Эгоизм генов сам по себе не преграда для кооперации, скорее наоборот. Мы не раз видели, как эволюционирует сотрудничество, движимое личной выгодой, – потому что оно приносит выгоду всем участникам. Впрочем, сотрудничество не только создает преимущества, но и открывает лазейки для мошенников. Крайняя форма такого мошенничества – геномные паразиты, эксплуатирующие репликационные механизмы клетки. Яркий пример – вирусы: это, пожалуй, старейшие профессиональные мошенники природы. В море встречаются РНК-вирусы, чьи предки древнее последнего универсального общего предка (LUCA): они несут гены, кодирующие фермент репликации родом из мира РНК[382]. Как и положено представителям древнейших профессий, вирусы носят характерную одежду. Их белковые оболочки служат легко опознаваемыми мишенями для системы человеческого иммунитета. Других геномных мошенников сложнее обнаружить: они орудуют голышом. Ничем не прикрытый эгоизм, так сказать.

Когда геном описывают как чертеж, инструкцию или учетную книгу, может сложиться впечатление, что это упорядоченное хранилище нужной информации. Ничего подобного. Большинство функциональных эукариотических генов – тех, которые действительно выполняют полезную работу для организма, – существуют не в виде непрерывных последовательностей внятного генетического кода, а в виде клочков ДНК, на которых записано нечто осмысленное и которые перемешаны с клочками, где не разобрать ни строчки: полная нелепица. Осмысленные фрагменты называются экзонами, бессмысленные – интронами. Интроны – генетические захватчики, зачастую состоящие из длинных последовательностей повторяющегося кода, который, кажется, решительно ни на что не годен. Эти куски кода, порой именуемые мусорной ДНК (junk DNA), ныне признаны геномными паразитами – транспозонами (transposable elements, TE).

Почти половина нашей ДНК – это транспозоны: паразитической ДНК принадлежит такая же часть в вашем геноме, что и вам самим. Половину наших транспозонов мы делим с мышами – они сидят в нашем геноме с тех пор, как 87 миллионов лет назад пути наших и мышиных предков разошлись. Остальные накопились уже после. У растений транспозоны могут составлять более 95 % генома. Истинное чудо, что геномы вообще поддаются расшифровке и хоть как-то функционируют. Разнообразие транспозонов огромно, а их коварные стратегии неисчислимы: некоторые из этих хитрецов даже паразитируют внутри других транспозонов[383]. Геном эукариот – наполовину библиотека, наполовину зоопарк: непослушные обитатели то и дело вырывают страницы, порождая мутации и сея хаос. Но как раз благодаря этому ущербу транспозоны и были впервые обнаружены.

Рис. 20. Барбара Макклинток (1902–1992)

Барбара Макклинток была своего рода Менделем в деле изучения генов кукурузы. Она посвятила генетике всю свою жизнь и работала, как правило, в одиночку. Она провела тысячи скрещиваний, чтобы проследить наследование признаков от поколения к поколению. Результаты позволили ей составить карту генов: она определила их расположение на определенных участках десяти растительных хромосом, которые сумела разглядеть под микроскопом. В 1948 году Макклинток обнаружила, что многие из изучаемых ею генов, например те, которые отвечают за цвет зерен кукурузы, внезапно стали мутабельными. Это меняло облик зерен самым неожиданным образом. Похоже, в ее самоопыляемых линиях кукурузы присутствовал ген, способный перемещаться (или транспонироваться) по девятой хромосоме, вызывая разрыв в месте своего внедрения. Гены по соседству с местом реинтеграции отключались, и это навело исследовательницу на мысль, что гены могут включать и выключать друг друга. Она также обнаружила второй подвижный ген, необходимый для активации первого[384], а позднее выяснила, что такие гены могут перемещаться и между хромосомами. Теперь мы знаем: они способны кочевать даже между видами.

Все открытия Макклинток были сделаны еще до того, как Уотсон и Крик описали структуру ДНК, и задолго до первого секвенирования генома. Дальнейшие исследования показали, что из двух подвижных генов, ныне известных как транспозоны, один кодирует фермент транспозазу, позволяющую транспозону менять дислокацию, а другой не способен производить транспозазу самостоятельно. Второй ген зависит от транспозазы, производимой первым, чтобы иметь возможность перемещаться. Мы уже встречали подобную зависимость у РНК-последовательностей, комменсальных бактерий и паразитов. То же самое сплошь и рядом встречается у вирусов. Во время инфекции эволюционируют мошеннические варианты, утратившие один или несколько генов, необходимых для репликации. Для распространения эти мошенники полагаются на кооперативные вирусы, которые делятся ферментами и белками вирусной оболочки как общественным благом[385].

Еще в 1950 году Макклинток предсказала, что транспозоны найдутся у всех организмов. Время подтвердило ее правоту, и в 1983-м – с большим опозданием – она получила Нобелевскую премию. Транспозоны крайне разнообразны, но кое-что их всех роднит между собой. Их последовательности обычно коротки и кодируют весьма ограниченное число белков. Все эти белки участвуют в транспозиции последовательности. Транспозоны – источник мутаций, способных мешать делению клеток и отключать гены, вызывая болезни. Так, внедрение транспозона в ген, кодирующий белок под названием антигемофильный глобулин, или фактор свертывания крови VIII, ведет к гемофилии. Мышечная дистрофия Дюшенна и предрасположенность к раку – другие состояния, вызываемые транспозонами[386].

Разумеется, люди не единственные жертвы транспозонов, да и мутации не единственный ущерб, причиняемый этими вредителями. Пожалейте бедных саламандр: они, видимо, были так ошарашены безудержным размножением транспозонов, что их геномы раздулись до размеров, в 40 раз превышающих наш. Этот дополнительный геном – не гены, а транспозоны, и такое паразитическое бремя имеет свою цену. По непонятным причинам большие геномы приводят к появлению больших клеток. Это верно как для растений, так и для животных. Стало быть, каковы бы ни были причины этой взаимосвязи, она должна носить фундаментальный характер. У саламандр этот эффект выражается в том, что клетки их мозга огромны. Умнее они от этого не становятся, скорее наоборот: при ограниченном объеме черепа цена его заполнения крупными клетками – малочисленность этих клеток. Интеллект же зависит от множества высокоорганизованных и тесно связанных между собой клеток мозга. Увы, саламандрам приходится играть неполной колодой. Впрочем, природа и не сажает их за покерный стол – так что им неплохо живется, пока их не трогают так называемые более разумные виды[387].

Не только эукариотические геномы содержат транспозоны – они есть и в бактериальных хромосомах, но у бактерий они обычно удаляются, а естественный отбор не дает им накапливаться. Исключение – транспозоны, объединяющиеся с генами, которые дают бактерии-хозяину явное преимущество, например устойчивость к антибиотикам. В отличие от бактерий, у эукариот транспозоны, судя по их количеству, накапливаются – а это значит, что удаление для них не такое легкое дело. Причина кроется в разнице между временем смены поколений у бактерий (около 20 минут) и у большинства эукариот (25 лет у людей). Короткое время генерации и огромный размер популяции оттачивают лезвие естественного отбора у бактерий, а вот у эукариот – вследствие противоположных условий – отбор работает не слишком успешно[388].

Хотя эукариотическим клеткам трудно избавляться от транспозонов, вред, который те могут причинить, стал мощным стимулом для эволюции защитных механизмов. Один из важнейших способов борьбы клеток с вредителями – присоединение к последовательности ДНК небольшой молекулы, называемой метильной группой. Метилированные последовательности транспозонов консервируются и со временем – поколение за поколением – инактивируются в результате мутаций, превращаясь в своего рода молекулярные ископаемые.

Метилирование ДНК – универсальный способ включать и выключать функциональные гены, и такой вид регуляторного генетического переключателя особенно важен в процессе развития. Метилирование накладывает поверх самих генов контрольный фильтр, изменяя их экспрессию. Сочетание генетики и метилирования порождает эпигенетику. Вероятно, метилирование ДНК изначально появилось в процессе эволюции как средство контроля за транспозонами и лишь затем стало инструментом управления сложным геномом эукариот через эпигенетические процессы[389]. Если так оно и было, перед нами пример несравненного «побочного продукта» защитного механизма.

Возможно, эпигенетические механизмы регуляции представляют собой косвенную защиту от геномных паразитов, но и сами транспозоны порой приносят прямую пользу. В конце концов эволюция застопорится без мутаций, а транспозоны – их главный источник. Половина многочисленных мутаций, обнаруженных генетиками у дрозофил, – «заслуга» транспозонов. Хрестоматийный пример естественного отбора в дикой природе демонстрирует случай благоприятной мутации.

В Северном полушарии обитает бабочка Biston betularia, или березовая пяденица (рис. 21). Днем она прячется под ветвями деревьев, а ночью летает. Обычно ее крылья и тело бледные, испещренные черными крапинками, но в середине XIX века британские натуралисты стали находить прежде неизвестные полностью черные, меланистические формы. Частота появления меланистов стремительно росла, достигая 90 % в самых загрязненных районах Англии. В экологически чистых местах кора деревьев светлее, стволы и ветви часто покрыты бледными лишайниками, но в загрязненных лишайники отсутствуют, а дым покрывает деревья слоем копоти. Одна из первых демонстраций естественного отбора в природе – эксперименты, показавшие, что распространение меланистической формы березовой пяденицы было результатом отбора, благоприятствовавшего бабочкам, менее заметным для птиц[390]. Теперь мы знаем, что мутацию, сделавшую пестрых бабочек черными, вызвало встраивание крупного транспозона в ген, влияющий на окраску. Даже время этого события установлено – 1819 год. В Британии как раз начиналась «угольная» промышленная революция[391].

Рис. 21. Biston betularia, типичная форма и черная (меланистическая) форма carbonaria

Меланистическая мутация оказалась счастливой случайностью: разводным ключом (транспозоном) стукнули по сложному механизму (геному) и каким-то чудом его починили. Изредка такие разводные ключи становились полезнейшими инструментами, предоставляя гены для появления и развития очень важных адаптаций[392]. Как у шнурков есть наконечники, не дающие им слишком быстро истрепаться, так и у хромосом на концах имеются защитные структуры – теломеры. С каждой репликацией хромосома слегка укорачивается с обоих концов. За время жизни клетки это укорочение могло бы нарушить работу функциональных генов, однако укорочение происходит за счет теломер. Последовательности теломер часто повторяются, но такая избыточность обеспечивает их устойчивость при укорочении. Как же хромосома обзаводится этой «жертвенной» повторяющейся последовательностью ДНК? Некоторым видам транспозоны предоставляют такую структуру в готовом виде. Очень мило с их стороны, спасибо им большое[393].

Транспозоны изящно решили и другую проблему эукариотической жизни. В нескончаемой битве эукариот с ордами врагов – бактерий и вирусов – паразиты обладают неизменным преимуществом в виде короткого времени смены поколений, что обеспечивает им огромную численность и способность к быстрой эволюции. Это преимущество настолько велико, что без решения этой проблемы крупные многоклеточные организмы вряд ли вообще смогли бы эволюционировать. Решением стала иммунная система, способная успевать за изменениями патогенов независимо от эволюции хозяина с ее черепашьей скоростью, ограничивающей адаптацию. Система, развившаяся у позвоночных, называется адаптивным иммунитетом.

Адаптивный иммунитет работает в два этапа: сначала выявляется присутствие чужеродного агента в организме, а затем настраиваются и размножаются иммунные клетки с особыми рецепторами, которые выискивают патоген и уничтожают его. Первый этап – выявление – особенно сложен, поскольку требует специфического молекулярного взаимодействия с потенциально безграничным разнообразием захватчиков. Ответ кроется в комбинаторике, то есть в объединении всеми возможными способами ограниченного числа вариабельных молекул для создания множества комбинаций. Возьмем, к примеру, слово из трех букв. На первое место можно поставить любую из 33 букв алфавита. Соединим каждую первую букву с каждой из 33 возможностей для второй – получим 33² = 1089, добавим третью букву – выйдет 33³ = 35 937. Конечно, не все 35 937 слов имеют смысл, но для иммунной клетки это неважно.

У позвоночных адаптивный иммунитет – это невероятно сложная, виртуозно отлаженная система с невероятным числом вариаций. В ее основе лежит процесс соматической рекомбинации, который тасует и сочетает гены, производящие особые белки – антитела. Комбинаторика системы настолько мощна, что порождает фактически безграничное разнообразие антител, в совокупности способных специфически прикрепляться почти к любому антигену (патогену). Как только происходит совпадение антитела с антигеном, клетки, производящие это антитело, начинают размножаться клонально, создавая целую популяцию одинаковых иммунных клеток, в огромных количествах вырабатывающих нужные антитела. Они помечают антиген, словно рисуя мишень на спине захватчика, и обрекают его на уничтожение.

Если вам нужно перетасовать именно те специфические гены, которые кодируют антитела в иммунных клетках, кого вы призовете на помощь? Правильно, транспозоны. Пара генов – RAG1 и RAG2 – производит ферменты, выполняющие эту работу. Эти гены, изначально принадлежавшие транспозону, 450 миллионов лет подряд были неотъемлемой частью генома позвоночных. На деле они, возможно, и старше: RAG1/2 обнаружены в геноме примитивнейшего из ныне живущих хордовых, крошечного существа под названием ланцетник, с которым нас связывает общий предок, живший более 550 миллионов лет назад[394].

Полмиллиарда лет – огромный срок, чтобы позволить транспозону со способностью вызывать случайные мутации свободно разгуливать по геному, каким бы полезным он ни был. Естественный отбор решил эту проблему, укротив транспозон так, что он не может вызывать мутации за пределами того ограниченного участка генома, где его услуги необходимы для создания основы нашей адаптивной иммунной системы. По сути, транспозон приручили, одомашнили. Одомашнивание (приручение) – процесс знакомый, и в контексте симбиоза, где мы уже с ним сталкивались, оно вело к большим эволюционным переходам. Можно ли рассматривать одомашнивание этого транспозона как большой эволюционный переход? Почему бы и нет, даже если речь идет всего о паре генов, примкнувших к генной команде позвоночных животных. Адаптивный иммунитет, несомненно, основан на прекрасно скоординированной генетической командной работе.

У плодовых мушек, комаров и, возможно, других насекомых есть простая система защиты от вирусов, усиленная ферментом, который предоставляют транспозоны. Клетки насекомых, зараженные вирусом, производят противовирусные молекулы, но те сами по себе не могут совладать с вирусами вне инфицированной клетки. Активные транспозоны вырабатывают фермент, запускающий образование клеточного противовирусного агента, который загружается в особые везикулы (экзосомы); они циркулируют по всему телу насекомого, обеспечивая жизненно важную защиту. Этот фермент представляет собой общественное благо, которым делятся между собой производящие его транспозоны, чтобы обеспечить собственную транспозицию. Клетки насекомых – хозяева транспозонов – перехватывают фермент и используют в своих целях. Насекомым приходится мириться с присутствием активных транспозонов и платить за это определенную цену, чтобы получить защиту от худшей угрозы. Такой вот своеобразный древнейший рэкет[395].

Вирусы – эти грабители генома в оболочках-пиджаках – порой подвергаются одомашниванию, особенно в группе паразитических насекомых, наездников-паразитоидов. Осы-наездники откладывают яйца в тела (или на тела) других насекомых, а вылупившиеся личинки пожирают несчастного хозяина изнутри, обычно оставляя жизненно важные органы на десерт, чтобы хозяин прожил как можно дольше. Дарвин в автобиографии отмечал, что считает такие страдания весомым аргументом против существования благого Творца. А ведь он даже не знал о вирусах. Наездники-паразитоиды сговорились с вирусами, включив их в собственные геномы. Откладывая яйцо в хозяина, они вводят в жертву белки, произведенные вирусными генами, и эти белки помогают паразиту, подавляя иммунитет или изменяя развитие и поведение хозяина[396].

Гены – это в каком-то смысле довольно распутные сущности: они формируют непостоянные союзы, когда это способствует их собственной передаче. За 4 миллиарда лет существования генов эволюция создала молекулярные инструменты как для внедрения генов в геномы, так и для их удаления. Геномные паразиты, такие как транспозоны, используют эти инструменты, чтобы встраиваться в геномы. А сами клетки используют другие инструменты, чтобы удалить, уничтожить или заставить замолчать незваных гостей, защищая общие интересы, определяемые «парламентом» их генов. Порой, когда интересы совпадают, геномные паразиты сами становятся членами этого «парламента».

Все осознанные и неосознанные усилия человечества по формированию видов – от одомашнивания собаки 30 000 лет назад до новейших методов генной инженерии – используют молекулярные инструменты, созданные эволюцией и уже миллиарды лет применявшиеся в природе. Это не значит, что генная инженерия не должна подвергаться тщательной проверке. Суть в том, что нужно обратить внимание на этические и экологические последствия модификации организмов, а не зацикливаться на мнимой «искусственности» самого процесса инженерии, как часто делают активисты. Например, можно ли – и нужно ли – создавать геномных паразитов, чтобы вызвать вымирание таких видов, как комары, переносящие малярию и лихорадку денге? Учитывая страдания и возможную смерть от этих болезней, вопрос «нужно ли» в этом случае выглядит как вторичный по отношению к вопросу «можно ли. Итак, может ли эгоизм геномных паразитов поставить под угрозу само существование вида? Есть свидетельства, что может, и они приходят из довольно-таки неожиданного места.

Представьте песчаниковый утес на краю огромного скалистого плато в центре Сахары на юге Алжира. Порой там годами не выпадает ни капли дождя, а температура ночью может падать ниже нуля и достигать невыносимых 50 ℃ днем. Высокие скалы, обдуваемые ветрами, образуют желобчатые колонны и причудливые изрытые формы, окрашенные закатным солнцем в кирпично-красный цвет. Вдоль края утеса, в скалистых ущельях и небольшими группами в руслах пересохших рек, растут единственные известные представители сахарского кипариса Cupressus dupreziana – одного из самых редких деревьев на Земле. Вся популяция насчитывает лишь 233 растения. Некоторые из них едва достигли 30 лет, но самым древним больше 2000 лет, и они пережили множество экстремальных климатических событий[397]. Но даже эти рекорды выносливости не так примечательны, как уникальная половая жизнь сахарского кипариса. Это единственное известное дерево, размножающееся путем андрогенеза.

Многие растения и некоторые животные обходятся без самцов: они производят семена или яйца без малейшего генетического вклада с мужской стороны. Лишь сахарский кипарис среди растений и некоторые морские двустворчатые моллюски среди животных поступают наоборот, производя потомство, у которого есть отец и лишь суррогатная мать. Обычно в ходе мейоза образуется пыльца с одним набором хромосом. Пыльца сахарского кипариса несет двойной набор хромосом и ускользает от «генетической справедливости», обеспечиваемой мейозом. Вместо оплодотворения женских шишек эта пыльца колонизирует их, узурпируя семязачаток и производя семена с зародышем – генетическим клоном отца. Такой генетический захват известен как генный драйв (gene drive). Он низвергает генетическую справедливость во имя выгоды генов, передающихся исключительно через один пол – в данном случае мужской.

Отказ от самцов можно счесть недальновидным, но отказ от самок – явное самоубийство. Гены лишены предвидения и равнодушны к судьбе видов, так что они могут погубить своих носителей и тем самым подвергнуть опасности весь вид ради сиюминутной выгоды в передаче своих генов. Единственное, что до сих пор спасало сахарский кипарис от такой участи, – то, что эти деревья гермафродиты. Каждое дерево, даже не имеющее генетической матери, производит и женские, и мужские шишки. Андрогенные двустворчатые моллюски тоже гермафродиты. Сколько негермафродитных видов – если таковые вообще имелись – могло быть доведено андрогенезом до вымирания за всю эволюционную историю, нам неизвестно.

Андрогенез – лишь один из многих механизмов генного драйва, но он иллюстрирует черту, общую для всех типов: эгоистичные гены могут распространяться в популяциях, даже в ущерб приспособленности особей, – и порой они так и поступают. Зная этот принцип, продемонстрированный самой природой, мы можем задаться вопросом: как далеко зайдет искусственно созданный генный драйв? Это область активных исследований. Первый шаг – создать генную последовательность, способную проложить себе путь в популяции в обход обычных механизмов генетической справедливости. Затем эта последовательность должна снизить приспособленность своего носителя – но так, чтобы не вызвать отбор на устойчивость к генному драйву. Все эти три шага технологически очень сложны, но успехи уже есть. Были созданы генные драйвы, уничтожившие большие лабораторные популяции комаров – переносчиков малярии[398]. Скоро ли такие генные драйвы будут испытаны в природе? Начнут ли когда-нибудь их использовать для борьбы с болезнями и вредителями на постоянной основе? Теперь все это зависит от согласования мер безопасности и режима регулирования[399].