Если существует молекула, которая характеризует современную эпоху, то это ДНК. ДНК — это молекула наследственности всего живого. Однояйцовые близнецы так похожи именно потому, что у них одинаковая ДНК. То, что вы напоминаете своих родителей, также во многом объясняется тем, что вы унаследовали часть их ДНК.

ДНК открыл швейцарский химик Фридрих Мишер в конце 1860-х годов. Его современники Чарльз Дарвин и Грегор Мендель — отец генетики — даже не подозревали, какую важную роль она играет. В 1910-е годы ученые поняли, что хромосомы несут наследственный материал, но до понимания его химической природы было еще далеко. В 1944 году исследователи установили, что именно ДНК является молекулой наследственности, а в 1953-м Уотсон и Крик расшифровали ее структуру. Они открыли ящик Пандоры, из которого посыпались тысячи новых открытий.

Все последующие достижения стали возможны именно благодаря технологиям, которые позволяют изучать ДНК. В 1977 году Фредерик Сенгер разработал способ определять, чем именно вы отличаетесь от меня на уровне ДНК, — так называемое секвенирование по методу Сенгера. В последние годы технологии секвенирования развиваются с огромной скоростью. Крупнейший в мире центр секвенирования, BGI (Beijing Genomics Institute, Пекинский институт геномики), сегодня производит 7000 терабайт ДНК-последовательностей в день. Чтобы понять масштаб: это 7 000 000 000 000 000 спаренных оснований ДНК ежедневно, тогда как полное собрание сочинений Шекспира содержит примерно 3 500 000 букв.

Мы расшифровали секреты ДНК и генетики. Перед нами открылся целый новый мир: мы видим, как работают клетки, как из одной оплодотворенной клетки вырастает сложный организм, понимаем природу наследственных болезней и можем предсказать склонность к ним. Точная диагностика, в свою очередь, помогает разработать эффективные методы лечения. ДНК также стала нашим проводником в прошлое, ведь она помогает установить отцовство, составить родословную и определять эволюционное родство видов. А еще мы используем знания о ДНК для улучшения продуктов питания и раскрытия преступлений.

Но что же такое ДНК и в чем заключается странность и очевидное несовершенство нашей, человеческой, ДНК? Могут ли классические объяснения несовершенства объяснить эти особенности? Для начала констатирую то, что часто остается незамеченным: ДНК удивительно хорошо приспособлена для масштабных исследований благодаря своей необычной цифровой природе. Устройство ДНК странное, но крайне удобное.

Знать, что ДНК — молекула наследственности, конечно, хорошо, но это знание принесло бы не много пользы, если бы ДНК было трудно изучать. Как я уже говорил, сейчас мы переживаем настоящую революцию в области ее изучения. Когда у нас появились инструменты для изучения ключевой молекулы планеты, возник исключительно мощный раздел науки: геномика, которая занимается исследованием полной ДНК-последовательности вида. Геномика на наших глазах преобразует многие области исследований, и эволюционная биология не исключение. Добро пожаловать в эволюционную геномику!

Главная причина бурного развития геномики в том, что ДНК, несмотря на свои огромные размеры, поддается относительно простому анализу. Чтобы в этом убедиться, давайте сначала разберемся, что такое ДНК. ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота, но название мало что объясняет. Пожалуй, самая известная ее особенность — структура в виде двойной спирали. Представьте: вы берете молекулу ДНК за оба конца и раскручиваете ее так, чтобы она перестала быть спиралью. Что получится? Вы увидите структуру, напоминающую лестницу. У лестницы два вертикальных столбика, между которыми расположено множество ступенек. Вертикальные столбики — фосфатный остов — одинаковы у всех молекул ДНК, поэтому мы можем не анализировать эту часть. Самое интересное — а точнее, неоднородное — это «ступеньки». Тут стоит оговориться, что, в отличие от настоящих ступенек, это не цельные перекладины, а две половинки, соединенные в центре. Эти половинки бывают четырех видов. Представлю их в виде четырех разных фигур: круг, полумесяц, ромб и Пакман. Для тех, кто не знаком с этой компьютерной игрой: Пакман — персонаж с >-образным вырезом вместо рта.

Вы, должно быть, заметили, что четыре выбранные мною фигуры образуют две идеальные пары: ромб помещается в рот Пакмана, а полумесяц плотно охватывает половину круга. Эта комплементарность пар принципиально важна для работы ступенек и всей ДНК. Представьте, например, что я беру одну половину лестницы (одну из двух нитей ДНК). Теперь я могу прочитать последовательность четырех типов на этой нити снизу вверх. Допустим, на этой нити первая ступенька — Пакман; вторая, следующая выше, — полумесяц; третья — снова полумесяц; четвертая — круг; а пятая — ромб. Зная, какие фигуры образуют пару, я могу рассказать вам все о противоположной нити. Она должна читаться так: ромб (дополнение к Пакману), круг (дополнение к полумесяцу), еще один круг, полумесяц (дополнение к кругу) и, наконец, на пятой ступеньке — Пакман, дополнение к ромбу. Для анализа ДНК я могу игнорировать и фосфатный остов, и половину молекулы. Видя одну половину лестницы, я знаю, что находится на другой.

Тот же принцип комплементарности лежит в основе копирования ДНК и того, как две клетки — продукт деления одной — оказываются генетически идентичными. Если разъединить лестницу на две нити, можно воссоздать полные двойные нити, добавив «партнера» каждой обнаженной нити. Если на одной нити полумесяц, я дополняю его кругом; если Пакман — вставляю ромб и так далее. Следуя правилу комплементарности, я получу две идентичные молекулы ДНК.

В каждой нашей клетке 46 хромосом — два набора по 23: 23 вы получили от мамы, 23 — от папы. Каждая из 46 хромосом — это одна длинная молекула ДНК. В наших хромосомах миллионы ступеней (это очень высокие лестницы!). Причем количество не играет никакой роли: будь то пять или 50 миллионов, принцип остается тем же. Когда клетка делится, каждая из 46 молекул ДНК разъединяется, а затем дополняется по принципу комплементарности, в результате чего получаются две копии каждой исходной хромосомы — фактически 2 × 46 хромосом. Затем клетка готовится к делению, и каждая дочерняя клетка получает точно по одной копии каждой из 46 хромосом. Копирование молекулы ДНК с образованием двух идентичных копий называется репликацией.

На самом деле мы не называем четыре половинки «ступенек» Пакманами, полумесяцами, кружками и ромбиками. По своей сути все четыре — это химические молекулы, принадлежащие к группе оснований. Слово «основание» здесь означает не «простое вещество», а указывает на способность вступать в реакцию с кислотами. Именно поэтому «ступеньки» называют спаренными основаниями. Каждое такое основание вступает в контакт с сахаром (дезоксирибозой) и фосфатом — так получается нуклеотид, то есть полноценная ступенька со своей частью остова молекулы. Отсюда, кстати, и происходит название дезоксирибо[за]нуклеиновая кислота, или попросту ДНК. Так что ступеньки известны и как нуклеотиды, а если совсем точно — как спаренные основания. У этих четырех оснований есть официальные химические имена: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Но в ДНК мы для простоты обозначаем их первыми буквами: А, C, G и T.

Правила образования пар просты: G всегда встает в пару с C, а A — с T. Из этого следует любопытная закономерность: в каждой молекуле ДНК количество G равно количеству C, а количество А всегда совпадает с количеством Т. Это происходит потому, что каждому G на одной цепочке непременно соответствует C на другой, и наоборот. То же самое верно для пар АТ. Именно поэтому ДНК часто характеризуют через содержание GC — то есть долю нуклеотидных пар, образованных гуанином и цитозином. И хотя, зная долю GC-пар, вы автоматически узнаете долю АТ-пар (вместе они составляют 100%), нет никакого правила, требующего равного количества пар обоих типов. У одних организмов ДНК насыщена GC-парами (а значит, бедна АТ-парами), у других — наоборот, преобладают АТ-пары (и, соответственно, мало GC-пар). В нашей ДНК на G или C приходится примерно 41% нуклеотидов.

Благодаря этому даже самую длинную и сложную молекулу ДНК можно представить в виде простого набора букв А, C, Т и G — достаточно записать последовательность оснований всего одной цепи. Какая удача, что структуру ДНК можно записывать так просто и при этом с абсолютной точностью! Когда я занимаюсь секвенированием ДНК (так биологи называют процесс «чтения» оснований по порядку и выяснения их последовательности), мне не нужно корпеть над подробной химической формулой молекулы. Это был бы настоящий кошмар! Вместо этого я просто открываю текстовый файл и записываю одну букву за другой — точь-в-точь как обычный текст.

То, что последовательность ДНК можно записать обычными буквами, указывает на ее важнейшее свойство — она устроена как цифровой код. В науке мы обычно имеем дело с аналоговыми величинами. Возьмите, к примеру, температуру, громкость звука или длину радиоволн — все они меняются плавно, по непрерывной шкале. С ДНК все иначе: в каждой точке цепочки может находиться только одно из четырех оснований — и никаких промежуточных вариантов. Это как с лестницей: нельзя остановиться на ступеньке номер 3,678 — только на третьей или на четвертой. Точно так же участок ДНК не может быть «немножко аденином» — он либо аденин, либо нет. Именно поэтому копировать и записывать ДНК, по крайней мере в теории, довольно просто. Но это также значит, что любая ошибка становится абсолютно очевидной. Когда в процессе копирования или по другой причине одно основание заменяется на другое, мы называем это мутацией. А поскольку код цифровой, допущенная ошибка, как правило, сохраняется.

Если представить ДНК в виде лестницы с перекладинами, становится понятно, как удобно измерять размеры ее молекул. Вместо того чтобы возиться с физической длиной растянутой молекулы, достаточно просто подсчитать количество спаренных оснований (со). А поскольку эти молекулы обычно очень длинные, для удобства мы считаем тысячами спаренных оснований (килобазами — Кб) или даже миллионами (мегабазами — Мб). В человеческом организме 23 хромосомы, и мы их нумеруем по размеру — от одного до 22, а последнюю пару составляют половые хромосомы X и Y. Самая большая — первая хромосома, и у каждого из нас есть две ее копии: одна досталась от мамы, другая от папы. В каждой такой копии примерно 249 миллионов спаренных оснований, или 249 Мб. А вот самая маленькая — это хромосома 21, в ней всего около 48 Мб. Если сложить все вместе, то в одном полном наборе из 23 хромосом окажется примерно 3,2 миллиарда спаренных оснований, или 3200 Мб. Кстати, у вас наверняка возник вопрос: если хромосомы пронумерованы по размеру, почему же 22-я не самая маленькая? Ответ кроется в истории их изучения. Когда хромосомы нумеровали впервые, их рассматривали под микроскопом в компактной форме и определяли размер буквально на глаз. Тогда 22-я хромосома показалась меньше 21-й. Но позже, когда провели точное секвенирование, выяснилась забавная деталь: 22-я хромосома на самом деле чуть длиннее — примерно 49 Мб против 48 Мб у 21-й.

Когда ученые впервые расшифровывают геном вида, у которого, как и у нас, каждая хромосома представлена в двух копиях, они обычно читают последовательность только одного набора. Второй набор, как и варианты тех же хромосом у других представителей вида, как правило, мало отличается от первого. Другое дело, если нужно изучить разнообразие ДНК внутри вида, — тогда приходится секвенировать геномы множества разных особей.

Всю последовательность ДНК можно записать в обычный текстовый файл — что-то вроде очень длинной электронной книги. Такие файлы находятся в свободном доступе: любой желающий может скачать их из международных баз данных, например из американского Национального центра биотехнологической информации (NCBI). Поскольку хранить генетические данные просто, нам удалось совершить грандиозный прорыв в изучении ДНК. Сейчас мы наблюдаем настоящий информационный шторм: объем расшифрованных последовательностей удваивается каждые восемь месяцев.

Этот прорыв был бы невозможен без двух научных достижений. Первое из них — появление продуманных химических методов секвенирования, и именно в этой области сейчас происходят самые впечатляющие перемены. Чтобы оценить масштаб произошедших изменений, давайте вспомним: когда геном человека расшифровывали впервые, на прочтение 3,2 миллиарда спаренных оснований ушло больше 10 лет и 2,7 миллиарда долларов — получается, каждая прочитанная пара обходилась примерно в доллар. Над проектом трудились лаборатории по всему миру, и в 2003 году было торжественно объявлено, что расшифровка генома завершена. Правда, слово «завершена» требует важной оговорки. Дело в том, что в геноме часто встречаются особо упрямые участки ДНК, которые крайне трудно прочитать. Поэтому по-настоящему расшифровка завершилась только в 2022 году, когда ученым наконец удалось разобраться и с этими непокорными фрагментами. А сегодня благодаря стремительному развитию технологий секвенирования мы можем получить полную последовательность генома человека всего за 100–1000 долларов, причем прямо в режиме реального времени.

Это значит, что теперь, по крайней мере теоретически, пациент может прийти к врачу и, пока он находится в клинике, получить полный анализ своего генома, диагноз и план лечения. Настоящий рекорд скорости в этой области принадлежит детской больнице Рэди в Сан-Диего. К ним поступил пятинедельный малыш с энцефалопатией — отеком мозга. Поскольку в семье уже были похожие случаи, врачи заподозрили генетическое заболевание и назначили секвенирование генома. На его расшифровку ушло всего 11 с небольшим часов — не 10 лет, как раньше! Уже через 17 часов после забора крови и спустя 13 часов после начала секвенирования врачи выявили конкретное нарушение обмена веществ. А через 37,5 часа после поступления малыша в больницу медики начали лечение.

Появление быстрых, точных и недорогих методов расшифровки ДНК обещает совершить переворот во многих областях науки. Взять хотя бы проект «Биогеном Земли» — его создатели называют его биологическим проектом века, сравнимым с высадкой на Луну, и планируют за 10 лет расшифровать геномы всех сложных форм жизни (т.е. кроме бактерий и вирусов). Не менее важно изучать и генетические различия внутри одного вида. Благодаря технологиям быстрого секвенирования мы смогли в реальном времени отслеживать мутации в вирусе SARS-CoV-2, вызывающем COVID-19, и узнавать о появлении новых штаммов практически сразу после их возникновения. Пожалуй, этот вирус стал самым подробно изученным с генетической точки зрения существом — если его так можно назвать — за всю историю науки. Еще один вид живых существ, о котором мы хотим узнать побольше, — это мы, люди. Например, Национальные институты здравоохранения США (NIH) запустили исследовательскую программу «Мы» (All of us), цель которой — сопоставить ДНК более миллиона людей с историями их болезней.

Второе достижение связано с нашей способностью обрабатывать и понимать эти горы данных. Учитывая, что объем генетической информации удваивается каждые восемь месяцев, нам требуются мощные компьютеры и серьезные навыки программирования. Но главное — нужны специалисты, умеющие со всем этим работать. И здесь небольшой совет для тех, кто выбирает профессию: если вам нравятся компьютеры, сейчас самое время стать биоинформатиком — специалистом, который с помощью вычислительных методов анализирует эти массивы данных. Работа хорошо оплачивается, а спрос на таких профессионалов только растет.

Работа с большими данными — это не просто вопрос хранения бесконечных цепочек нуклеотидов. Загрузить в компьютер последовательность букв А, C, Т и G — это только начало. Главное — научиться извлекать из этих последовательностей смысл, а для этого нужно понять, как устроена и работает сама ДНК.

Главное предназначение ДНК — записывать последовательности аминокислот, из которых состоят белки. Именно белки выполняют в клетках всю основную работу: одни, в виде ферментов, помогают получать энергию из пищи, другие формируют структуры, позволяющие мышцам сокращаться, третьи обеспечивают копирование самой ДНК. По сути, без белков не обходится ни один процесс в клетке. Длина белковых молекул может достигать нескольких тысяч аминокислот, хотя в среднем они состоят из 500–1000 звеньев. Поэтому для понимания ДНК нам нужно прежде всего разобраться, какие именно белки она кодирует.

ДНК и белки похожи тем, что они представляют собой линейные цепочки: ДНК состоит из пар нуклеотидных оснований, а белки — из аминокислот. Правда, белковая цепочка не остается прямой, а сворачивается, принимая самые разные формы. Можно представить белки как клубки нитей: одни получаются длинными и тонкими, другие больше похожи на шарики. То, что и ДНК, и белки построены как линейные последовательности, а не как ветвящиеся химические структуры (вроде резервных сахаров типа гликогена), подсказывает нам, как устроен процесс создания белков по инструкциям ДНК. Первый этап этого процесса называется транскрипцией, и он немного напоминает репликацию. Участок ДНК временно «раскручивается», и по одной из цепей, как по шаблону, собирается комплементарная однонитевая молекула. Затем эта новая молекула отделяется, а ДНК «скручивается» обратно. Так информация — последовательность оснований — физически переносится из ДНК в новую, однонитевую нуклеиновую кислоту, которую называют РНК (рибонуклеиновая кислота).

Самое интересное происходит на втором этапе. РНК отправляется к особому органоиду клетки — рибосоме, где записанная в ней информация (те самые А, C, Т и G) превращается в совершенно другую последовательность — цепочку аминокислот. Именно поэтому процесс перехода от одной системы кодирования к другой называется трансляцией, то есть переводом. А саму РНК, которая служит посредником между ДНК и будущим белком, называют матричной РНК (или сокращенно мРНК). Правила такого перевода сегодня хорошо известны. Информация в РНК считывается группами по три буквы (такой триплет называется кодоном), причем группы не перекрываются. Каждый кодон соответствует либо определенной аминокислоте, либо команде «стоп». Поскольку на каждую аминокислоту приходится по три спаренных основания РНК, длина белка получается в три раза короче кодирующего его участка мРНК. Эта система правил, благодаря которым кодоны переводятся в аминокислоты, называется генетическим кодом. Он работает примерно как азбука Морзе, где, например, три точки (…) означают букву S, а три тире (--- — букву O. Так и в генетическом коде: скажем, кодон АТG переводится как аминокислота метионин, а GGG — как глицин.

А теперь давайте разберемся, как это происходит на молекулярном уровне. В процессе участвует особая молекула-переводчик — транспортная РНК (или сокращенно тРНК). Она умеет делать две вещи одновременно: узнавать определенный кодон в матричной РНК и доставлять к нему соответствующую аминокислоту. Рибосома считывает кодоны один за другим, а тРНК подносит нужные аминокислоты, которые тут же «пришиваются» друг к другу, образуя длинную цепочку. Например, если ген начинается с последовательности АТG GGG, то в начале белковой цепочки окажутся сначала метионин (его кодирует АТG), а за ним глицин (его кодирует GGG). Вот так линейная последовательность нуклеотидов превращается в линейную последовательность аминокислот.

Всего в нашем распоряжении 20 разных аминокислот, которые определяют все многообразие свойств белков. А теперь давайте посчитаем: если у нас есть четыре разных нуклеотида и каждый кодон состоит из трех нуклеотидов, то всего возможно 64 разных кодона (4 × 4 × 4). Три из них — TGA, TAA и TAG — это стоп-сигналы, означающие конец белковой цепочки. Остается 61 кодон для кодирования всего 20 аминокислот. Отсюда следует, что некоторые аминокислоты могут кодироваться сразу несколькими разными кодонами. Например, глицин может быть закодирован как GGC, GGT или GGA. А вот метионин особенный — для него существует только один кодон: ATG.

Существует ли закономерность в том, как кодоны соответствуют аминокислотам? Когда-то я изучал этот вопрос, и оказалось, что система вовсе не так хаотична, как может показаться на первый взгляд. Но это уже совсем другая история. А сейчас нам важно вот что: если мы знаем генетический код вида (а большинство организмов, кстати, используют один и тот же «универсальный» код), расшифровали его ДНК и научились определять последовательности мРНК, то с помощью компьютера мы можем найти в этой ДНК гены, кодирующие белки, и понять, какие именно белки они производят. Это возможно благодаря тому, что последовательности ДНК и мРНК комплементарны друг другу — как ключ и замок.

Когда у нас есть текстовый файл с последовательностью нуклеотидов ДНК, мы можем добавить к нему своеобразную «аннотацию», которая показывает расположение всех генов в геноме. Именно такая информация помогла разобраться с нарушением обмена веществ у того младенца, чей геном расшифровали за рекордно короткое время. Врачи обнаружили в одном из генов измененный участок ДНК — не такой, как у большинства людей. Этот дефект, вероятнее всего, привел к неправильной работе белка и, как следствие, к болезни. Если вам любопытно, этот ген называется SLC19A3, а кодируемый им белок встроен в мембрану, окружающую наши клетки, и отвечает за транспорт тиамина (витамина B1) внутрь клетки.

Раз уж мы заговорили о генетическом коде, позвольте мне поделиться тем, что давно меня беспокоит. В прессе то и дело мелькают заголовки вроде «Ученые расшифровали генетический код такого-то вида». Каждый раз, когда я вижу подобное, у меня буквально кровь закипает. Почти наверняка это неправда. «Генетический код» — то есть набор правил соответствия между кодонами и аминокислотами — практически одинаков у всех живых существ. А то, что на самом деле имеется в виду, — это расшифровка полной последовательности ДНКгенома нового вида. Теперь вы знаете, в чем разница.

Лавина новых данных неизбежно порождает новые головоломки. Одна из них касается, казалось бы, самого простого вопроса: сколько же у нас генов? Когда запускали проект «Геном человека», его целью было найти и описать примерно 100 000 генов — такое количество тогда считалось бесспорным фактом. В 1990 году планку немного снизили: от 50 000 до 100 000 генов. А незадолго до завершения расшифровки генома случилось забавное событие: был объявлен конкурс GeneSweep — «Угадай количество генов». Все началось с неформального разговора на ежегодной конференции генетиков, где ученые, попивая коктейли, делали ставки в надежде выиграть приз в 3000 долларов. Конкурс собрал больше тысячи участников, и их предположения разошлись кардинально: от 26 000 до более чем 312 000 генов. Среднее значение составило около 40 000.

До сих пор мы не можем назвать точное число генов. Более того, возможно, единого правильного ответа просто не существует — ведь мутации могут как добавлять, так и удалять участки ДНК, поэтому каждый из нас может родиться с несколько иным набором генов, чем у родителей. Первые две «полные» версии генома указывали на 31 000 и 26 588 белок-кодирующих генов. Затем эту цифру пересмотрели до 22 287. Современные оценки еще скромнее: от 19 901 до 21 306. Сейчас считается, что у человека около 20 000 белок-кодирующих генов — это не просто меньше любого предположения в том конкурсе, это вдвое меньше среднего прогноза! Впрочем, не стоит делать из этого сенсацию, и вот почему. Во-первых, задолго до конкурса GeneSweep уже появлялись оценки в диапазоне 20 000–30 000 генов. Поэтому утверждать, как это делают многие, что результат оказался совершенно неожиданным, не совсем корректно (специалисты из нашей области действительно нередко отличаются короткой памятью). Правильнее сказать, что число генов оказалось у нижней границы предполагаемого диапазона. Во-вторых, мы до сих пор не очень хорошо умеем определять, является ли короткий участок ДНК настоящим геном или нет. Вполне возможно, что существует множество небольших белков, которые мы пока не обнаружили.

Давайте посмотрим, сколько генов ученые нашли у других организмов. У одноклеточных дрожжей, без которых не обходится ни пивоварение, ни хлебопечение, около 6000 генов. У классического объекта генетических исследований — плодовой мушки Drosophila — примерно 14 000. У крошечного, миллиметрового червя Caenorhabditis elegans, который устроен предельно просто, около 18 000 генов. А вот у наиболее изученного растения — небольшого сорняка Arabidopsis — уже 25 000. У микроскопических водяных блох обнаружено около 31 000 генов, у риса их, вероятно, около 51 000, а у Trichomonas vaginalis — крошечного одноклеточного организма, вызывающего инфекции в развитых странах, — целых 98 000 генов! Так почему же у нас так мало белок-кодирующих генов — меньше, чем ожидалось, и гораздо меньше, чем у организмов, которые по любым меркам устроены намного проще нас?

Малое число генов преподносит нам еще один сюрприз. Согласно классическим представлениям, главная роль ДНК — через мРНК давать инструкции для синтеза белков. Однако всего 1,2% нашей ДНК реально кодирует нужные нам белки (рис. 2.1). А вот у бактерий, чьи геномы мы хорошо изучили, ситуация прямо противоположная. Почти вся их ДНК (обычно 85–90%) занята кодированием белков. А те немногие участки, которые этого не делают, как правило, расположены прямо перед генами и работают как переключатели, определяющие, когда ген должен включиться или выключиться. Почему же у нас так мало генов, которые к тому же еще и почти не кодируют белки?

Итак, подавляющая часть нашей ДНК — примерно 98,8% — не содержит инструкций по сборке белков. Ее можно условно разделить на две категории: участки между генами и некодирующие участки внутри самих генов. Правда, тут не все так просто. Недавно выяснилось, что у нас примерно столько же «некодирующих» генов, сколько и генов, кодирующих белки. Эти некодирующие гены представляют собой участки ДНК, на основе которых создается РНК, но дальше в белок она не превращается. До сих пор остается загадкой, какая часть этих РНК выполняет важные функции, а какая является просто информационным шумом. Вдобавок ко всему некоторые гены, словно матрешки, спрятаны внутри некодирующих участков других генов.

Что же представляет собой некодирующая ДНК внутри наших генов? Чтобы это понять, давайте вернемся к процессам транскрипции и трансляции — я упустил важную деталь о том, как создается наша мРНК (у бактерий, кстати, все устроено иначе). Помните, мы говорили, что с ДНК снимается однонитевая копия — РНК? Представьте ее как длинную кинопленку. У большинства наших генов эта «сырая» РНК проходит своеобразный монтаж: ее разрезают на куски, некоторые участки вырезают, а остальные склеивают обратно по порядку (неслучайно в научном жаргоне используется термин «сплайсинг» — от английского слова, означающего склейку пленки). Вырезанные участки — интроны — обычно отправляются в клеточную «корзину». А оставшиеся части — экзоны — склеиваются вместе, образуя зрелую мРНК. Именно она содержит инструкции по сборке белка. И тут я должен извиниться за путаницу в терминах. Вы могли бы логично предположить, что удаляемые участки называются экзонами, а те, что остаются в зрелой мРНК, — интронами. Увы, все как раз наоборот. Вот так вот!

Рис. 2.1.Состав генома человека. Лишь крошечная часть ДНК кодирует белки. Бóльшую часть занимают старые, уже неработающие так называемые прыгающие гены (транспозоны) и следы вирусов, когда-то внедрившихся в нашу ДНК. В категорию «прочие» входят: около 0,1% все еще активных прыгающих генов, 0,1% действующих вирусов, регуляторные последовательности, управляющие включением и выключением генов (примерно 0,2%), а также особые участки на концах хромосом (теломеры — 0,1%) и в местах перетяжек хроматид, необходимых для расхождения хромосом при делении клетки (центромеры — 1%). Источник данных: https://sandwalk.blogspot.com/2018/03/whats-in-your-genome-pie-chart.html

Давайте отложим путаницу с названиями и рассмотрим более интересный вопрос: само существование интронов довольно странно. У бактерий их нет вовсе, а у нас их не только много, но они еще и огромны — более 90% типичного человеческого гена составляют некодирующие интроны, которые потом приходится вырезать. Получается любопытный парадокс: хотя белок-кодирующие гены занимают больше четверти нашей ДНК, львиная доля РНК, считанной с каждого такого гена, просто выбрасывается перед сборкой белка. Так зачем же нашим генам столько некодирующей ДНК?

Если мы посмотрим на другие виды, завеса тайны становится плотнее. Для любого генома мы можем измерить, сколько ДНК содержится в межгенном пространстве, каков средний размер интронов и сколько интронов насчитывается у вида. Так мы получаем три независимых параметра, характеризующих величину, которую называем компактизацией генома или, наоборот, раздуванием. У компактного генома в генах небольшое количество интронов, которые малы по размеру, а в межгенном пространстве немного ДНК. Раздутый геном, напротив, имеет множество крупных интронов, а межгенные участки содержат длинные куски ДНК.

На первый взгляд между этими тремя параметрами нет никакой логической связи. Казалось бы, почему бы организму не иметь большие промежутки между генами, но короткие интроны внутри самих генов? Однако, когда мы смотрим на разные организмы — от одноклеточных до растений и животных, — мы видим удивительную закономерность: все три показателя изменяются согласованно. У видов с большим количеством интронов эти интроны обычно оказываются длиннее, да и промежутки между генами у них тоже больше (рис. 2.2). Правда, количество интронов в генах коррелирует с остальными параметрами слабее всего, зато связь между размером межгенных участков и средней длиной интронов просто поразительна.

Рис. 2.2. Взаимосвязь трех независимых параметров размера генома у более чем 400 видов эукариот: логарифма средней длины интронов, их плотности в генах и логарифма общей протяженности межгенных участков. Поясним термины: средняя длина интронов — это их типичный размер в данном геноме; межгенные участки — это вся ДНК между кодирующими генами; а плотность интронов показывает, сколько в среднем интронов содержится в тех генах, где они есть. Источник данных: Lozada-Chavez, I., Stadler, P. F., and Prohaska, S. J. 2018. "Genome-wide features of introns are evolutionary decoupled among themselves and from genome size throughout Eukarya." https://www.biorxiv.org/content/10.1101/283549v1.article-info

Давайте сравним наш геном с геномом пекарных дрожжей — одним из самых хорошо изученных. У дрожжей интроны есть всего в 5% генов, а у нас, наоборот, только 5% генов обходятся без интронов. В среднем в каждом нашем гене около 10 интронов, а у дрожжей, если интрон и встречается в гене, то обычно всего один. Но дело не только в количестве. Средняя длина наших интронов — около 5500 со, что намного больше дрожжевых интронов длиной всего 200 со. А самый длинный наш интрон, который находится в гене ROBO2, и вовсе достигает невероятной длины в 1 160 411 со. Представьте себе: этот единственный интрон длиннее, чем средняя хромосома дрожжей (которых у них всего 16), содержащая 300–400 генов (около 750 000 со)! Неудивительно, что и промежутки между нашими генами гораздо длиннее: в среднем около 10 000 со против примерно 1000 у дрожжей. В связи с этим возникает два вопроса: почему у нас так много загадочной ДНК и почему все три независимых показателя «раздутости» генома — длина межгенных участков, количество интронов в генах и их средний размер — как будто эволюционируют в одном направлении?

В устройстве нашего генома есть и другие загадки, над которыми стоит задуматься. Возьмем, например, то, как мы обращаемся с нашей генетической «кинопленкой» — незрелой РНК. Для большинства генов мы «вырезаем» ее самыми разными способами, получая множество вариантов сплайсинга. И что удивительно: многие, если не большинство этих вариантов отправляются в «корзину», даже не успев ничего сделать. Часто они выглядят бракованными — например, содержат стоп-кодон не там, где нужно (у нас даже есть специальная система для обнаружения таких дефектных мРНК). Возникает вопрос: зачем вообще их создавать? Более того, похоже, что наши клетки постоянно допускают ошибки и при создании самой «пленки», и при ее последующей обработке. Такое впечатление, что вся система работает из рук вон плохо. В чем же причина такой неэффективности?

Давайте рассмотрим еще одну загадку: использование стоп-кодонов. Напомню: в конце каждой мРНК, кодирующей белок, должен стоять один из трех стоп-кодонов (TGA, TAA или TAG), который служит сигналом остановки для механизма синтеза белка. Но эти сигналы работают с разной эффективностью. TAA — надежный знак «стоп», который почти всегда правильно распознается механизмом синтеза белка. А вот TGA можно сравнить с выцветшим дорожным знаком — его легко пропустить, что приводит к своеобразным «клеточным авариям». TGA дает сбой примерно в одном случае из 500, тогда как TAA ошибается лишь раз на 2000 случаев. Казалось бы, естественный отбор должен отдавать предпочтение более надежному TAA — так и происходит у большинства организмов. Но только не у млекопитающих! Мы почему-то упорно используем и сохраняем наименее эффективный вариант — TGA. Вопрос: почему?

Пожалуй, самое удивительное в нашей биологии — это то, как плохо мы справляемся с производством потомства. Казалось бы, за миллионы лет эволюции мы должны были хотя бы это довести до совершенства! Благодаря изучению ДНК мы теперь понимаем, в чем проблема: чаще всего все дело в ошибках при работе с генетическим материалом. Если посмотреть на эмбрионы человека сразу после зачатия (их называют ранними), выясняется, что у многих неправильное число хромосом. В норме у нас должно быть 46 хромосом — 23 от мамы и 23 от папы, — но очень часто в ранних эмбрионах их оказывается 47 или 45. Частота таких ошибок выше у женщин старшего возраста и ниже у молодых матерей. Масштаб проблемы поражает. Исследование ЭКО 2014 года показало, что из 284 эмбрионов у 151 (это 53%) были обнаружены аномалии в числе хромосом. Хотя эта цифра может быть несколько завышена — в случае естественного зачатия показатели чуть ниже, — однако ошибки все равно встречаются невероятно часто: они затрагивают от 40% до 60% всех эмбрионов. А по данным одного исследования, 70% яйцеклеток до оплодотворения имеют неправильное число хромосом.

Почти все эмбрионы с неправильным набором хромосом погибают на самых ранних стадиях, еще до того, как женщина узнает о беременности. Получается, что огромное количество зачатий происходит незаметно для будущих матерей. Но даже среди уже установленных беременностей процент потерь удручающе высок. Например, масштабное исследование, охватившее более 120 000 беременностей в Дании в период с 1978 по 1992 год, показало, что 13,5% из них закончились выкидышем. По другим оценкам, эта цифра колеблется от 10% до 20%. Если объединить исследования ЭКО с датской статистикой, получается неутешительная картина: в среднем на 1,7 рождения живого ребенка приходится 2,1 неудачной беременности. А у мормонских женщин в Америке XIX века на восемь рожденных детей приходилось целых 17 неудачных беременностей. Выходит, что для человека неудача при беременности — чаще правило, чем исключение: около 60% всех зачатий заканчиваются неудачей, и главная причина тому — неправильное число хромосом.

А дальше — еще интереснее. Анализ последовательности ДНК помогает определить происхождение лишней хромосомы. Логично было бы предположить, что она с равной вероятностью может достаться как от матери, так и от отца. Однако в реальности почти всегда источником проблемы оказывается материнская хромосома.

Эта проблема вовсе не универсальна в живом мире. Возьмем, к примеру, обычные дрожжи — как и мы, они размножаются половым путем и сталкиваются с той же проблемой. Однако масштаб совершенно другой: у них только одно оплодотворение из 100 000 проходит с ошибками. Можно было бы предположить, что высокая частота хромосомных нарушений — особенность не простых организмов, а всех сложных позвоночных. Но данные говорят об обратном. У наших «собратьев» — рыб, лягушек, птиц — такие ошибки случаются крайне редко. Их оплодотворенные яйцеклетки почти не гибнут на ранних стадиях. Например, у лабораторных рыб практически не наблюдается гибели эмбрионов (по любой причине) до тех пор, пока не закончится желток. А вот у людей смертность сразу после оплодотворения зашкаливает. Правда, не мы одни такие «невезучие» — у других млекопитающих ситуация не лучше. А вот у мух, например, все по-другому. В одном исследовании ученые наблюдали за судьбой более 5000 яиц: только 10% погибли до превращения в личинки (предположительно, лишь несколько процентов из-за неправильного числа хромосом), а среди выживших не было ни одного случая аномального развития.

Так почему люди производят столько эмбрионов с неправильным числом хромосом?

Чем глубже мы погружаемся в изучение ДНК, тем больше обнаруживаем странностей, которые очень похожи на несовершенства. Как их объяснить? Проблема несовершенства давно привлекает внимание ученых, и эволюционная биология предлагает целый ряд объяснений. Хотя многие из них взаимосвязаны, давайте попробуем их систематизировать. В общих чертах все сводится к нескольким идеям: живым организмам нужно время, чтобы эволюционировать; мы живем не в той среде, для которой эволюционировали; эволюция может совершенствовать только то, что уже есть; многое зависит от начальной точки развития; сами возможности для изменений не безграничны. Давайте рассмотрим каждое из этих объяснений подробнее.

Первая проблема помогает понять саму суть эволюционного процесса. Эволюционные изменения происходят путем замещения одного варианта другим на протяжении многих поколений. Иногда мы можем наблюдать этот процесс в реальном времени — например, как вариант «Омикрон» вируса SARS-CoV-2 вытеснил вариант «Дельта» (который до этого вытеснил вариант «Альфа»). Но даже в этом случае процесс не был мгновенным, хотя и прошел довольно быстро — во многом потому, что у вируса очень короткий жизненный цикл и высокая заразность, которая позволяет ему быстро распространяться. Для сравнения представьте, как обновляется операционная система iPhone: Apple выпускает обновление, и все пользователи практически одновременно устанавливают его на свои устройства. Теоретически можно было бы представить такой же механизм мгновенного и одновременного обновления всех iPhone. Но эволюция так не работает. Живые организмы не могут просто «скачать» новую, улучшенную версию ДНК своего вида и «установить» ее вместо старой. Эволюция больше похожа на конкуренцию между операционными системами на рынке, где один вариант постепенно вытесняет другие. Сегодня мы наблюдаем противостояние Android и iOS, а старые мобильные операционные системы (например, от Microsoft и Nokia) уже «вымерли».

Смена поколений обычно происходит довольно медленно (у нас — примерно каждые 20 лет, у бактерий и вирусов — каждые несколько минут или часов), поэтому мы привыкли представлять эволюцию как неспешный процесс (не зря ее противопоставляют революции). Но у медленного темпа и постепенности есть свои последствия. Представьте, что вы попали в начало XIX века и обнаружили, что одни мотыльки черные, а большинство — белые, притом что кора всех деревьев покрыта промышленной копотью. Такой мотылек кажется далеким от совершенства — почему не все представители вида научились маскироваться? Ответ прост: нужно время. Ни один вид не может эволюционировать в мгновение ока. Конечно, есть удивительные создания вроде хамелеонов, способных моментально изменить окраску под цвет окружающей среды, но большинство видов защитной маскировки устроены иначе — они генетически запрограммированы. В отличие от хамелеона, мотылек может быть либо черным, либо белым. Поэтому у созданий с такой «запрограммированной» окраской один тип должен медленно вытеснять другой.

Многие считают, что именно такие процессы во многом объясняют наши особенности. Взять хотя бы прямохождение — мы освоили его совсем недавно по эволюционным меркам, поэтому колени и спина у части из нас работают не так блестяще, как хотелось бы (люди и правда мучаются от болей в спине гораздо чаще своих дальних родственников — приматов). Во всем виновата нагрузка на позвоночник при ходьбе на двух ногах. Впрочем, это не значит, что все люди одинаково страдают от проблем со спиной. Присмотритесь к участку позвоночника между последним грудным и первым поясничным позвонком — и вы увидите, что мы устроены по-разному. У одних есть так называемые узлы Шморля, у других их нет. Узлы Шморля — это углубления на поверхности позвонков. У тех счастливчиков, которых обошла стороной грыжа диска, строение этого участка заметно отличается от аналогичного участка позвоночника шимпанзе. А вот тем, у кого развилась грыжа (именно у них и встречаются узлы Шморля), в этом смысле не повезло — их позвоночник мало чем отличается от обезьяньего. Чтобы эволюция улучшила весь вид, нужно время. И уж поверьте, некоторые из нас это прекрасно чувствуют на собственной спине!

Прямохождение — сугубо человеческая особенность, но эволюционное отставание неизбежно затрагивает все виды в процессе адаптации к паразитам (любым организмам, способным заражать нас и причинять вред, — будь то вирусы, бактерии, кишечные черви или грибки). Дело в том, что у паразитов короткие промежутки между поколениями, поэтому они быстро размножаются и стремительно эволюционируют. Например, у некоторых людей есть устойчивость к ВИЧ благодаря мутациям в гене CCR5. В регионах планеты, где ВИЧ широко распространен, частота таких мутаций в местных популяциях растет — точно так же, как со временем становится больше черных бабочек, поскольку белые чаще погибают молодыми. Но чтобы все представители популяции обрели подобную устойчивость, нужно время — как и популяции белых мотыльков потребовалось множество поколений, чтобы окраситься преимущественно в черный цвет.

Второе объяснение по своему смыслу связано с первым: мы просто не приспособлены к современному миру. Представьте популяцию черных бабочек, прекрасно адаптированных к покрытой копотью коре деревьев, которую внезапно перенесли в новую, чистую среду. Очевидно, что и они будут выглядеть неуместно в самом буквальном смысле. Несоответствие между организмом и средой его обитания порождает новые проблемы и новые несовершенства. Человеческая ветвь эволюции отделилась от общего с шимпанзе предка примерно шесть миллионов лет назад, и почти все это время люди обитали в Африке. Лишь совсем недавно — каких-то 80 000 лет назад — предки современного человека покинули Африку и расселились по планете. Как вид мы провели за пределами Африки ничтожно мало времени.

И всё же порой мы наблюдаем удивительные примеры успешной адаптации к новым условиям. Возьмем тибетцев, эфиопов и коренных жителей высокогорных Анд: все эти народы научились жить в высокогорьях, в условиях разреженной атмосферы. Причем речь идет не о той простой физиологической адаптации, которая возникает у каждого после длительного пребывания в горах (как у спортсменов во время тренировок перед восхождениями). В данном случае произошла более глубокая трансформация: в этих популяциях распространились особые мутации, позволяющие их крови эффективнее захватывать тот небольшой объем кислорода, который доступен на высоте. Интересно, что у двух народов независимо друг от друга подвергся естественному отбору один и тот же ген — EGLN1.

Результаты этой эволюционной адаптации впечатляют: тибетские младенцы рождаются с бо́льшим весом, их кровь лучше насыщается кислородом и у них гораздо больше шансов выжить, чем у детей китайцев, недавно переселившихся в эти места. Китайцы пока просто не успели генетически приспособиться к новой среде обитания. А вот тибетцы, похоже, установили своеобразный рекорд скорости адаптации: предположительно, развитие нужных мутаций у них прошло примерно за 3000 лет. Правда, эта цифра вызывает споры, поскольку плохо согласуется с археологическими данными. Вероятно, процесс занял 5000–6000 лет. Как бы то ни было, этот пример наглядно показывает: человеческим популяциям требуется немало времени для адаптации к новой среде. Поэтому народы, переселившиеся на новые территории в последние несколько тысяч лет, с точки зрения генетики всё еще не успели как следует «обжиться» на новом месте.

Однако существует еще более серьезная проблема. В отличие от наших предков, которые переселялись в новые места, мы сталкиваемся с тем, что теперь меняется сама привычная нам среда обитания. И я говорю не о климатических изменениях. За очень короткий исторический период кардинально изменились наше взаимодействие с микромиром и наш рацион.

Сладкая кола и жирные «Биг Маки» появились в нашем рационе совсем недавно. Некоторые ученые считают, что наша неудержимая тяга к сахару и жирам — это наследие эволюции: в древности эти богатые энергией вещества были жизненно важны, но встречались редко. Вероятно, именно поэтому мы так падки на картошку фри и бургеры, а не на салаты и орехи. Выходит забавный парадокс: пищевые предпочтения, которые когда-то помогали нашим предкам выжить, сегодня оборачиваются против нас. Но насколько верна эта гипотеза? С одной стороны, мы неплохо представляем рацион наших предков и точно знаем, что они не сталкивались с избытком жиров, сахара и соли. С другой стороны, мы можем только догадываться, как именно естественный отбор формировал их пищевые пристрастия. Конечно, звучит логично: мы тянемся к тому, что нам необходимо, но труднодоступно. Однако логичное объяснение не всегда оказывается верным. Зато мы точно знаем другое: современная диета с избытком сахара, соли и жиров разрушает наше здоровье. Она приводит к целому букету заболеваний — от ожирения и проблем с сердцем до рака и диабета второго типа.

О влиянии еды на здоровье человека громче всего говорит пример Микронезии — островного государства в Океании. Когда сразу после Второй мировой американские военные медики обследовали местных жителей, они не нашли ни одного случая ожирения, гипертонии или диабета. В 1960–1970-х годах острова начали получать продовольственную помощь из США, и традиционную кухню постепенно вытеснили рис и импортные продукты. К 1980-м значительное место в рационе островитян заняли сахар и сладости. А сегодня они питаются в основном рисом, пшеницей, сахаром, продуктами глубокой переработки и жирным мясом. Последствия этой «пищевой революции» оказались катастрофическими: сегодня три четверти взрослого населения имеют избыточный вес или страдают ожирением, а у каждого четвертого развился диабет второго типа. Вот вам наглядный ответ на вопрос, почему мы так беззащитны перед сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом и раком: наш организм просто не успел приспособиться к современному изобилию калорийной пищи.

Наше стремление жить в идеальной чистоте тоже имеет свои последствия — причем, как ни странно, не только положительные. Парадокс в том, что победа над инфекционными заболеваниями обернулась эпидемией аллергий и так называемых аутоиммунных расстройств — состояний, при которых иммунная система по ошибке атакует собственный организм, как это происходит, например, при диабете первого типа. Исследователи даже выдвинули так называемую гигиеническую гипотезу, которая предлагает неожиданное объяснение: всему виной наша жизнь в практически стерильном мире — мире, к которому эволюция нас совершенно не готовила. Оказывается, некоторые микроорганизмы — от паразитических червей до определенных видов бактерий — не просто сосуществовали с нами на протяжении миллионов лет, но и защищали нас от множества иммунных нарушений. И вот теперь, когда мы изгнали этих древних спутников из своей жизни, наша иммунная система словно потеряла ориентиры. Она в панике атакует совершенно безобидные вещества — будь то арахис или цветочная пыльца, — которые следовало бы воспринимать как старых добрых знакомых, а не как смертельных врагов.

Первым этот парадокс заметил Дэвид Страхан из Лондонской высшей школы гигиены и тропической медицины. В 1989 году внимание ученого привлек странный факт: за предыдущие несколько десятилетий заболеваемость поллинозом в Великобритании выросла в разы. Одновременно увеличивалась распространенность астмы и детской экземы. И тут он сделал любопытное открытие: оказалось, что поллиноз реже всего встречается у детей, у которых много старших братьев и сестер. В чем же причина? Страхан выдвинул смелую гипотезу: возможно, все дело в том, что маленькие дети постоянно контактируют со своими не слишком чистоплотными старшими братьями и сестрами. А значит, рассуждал он, рост числа аллергических заболеваний может быть связан с двумя современными тенденциями — уменьшением размера семей и повышением стандартов гигиены.

Статистика начала XXI века выглядит тревожно: в развитых странах уже каждый пятый ребенок страдает от какой-либо формы аллергии, астмы или кожных высыпаний. И ведь это неслучайное колебание: с 1950-х годов частота этих заболеваний выросла примерно в три раза. Но самое интересное — такой же рост наблюдается и у диабета первого типа, причем болезнь поражает детей в более раннем возрасте, чем прежде. Что объединяет диабет первого типа с аллергическими заболеваниями? В обоих случаях мы имеем дело со сбоем в работе иммунной системы. Только при аллергии она ошибочно принимает за врагов безобидные внешние факторы вроде пыльцы, а при диабете первого типа атакует собственные белки организма — это явление называется аутоиммунностью. Когда ученые сталкиваются с растущей статистикой заболеваний, они первым делом задают себе вопрос: может быть, просто улучшились методы диагностики? Однако в случае диабета первого типа такое объяснение не подходит. Эту болезнь довольно легко распознать, поэтому ни стремительный рост числа случаев, ни снижение возраста пациентов нельзя списать на более качественную диагностику. Похоже, мы имеем дело с реальным изменением картины заболеваемости.

В пользу гигиенической гипотезы (по крайней мере, некоторых ее вариантов) говорит немало фактов. Если взглянуть на мировую статистику, выяснится любопытная закономерность: регионы с высоким уровнем аллергических и аутоиммунных заболеваний — это как раз те места, где редко встречаются инфекционные болезни, например желудочно-кишечные. И дело явно не в генетике — это прекрасно видно на примере Финляндии и соседней российской Карелии. Несмотря на общее происхождение населения этих регионов, финны страдают от диабета первого типа в шесть раз чаще своих карельских соседей.

Самое убедительное доказательство связи между высоким уровнем аллергий и аутоиммунных заболеваний на Западе и факторами окружающей среды можно найти в судьбе иммигрантов. Когда люди переезжают из стран с низким уровнем заболеваемости диабетом первого типа в западные страны — например, из Пакистана в Великобританию, — их дети уже болеют диабетом с той же частотой, что и дети местных жителей. Но может быть, дело не в гигиене, а в загрязнении воздуха? Или в недостатке солнечного света и, соответственно, витамина D? Загрязнение воздуха определенно влияет на некоторые заболевания — например, до падения Берлинской стены уровень астмы в менее загрязненной Западной Германии был ниже, чем в Восточной. Однако против теории «фактора солнца» говорит четкий градиент Восток–Запад по всей Европе: в Болгарии и Румынии диабет первого типа встречается реже, чем в Западной Европе. Правда, после падения Берлинской стены показатели в этих странах стали стремительно расти.

Также у нас есть доказательства того, что инфекции могут защищать организм человека. Например, у детей, которые растут в домах, где есть домашние животные, или часто бывают на фермах (особенно в коровниках), реже развивается экзема. Защитный эффект оказывается еще сильнее, если такие места посещает будущая мать во время беременности. Еще более удивительный факт: когда пациентам с болезнью Крона (воспалительным заболеванием кишечника, связанным с нарушениями иммунитета) намеренно вводили кишечных червей-гельминтов вида Trichuris suis, симптомы болезни уменьшались. Выяснилось, что длительное присутствие кишечных червей повышает уровень особой защитной молекулы — интерлейкина-10, недостаток которой связан с развитием астмы. А вот когда людей лечат от кишечных паразитов-гельминтов, у них, наоборот, могут усилиться кожные проявления, похожие на экзему.

Впрочем, все гораздо сложнее, чем вам могло показаться. Например, порой избавление от глистов не усиливает, а, наоборот, облегчает симптомы астмы. Лечение воспалительных заболеваний кишечника с помощью червей помогает далеко не всем пациентам. А такие болезни, как корь или COVID-19, не уменьшают, а, наоборот, повышают риск развития аллергических заболеваний и диабета первого типа у детей. Эти противоречивые данные заставили ученых пересмотреть гигиеническую гипотезу. Так родилась новая концепция: гипотеза «старых друзей». Ее суть в том, что важен контакт не с любыми микроорганизмами, а только с теми безобидными созданиями, которые сопровождали человечество на протяжении миллионов лет эволюции. Именно эти попутчики, похоже, учат нашу иммунную систему правильно реагировать на различные угрозы. Ведь для иммунитета важно не только знать, с чем бороться, но и понимать, на что можно не обращать внимания.

Некоторые бактерии нам действительно необходимы — например, кишечные микробы, помогающие переваривать пищу. Было бы большой ошибкой, если бы иммунная система пыталась избавиться от этих полезных союзников. И вот недавно ученые, кажется, нашли механизм, объясняющий гипотезу «старых друзей». Оказалось, что в нашей иммунной системе существуют особые регуляторные Т-клетки, которые умеют сдерживать иммунные реакции. Эти клетки активируются именно при контакте с нашими древними микробами-попутчиками. А значит, чем меньше «старых друзей» вокруг нас, тем выше риск, что иммунная система выйдет из-под контроля и начнет реагировать даже на такие безобидные вещества, как пыльца или арахис.

Гипотеза «старых друзей» приводит нас к совсем иным выводам, чем гигиеническая гипотеза. Хотя обе теории сходятся в том, что контакт с разнообразными микроорганизмами полезен, гипотеза «старых друзей» вовсе не призывает нас намеренно заражаться опасными болезнями вроде кори или COVID-19 для укрепления иммунитета. Речь идет только об определенных безвредных микробах — так что мыть руки по-прежнему необходимо!

Ученых особенно интересует, может ли кесарево сечение быть косвенной причиной аллергий и нарушений иммунитета. Так, во время такой операции малыша достают из матки хирургическим путем и он не встречается с микробами, которые населяют родовые пути. Есть предположение, что именно отсутствие контакта с полезными бактериями влагалища приводит к более частым случаям астмы, аллергии и ослабленного иммунитета у людей, появившихся на свет таким образом. Сейчас ученые проверяют необычную идею: можно ли воссоздать эффект естественных родов, если нанести на кожу новорожденного вагинальный секрет? И заодно выясняют, различается ли микрофлора у детей после естественных родов и кесарева сечения. Учитывая, насколько сложно формируется микробное сообщество в каждом из нас, неудивительно, что ответы на второй вопрос неоднозначны. Возможно, дело не в том, что ребенок не получает материнские вагинальные микробы, а в том, что он не получает кишечные. Пользу от переноса вагинальной микрофлоры еще предстоит доказать — более того, эта процедура может быть опасной, поэтому врачи пока не рекомендуют ее применять.

Неважно, говорим мы о гигиенической гипотезе или о гипотезе «старых друзей», — накоплено достаточно доказательств того, что современная западная цивилизация сталкивается с гораздо меньшим разнообразием микробов, и это во многом объясняет рост числа заболеваний, которые возникают из-за избыточно сильной реакции иммунитета. Такие несовершенства, вероятно, возникли потому, что мы совсем недавно оказались в этой среде и не успели к ней приспособиться.

Эволюция также не подготовила нас к жизни в теплых домах с водопроводом и электричеством. Недавно я жил в прекрасном доме, построенном в начале XVIII века. Бесспорно, у него есть шарм (риелторы не врут) и куча других достоинств, но электрика и сантехника к ним не относятся. Трубы и кабели в этом доме можно было найти в самых неожиданных местах — на стенах и прямо под потолком. Множество труб спускались через пол с верхнего этажа, и я до сих пор не представляю, зачем они там. Причина такого хаоса (характерного для многих старых европейских домов) довольно очевидна: эти здания строили задолго до появления водопровода и электричества, поэтому их архитектура изначально не учитывала подобные коммуникации. Проводку и трубы встроили намного позже. В результате они оказались совсем не там, где разместил бы их современный архитектор. Сейчас я живу в новом доме, и в нем все трубы и провода спрятаны.

Эволюционный процесс чем-то похож на переделку моего старого дома. Все изменения наслаиваются на уже существующее — никто не сносит все до основания и не строит заново. Эволюция — это неутомимый изобретатель, который вечно что-то подправляет и улучшает. Именно поэтому в устройстве нашей «сантехники» и «проводки» так много странностей.

В нашем теле есть своя «проводка» — нервы, по которым, словно по медным проводам, течет электричество. Сходство просто поразительное! Взять хотя бы причудливый левый возвратный гортанный нерв. У нас в голове, у самого основания мозга, начинается блуждающий нерв, который спускается вниз по шее. От него отходит ветка — левый возвратный нерв, — которая ныряет под аорту (главную артерию, несущую кровь от сердца) и тут же разворачивается и идет обратно вверх. Он бежит параллельно родительскому блуждающему нерву, но в противоположном направлении — за это и получил название «возвратный» (анатомы так обозначают все, что движется в обратную сторону). В конце концов он добирается почти до места старта и подает электрические импульсы нашим голосовым связкам. Весь этот маршрут образует огромную букву U, хотя нерв мог бы быть в несколько раз короче, если бы шел напрямую. У всех млекопитающих такая же конструкция. А у жирафов этот нерв и вовсе растягивается почти на пять метров!

Дело в том, что виды — это не новенькие дома, построенные по идеальному проекту. Эволюция работает с тем, что уже есть под рукой. Возвратный гортанный нерв встречается у рыб (и других позвоночных). У рыб он тянется от мозга мимо сердца к жабрам — никаких обходных путей. Нерв мог бы пройти над аортой или под ней, расстояние было бы примерно одинаковым. Просто так сложилось эволюционно, что он пошел снизу. Можно представить, что развитие нерва похоже на программирование маршрута в GPS-навигаторе. Только вместо маршрута «из точки А в точку B» инструкция звучит так: «Из А в B, затем в C» — то есть от мозга к сердцу, а оттуда к жабрам. У человеческих эмбрионов на ранней стадии развития этот нерв формируется по тем же правилам, что и у рыб. Он получает старую инструкцию: «Следуй на юг под аортой, а затем развернись и иди на север». Но за миллионы лет эволюции наша шея удлинилась, а сердце опустилось глубже в грудную клетку. В итоге расстояние от А до B плюс от B до C стало во много раз больше, чем прямой путь от А до C. Результат выглядит откровенно нелепо. Особенно если ты жираф.

Изменения затронули не только наши шеи, но и яички: в ходе эволюции они переместились из внутренней части тела наружу, из-за чего появились странности в устройстве нашей внутренней «сантехники». Семявыносящий проток, который должен соединять яички с предстательной железой (расположенной под мочевым пузырем), зачем-то огибает сверху мочеточник — трубку, идущую от почки к мочевому пузырю. Получается ненужная петля, которая делает проток длиннее, чем нужно. Здесь сработал тот же принцип, который привел к изменению маршрута гортанного нерва. Животным с внутренними яичками — рыбам, рептилиям, птицам и другим — совершенно все равно, идет проток над мочеточником или под ним. Когда яички у наших предков были внутри тела, маршрут был оптимальным. Но эволюционные «инструкции» по прокладке путей остались неизменными, даже когда яички опустились вниз. В итоге мы получили еще один бессмысленный обходной путь. Но и это еще не все. Опускание яичек объясняет другую нашу проблему — паховые грыжи. Они случаются, когда кишечник проваливается сквозь мышечную стенку живота. А дело в том, что в этой стенке должны быть отверстия для прохода яичек — и именно эти слабые места становятся воротами для грыж. Кишечник выпячивается через те же каналы, по которым у мужчин проходят нервы к половым органам.

Эволюция ведет себя как изобретатель-любитель в двух смыслах. Она не только ограничена имеющимся материалом, но и продвигается маленькими шагами. Чтобы показать, как это порождает несовершенства, давайте поиграем. Представьте: я прошу вас забраться на гору как можно выше. В идеале вам нужен Эверест, высочайшая вершина планеты. Но я ставлю жесткие условия. Первое: глаза завязаны, так что вы не видите, где какие вершины. Второе: начинать придется там, где вы сейчас стоите, — никаких самолетов до Непала. Третье: идти можно куда угодно, но только вверх — ни единого шага вниз. Именно так работает естественный отбор. Правило «только вверх» означает, что более приспособленные всегда вытесняют менее приспособленных. Повязка на глазах — у эволюции нет ни цели, ни плана. Старт с текущей позиции — эволюция работает только с тем, что уже есть. А случайность мутаций — это свобода двигаться в любом направлении.

Удастся ли вам когда-нибудь покорить Эверест? Почти наверняка нет. В зависимости от точки старта максимум, на что вы можете рассчитывать, — застрять на каком-нибудь крошечном холме. Эволюция работает примерно так же: виды могут взобраться только на ту вершину приспособленности, у подножия которой случайно оказались. Биологи даже используют специальные термины: говорят о «холмистом ландшафте приспособленности» и проблеме «перепрыгивания между пиками». Виды не только происходят от других видов, но и почти всегда исследуют путем мутаций лишь те варианты, которые близки к текущему состоянию. Человек не может вдруг родить котенка.

В эволюции полно примеров такого рода. Взять хотя бы глаза — они возникали независимо больше тридцати раз. Но каждый раз эволюция словно взбиралась на вершины разной высоты. Например, если присмотреться к устройству человеческого глаза, выяснится, что светочувствительные клетки на его задней стенке установлены, можно сказать, задом наперед.

Глаз можно сравнить с цифровой камерой: свет проникает через маленькое отверстие спереди, фокусируется линзой и проецируется на заднюю стенку глаза. Отдельные рецепторы определяют, попал ли на них свет, и по электрическим проводам передают эту информацию в компьютер для обработки. Роль проводов играют нейроны, проводящие электрические сигналы, а роль компьютера — наш мозг. Любопытно, что та часть мозга, которая расшифровывает сигналы от глаза, — зрительная кора — расположена в самой дальней от глаза точке, в затылочной области. Более того, сигналы от левого глаза идут в правое полушарие мозга, и наоборот. Все это довольно странно, но я отвлекся.

Самая странная особенность устройства глаза — это то, как в нем проложены нервные «провода» между рецепторами и «процессором». Логично было бы пустить их позади рецепторов — именно так сделано в цифровых камерах. Но у нас все иначе. Рецепторы установлены задом наперед, а нервные волокна идут от них сначала к передней части глаза и только потом собираются в общий пучок. Этот пучок проходит сквозь заднюю стенку глаза и направляется к мозгу. Из-за такой конструкции в нашем глазу появляется слепое пятно (центральная ямка) — место, где пучок нервных волокон проходит через сетчатку.

Важно отметить, что не все глаза устроены так неудачно. Например, глаз осьминога, по сути, такой же, как наш: один хрусталик, рецепторы на задней стенке, пучок нервных волокон, передающих сигналы от рецепторов к мозгу. Но «проводка» у осьминога идет как полагается — позади рецепторов, поэтому никакого слепого пятна нет. Похоже, когда эволюция создавала глаз осьминога, ей удалось забраться на более высокую гору.

Как решить проблему перепрыгивания между пиками — то есть как добраться от хорошего решения до лучшего, не сделав ни шагу вниз? Что ж, иногда эволюция действует не как любитель-самоучка. Порой мутации создают по-настоящему большие изменения, совершая гигантские прыжки с горы на гору. У мух, например, из-за особенностей их развития появляются удивительные мутанты с ногами на месте усиков (ген, отвечающий за это, назвали Antennapedia, от слова pes — «нога»). Так что серьезные мутации действительно случаются, особенно в процессе развития организма. В 1930-х годах даже возникла гипотеза, что эволюция движется вперед именно благодаря таким «перспективным монстрам». Мутации с сильным эффектом, конечно, существуют, но становятся ли они двигателем эволюционных изменений — или только создают странных мух в лабораториях — пока неясно. Зато другое очевидно: правила развития видов ограничивают набор форм, которые могут возникнуть. И эти правила лучше объясняют отсутствие одних форм в природе, чем присутствие других.

Например, еще никто не встречал детеныша без отца среди млекопитающих. У птиц, рыб, амфибий, рептилий и других групп животных такое случается, но только не у млекопитающих. У птиц это редкость, зато у некоторых видов рыб и рептилий бесполое размножение — обычное дело.

По всей видимости, нам удалось понять, в чем заключается особенность млекопитающих. У нас работает геномный импринтинг — необычный механизм считывания примерно 100–200 генов на ранних стадиях развития эмбриона, которого нет у других животных. Хотя каждый ген присутствует в двух копиях на 22 парах неполовых хромосом, некоторые из них работают только в материнской версии, а другие — только в отцовской. Когда вы были эмбрионом в утробе матери, ген инсулиноподобного фактора роста 2, например, считывался исключительно с ДНК, полученной от отца. Логично, что, если хотя бы один из генов, работающих только в отцовской версии, кодирует жизненно важный белок, эмбрион без отцовских копий просто не сможет развиваться. Вот почему у млекопитающих не бывает детенышей без отцов. Именно эта особенность создала главную проблему при клонировании млекопитающих — овечка Долли стала первым успехом после многих неудач. А вот клонирование жаб освоили гораздо раньше, и оно, в отличие от клонирования млекопитающих, технически довольно простое.

Идею о том, что некоторые особенности развития организма делают невозможным появление определенных его вариантов, называют концепцией ограничения развития. Важно понимать: это не то же самое, что ситуация, когда, скажем, бесполое размножение возможно, но естественный отбор благоприятствует половому. В последнем случае речь идет об обычном естественном отборе.

Похожее правило объясняет еще одну загадку: почему у всех видов многоножек нечетное число сегментов туловища. Количество сегментов варьирует от вида к виду — от 15 до 191, но оно всегда нечетное. Можно было бы предположить, что естественный отбор почему-то сильно благоприятствует нечетным числам. Но, скорее всего, дело в том, что из-за особенностей развития мутации могут создавать только особей с нечетным числом сегментов. И похоже, это действительно так. При развитии многоножки сегменты формируются блоками по два. Мутации, меняющие число сегментов, добавляют или убирают целые блоки, то есть изменяют количество сегментов на четное число. Но есть исключение: головной блок всегда состоит из одного сегмента. Поэтому многоножки изначально имеют нечетное число сегментов. А поскольку прибавлять или убавлять можно только по два, общее число всегда остается нечетным. И даже если четное число сегментов давало бы какие-то преимущества, естественный отбор не смог бы поддержать признак, который мутации просто неспособны создать.

В других случаях набор возможностей ограничен не тем, что может возникнуть в принципе, а тем, что может возникнуть и при этом выжить. Возможно, именно это объясняет одну странную закономерность. Вы когда-нибудь разглядывали скелет длинношеего динозавра? Сравните его с шеей жирафа — и заметите кое-что любопытное. У млекопитающих, от крошечной землеройки до жирафа с его длиннющей шеей, почти всегда одинаковое количество шейных позвонков — семь (есть редкие исключения вроде ленивцев и ламантинов). Чтобы удлинить шею, млекопитающие увеличивают размер позвонков. А вот динозавры (как и птицы с другими рептилиями) поступали иначе: они увеличивали число шейных позвонков.

Почему же млекопитающие не удлиняют шею, просто добавляя позвонки? Ответ прост: в отличие от четного числа сегментов у многоножек или бесполого размножения у млекопитающих, лишние позвонки в принципе возможны, но детеныши с ними просто не выживают. У них сразу начинаются серьезные проблемы: резко растет риск рака, учащаются мертворождения, возникают неполадки с нервной системой. Почему так происходит, до конца непонятно, но мы знаем, что гены, отвечающие за формирование позвоночника, заодно регулируют клеточное деление. Похоже, мутация, дающая дополнительный шейный позвонок, автоматически приводит к развитию рака. А вот почему рептилии и птицы могут спокойно наращивать позвонки — загадка. Хотя, возможно, дело в том, что они вообще реже болеют раком.

Это один из множества примеров общего правила: в живом организме зачастую нельзя изменить что-то одно, не затронув что-нибудь другое. Причина в том, что гены и кодируемые ими белки либо выполняют сразу несколько разных функций, либо одну и ту же функцию, но в разных тканях организма. Например, у человека есть ген, отвечающий за синтез белка, который превращает одну аминокислоту (фенилаланин) в другую (тирозин). Мутации в этом гене нарушают процесс превращения и приводят к заболеванию, известному как фенилкетонурия. Поскольку это превращение важно для многих тканей, болезнь проявляется сразу в нескольких симптомах: умственной отсталости, нарушениях пигментации и экземе. Похожий пример можно найти у кур — мутация, из-за которой их перья становятся курчавыми (ген получил название Frizzled), одновременно влияет на температуру тела, пищеварение и яйценоскость. У людей и кошек также известны мутации, воздействующие сразу и на слух, и на пигментацию.

У этого явления — когда изменение в одной части системы тянет за собой изменения в другой — есть особое научное название: плейотропия. Правда, сам термин не так прост и однозначен, как может показаться. В медицине его используют для описания ситуаций, когда одна и та же мутация вызывает разные заболевания у разных людей. А вот биологи-эволюционисты обычно имеют в виду ситуацию, когда у одного и того же организма проявляется сразу несколько различных признаков.

У более сложных видов плейотропия может тормозить эволюцию. Логика проста: чем сложнее организм — то есть чем больше в нем разных частей и систем, — тем выше шанс, что мутация, улучшая работу одной части, навредит другим. Биологи называют это явление платой за сложность. Впрочем, насколько существенна эта плата, вопрос пока открытый. Цзяньчжи Чжан с коллегами из Мичиганского университета проанализировал данные о многочисленных мутациях у дрожжей, червей и мышей. Оказалось, что у них в большинстве случаев одна мутация затрагивает только один признак.

То, насколько важна плейотропия для эволюции, во многом зависит от причин, по которым одна мутация влияет сразу на несколько признаков. Иногда плейотропия объясняется обычными законами физики и особо не связана с работой генов. Возьмем, к примеру, ограниченность ресурсов при размножении: вы можете произвести на свет либо много мелких детенышей, либо несколько крупных, но никак не много крупных. Точно так же, располагая небольшой суммой, вы можете купить на бирже либо несколько дорогих акций, либо много дешевых, но никак не много дорогих. Такие ситуации называются компромиссами.

Неспособность производить на свет множество крупных детенышей можно считать несовершенством. Но даже если это и правда несовершенство, эволюция здесь бессильна. Другое дело, когда плейотропия возникает из-за особенностей устройства биологической системы, — в этом случае теоретически система может быть перестроена.

Пожалуй, один из самых интересных примеров несовершенства, где проявляются подобные эффекты, — это старение, или, выражаясь научным языком, сенесценция: постепенное угасание жизненных функций с возрастом. Согласно общепринятой теории, невозможно быть в расцвете сил в молодости и в старости — как невозможно производить на свет множество крупных детенышей. И действительно, у плодовых мушек особи с высокой плодовитостью в молодом возрасте, как правило, живут меньше.

Помимо плейотропии, в эволюции старения важную роль играет еще один фактор: естественный отбор не может поддерживать мутации, улучшающие работу организма в глубокой старости. Причина проста: из-за неконтролируемых причин смерти, которые биологи называют смертностью из-за внешних факторов, лишь немногие особи доживают до преклонного возраста. Представьте, например, мутацию, которая обеспечивает идеальное зрение в 200 лет, — она не получит никакого преимущества перед мутацией, дающей такое же зрение в 150 лет, ведь никто не доживает даже до 150. Если обобщить: мутации, которые проявляются только в старости (после репродуктивного возраста), — неважно, полезные они или вредные — просто невидимы для естественного отбора. А вот мутации, которые помогают молодым особям, пусть даже во вред старикам, вполне могут закрепиться в популяции.

Как же естественный отбор определяет скорость старения разных видов? Если мы говорим о человеке и других видах, у которых с возрастом шансы погибнуть из-за внешних факторов растут, то для нас эволюция выбрала стратегию быстрой жизни и ранней смерти. Впрочем, для разных видов эта формула работает по-разному. Вот, например, австралийское сумчатое животное антехинус, похожее на мышь. Из-за сезонной нехватки пищи в засушливый период у него практически нет шансов дожить до следующего сезона размножения после того, как оно произвело потомство. Антехинусы стареют примерно так же, как мы, но их старение укладывается всего в несколько часов или дней после размножения. У самцов отсчет начинается после спаривания, у самок — после того, как детеныши перестают нуждаться в молоке. Они живут быстро и умирают очень рано.

А вот с крупными хвойными деревьями все наоборот — ученые до сих пор спорят, стареют ли они вообще в привычном нам смысле. Конечно, они становятся старше — каждый год добавляет новое кольцо к их стволу. Но если дерево доживает до следующего сезона размножения, оно может произвести даже больше потомства (в виде семян), чем годом ранее, — просто потому, что так устроен его рост (что вполне логично для дерева). Те же эволюционные правила подталкивают их к тому, чтобы продолжать вкладывать силы в поддержание жизни, поэтому они либо вовсе не проявляют признаков возрастного угасания, либо стареют намного медленнее нас. Присмотритесь в следующий раз к большой сосне. Поразительно, насколько здоровыми часто выглядят старые деревья.

Говорим ли мы об ограничениях развития, плейотропии или компромиссах — суть не меняется: некоторые совершенные состояния просто недостижимы, потому что либо такие изменения в принципе невозможны, либо они неизбежно влекут за собой нежелательные последствия. Все тяготы старения, которые нам приходится переносить, возможно, и есть лучшее, что смог создать естественный отбор в условиях, когда нельзя получить все и сразу.

Мы рассмотрели множество механизмов, объясняющих, почему эволюция приводит к несовершенствам. И если взглянуть на общую картину, мы как вид устроены совсем неплохо — многие наши кажущиеся недостатки правильнее рассматривать как элементы различных жизненных циклов. Каждый вид находит свое оптимальное решение (биологи называют это стратегиями жизненного цикла). По сравнению с антехинусом мы настоящие долгожители: наши библейские 70 лет сопровождаются постепенным угасанием, а не стремительной смертью, как у этого крошечного сумчатого. У него просто нет времени жаловаться на больную спину и колени. Другое дело — если сравнить нас с гигантскими секвойями: тут мы явно проигрываем по всем статьям.

По некоторым параметрам люди, как и млекопитающие в целом, в числе самых эффективных размножающихся существ. Судите сами: поскольку численность популяций в среднем остается стабильной, каждая человеческая пара производит в среднем двух потомков, доживающих до репродуктивного возраста. А вот лосось откладывает примерно 5000 икринок, из которых 4998 никогда не станут родителями. Представьте, что было бы, если бы у каждого лосося в каждом поколении выживала хотя бы половина оплодотворенной икры, — планета в считаные сроки оказалась бы переполнена лососями! У нас же смертность до размножения (то есть доля особей, не доживающих до репродуктивного возраста) должна быть намного ниже хотя бы потому, что за всю жизнь женщина производит не более 500 яйцеклеток. Если говорить о смертности в единицу времени, такие виды, как плодовые мушки, демонстрируют высокие показатели — они просто живут слишком мало. Поколение мух вымирает целиком задолго до того, как человеческого младенца отлучат от груди. По этим меркам мы снова выглядим весьма неплохо. Получается, что быстро живущие виды с огромным количеством потомства неизбежно имеют гораздо более высокую смертность, чем мы, — с какой стороны ни посмотри.

Впрочем, я вовсе не собираюсь устраивать соревнование среди живых организмов и оценивать каждый вид по шкале совершенства. Это значило бы упустить очевидное: любой вид прекрасно адаптирован к своим условиям жизни, включая и уровень внешней смертности, и анатомические особенности, и многое другое. В самом деле, если взять за критерий эволюционного успеха количество потомков, доживающих до размножения, то в первом приближении все виды окажутся равны. Больше двух выживших — и вид будет бесконечно расти численно, что невозможно; меньше — и он двинется к вымиранию, а значит, скорее всего, просто не доживет до наших дней. Как говорится, каждому свое. Антехинус прекрасно устроился в своей экологической нише, а гигантские секвойи — в своей. Конечно, интересно разобраться в их биологии и понять, как эволюционируют разные жизненные циклы, но в конечном счете бессмысленно утверждать, что какой-то вид лучше других.

Так насколько же в действительности несовершенен человек? Вопрос о том, считать ли наши особенности несовершенствами, не самый важный. Гораздо существеннее то, что даже с учетом всего сказанного выше некоторые наши черты все еще требуют объяснения и намекают на то, что мы пока не до конца понимаем процесс эволюции.

Рассматривая эволюцию человека в частности (и млекопитающих в целом), мы видим, что в некоторых аспектах нашей биологии — и особенно генетики — эволюция обернулась вспять. Прогресс принялся маршировать в обратную сторону.

Большинство других видов предпочитает использовать самый эффективный стоп-кодон, а мы почему-то выбрали наименее удачный. Бóльшая часть нашей ДНК не кодирует белки, тогда как у наших далеких предков почти вся ДНК явно выполняла какую-то функцию. Мы часто производим эмбрионы с неправильным числом хромосом, чего не происходит у наших относительно близких родственников — рыб. А еще, как мы увидим дальше, у нас один из самых высоких показателей мутаций, а значит, и генетических заболеваний.

Наша неспособность производить нормально оплодотворенные эмбрионы выглядит еще более странной на фоне других видов. В самом деле, будто логичнее было бы встретить высокий процент генетических дефектов у лосося, ведь из его 5000 икринок 4998 все равно погибнут. Однако у него практически не бывает икринок с неправильным набором хромосом, а у нас такие случаи — обычное дело. Да и уровень вредных мутаций у нас, похоже, выше, чем у них.

Конечно, остается вопрос: что же тогда мешает тем самым 4998 икринкам лосося дожить до возраста размножения? Учитывая, что у рыб гораздо меньше мутаций и ошибок в распределении хромосом, причина, похоже, не в генетике. Например, у лабораторных рыб данио-рерио пик смертности приходится на момент перехода к самостоятельному питанию: не поймал добычу — погиб. А сами эмбрионы при этом вполне здоровые.

Эти странности нашей генетики нельзя просто так списать со счетов, назвав их условными несовершенствами или альтернативной стратегией, оптимальной для нашей экологической ниши. Лучшие варианты существуют — просто мы к ним не пришли.

Ни одно из приведенных выше объяснений не помогает понять природу этих особенностей. Их нельзя списать на ограничения развития — ведь механизмы, отвечающие за производство половых клеток, обработку генов, копирование ДНК и прочие процессы, у нас примерно такие же, как у других видов. Не похоже это и на проблему неподходящей среды обитания — хотя бы потому, что те же сложности испытывают и другие млекопитающие. Не подходит сюда и модель прыжков между пиками приспособленности — скорее наоборот, похоже, что мы движемся под уклон. Получается, что мы вовсе не венец эволюции, а скорее пример некоторого регресса. И если виды, производящие огромное количество потомков, из которых выживают единицы, существуют благодаря такой жизненной стратегии, то мы выживаем вопреки нашим особенностям.

Похоже, мы упускаем из виду какой-то важный аспект эволюции. Дальше я попробую объяснить, почему мы — как и все млекопитающие — устроены именно так. По большому счету все сводится к двум факторам: крупным размерам тела и наличию матки. У крупных видов популяции немногочисленны, а в малых популяциях совершенствующая сила естественного отбора работает куда слабее. Тем временем наличие матки и необходимость постоянно кормить детенышей — сначала в утробе, потом после рождения — создает массу проблем. В том числе, как ни парадоксально, некоторым генам становится выгодно портить процесс производства половых клеток. Если смотреть на вопрос с этой точки зрения, просто удивительно, что мы вообще существуем.

Однако прежде чем двигаться дальше, нам нужно еще раз разобраться в том, как работает естественный отбор. Поняв этот механизм, мы сможем объяснить, почему отбор не единственная движущая сила эволюции и почему он не всегда делает организмы совершеннее их предков. Об этом пойдет речь в следующей главе.