Глава 4. Эволюция генов

Самой благодатной сферой для проявления современного невежества является область исследований, связанных с происхождением жизни. При всей достоверности, с которой биологи могут проследить происхождение сложных органов и организмов из простых протоклеток, происхождение самих этих протоклеток до сих пор скрыто во тьме. А когда люди чего-то не знают, они часто прибегают к объяснениям мистического толка. Когда молекулярный биолог Фрэнсис Крик, самый знаменитый материалист среди всех ученых, в 1970-х гг. начал рассуждать на тему «панспермии» (представлении о том, что жизнь была перенесена на Землю из космоса в виде микробных спор), многие сочли, что он становится мистиком. На самом деле, он говорил лишь о вероятности развития событий: учитывая возраст Земли по сравнению с возрастом всей Вселенной, вполне вероятно, что жизнь сначала зародилась на какой-то другой планете и распространилась оттуда в другие звездные системы. Но даже сам Крик понимал невозможность разрешения проблемы.

Жизнь заключается в противостоянии хаосу и росту энтропии (хотя бы в локальном масштабе) – в использовании информации для создания порядка из хаоса за счет расхода энергии. В осуществлении этих процессов важнейшую роль играют молекулы трех типов – ДНК для хранения информации, белки для создания упорядоченных структур и АТФ в качестве энергетической валюты. Как эти три фактора пришли в соответствие между собой – загадка, сравнимая с загадкой о происхождении курицы и яйца. ДНК нельзя создать без помощи белков, но и белки не могут возникнуть без ДНК. Что же касается энергии, каждое поколение бактерий использует такое количество АТФ, которое в 50 раз превышает собственную массу клеток. А ранние формы жизни должны были быть еще более расточительными, поскольку не имели современных молекулярных механизмов для сбора и хранения энергии. Откуда они брали необходимое количество АТФ?

По-видимому, тем «подъемным краном», который соединил между собой эти три элемента, были молекулы РНК, которые и по сей день выполняют в клетках множество важнейших функций и способны как хранить информацию, подобно ДНК, так и катализировать реакции, подобно белкам. Более того, РНК состоит из таких же оснований (рибозы с фосфатными группами), как и АТФ. По этой причине одна из наиболее распространенных теорий о возникновении жизни утверждает, что все началось с «мира РНК», в котором живые существа состояли из РНК, содержали гены на основе РНК и использовали элементы РНК в качестве энергетической валюты. Проблема в том, что даже такая система настолько дьявольски сложна, что трудно себе представить ее возникновение «с нуля». Как, например, эта система избежала рассеивания: как она удерживала все составляющие ее элементы и концентрировала энергию, не имея границ, подобных мембранам современных клеток? В «маленьких теплых прудах», которые Дарвин считал местом зарождения жизни, такие системы рассеивались бы слишком быстро.

Но не сдавайтесь! Действительно, до недавнего времени происхождение «мира РНК» казалось столь неразрешимой задачей, что давало почву мистицизму. В 2011 г. в журнале Scientific American Джон Горган опубликовал статью под заголовком «Тс-с! Не говорите креационистам, но ученые не знают, как зародилась жизнь».

Но сегодня, спустя лишь несколько лет, у нас есть кое-какие идеи на этот счет. Анализ последовательностей ДНК показывает, что в самом основании генеалогического дерева жизни находятся простые клетки, которые не сжигают углеводы, как мы, но эффективно заряжают свои электрохимические «батарейки», превращая углекислый газ в метан или ацетат. Если вы сегодня захотите отыскать химическую среду, которая находилась внутри этих самых первых микробов, загляните на дно Атлантического океана. В 2000 г. вблизи Срединно-Атлантического хребта ученые обнаружили гидротермальные источники, которые очень сильно отличаются от тех, что были найдены ранее в других участках морского дна. Вместо горячей и кислой жидкости, испускаемой так называемыми черными курильщиками, источники этой области, получившей название «Потерянный город» (Lost City), испускают тепловатую, слегка щелочную жидкость и сохраняются на протяжении десятков тысяч лет. Биологи Ник Лейн и Билл Мартин занялись сравнением жидкости, вытекающей из этих источников, с внутриклеточной жидкостью хемиосмотических клеток и обнаружили удивительное сходство методов запасания энергии. В частности, клетки запасают энергию путем перекачивания через мембраны заряженных частиц, обычно ионов натрия или водорода, что создает на мембране электрический потенциал. Это универсальное и очень важное свойство всех живых существ, однако, как выяснилось, оно могло быть позаимствовано у подводных источников, таких как источники «Потерянного города».

Четыре миллиарда лет назад океан был кислым, насыщенным углекислым газом. При контакте щелочной жидкости из источников с кислой океанской водой на тонких стенках источников, состоящих из соединений железа, никеля и серы, возникал градиент протонов. Величина этого градиента примерно такая же, как на мембранах современных клеток. Внутри минеральных пор источников химические вещества попадали в богатое энергией пространство, что могло способствовать образованию более сложных молекул. Эти молекулы постепенно начали воспроизводить сами себя за счет энергии градиента протонов и оказались включенными в игру, в которой выживает наиболее приспособленный. А дальше, как сказал бы Дэниел Деннет, сработал алгоритм. Короче говоря, мы вплотную подошли к решению загадки о происхождении жизни.

Как я заметил выше, отличительным признаком жизни является способность захватывать энергию и применять ее для создания упорядоченных систем. Таков же признак цивилизации. Как люди используют энергию для построения зданий, приборов и идей, так гены употребляют энергию для создания белков. Размер бактерии ограничен количеством энергии, приходящейся на каждый ген. Дело в том, что энергия накапливается в клеточной мембране за счет перекачивания протонов, а чем крупнее клетка, тем меньше отношение ее площади поверхности к объему. Бактерии, которые имеют настолько крупный размер, что видны невооруженным глазом, содержат внутри себя гигантские пустые вакуоли.

Однако в какой-то момент, примерно через 2 млрд лет после зарождения жизни, стали возникать гигантские клетки со сложными внутренними структурами. Мы называем такие клетки эукариотами. К ним относятся животные, растения, грибы и простейшие.

Ник Лейн утверждает, что эукариоты возникли в результате того, что группа бактерий поселилась внутри клетки археи (микроба особого типа). Позднее потомки этих бактерий превратились в митохондрии, производящие необходимую клетке энергию. Каждую секунду тысячи триллионов митохондрий человеческого организма перекачивают через свои мембраны миллиард триллионов протонов, накапливая электрическую энергию, необходимую для синтеза белков, ДНК и других крупных молекул.

Митохондрии по-прежнему сохранили несколько своих генов, но совсем немного (13 в клетках человека). Упрощение их генома было вызвано жизненной необходимостью. Это позволило вырабатывать гораздо больше дополнительной энергии для нужд «нашего» генома, и именно это позволяет нам иметь сложные клетки, сложные ткани и сложные тела. В результате у нас, эукариотов, в десятки тысяч раз больше энергии в расчете на один ген, чем у бактерий, и наши гены отличаются гораздо более высокой продуктивностью. Поэтому у нас гораздо более крупные клетки и более сложные внутриклеточные структуры. Мы преодолели предел размера бактериальных клеток, упаковав множество митохондриальных мембран и упростив геном, необходимый для поддержания функции этих мембран.

Странным образом, этот процесс имеет аналогию в промышленной революции/эволюции. В аграрных сообществах семья выращивала ровно столько еды, столько нужно было, чтобы прокормиться, но никаких излишков не оставалось. Так что лишь немногие люди могли иметь дворцы, бархатные куртки, богатые доспехи или что-то еще, для изготовления чего требовалась дополнительная энергия. Приручение крупного рогатого скота и лошадей, а также использование силы ветра или воды позволило получать несколько больше энергии, но не слишком много. Применение древесины в этом смысле не приносило пользы – дерево давало тепло, но не помогало совершать работу. Поэтому общество владело лишь ограниченным капиталом. С началом промышленной революции люди получили практически неисчерпаемый источник энергии в виде угля. Угольные шахты, в отличие от крестьянских хозяйств, производили намного больше энергии, чем потребляли. И чем больше было угля, тем эффективнее велась работа. С появлением первых паровых двигателей был разрушен барьер между теплом и работой, так что энергия угля могла усиливать работу человека. Как при эволюции эукариот внезапно увеличилось количество клеточной энергии в расчете на каждый ген, так в ходе промышленной революции внезапно выросло количество энергии, приходящейся на каждого рабочего. И с помощью этой дополнительной энергии, как утверждает экономист в области энергетики Джон Констебл, люди стали строить дома, машины, компьютеры и различные приспособления – появился капитал, обогащающий нашу жизнь. Избыток энергии абсолютно необходим для жизни современного общества, это признак благосостояния. Американец потребляет примерно в десять раз больше энергии, чем нигериец, то есть он в десять раз богаче. Как писал Уильям Стенли Джевонс, «с углем почти все просто и возможно, без него мы возвращаемся к тяжелому труду и бедности прежних времен». Как эволюция производства энергии эукариотами, так и эволюция производства энергии в ходе индустриализации были явлениями незапланированными.

Однако я отвлекся. Вернемся к геному. Геном – цифровая компьютерная программа невероятной сложности. Малейшая ошибка может изменить характер или степень экспрессии 20 тыс. генов (у человека) или повлиять на взаимодействие сотен тысяч контрольных последовательностей, включающих и выключающих различные гены, и в результате привести к ужасным деформациям или вызвать болезнь. Но у большинства из нас эта компьютерная программа непостижимым образом работает практически без сбоев на протяжении 70 или 80 лет.

Только представьте себе, какие события ежесекундно происходят в нашем организме. Наше тело состоит примерно из 10 трлн клеток (не считая бактерий, составляющих значительную часть человеческого тела). В любой момент времени все эти клетки транскрибируют тысячи генов. В этом процессе задействованы сотни белков, взаимодействующих специфическим образом и катализирующих десятки химических реакций для каждого из миллиона оснований ДНК. На основании каждого транскрипта синтезируется молекула белка, состоящая из сотен или тысяч аминокислот. Происходит это на рибосомах – молекулярных машинах, состоящих из десятка движущихся частей и способных катализировать множество химических реакций. Далее белки распределяются по клеткам и за их пределами, чтобы ускорять реакции, переносить другие молекулы, передавать сигналы и осуществлять структурную функцию. Миллионы триллионов этих невероятно сложных событий ежесекундно происходят в нашем теле, поддерживая в нем жизнь, и лишь совсем немногие из них – неправильно. Это можно сравнить с мировой экономикой в миниатюре, только данный механизм гораздо сложнее.

Трудно избавиться от мысли, что компьютер может выполнять подобную программу только при помощи программиста. На начальных этапах реализации проекта по секвенированию генома человека генетики говорили о так называемых мастер-генах, отдающих команды подчиненным генам. Но никаких таких особых генов не существует, не говоря уже о разумном программисте. Вся эта система не только складывалась постепенно в ходе эволюции, но и действует по демократическому принципу. Каждый ген играет свою небольшую роль, и нет таких генов, которые «понимали» бы общий план действий. И все же в результате этого множества точных взаимодействий складывается невероятно сложная и упорядоченная картина. Трудно найти другую столь же яркую иллюстрацию справедливости идеи Просвещения: порядок может возникать самопроизвольно, без внешней помощи. Геном, теперь уже прочитанный, является выразительным доказательством того, что порядок и сложность могут существовать без внешнего руководства.

Допустим, я убедил вас в том, что эволюция не направляется свыше, а является самоорганизующимся и не имеющим цели процессом. Можно сказать, например, что кукушонок выталкивает из гнезда яйцо своих приемных родителей, чтобы монополизировать их внимание, но данная идея никогда не существовала в голове кукушонка или в голове его создателя. Она существует в голове у нас с вами, но только постфактум. Тело и его поведение имеют множество, казалось бы, бесполезных функций, которые не были запланированы заранее. Думаю, вы согласитесь, что такая модель применима и к человеческому геному. Гены, отвечающие за свертывание крови, нужны для синтеза белков системы свертывания крови, необходимой для заживления ран, но наличие данной функции не подразумевает наличия разумного создателя, предвидевшего необходимость свертывания крови.

Но я вынужден вам сообщить, что мы продвинулись недостаточно далеко. Бог – не единственный «небесный крюк». Даже атеистически настроенный ученый, анализируя детали устройства генома, начинает склоняться к мысли о контроле и регуляции. Вот пример такого размышления: гены – это рецепты, которые спокойно ожидают использования поваром, то есть телом. Гены должны служить общим нуждам всего организма в целом, и они покорно исполняют эту функцию. Данное допущение вы найдете в любом описании генетических процессов, включая те, что сделаны мной самим, однако такое утверждение ошибочно. Точнее говоря, оно перевернуто с ног на голову. Тело является игрушкой генов, их полем битвы не в меньшей степени, чем предметом их заботы. Когда кто-то спрашивает, для чего нужен тот или иной ген, он автоматически подразумевает, что вопрос касается нужд организма в целом: какова функция гена в реализации функции организма в целом? Но во множестве случаев ответ таков: для самого гена.

Первым на это обратил внимание Ричард Докинз. Задолго до того, как все узнали о его атеистических взглядах, Докинз уже прославился благодаря идеям, изложенным в книге «Эгоистичный ген». «Мы всего лишь машины для выживания, самоходные транспортные средства, слепо запрограммированные на сохранение эгоистичных молекул, известных под названием генов. Эта истина все еще продолжает меня изумлять». Докинз заявил, что единственный способ понять функционирование организма заключается в том, чтобы рассматривать его в качестве смертного и временного носителя, необходимого для эффективного сохранения бессмертной цифровой информации, записанной в ДНК. Молодой олень рискует жизнью в схватке с другим самцом, олениха расходует запасы кальция на производство молока для детеныша – все это не для того, чтобы сохранить собственное тело, но чтобы передать гены следующему поколению. Таким образом, эта теория вовсе не проповедует эгоизм, а объясняет наш альтруизм: эгоизм генов позволяет живым существам быть бескорыстными. Пчела жалит животное, угрожающее улью, и погибает за родину (за улей), а гены продолжают жить – в данном случае они передаются не напрямую, а через королеву пчел. Гораздо логичнее рассматривать тело как устройство, обеспечивающее функцию генов, а не наоборот. Снизу вверх.

Один абзац из книги Докинза, на который сначала не обратили особого внимания, кажется мне весьма важным. Докинз пишет следующее:

«Половое размножение – не единственный кажущийся парадокс, который становится менее запутанным, как только мы подходим к нему с позиций эгоистичного гена. Кажется, например, что организмы содержат в себе гораздо больше ДНК, чем это им необходимо: значительная часть ДНК никогда не транслируется в белок. С точки зрения индивидуального организма это представляется парадоксальным. Если “предназначение” ДНК состоит в том, чтобы надзирать за построением организма, то очень странно, что значительная ее часть не принимает в этом участия. Биологи ломают себе голову, пытаясь понять, какую полезную функцию несет эта, казалось бы, избыточная ДНК. Однако с точки зрения самих эгоистичных генов в этом нет никакого парадокса. Истинное “предназначение” ДНК состоит в том, чтобы выжить – не больше и не меньше. Проще всего объяснить наличие избыточной ДНК, предположив, что это некий паразит или в лучшем случае неопасный, но бесполезный пассажир, попросивший подвезти его в машине выживания, созданной остальной ДНК».

Одним из тех, кто обратил внимание на это высказывание и начал его обдумывать, был химик из Института Солка в Калифорнии Лесли Оргел. Он сообщил об этом Фрэнсису Крику, а тот, в свою очередь, отразил эту информацию в статье об удивительном открытии «расщепленных генов»: большинство генов растений и животных содержат длинные последовательности ДНК (интроны), которые вырезаются после транскрипции. Затем Крик и Оргел написали статью, в которой объясняли роль избыточной ДНК в рамках теории эгоистичного гена. К аналогичному выводу в это же время пришли молекулярные биологи из Канады Форд Дулиттл и Кармен Сапиенца. Сапиенца, в частности, писала: «Последовательности, единственной “функцией” которых является самосохранение, неизбежно возникают и сохраняются [в геноме]». Эти две статьи были опубликованы одновременно в 1980 г.

Выходит, что Докинз был прав. Что же предсказывает его теория? Что избыточная ДНК обладает способностью удваиваться и встраиваться в хромосомы. Эврика! В человеческом геноме содержится ген обратной транскриптазы – фермента, в котором человеческий организм нуждается очень слабо или не нуждается вовсе и основная функция которого заключается в распространении ретровирусов. Однако в геноме содержится больше полных и частичных копий этого гена, чем всех остальных человеческих генов вместе взятых. Почему? Потому что обратная транскриптаза – важнейшая часть любой ДНК, которая может копировать саму себя и распространять свои копии по геному. Это паразитическая ДНК. Большинство из ее копий сегодня неактивны, а некоторые используются для благих дел – помогают в регуляции генов или связывании белков. Но они содержатся в геноме просто по той причине, что они там оказались.

«Небесный крюк» в данном случае – нечто вроде локковского способа мышления: благо для человека – это благо для человеческого тела. Проницательный Докинз продемонстрировал возможность мыслить иначе – с точки зрения того, как ведет себя ДНК, если ей это позволено. Примерно половину генома человека составляют так называемые подвижные элементы, использующие обратную транскриптазу. Вот самые известные из них: LINE (17 % генома), SINE (11 %) и LTR ретротранспозоны (8 %). «Настоящие» гены, напротив, составляют лишь 2 % генома. Транспозоны занимаются тем, что воспроизводят себя, и у нас не осталось ни капли сомнения в том, что это генетические паразиты (почти полностью инертные). Они находятся здесь совсем не из-за того, что нужны организму.

Здесь имеет место близкая аналогия с компьютерными вирусами, которых еще не было в тот момент, когда Докинз сформулировал концепцию генетических паразитов. Транспозоны одного вида, SINE, по-видимому, являются паразитами паразитов, поскольку используют для распространения другие, более длинные последовательности. Предпринимаются героические попытки объяснить их существование (например, предполагается, что они обеспечивают разнообразие геномов, которое когда-нибудь может породить полезную новую мутацию), но истина заключается в том, что гораздо чаще они случайным образом нарушают последовательности генов.

Понятно, что такие эгоистичные последовательности ДНК могут распространяться в геноме лишь по той причине, что небольшая часть генома осуществляет гораздо более конструктивную работу – строит тело, которое растет, обучается и адаптируется к своему физическому и социальному окружению, привлекает партнера и производит потомство. И тут эгоистичная ДНК заявляет: «Большое спасибо, теперь мы можем занять еще и половину генома ребенка».

В настоящий момент не существует другого объяснения столь невероятно высокого содержания транспозонов в человеческой ДНК, кроме как с помощью теории эгоистичной ДНК. Пока нет никакой другой теории, которая бы соответствовала наблюдаемой картине. Однако критики традиционно отвергают, поносят и «хоронят» данную теорию. Их излюбленным козлом отпущения является выражение «мусорная ДНК» («junk DNA»). Почти невозможно найти статью на данную тему, в которой с удивительной страстью не терзалось бы «дискредитированное» утверждение о том, что часть ДНК в геноме является бесполезной. В 1992 г. Юрген Брозиус и Стивен Джей Гулд писали: «Мы долгое время чувствовали, что теперешнее неуважительное (в профессиональном смысле) использование таких терминов, как “мусорная ДНК” и “псевдогены”, маскировало важнейшую эволюционную концепцию о том, что не использующиеся в настоящий момент признаки могут быть чрезвычайно важны в эволюционном плане в качестве источника будущих изменений». Каждый раз, когда я пишу на эту тему, меня забрасывают наставлениями, порицающими «заносчивость» ученых, осмеливающихся отвергать неизвестные функции ДНК. Мой ответ таков: функции для чего? Для работы организма в целом или для самой последовательности?

Наставительный тон высказываний, касающихся «так называемой» «мусорной ДНК», можно услышать повсеместно. Людям это выражение кажется оскорбительным. Они чувствуют себя ужасно, как защитники веры; это тот самый вариант развития событий снизу вверх, который им так не нравится. Однако, как я покажу далее, выражения «эгоистичная ДНК» и «мусорная ДНК» – очень точные метафоры. Мусор, между прочим, бывает разный.

Из-за чего, в сущности, весь шум? Как я заметил выше, в 1960-х гг. биологи начали замечать, что в клетке содержится намного больше ДНК, чем требуется для производства всех клеточных белков. Даже при невероятно завышенной, как оказалось, оценке числа генов в геноме человека (сначала считалось, что их более 100 тыс., а теперь известно, что их около 20 тыс.) гены и их регуляторные последовательности составляют лишь несколько процентов всей массы ДНК в хромосомах, по крайней мере у млекопитающих. У человека менее 3 % всей ДНК входит в состав генов. Хуже того, выясняется, что человек имеет не самый большой геном или самое большое содержание ДНК. У каких-то ничтожных простейших, репчатого лука и саламандры геномы куда крупнее. Геном кузнечика в три раза больше человеческого, а геном двоякодышащей рыбы – в сорок раз больше! Это загадочное явление, известное под таинственным названием с-парадокс, занимало умы самых выдающихся ученых современности. Один из них, Сусуму Оно, придумал термин «мусорная ДНК», утверждая, что бо́льшая часть ДНК не подвергается естественному отбору, то есть, возможно, не отбирается в ходе эволюции для соответствия функции организма в целом.

Но ведь Оно не назвал эту ДНК «помойной». Как позднее заметил Сидней Бреннер, мусор, или хлам, бывает разным: это могут быть помои, которые больше никак не используются и должны быть выброшены, а иначе стухнут, а могут быть старые вещи, которые не представляют опасности, хранятся на чердаках и, возможно, в один прекрасный день окажутся востребованными. Помои мы сбрасываем в помойные баки, а старые вещи храним на чердаке или в гараже.

И все же сопротивление идее избыточной, лишней ДНК постепенно нарастало. По мере сокращения расчетного числа человеческих генов в 1990-х и 2000-х гг. усиливалось печальное осознание того, что остальная часть генома не нужна (организму в целом). Простота человеческого генома не нравилась тем, кто предпочитал видеть в человеке самое сложное существо на планете. Концепцию «мусорной ДНК» необходимо было разрушить. Казалось, спасением стало открытие генов РНК и многочисленных контрольных последовательностей, регулирующих активность генов. Когда выяснилось, что кроме 5 % генов, специфическим образом защищенных от изменений (то есть одинаковых у человека и родственных видов), существуют еще 4 %, которые тоже несли на себе признаки отбора, престижный журнал Science торжественно объявил: «Мусорной ДНК больше не существует». Непонятно только, куда девался 91 % ДНК?

В 2012 г. кампания по борьбе с «мусорной ДНК» достигла кульминации в виде серии мощных статей, опубликованных гигантским консорциумом ученых ENCODE. Пресса ответила на публикацию этих статей радостными возгласами, приветствовавшими Смерть Мусорной ДНК. Если определять в качестве не «мусорной ДНК» любую ДНК, которая участвует в каких-либо биохимических процессах при нормальной жизнедеятельности, 80 % генома можно признать функциональным (это относится и к опухолевым клеткам, ДНК которых чрезвычайно активна). И все равно у нас остается 20 % ДНК, с которой ничего не происходит. Но существует огромная проблема, связанная с определением «функциональности», поскольку многое из того, что происходит с ДНК, не делается на благо организма, а скорее, служит проявлением химических процессов, направленных на поддержание самой ДНК. Осознав, что зашли слишком далеко, некоторые участники ENCODE стали называть более скромные цифры. Некоторые заявили, что функциональной является лишь 20 % ДНК, но при этом настаивали, что термин «мусорная ДНК» все равно необходимо «полностью удалить из лексикона». Тем самым, как раздраженно ответили Дэн Граур и его коллеги из Университета Хьюстона в начале 2013 г., был изобретен новый вид арифметики, в соответствии с которым 20 % больше 80 %.

Если вам эта ситуация кажется слегка абсурдной, разобраться поможет аналогия. Все согласятся с тем, что функция сердца заключается в перекачивании крови. Именно к этому привел естественный отбор. Но сердце проявляется и по-другому, например, оно увеличивает массу тела, стучит и не дает спадаться перикарду. Но мы же не относим все эти проявления к функциям сердца. Таким же образом периодическая транскрипция и изменение «мусорной ДНК» не означают, что она выполняет в организме какую-то функцию. На самом деле, представители ENCODE утверждали, что геном кузнечика, лука и двоякодышащей рыбы в три, пять или сорок раз сложнее генома человека. Как заметил эволюционный биолог Райан Грегори, любой, кто думает, что может приписать функцию любой букве человеческого генома, должен задать себе вопрос, зачем луку нужен геном в пять раз больше человеческого.

Кто же в этой ситуации хватается за «небесный крюк»? Не Оно, не Докинз и не Грегори. Они говорят, что избыточная ДНК существует, поскольку у организма нет достаточных стимулов, чтобы расчищать свой геномный чердак. (Вы ведь согласитесь, что идея о размножении рухляди у вас на чердаке не вызывает чрезмерного беспокойства.) Бактерии, живущие большими популяциями и стремящиеся опередить соперников по скорости роста, обычно не имеют «мусора» в геноме. У крупных организмов все иначе. И все же многие люди предпочитают такие объяснения, в которых избыточная ДНК имеет какое-то значение для нас, а не для самой себя. Как отмечает Граур, критики идеи «мусорной ДНК» пали жертвой «человеческой склонности видеть значимый рисунок в случайных данных».

Каждый раз, когда я касаюсь темы «мусорной ДНК», я удивляюсь той горячности, с которой ученые и комментаторы объясняют, что я ошибаюсь и что существование этой ДНК уже опровергнуто. Напрасно я говорю о том, что кроме транспозонов в геноме содержится множество «псевдогенов» (ржавеющих остатков мертвых генов), не говоря уже о том, что 96 % транскрибируемой с генов РНК уничтожается до синтеза белка (речь идет о вставочных последовательностях, интронах). Хотя какие-то фрагменты интронов и псевдогенов являются частью контрольных последовательностей, ясно, что основная масса лишь занимает место и их последовательность может изменяться без последствий для всего организма. Ней Лейн утверждает, что даже интроны произошли от паразитических последовательностей ДНК – в тот период, когда клетка археи поглотила бактерию и превратила ее в первую митохондрию, в результате чего геном археи был наводнен последовательностями эгоистичной бактериальной ДНК. Механизм вырезания интронов выдает их бактериальное происхождение.

«Мусорная ДНК» напоминает нам, что геном построен последовательностями ДНК и для последовательностей ДНК, а не телом и не для тела. Тело возникло в результате конкуренции между последовательностями ДНК в борьбе за выживание; тело – это аппарат, с помощью которого геном воспроизводит сам себя. И хотя естественный отбор, приводящий к эволюционным изменениям, далеко не случайный процесс, сами мутации возникают случайным образом. Это слепой процесс проб и ошибок.

Даже генетики издавна сопротивляются идее о том, что мутации – абсолютно случайный процесс, хотя естественный отбор не случаен. Постоянно появляются и исчезают теории, поддерживающие версию направленного возникновения мутаций, и многие именитые ученые периодически склоняются к этой версии даже при отсутствии веских доказательств. В книге «Дорогой мистер Дарвин» молекулярный биолог Гэбби Довер, не прибегая исключительно к теории естественного отбора, пытался объяснить невероятный факт, заключающийся в том, что некоторые многоножки имеют 173 сегмента тела. Его вывод заключался в том, что вероятность выживания и воспроизводства случайным образом собранной многоножки с 346 конечностями низка по сравнению с выживанием многоножки с меньшим числом конечностей. Он считал, что требуются дополнительные объяснения того, как многоножка создает сегменты своего тела. И таким объяснением могла бы быть идея «молекулярного дрейфа», которая в книге Довера отражена весьма расплывчато, но, совершенно очевидно, является результатом «нисходящего» способа мышления. Идея Довера о «молекулярном дрейфе» давно растаяла без следа, а после нее возникло и исчезло множество других теорий о направленном характере мутаций. И ничего удивительного в этом нет: если мутация направленная, значит, ее кто-то направляет, и тут же возникает вопрос, а кто направляет этого направляющего? Кто обладает предвидением, наделяющим ген способностью планировать осмысленную мутацию?

В области медицины понимание эволюции на генетическом уровне одновременно вызывает проблему и предлагает решение. Устойчивость бактерий к действию антибиотиков и устойчивость опухолей к химиотерапевтическим препаратам – типичные проявления дарвиновской эволюции: естественный отбор стимулирует возникновение механизма выживания. Под действием антибиотиков происходит отбор редких мутаций бактериальных генов, которые позволяют клеткам выживать в присутствии лекарств. Появление устойчивости к антибиотикам – эволюционный процесс, и бороться с ней можно только эволюционными методами. Вряд ли стоит надеяться, что кто-то изобретет совершенный антибиотик, не вызывающий лекарственной устойчивости. Нравится нам или нет, мы затеяли гонку вооружений с миром бактерий. Так что теперь нам остается только повторять слова Черной Королевы из «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла: «Ну а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте! Если же хочешь попасть в другое место, тогда нужно бежать по меньшей мере вдвое быстрее!» Поиски нового антибиотика начинаются задолго до того, как предыдущий стал неэффективен.

Как, например, работает иммунная система? Она не только производит наиболее подходящие антитела, какие только может найти, она экспериментирует и эволюционирует в реальном времени. Люди не могут рассчитывать на быструю эволюцию устойчивости к паразитам за счет избирательной гибели чувствительных индивидов, поскольку время жизни каждого поколения слишком велико. Эволюция происходит внутри нашего тела на протяжении суток или часов. Именно для этого нужна иммунная система. Она имеет механизм для рекомбинации различных вариантов белков (что увеличивает их вариабельность) и их быстрой амплификации в случае необходимости. Более того, в геноме есть гены, единственная задача которых, по-видимому, заключается в поддержании максимального разнообразия форм: это гены так называемого главного комплекса гистосовместимости (major histocompatibility complex, MHC). Функция примерно 240 генов MHC состоит в том, чтобы представлять иммунной системе антигены нападающих на организм патогенов и вызывать иммунный ответ. Это самые вариабельные среди всех известных генов. Например, в человеческой популяции существует примерно 1600 версий гена HLA-B (HLA – человеческая версия генов MHC). По некоторым данным, многие животные проделывают значительные расстояния, чтобы найти полового партнера с другим набором генов MHC (что определяется по запаху) и тем самым сохранить или дополнительно усилить вариабельность генов главного комплекса гистосовместимости.

Как бесконечна борьба с микробами – эта эволюционная гонка вооружений, – так бесконечна и борьба с раком. Клетки, претерпевшие опухолевую трансформацию и затем переселяющиеся в другие части тела, подвергаются отбору. Они приобретают мутации, позволяющие им быстрее расти и делиться, игнорировать сигналы остановки роста или самоубийства, обзаводиться кровеносными сосудами, снабжающими опухоли питательными веществами, а также отделяться от исходной ткани и мигрировать. Какие-то из этих мутаций имеются уже в первой опухолевой клетке, но опухоли обычно приобретают новые мутации, что в значительной степени перестраивает их геном. Это масштабный эксперимент, неосознанный поиск новых мутаций методом проб и ошибок.

Весь этот процесс выглядит невероятно планомерным – и злобным. Опухоль «пытается» расти, «пытается» обзавестись кровеносными сосудами, «пытается» распространиться дальше. Но реальная ситуация, конечно же, иная: между клетками опухоли существует конкуренция за ресурсы и жизненное пространство, и выигрывает та клетка, которая приобретает самые полезные в этом смысле мутации. Это прямая аналогия с эволюцией живых организмов. Сегодня раковым клеткам нужны дополнительные мутации – те, что помогут им преодолеть химиотерапию или облучение. Одна из опухолевых клеток организма получает необходимую мутацию, чтобы разрушить лекарство. Остальные опухолевые клетки погибают, но потомки этой клетки постепенно размножаются, и болезнь возвращается. К огромному сожалению, это очень часто происходит при лечении онкологических больных: после первичной ремиссии болезнь возвращается и побеждает. Это эволюционная гонка вооружений.

Чем лучше мы разбираемся в строении геномов, тем больше убеждаемся в справедливости идеи эволюции.