим значительной части вредных мутаций, которые постоянно возникают, но отбор старательно вычищает их из генофонда.
Чтобы свести влияние отбора к минимуму, исследователи использовали несколько подходов. Один из них показан на рис. 1 (слева вверху). От каждого растения брали по одному случайно выбранному семечку, выращивали из него растение-потомка, от него снова брали случайное семечко, и так далее. Спустя 24 поколения геномы потомков секвенировали и сравнивали с геномом исходного растения. При таком подходе отбор хоть и не устраняется вовсе, но радикально ослабляется: в итоговую выборку не попадут (будут отбракованы) только летальные мутации, а также те, что ведут к полному бесплодию. Другой подход связан с выявлением соматических мутаций путем секвенирования разных клеток одного и того же растения. В этом случае можно выловить даже мутации, которые на уровне целого растения были бы несовместимы с жизнью или размножением.
Полученный список мутаций затем проверялся различными статистическими тестами, чтобы убедиться, что он отражает именно процесс мутагенеза (то есть не был сильно искажен отбором). Результаты двух таких тестов показаны на рис. 1 справа вверху. Использовались два показателя: соотношение несинонимичных (значимых) и синонимичных замен и отношение числа замен, ведущих к появлению преждевременного стоп-кодона, к числу синонимичных замен. Идея в том, что синонимичные замены обычно нейтральны, отбор их не выбраковывает. Значимые замены, напротив, часто оказываются вредными, преждевременные стоп-кодоны — тем более. Биологи даже в самых буйных фантазиях не могут вообразить, что возможны механизмы, позволяющие клетке избирательно снизить частоту значимых замен или мутаций, создающих стоп-кодоны. Или вообще хоть как-то отличить такие замены от синонимичных на уровне ДНК. Таких механизмов почти наверняка не существует. Поэтому в ходе мутагенеза должно появляться намного больше значимых замен и преждевременных стоп-кодонов, чем их потом останется в генофонде популяции, находящейся под действием отбора.
Исходя из этой логики, выявленные мутации белок-кодирующих участков генома (на графиках они подписаны «De novo») сравнивали, во-первых, с природным генетическим разнообразием A. thaliana (из проекта «1001 геном», 1001G), во-вторых, с теоретически ожидаемым спектром вновь возникающих мутаций (Null).
Оказалось, что оба показателя значимо выше у выявленных мутаций (De novo), чем в природных популяциях арабидопсиса (1001G), и лишь чуть-чуть (незначимо) ниже, чем у теоретически ожидаемых мутаций. Следовательно, отбор не сильно повлиял на собранные данные, а значит, их можно использовать для изучения закономерностей мутагенеза. К такому же выводу привели и другие проверки.
Устойчивость к малярии
Малярия — это тип паразита, переносимого комарами, который может привести к смерти (порядка 660 000 человек в год умирает от малярии) или сделать очень плохо. Малярия делает свою грязную работу, вторгаясь в красные кровяные клетки и воспроизводясь в них. Спустя несколько дней, новые паразиты малярии вырываются из населенной кровяной клетки, разрушая ее. Затем проникают в другие эритроциты. Этот цикл продолжается, пока паразитов не остановит лечение, защитные механизмы организма или смерть. Этот процесс приводит к потере крови и ослабляет легкие и печень. Также он увеличивает свертываемость крови, что может спровоцировать кому.
Серповидноклеточная анемия вызывает изменения в форме и составе красных кровяных клеток, им сложнее проходить через поток крови и получать нормальное количество кислорода. Кроме того, из-за мутации клеток, они мешают малярийному паразиту, ему сложнее проникать в клетки крови. Таким образом, люди с серповидноклеточной анемией естественным путем защищены от малярии.
Вы можете получить антималярийные преимущества и без больных клеток, пока носите серповидноклеточный ген. Чтобы получить серповидноклеточную анемию, человек должен унаследовать две копии мутантного гена, по одному от каждого родителя. Если он получает только один, у него будет достаточно ненормального гемоглобина, чтобы противостоять малярии, но полноценная анемия никогда не разовьется.
У нас в организме все время происходят мутации, и это нормально
Однажды в маршрутке вы увидели ребенка с генетическим заболеванием (синдромом Рубинштейна — Тейби), спросили у мамы, где они наблюдаются, а когда узнали, что нигде и стоит диагноз ДЦП, взяли эту маму с ребенком за руку и повели к себе в институт. И там уже обнаружили у девочки порок сердца, которого прежде никто не искал.
А сейчас бы вы как поступили в этой ситуации?
Я не знаю, как надо. Я тогда была молодая и бестактная (улыбается), но сейчас стараюсь не предлагать помощь, когда ее не просят — это неправильно. Родители изменились. Наверное, если бы увидела ребенка с несовершенным остеогенезом на коляске неактивного типа, которую везет мама, то, наверное, подошла бы. Обычно каждая семья, где есть ребенок с таким диагнозом, знает мое имя. Но вот как спросить? «Здравствуйте, я доктор Белова, занимаюсь такой-то болезнью. Нужна ли помощь?» — «Нет, не нужна, мы про вас много гадостей слышали».
Но все-таки я хотела бы не подходить к каждому пациенту, а сделать место, куда любая семья может обратиться, а мы будем искать возможности ей помочь.
На ваш взгляд, мысль, что все генетические поломки можно вылечить — это реальность или скорее фантастика?
Починить поломку гена нельзя, но можно устранить ее тяжелые последствия. Все время разрабатывается генетическая терапия, и сегодня уже можно заместить фермент, которого не хватает, как например, при мукополисахаридозе, и вводить его пожизненно
Причем это важно делать до начала клинических проявлений болезни, потому что повернуть вспять что-то, что уже есть, обычно трудно.
А можно ли как-то предотвратить генетическое заболевание в утробе?
Это может быть разговор только про преимплантационную диагностику. Если у пары уже есть ребенок с тяжелым наследственным заболеванием, то мы можем обследовать и отличить те формы, при которых риск повтора у другого ребенка велик, от тех форм, когда риска повтора почти нет
Семье это очень важно знать. Например, при несовершенном остеогенезе в 90% случаев, если родители здоровы, то риск повтора очень низкий, и в нашей тусовке детей с несовершенным остеогенезом крутится много их здоровых братьев и сестер.
Как вы относитесь к генетическому анализу при планировании беременности? Сегодня этот скрининг все более популярен.
Это просто коммерческое предложение, это бессмысленно. На сегодняшний день смотреть на все мутации технически невозможно. У нас в организме все время происходят мутации, и это нормально, иначе мы бы не эволюционировали.
Каждый человек — носитель патологических генов, и считается, что минимум семь из этих генов смертельны.
И если встречаются два носителя одинаковых генов, у части таких пар может быть гибель плода на самых ранних сроках, у части — родится нежизнеспособный ребенок, а еще у части — сочетание двух измененных генов приведет к рождению детей с патологией. И такие гены встречаются у здоровых людей.
И сейчас мы можем проверить пару на конкретную мутацию, но только если знаем, что ищем. Иначе это действительно иголка в стоге сена. Например, в некоторых странах существует скрининг именно на те мутации, которые в этой стране, в определенных национальных группах встречаются в сотни раз чаще, чем у других. Например, в Израиле есть скрининг на болезнь Тея — Сакса — это заболевание встречается преимущественно среди евреев-ашкенази. И тогда такой анализ имеет огромный смысл.
А к чему вы больше склоняетесь — исследовать возможную мутацию или принимать ее как есть?
Наука должна двигаться вперед. Но мне кажется очень важным, чтобы она не опережала какие-то гуманитарные ценности, чтобы не перейти границу и определять, кто достоин жить, а кто нет. Это такой философский вопрос, и я тут скорее за гуманитарные ценности, чем за движение науки.
У нас недавно на приеме был подросток с несовершенным остеогенезом, он поступил к нам на доске, к ней привязанный, не мог даже сесть и голову повернуть. С избыточным весом, глухой, его слухом никто не занимался, считая, что при таком заболевании слухом заниматься бессмысленно. Мальчика только оперировали раз за разом, но с каждой операцией уровень его самостоятельности и активности был все ниже и ниже.
И что с ним сейчас?
Нам надо было его поставить на ноги, вертикализировать. И бороться со страхами и мамы, и мальчика. Объяснить, почему так необходимо заняться слухом, убрать последствия неправильных операций, например, наружные металлоконструкции, которые нельзя было ставить в такой ситуации.
Мы, к сожалению, редко фотографируем детей, когда они к нам поступают, но это понятно: и мы в шоке от состояния ребенка, который свисает с кушетки и не шевелится, и родителям страшно… А теперь он красавец! Но мама и мальчик были настроены, как бойцы, а от настроя родителей многое зависит.
Четвёртая колбочка в сетчатке глаза позволяет различать 100 млн цветов.
Ben Rudiak-Gold/Wikimedia Commons/Public Domain
В обычном человеческом глазу имеются три колбочки, позволяющие ему различать множество цветов спектра. Но у так называемых тетрахроматов есть четвёртая, что позволяет им различать до 100 миллионов цветов! Для сравнения: носители трёх колбочек различают около миллиона цветов.
По оценкам учёных, эта мутация чаще встречается у женщин и её носительницами является около 12% всего женского населения. Так почему мы ничего не слышим об этих женщинах, видящих сто миллионов цветов?
А потому, что сама по себе мутация ещё не гарантирует способности видеть много цветов. У некоторых женщин происходит инактивация X-хромосомы, отключающая четвёртую колбочку. Обидно, чёрт возьми!
Генетические мутации
10. Люди, которые генетически не предрасположены к «передозировке» холестерином
В то время, как большинству из нас приходится беспокоиться о количестве потребляемой жареной пищи, и всего того, что входит в список продуктов, повышающих уровень холестерина, мало кто может есть всё и не беспокоиться об этом.
В действительности, независимо от того, что такие люди употребляют в пищу, их «плохой холестерин» (количество в крови липопротеинов низкой плотности, связанных с болезнями сердца) практически не существует.
Эти люди родились с генетической мутацией. В частности, у них отсутствует рабочая копия гена, известного как PCSK9, и хотя считается невезением родиться с отсутствующим геном, в данном случае, судя по всему, есть некоторые положительные побочные эффекты.
После того, как около 10 лет назад учёные обнаружили связь между отсутствием этого гена и холестерином, фармацевтические компании начали активно работать над созданием пилюли, которая бы смогла блокировать работу PCSK9 у обычного человека.
Работа над созданием данного препарата почти завершена. В ранних исследованиях, у пациентов, получавших его, наблюдалось снижение уровня холестерина на 75 процентов. До сих пор учёным удалось обнаружить эту врождённую мутацию у нескольких афро-американцев, их риск развития сердечно-сосудистых заболеваний на 90 процентов ниже по сравнению с обычным человеком.
Эволюция скорости мутирования
Постулат о случайности мутаций входит во все учебники эволюции и вряд ли его когда-нибудь оттуда вычеркнут. Хотя уже давно известно, что он не абсолютен и нуждается во множестве оговорок и уточнений, число которых неуклонно растет по мере развития науки.
Мутации действительно случайны в том смысле, что у живых существ нет механизмов, позволяющих «рассчитать», какая мутация будет для них полезна в данных условиях, и аккуратно внести именно эту мутацию в свой геном. При этом у всех без исключения организмов геномы мутируют, фенотипические эффекты мутаций никем заранее не просчитываются, а точно предсказать, какие именно мутации возникнут в данной хромосоме при следующей репликации, невозможно. В этом отношении мутации случайны, во многих других аспектах — нет. Многие организмы сумели в ходе эволюции выработать механизмы, так или иначе регулирующие и оптимизирующие мутационный процесс (см., например: Мутагенез в лимфоцитах — результат целенаправленного изменения ДНК и последующей «неточной починки», «Элементы», 03.09.2007). Несколько показательных примеров рассмотрено в моей книге «Рождение сложности», где одна из глав целиком посвящена этой теме (она так и называется — «Управляемые мутации»).
Нельзя назвать случайной и такую важнейшую характеристику мутационного процесса, как его скорость. Темп мутагенеза зависит, в частности, от работы ферментов, осуществляющих репликацию и репарацию ДНК, и он эволюционирует под действием отбора. Поскольку большая часть не нейтральных (влияющих на приспособленность) мутаций вредны, отбор, как правило, способствует минимизации темпа мутагенеза. Хотя и тут есть исключения: например, некоторым вирусам высокий темп мутагенеза необходим для повседневного выживания, так что мутации, снижающие его ниже допустимого предела, отбраковываются отбором (см.: Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание, «Элементы», 14.12.2005).
Но даже те организмы, которым не нужно постоянно мутировать, чтобы выживать здесь и сейчас, все равно не могут свести темп мутагенеза к нулю, потому что отбору на его снижение противостоят другие эволюционные силы. Главными из них считаются две. Во-первых, сверхточные системы репликации и репарации, скорее всего, будут слишком затратными: громоздкими, потребляющими много энергии и т. д. Поэтому в какой-то момент «стоимость» дальнейшего совершенствования этих систем перестаёт окупаться выигрышем от дальнейшего снижения темпа мутагенеза (иначе говоря, отбор на замедление мутагенеза уравновешивается отбором на упрощение и удешевление молекулярных систем, следящих за сохранностью генетического материала).
Вторая причина связана с генетическим дрейфом. Полезные мутации (в том числе мутации, снижающие темп мутагенеза), могут быть поддержаны отбором, только если их полезность превышает определенный порог, зависящий от эффективной численности популяции (Ne, Effective population size). Чтобы отбор помог мутации распространиться, желательно, чтобы ее полезный эффект (величина, на которую мутация увеличивает эффективность размножения) был больше, чем 4/Ne (и уж никак не меньше, чем 1/Ne). В противном случае мутация будет находиться во власти дрейфа, а не отбора, то есть вести себя не как полезная, а как нейтральная, и шансов зафиксироваться (достичь 100-процентной частоты) у нее будет очень мало. Чем ниже темп мутагенеза, тем меньше причиняемый им вред, и тем слабее полезный эффект от мутаций, замедляющих мутагенез еще сильнее. Поэтому в какой-то момент такие мутации перестают поддерживаться отбором. Предполагается, что именно такой уровень мутагенеза, соответствующий равновесию между отбором и дрейфом, и является конечным итогом эволюции скорости мутагенеза у многих организмов (M. Lynch et al., 2016. Genetic drift, selection and the evolution of the mutation rate).
Чем слабее очищающий отбор, тем сильнее мутагенез
Означает ли всё это, что очищающий отбор, которым традиционно объясняли распределение генетических различий по геномам (где различий меньше, там предполагали более сильный отбор), в действительности тут вовсе ни при чем? На первый взгляд вроде бы да, на самом деле нет.
С одной стороны, исследование показало, что скорость накопления генетических различий (например, между особями одного вида или между близкими видами) в тех или иных участках генома определяется мутагенезом в большей степени, чем отбором. Мутагенез, в свою очередь, регулируется эпигенетическими метками.
С другой стороны, авторы показали, что самая низкая скорость мутагенеза (и соответствующие ей эпигенетические метки) приурочены как раз к тем участкам генома, которые находятся под наиболее сильным очищающим отбором. И наоборот, в тех участках, где очищающий отбор ослаблен, эпигенетические характеристики способствуют ускоренному мутагенезу.
В частности, выяснилось, что гены с самыми низкими темпами мутагенеза — это в основном гены с самыми консервативными (постоянными, мало меняющимися в ходе эволюции) функциями, такими, например, как трансляция. Подобные гены, как правило, работают постоянно в большинстве клеток и тканей. Они необходимы для повседневного, базового выживания (поэтому их еще называют «генами домашнего хозяйства). Такие гены обычно находятся под сильнейшим очищающим отбором. Иначе говоря, мутации в них чаще всего оказываются вредными и отбраковываются. Эти гены давно оптимизированы, менять их незачем, и они действительно меняются в ходе эволюции очень медленно.
Напротив, у генов, функции которых связаны с реакцией организма на переменчивые условия среды, темп мутагенеза оказался повышенным. Очищающий отбор слабее действует на такие гены, а мутации в них имеют чуть больше шансов оказаться полезными. Поэтому такие гены в ходе эволюции меняются быстрее.
Выяснилось также, что темп мутагенеза понижен в жизненно важных генах (отключение которых несовместимо с жизнью), а также в генах, экспрессирующихся во многих клетках и тканях по сравнению с генами с узкими профилями экспрессии. В обоих случаях различия в темпах мутагенеза коррелируют с эпигенетическими характеристиками.
О силе действия очищающего отбора на тот или иной ген и об имеющихся ограничениях на его эволюционные изменения (evolutionary constraint) можно судить по целому ряду количественных показателей, таких как наследственная и средовая изменчивость уровня экспрессии гена или соотношение значимых и синонимичных различий при сравнении последовательностей данного гена у разных особей одного вида или у близких видов (Dn/Ds). Авторы выполнили много таких тестов и всё сошлось: чем важнее ген, чем фундаментальнее его функция и чем сильнее эволюционные ограничения на его изменения, тем ниже темп мутирования гена — как эмпирически измеренный, так и предсказанный по эпигенетическим признакам.
«Золотая кровь»
Есть восемь основных типов крови (первая, вторая, третья, четвертая или A, AB, B и O, каждая из которых может быть положительной или отрицательной), в настоящее время известно 35 групп кровяных систем с миллионами вариаций в каждой системе. Кровь, которая не попадает в систему ABO, считается редкой, и людям с такой кровью весьма трудно найти подходящего донора, если понадобится переливание.
Тем не менее есть редкая кровь, а есть очень редкая кровь. Самый необычный вид крови из известных сейчас — это Rh-нуль, или резус-нуль. Как следует из названия, такая кровь не содержит никаких антигенов в системе Rh. Нет ничего редкого в том, что человеку недостает определенных антигенов Rh. К примеру, люди без антигена Rh D обладают «отрицательной» кровью (т. е. A-, B- или O-). Тем не менее весьма необыкновенно совсем не иметь антигенов Rh. Так необычно, что ученые насчитали только около 40 лиц на планете с кровью нулевого резуса.
Что делает эту кровь интересной, так это то, что она совершенно превосходит кровь O-типа в смысле универсальности, поскольку даже O-отрицательная кровь не всегда совместима с другими типами редкой отрицательной крови. Rh-нуль, однако, совместима почти с любым типом крови. Дело в том, что при переливании наши тела, скорее всего, будут отказываться от любой крови, которая содержит антигены, которыми мы не располагаем. А поскольку резус-нулевая кровь имеет ноль антигенов A или B, ее можно переливать практически всем.
К сожалению, есть только девять доноров этой крови в мире, поэтому ее используют только в экстремальных ситуациях. Врачи называют эту кровь «золотой». Иногда они даже разыскивают анонимных доноров, чтобы попросить образец такой крови. Проблема в том, что если таким донорам самим понадобится кровь, им придется выбирать только из восьми оставшихся доноров, а это едва ли возможно.
Терпимость к холоду
Жители холодных мест проявляют отличные физиологические реакции на низкие температуры, если сравнивать с теми, кто живет в более мягких условиях. Кроме того, похоже на то, что должен хотя бы частично присутствовать генетический компонент в этом приспособленчестве; потому что даже если кто-то другой переберется в холодную окружающую среду и будет жить там в течение многих десятилетий, его тело никогда не достигнет того же уровня адаптации, как местные жители, которые живут в таких условиях поколениями. Ученые выяснили, что коренные сибиряки лучше приспособлены к холоду даже по сравнению с русскими, живущими в их обществе.
Частично эта адаптация объясняет, почему коренные австралийцы могут спать на земле холодными ночами (без одеяла и одежды) и чувствуют себя замечательно; и почему эскимосы большую часть своей жизни могут жить при отрицательной температуре.
Человеческое тело больше приспособлено к жизни в тепле, чем в холоде, поэтому удивительно, что люди вообще могут жить на морозе, не говоря уж о процветании.
Как быть незаменимым
Есть в этом и парадокс: если новые гены жизненно важны, то как же организмы ранее без них обходились? Малик видит две возможности. Во-первых, предковый ген мог уступить свою функцию новому гену. Во-вторых, новый ген может выполнять функцию, в которой более древние организмы не нуждались. Сегодня биологические виды сталкиваются с проблемами, с которыми не приходилось иметь дело их предкам, и эти новые проблемы требуют новых решений
Но что, если «именно эволюция этих гетерохроматиновых последовательностей и стала фактором, потребовавшим возникновения новой жизненно важной функции?» — задается вопросом Малик
«Сама жизненно важная функция может не сохраняться, и это еретическая концепция», — продолжает он, — «мы не просто говорим, что жизненно важные гены не сохраняются. Мы говорим, что, возможно, жизненно важные функции не сохраняются, поскольку здесь все зависит от контекста».
Теперь Касинатан и Малик присматриваются к другим факторам транскрипции ZAD-ZNF, многие из которых также локализованы в гетерохроматине. «Этот отдел генома, который мы ранее в основном игнорировали, поскольку он так беден генами… он, как минимум в том, что касается ZAD-ZNF, содержит разгадку парадокса о том, почему молодые гены становятся жизненно важными», — сказал Малик.
Это открытие могло бы оказаться важным для выявления генов, вызывающих множество заболеваний и объясняющих многие биологические тайны. «Если вас интересует, как работают центромеры и вы просто смотрите на гены, полностью сохранившиеся у людей, дрожжей и мух, то вы можете упускать какие-либо иные важные гены, на которые можно нацелить терапию», — говорит Малик, – «наша интуиция и догмы как бы сбивают нас, приводя к точке зрения, с которой мы не видим многих важных биологических аспектов».
Мутации генов
7. Устойчивость к холоду
Эскимосы и другие группы населения, которые проживают в чрезвычайно холодных погодных условиях, приспособились к такому образу жизни. Эти люди просто научились выживать, или же они биологически устроены по-другому?
Жители холодных условий обладают отличными физиологическими реакциями на низкие температуры по сравнению с теми, кто живёт в более мягких условиях.
И судя по всему, в этих реакциях задействованы и генетические компоненты, потому что даже если человек переедет в более холодную среду обитания, и проживёт там несколько десятилетий, его организм всё равно никогда не достигнет того уровня адаптации, с которым живут местные жители.
К примеру, исследователи обнаружили, что коренные сибиряки гораздо лучше приспособлены к холодным условиям по сравнению с русскими, проживающими в той же общине, но не родившимися в этих условиях.
У людей, для которых холодных климат – родной, более высокий базальный уровень метаболизма (примерно на 50 процентов выше), по сравнению с теми, кто привык к умеренному климату. Кроме того, они умеют хорошо поддерживать температуру тела, у них меньше потовых желез на теле и больше на лице.
В одном из исследований эксперты протестировали представителей различных рас, чтобы сравнить, как изменяется их температура кожи под воздействием холода. Выяснилось, что эскимосы способны удерживать максимально высокую температуру тела.
Эти типы приспособлений частично могут объяснить, почему коренные австралийцы могут спать на земле во время холодных ночей (без специальной одежды и крова над головой), и при этом не заболеть, а также, почему эскимосы могут жить большую часть своей жизни при отрицательных температурах.
Человеческое тело гораздо лучше воспринимает тепло, чем холод, поэтому удивительно, что люди умудряются жить на морозе, не говоря уже о том, чтобы прекрасно себя при этом чувствовать.
6. Хорошая приспособленность к высоким широтам
Большинство альпинистов, которые совершили восхождение на Эверест, не сделали бы этого без одного из местных гидов Шерпа. Удивительно, но шерпы зачастую идут впереди авантюристов, с целью установить веревки и лестницы для того, чтобы у других альпинистов была возможность покорить скалы.
Нет сомнений в том, что тибетцы и непальцы физически более приспособлены к жизни в таких условиях, но что именно позволяет им активно работать в бескислородных условиях, в то время как обычный человек должен бороться, чтобы выжить?
Тибетцы живут на высоте более 4000 метров и привыкли дышать воздухом, который содержит на 40 процентов меньше кислорода, чем воздух, в обычных условиях.
На протяжении веков их тела приспосабливались к этой среде, поэтому у них развились большие грудные клетки и большой мощности лёгкие, что позволяет им с каждым вдохом впускать в организм больше воздуха.
В отличие от жителей равнин, чьи тела вырабатывают больше красных кровяных телец, находясь в условиях пониженного содержания кислорода в воздухе, «высотные люди» эволюционировали, чтобы делать прямо противоположное: их организмы вырабатывают меньшее количество кровяных телец.
Всё потому, что увеличение количества красных кровяных телец в условиях пониженного содержания кислорода в течение короткого периода времени поможет человеку получить больше спасительного воздуха. Однако, с течением времени кровь густеет, что может привести к образованию кровяных сгустков и других смертельно опасных осложнений.
Кроме того, у шерпов кровоток в мозге лучше, и в целом они лучше восприимчивы к высотной болезни.
Даже если тибетцы переезжают жить на более низкие высоты, у них эти особенности остаются. Эксперты выявили, что многие из этих особенностей не просто фенотипические отклонения (то есть исчезающие на малых высотах), а полноценные генетические адаптации.
Одно конкретное генетическое изменение произошло в участке ДНК, известном как EPAS1, который кодирует регуляторный белок. Этот белок обнаруживает кислород и контролирует производство красных кровяных телец. Это и объясняет, почему тибетцы не производят больше красных кровяных телец, когда лишены достаточного количества кислорода.
Ханьцы, равнинные родственники тибетцев, не разделяют с ними эти генетические характеристики. Две группы были отделены друг от друга примерно 3000 лет назад. Это свидетельствует о том, что приспособления развились в течение около 100 поколений (относительно короткое время с точки зрения эволюции).
Кристально чистое подводное зрение
Группа людей, известная как мокен, умеет ясно видеть под водой даже на глубине до 22 метров.
Мокен проводят восемь месяцев в году на лодках или в домах на сваях. На землю они сходят только за предметами первой необходимости, которые приобретают по бартеру, за еду или ракушки из океана. Они собирают морские ресурсы, используя традиционные методы, никаких удочек, масок или подводного снаряжения у них нет. Дети отвечают за сбор пищи, моллюсков и морских огурцов со дна моря. Из-за постоянного выполнения таких задач глаза людей приспособились изменять форму под водой, чтобы увеличивать отражаемость света. Таким образом, даже дети могут отличать съедобные моллюски от обычных камней, даже будучи глубоко под водой.
Эксперименты показали, что дети мокен видят в два раза лучше под водой, чем обычные европейские дети. Однако, поскольку это пример адаптации, каждый из нас может обзавестись умением народа мокен.
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.
