Каждый четвертый житель Земли ведет жизнь, характерную для человеческого рода 6 тыс. лет назад. Таких людей 1,5 млрд - больше, чем все вместе взятое население богатых стран.
Равновесие между точностью и ошибками при самовоспроизведении весьма деликатное. Слишком много ошибок - и организм не может функционировать, слишком мало - и он поступается приспособляемостью. Подобное же равновесие должно быть в организме между устойчивостью и изменчивостью. Оно также помогает объяснить, почему мы все так похожи. Эволюция просто не даст вам слишком сильно измениться - во всяком случае, без того, чтобы стать новым видом. Так что неправильно говорить не только о каком-то определенном, едином для всех геноме человека, но, в известном смысле, даже вообще - о геноме человека. Все мы на 99,9 % одинаковы, но в равной мере можно утверждать, что между всеми представителями рода человеческого нет ничего общего, и это было бы тоже верно.
Все организмы в некотором смысле рабы своих генов. Потому-то лососи, пауки и, можно сказать, бесчисленное множество других существ готовы умереть при спаривании. Страстное желание плодиться, рассеивать свои гены - самый могучий импульс в природе. С эволюционной точки зрения радости секса - это всего лишь награда, поощряющая нас к передаче своего генетического материала. Ученые только-только освоились с поразительным известием, что большая часть наших ДНК ничего не делает, как получили еще более неожиданные результаты. Исследователи провели ряд довольно странных экспериментов, которые дали совершенно неожиданные результаты. В одном из них взяли ген, управляющий развитием глаза мыши, и ввели его в личинку плодовой мушки. Думали, что в результате получится что-то гротескное. На деле же ген мышиного глаза не только создал у мухи жизнеспособный глаз, но это был… мушиный глаз. Налицо были два существа, не имевшие общего предка 500 млн лет, и тем не менее способные обмениваться генетическим материалом, словно родные. То же самое наблюдалось всюду, куда заглядывали исследователи. Они обнаружили, что можно ввести ДНК человека в определенные клетки мух - и мухи примут ее как свою собственную. Оказывается, более 60 % человеческих генов в основном те же, что найдены у плодовых мушек. По меньшей мере 90 % на том или ином уровне соотносятся с генами мышей. (У нас даже есть гены для создания хвоста, но они не включаются в работу.) В одной области за другой исследователи обнаруживали, что с каким бы организмом они ни работали, будь то черви-нематоды или люди, они часто изучали одни и те же гены. Жизнь, казалось, была создана по одному набору чертежей. Дальнейшие исследования привели к открытию существования группы мастер-генов, каждый из которых руководит развитием части тела; их окрестили гомеотическими (от греческого, означающего "подобный"). Эти гены дали ответ на давно ставивший в тупик вопрос: каким образом миллиарды эмбриональных клеток, появляющиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки и содержащие одинаковую ДНК, "знают", куда направляться и чем заниматься: той стать клеткой печени, этой вытянуться в нервную клетку, этой стать частицей крови, а этой - частицей блестящего в крыле перышка. Вот эти гены и дают им указания - и делают это во многом одинаково во всех живых организмах.
Интересно, что количество генетического материала и его организация не обязательно отражают, даже, как правило, не отражают, степень сложности содержащего его живого существа. У нас 46 хромосом, а некоторые папоротники насчитывают более шестисот. У двоякодышащей рыбы, одного из наименее эволюционировавших среди сложных животных, в сорок раз больше ДНК, чем у нас. Даже обыкновенный тритон генетически куда богаче нас - примерно впятеро. Правда, важно, думается, не количество генов, а то, что вы с ними делаете. Это очень хорошо, потому что в последнее время с количеством генов у людей произошли изменения. До недавнего времени считалось, что у нас по крайней мере 100 тыс. генов, а возможно, значительно больше, однако эта оценка сильно уточнена после первых результатов программы "Геном человека": порядка 35–40 тыс. генов - столько же, сколько "нашли в траве". Это явилось полной неожиданностью и вызвало разочарование.
Гены причастны к ряду человеческих слабостей. Ученые в разное время с ликованием провозглашали, что нашли гены, ответственные за ожирение, шизофрению, гомосексуализм, склонность к преступлениям и насилию, алкоголизм, даже за воровство в магазинах и бродяжничество. Была работа, опубликованная в 1980 году в журнале Science, в которой утверждалось, что женщины генетически менее способны к математике. На самом деле, как теперь понятно, почти ничего, что касается человека, нельзя определить так легко и просто. Конечно, если бы у нас были отдельные гены, определяющие рост, предрасположенность к диабету или к облысению или какое-либо другое отличительное свойство, было бы легко - во всяком случае, сравнительно легко - выделить их и попытаться починить. К сожалению, 35 тыс. функционирующих независимо генов даже с большой натяжкой недостаточно для создания такого сложного существа, как человек. Некоторые болезни - например гемофилия, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и кистозный фиброз (муковисцидоз) - вызываются одиночными нарушенными генами. Но, как правило, вредоносные гены выпалываются естественным отбором задолго до того, как они начнут причинять систематический ущерб виду или популяции. По большей части наша судьба и наше благополучие - и даже цвет глаз - определяются не отдельными генами, а группами генов, действующих объединенными усилиями. Потому-то так трудно разобраться, как все это стыкуется, и потому мы еще не скоро будем производить на свет младенцев по заказу.
В сущности, чем больше мы узнаем в последние годы, тем более сложные возникают вопросы. Оказывается, что даже размышления влияют на характер работы генов. Скорость, с какой растет борода у мужчины, например, отчасти зависит от того, как много он думает о сексе (потому что мысли о сексе вызывают выброс тестостерона). В начале 1990-х годов ученые сделали еще более значительное открытие, когда обнаружили, что могут изъять из эмбрионов мыши гены, которые предположительно считались жизненно важными, и тем не менее мыши часто рождались не только здоровыми, но порой более здоровыми, чем их братья и сестры, которых не трогали. Оказалось, что когда уничтожались отдельные важные гены, их место занимали другие, закрывая брешь.
Волосы и ногти не продолжают расти после смерти. Это легенда. Немедленно после смерти деление всех клеток организма прекращается.
Это отличная новость для нас как живых организмов, но не такая хорошая для понимания того, как же все-таки работают клетки, поскольку она добавляет еще один уровень сложности к явлению, в котором мы только-только начали разбираться. В значительной степени из-за этих усложняющих факторов вдруг оказалось, что мы только начинаем понимать геном человека. Геном, по выражению одного ученого, это вроде сборочного листа человеческого тела: в нем говорится, из чего мы сделаны, но ничего нет о том, как мы функционируем. Теперь нам требуется руководство по эксплуатации - указания, как его запустить. Нам до этого нужно пройти долгий путь! А еще стоит задача расшифровать протеом человека. Самого термина "протеом" десяток лет назад еще не было: это библиотека, содержащая информацию, по которой строятся белки́. "К сожалению, - отмечал журнал Scientific American весной 2002 года, - протеом намного сложнее генома". Белки - это рабочие лошадки всех живых организмов. Они перекручиваются, сворачиваются в петли и спирали, сминаются, принимая замысловатые сложные формы. Они скорее походят на сильно скомканные проволочные плечики для одежды, нежели на сложенные полотенца. Но за всем этим скрывается простота, в основе которой лежит единый характер жизнедеятельности. Все эти незаметные искусные химические процессы, дающие жизнь клеткам (совместные усилия нуклеотидов, транскрипция ДНК в РНК), развились лишь единожды и с тех пор оставались довольно устойчивыми во всей природе. Как полушутя заметил один генетик: "Все, что верно в отношении кишечной палочки, верно и в отношении слонов, разве что в большей степени". Все живые существа - это реализации одного первоначального плана. Как человеческие существа мы всего лишь надстройка: каждый из нас представляет собой заплесневелый архив приспособленностей, адаптации, модификаций и удачных переделок, уходящих в глубь времен на 3,8 млрд лет. Как ни удивительно, мы довольно близкие родственники фруктов и овощей. Около половины химических процессов, протекающих в бананах, принципиально те же самые, что протекают внутри вас. Не будет лишним чаще повторять: все живое едино. Это есть, и, вероятно, будет всегда самой глубокой из существующих истин.
Антропометаморфозы
"Мы узнали, что в Равенне родилось чудовище, изображение которого прислали сюда: на голове у него торчит рог - прямой, как меч, вместо рук - два крыла, как у летучей мыши, на уровне груди с одной стороны рубец в виде буквы "У", с другой - крест, а ниже, у талии, - две змеи. Это гермафродит, на правом колене у него глаз, а левая ступня - как у орла. Я видел, как его рисовали, и всякий, кто пожелает, может посмотреть на этот рисунок во Флоренции". Так писал в своем дневнике флорентийский аптекарь по имени Лука Ландуччи. Шел март 1512 года…
Ландуччи в действительности никогда не видел монстра: того уморили голодом по приказу Папы Римского Юлия II. Рассказ же основан рисунке, выставленном на публичное обозрение во Флоренции. Свидетельства, рассказы, пересказы, аллегории… Под этим пологом трудно распознать, кем же в действительности был монстр. Вероятно, это был просто ребенок, родившийся с тяжелым, редким, но отнюдь не загадочным генетическим расстройством. Скорее всего, у него был синдром Робертса - уродство, встречающееся у детей, родившихся с исключительно вредоносной мутацией. Это, по крайней мере, объясняет аномалии конечностей и половых органов, а также появление двух змей на талии и лишнего глаза на колене.
Поседеть за несколько часов физически невозможно, даже в результате сильнейшего потрясения. Это не более чем поэтическое преувеличение.
В XVI и XVII веках уроды встречались не так уж редко. Правители коллекционировали их, натуралисты каталогизировали, теологи использовали для религиозной пропаганды. Ученые мужи рисовали карты их распространения и включали пассажи об их значении в изысканно иллюстрированные книги.
То, что для людей средневековой и классической эпохи было "монстрами" и "необыкновенными рождениями", для нас является частью спектра биологических форм вида homo sapiens. За прошедшие двадцать лет этот спектр, как никогда ранее, исследовался и изучался. По всему миру ученые выявляли людей, в той или иной степени отличающихся от обычных по своим физиологическим или внешним особенностям. Составлялись их списки, накапливались фотографии, выяснялись родословные. Таких людей находили в Ботсване и Бразилии, Балтиморе и Берлине. У них брали образцы крови и отправляли в лаборатории для анализов. Их биографии, анонимные и сведенные к простым биологическим фактам, заполняли научные журналы. И они стали, вряд ли о том догадываясь, исходным материалом для грандиозного биомедицинского предприятия, возможно, величайшего в наше время, в котором коллективно задействованы десятки тысяч ученых и которое имеет целью ни много ни мало - выяснение законов развития человеческого организма.
1 % людей может видеть в инфракрасном и еще 1 % - в ультрафиолетовом диапазоне.
Большая часть этих людей имеет мутации, то есть дефекты некоторых генов. Мутации происходят из-за ошибок в механизмах копирования или репарации ДНК. Ко времени написания этой книги мутации, заставляющие некоторых из нас выглядеть, чувствовать или вести себя иначе, чем почти все остальные люди, обнаружены более чем в тысяче генов. Некоторые из таких мутаций уничтожают или, наоборот, добавляют к уже имеющимся целые куски хромосом. Другие поражают всего лишь один нуклеотид - одну структурную единицу ДНК. Физическая природа и степень мутации не столь, однако, важны, сколь ее последствия. Наследственные заболевания вызываются мутациями, которые изменяют генную последовательность ДНК, так что кодируемый ею белок приобретает иные, часто дефектные формы или вовсе не продуцируется. Мутации меняют "смысл" генов.
Изменение значения одного гена может иметь исключительно далеко идущие последствия для генетической грамматики организма. Существует мутация, которая сделает человека рыжеволосым и толстым. Другая вызовет частичный альбинизм, глухоту и склонность к запорам. Еще одна снабдит короткими пальцами на руках и ногах и неправильно сформированными гениталиями. Меняя смысл генов, мутации показывают, чем в первую очередь являются эти гены для организма. В совокупности они представляют собой удивительный инструмент, который позволяет выявить скрытое значение генов. В сущности, мутации - это скальпель, который врезается в структуру генетической грамматики и обнажает ее логику.
Для интерпретации значения мутаций потребуется использование обратной логики (контрлогики). Если мутация заставляет ребенка родиться без рук, то, хотя и есть соблазн сказать о гене "безрукости", такая мутация в действительности свидетельствует о гене, который помогает обеспечить наличие рук у большинства людей. Это происходит потому, что большинство мутаций уничтожают смысл гена: на языке генетики это мутации "утраты функций". Но незначительная часть из них добавляет смысл и называется мутациями "приобретения функций". При интерпретации значения мутации важно знать, с которой из них мы имеем дело. Один из способов состоит в том, чтобы узнать, как они наследуются. Мутации "утраты функций", как правило, рецессивны: они поражают организм ребенка только тогда, когда он наследует дефектные гены от обоих родителей. Мутации "приобретения функций" тяготеют к доминантности: для проявления должного эффекта ребенку нужна только одна копия гена. Хотя это разграничение нельзя считать окончательным (некоторые доминантно наследуемые мутации приводят к утрате функций), оно дает хорошую изначальную ориентацию. Обретения или утраты - оба вида мутаций рассказывают нечто о функции поражаемых ими генов и тем самым объясняют небольшую часть генетической грамматики. Мутации позволяют деконструировать тело.
Не все из этих мутаций меняли смысл генов или вообще затрагивали их. Некоторые вносили в обширные участки генома изменения, казалось бы, лишенные смысла. Не содержащие генов, которые воздействовали бы на грамматическую структуру организма, эти области вновь и вновь подвергаются мутациям. Наш метафорический скальпель все так же работает, делает свое дело, но без последствий для тела или разума человека. Другие мутации поражают кодирующие области генов, фактически не изменяя последовательности кодируемых ими белков. Они также хранят молчание.
Из всех мутаций, меняющих смысл генов, небольшая часть окажется выгодной для организма, и с течением времени эти мутации станут более частыми. На самом деле настолько частыми, что будет едва ли справедливо вообще именовать их мутациями. Вместо этого мы называем их вариантами, или, более научно, аллельными формами генов (полиморфизмами).
В отличие от человека, у животных не вырабатывается фермент для расщепления алкалоида теобромина. Если собака съест плитку шоколада, она погибнет.
Однако многие из поражающих геном мутаций, согласно любому критерию, наносят организму вред. Каждый новый эмбрион имеет около сотни мутаций, которых не было у его родителей. Эти изменения, уникальные для данного сперматозоида или яйцеклетки, были приобретены в то время, пока эти клетки находились в гонадах родителей, и не присутствовали тогда, когда родители эмбриона сами пребывали в зародышевом состоянии. Из этой сотни мутаций около четырех меняют значение генов путем изменения аминокислотных последовательностей белков. Из этих четырех меняющих смысл мутаций примерно три окажутся вредоносными. Или, выражаясь точнее, они окажут влияние на окончательный репродуктивный успех эмбриона.
Мы не располагаем точными величинами: доля вредных мутаций может быть рассчитана только непрямыми методами. Но даже оценки, если они верны, выглядят устрашающе. Они говорят нам, что нашему здоровью и счастью постоянно угрожает неиссякаемый запас генетических ошибок. Между тем, дело обстоит еще хуже. Каждый из нас отягощен не только своим собственным уникальным набором вредных мутаций, но должен справляться с тем, что мы унаследовали от родителей, а они - от своих родителей и так далее. Каков общий груз мутаций, испытываемый в среднем человеком? Период, в течение которого данная мутация будет передаваться от одного поколения к другому, зависит от тяжести ее воздействия на организм. Если предположить, что средняя мутация оказывает лишь незначительный вредоносный эффект на репродуктивный успех и поэтому сохраняется в течение сотен поколений, то оценка в три новые мутации на поколение приведет нас к довольно-таки печальному выводу, что любое вновь зачатое человеческое существо в среднем несет в себе триста мутаций, в той или иной степени ухудшающих его здоровье. Ни один из нас полностью не свободен от этой "мутационной бури". Но не все мы в равной степени подвержены ее воздействию. Некоторые из нас по воле случая рождаются с необычно большим количеством умеренно вредных мутаций, тогда как у других их довольно мало. И хотя одни из нас, опять-таки по воле случая, рождаются с единственной мутацией полностью разрушительного действия, большинство людей с ней не знакомы. Так кто же в таком случае они такие - мутанты? Ответ может быть только один, и он полностью согласуется с нашим каждодневным опытом разграничения нормы и патологии. Мы все мутанты, но некоторые из нас - в большей степени, чем другие.
Игры разума
"Капитал-то у маво Вани в голове!"
Речь пойдет о нашем видовом отличии, нашей гордости, о том, из-за чего мы считаем себя венцом творения (или биологической эволюции), - да, да, о нашем биологическом капитале. Мы разрезаем поперек кочан цветной капусты, и вот - voilá! - так же выглядит горизонтальное сечение человеческого мозга.
Успехи в изучении мозга, достигнутые за последние пятьдесят лет, позволили узнать о нем значительно больше, чем удалось выяснить за весь предшествующий период развития науки. Особенно заметны успехи в изучении деятельности самой маленькой структурной единицы мозга - нейрона. Открытия, сделанные на нейрональном и молекулярном уровнях, позволили понять самые общие, основные механизмы функционирования мозга и перейти к расшифровке механизмов элементарных психических реакций у животных с наиболее просто устроенной нервной системой.
Мозг человека содержит более 100 млрд нейронов. Каждый нейрон соединен с 25 тыс. других нейронов. Во время внутриутробного развития у эмбриона ежеминутно образуется 250 тыс. новых нейронов.
Сейчас уже не приходится сомневаться в том, что мы сумеем разобраться в тонкостях работы несложного нервного ганглия моллюска, но мозг человека имеет массу своих специфических тайн и секретов.