Карл Циммер «Она смеётся, как мать: могущество и причуды наследственности» - рецензия П. Можейко
«Родители одновременно наследственность и среда». (Джордж Элиот)
НАЗВАНИЕ: Она смеётся, как мать: могущество и причуды наследственности
АВТОР: Карл Циммер
ОРИГИНАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: She has her mother`s laugh
ISBN: 978-5-00139-056-5
ГОД ИЗДАНИЯ: 2021
ИЗДАТЕЛЬСТВО: «Альпина нон-фикшн»
СЕРИЯ: ---
КОГДА МНОЙ ПРОЧИТАНО: Июль 2024
ИСТОЧНИК: Оригинальная книга
О КНИГЕБез малого 130 лет прошло с момента публикации романа «Машина времени» Герберта Уэллса, и с тех пор тема путешествий во времени никогда не уходила из фантастических сюжетов. Идея безусловно прорывная и смелая, но, как утверждают физики, неосуществимая. Тем не менее, каждый из нас знаком с реально действующей не то, что столетия, а миллионы лет машиной времени – законами наследственности. То, как жизнь на Земле воспроизводит и развивает себя – настоящее чудо, и было бы удивительно, если бы это чудо не привлекло внимание ученых.
Где еще было бы уместно задуматься о наследственности, как не в кабинете акушера-гинеколога. С семейной консультации у такого специалиста и начинается эта книга Карла Циммера - известного научного журналиста, автора многочисленных научно-популярных книг на тему биологии и автора The New York Times, Discover и National Geographic. Когда супруга писателя была беременна их первой дочкой, Карл задумался о том, что и как передадут девочке ее родители, сделает ли это ее счастливой или наоборот, внесет негативные коррективы в будущую жизнь, зависит ли все от генов, случая, воспитания, среды или от всего сразу и по чуть-чуть?
Книга «Она смеется, как мать» вошла в топ 100 самых значительных книг 2018 года по версии The New York Times и ее русское издание стало финалистом премии «Просветитель. Перевод» в номинации «Естественные и точные науки» в 2021 году, а затем около года было в свободном доступе для любого посетителя ныне закрывшегося проекта «Дигитека». Эксперты «Дигитеки» отобрали ее из множества других, как одну из самых важных для просвещения в области генетики. Трудно с этим не согласиться, ведь Карл Циммер – один из лучших авторов научно-популярных книг, давно знакомый читателю по таким работам, как «Паразит — царь природы: тайный мир самых опасных существ на Земле» (2001), «E.coli и новая наука о жизни» (2008), «Эволюция. Триумф идеи» (2017), «Живое и неживое. В поисках определения жизни» (2022). Циммер умеет хорошо объяснять самые сложные темы из мира биологии, и делает это всегда через увлекательные, литературно и остросюжетно написанные истории, тем самым делая науку такой же доступной, как художественная литература. Эта книга – не исключение.
В своей работе Карл Циммер предлагает взглянуть на историю открытия и изучения механизмов наследственности на примере, как человека, так и у других живых организмов нашей планеты. Но самое главное заключается в том, что автор мотивирует смотреть на наследственность шире: не только, как на результат передачи генов, но и учитывая влияние среды и культуры. Эта книга – настоящий исторический срез, в котором затронута не только история науки, но и различные показательные эпизоды, касающиеся культуры, этики, морали, медицины, экологии, экономики и даже политики. Здесь мы встретим счастливые и трагические случайности, удивительные открытия и досадную недальновидность при постановке опытов, подтасовку научных данных, с печальными последствиями, коснувшимися многих людей, познакомимся с многочисленными талантливыми учеными, имена которых хорошо известны лишь специалистам, а самое главное, получим много пищи для размышлений.
Книга внушительна по объему: 500 страниц мелким шрифтом без учета примечаний и глоссария. Но читается она довольно легко, поскольку, напомню, теории здесь облечены в рассказы, каждый из которых размером с главу. Большой объем позволяет Карлу Циммеру не «высушивать» текст, что характерного для научно-популярного жанра.
В книге много удивительных фактов: ДНК неандертальцев сейчас больше, чем во время их существования; родные братья и сестры могут по степени совпадения ДНК являться лишь кузенами; клетки плода живут в теле матери десятилетиями; рак бывает заразным; растения в некотором роде могут «передавать» своим потомкам «жизненный опыт»; можно запустить «мутагенную цепную реакцию» и вылечить/уничтожить весь мир….
Всего здесь пять частей и девятнадцать глав. В первой части автор рассматривает предпосылки изучения наследственности. Тут и долгая история кровосмесительных связей в родословной Габсбургов, и рассказы о первых селекционерах (овцы Роберта Бакуэлля в Англии и Томаса Эндрю Найта в Моравии, эксперименты с растениями Франца Наппа и Грегора Менделя в Германии, а также Лютера Бёрбанка в США). Не обделен вниманием и вопрос рождения детей с нарушением когнитивных функций (подробная история популярной американской писательницы Перл Бак и ее дочери, страдающей от фенилкетонурии (ФКУ). К слову, именно ФКУ стало первым наследственным заболеванием, поддавшемся успешному лечению. Вторая часть посвящена молекуле ДНК и генетическим механизмам наследственности (распределение Менделя, группы крови, степени родства и пр.). Третья часть рассматривает вопросы оплодотворения и развития клеток в нашем теле. Тут рассмотрены такие явления, как химеризм, мозаицизм и лайонизация. Четвертая часть посвящена влиянию на наследственность среды и культуры, и возможности передачи этого влияния потомкам. Наконец, заключительная пятая часть рассматривает механизмы и примеры редактирования генома (технология CRISPR-Cas9), а также этические аспекты этой процедуры будущего.
Почему же так важно разбираться в вопросах наследственности? Чтобы жить в лучшем мире. Вот вам простой пример для понимания:
«Генетический эссенциализм проявляется у некоторых людей сильнее, чем у других. В одном исследовании психологи оценивали уровень расизма испытуемых, спрашивая, например, одобрят ли они, если их ребенок заключит брак с чернокожим партнером, или согласны ли они с тем, что только сами чернокожие виноваты в своей неуспешности. Оказывается, у тех, кто считает, что различия между расами в большей степени связаны с генами, более высокие показатели в тестах на расизм».
Прежде чем перейдем к обсуждению материалов книги, предлагаю сыграть в небольшую викторину. Вот пять вопросов о наследственности и генетике. Постарайтесь ответить на них хотя бы приблизительно (выпишите ответы на бумажку). Правильные ответы будут попадаться в цитатнике, а также будут даны в конце рецензии. Проверьте себя!
1) Когда было опубликовано первое исследование наследственных заболеваний?
2) Когда были проведены первые генетические опыты?
3) Когда появились первые успехи в лечении наследственных заболеваний?
4) Когда впервые генетика была использована в зале суда?
5) Какая часть наших генов кодирует белки (не является «мертвым грузом»)?
Согласно самому распространенному определению, наследственность — это способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству. И вроде бы с пониманием этого определения нет никаких трудностей. Вот только, это пока не задумаешься, а где же она «скрывается»? В разных культурах в разные времена были свои идеи на этот счет.
«Население малазийских островов Лангкави традиционно считает, что дети становятся родственниками через пищу, которую они едят. Они питаются тем же материнским молоком, что их братья и сестры, а, став старше, едят один и тот же рис, выращенный на одной и той же почве. Эта вера настолько сильна среди жителей Лангкави, что если дети из разных семей будут вскормлены одной женщиной, то брак между ними будет считаться инцестом».
Самым традиционным носителем наследственности в большинстве культур все же считалась кровь. Особенно остро этот вопрос стал во время расцвета европейских монархий.
«Даже сейчас во многих западных языках, когда речь идет о родстве, используется слово «кровь», как будто само собой разумеется, что это эквивалентные понятия. <…> Европейские представления о крови изменили отношение к происхождению. Родство больше не связывали с внешним миром. Кровь родителей текла в венах ребенка, и через нее все наследовалось. Филипп II мог унаследовать отцовскую корону, потому что у него была королевская кровь, которая досталась от отца, а тому — от деда. Родословные стали служить доказательством, что кровь благородных семейств не испорчена кровью простолюдинов. Габсбурги особенно тщательно следили за чистотой своей королевской крови, они заключали браки только между членами своей семьи. К примеру, Карл V женился на Изабелле Португальской, при этом они оба были внуками короля Фердинанда II Арагонского и королевы Изабеллы I Кастильской. Вскоре европейцы начали сортировать по крови и животных. Самая благородная кровь среди птиц была у сокола, и поэтому соколиная охота годилась для королевского досуга. Если сокол спаривался с менее благородной птицей, то их птенцов называли бастардами. Кроме того, аристократы становились ценителями собак и лошадей, иной раз отдавая состояния за чистокровные породы. Для животных, как и для людей, наследование благородной крови означало наследование и благородных черт, таких как храбрость и сила».
Яркий пример борьбы за «чистоту крови» - династия Габсбургов с их характерной портретной чертой – «габсбургской челюстью (последствием кровосмесительных связей).
«Хотя Габсбургов холили и нежили больше, чем кого бы то ни было в мире, уровень младенческой смертности у них был выше, чем в крестьянских семьях Испании».
Первое исследование наследственных заболеваний было сделано еще в начале XVII века!
«Когда в 1605 г. Луису Меркадо исполнилось 80 лет, он опубликовал труд «О наследственных заболеваниях». Это была первая в истории книга на данную тему. Меркадо искал объяснения, почему заболевания передаются внутри семьи. Он отверг возможность божественного наказания. Напротив, Меркадо был убежден: чтобы понять наследственные заболевания, надо узнать, как формируется новый живой организм. Он считал, что каждая часть тела — и рука, и сердце, и глаз — имеет свою отличительную форму, свой собственный баланс жидкостей и собственную функцию. Меркадо предполагал, что жидкости от всех частей тела смешиваются в кровотоке и с помощью таинственной формирующей силы превращаются в семена. В отличие от Аристотеля Меркадо считал, что семена есть и у мужчин, и у женщин и что они соединяются во время полового акта. Та же самая формирующая сила действует на соединенные семена, производя новый запас жидкостей, благодаря которым у нового человеческого существа будут такие же органы, как и у его родителей. Меркадо полагал, что этот цикл производства семян, их соединения и развития надежно защищен от внешнего мира. Случайные воздействия снаружи не могут достигать укрытых семян жизни и изменять их наследственные признаки. Ученый не принимал всерьез то распространенное представление о влиянии окружающей среды, согласно которому мать силой воображения может изменить ребенка, а собака, наученная новому трюку, передаст это умение своим щенкам. Наследственная болезнь похожа на клеймо, которым пометили семя. Его отпечаток проявляется в каждом новом поколении семян и приводит к тому же заболеванию, «порождая людей, похожих друг на друга и пораженных одним пороком», по словам Меркадо».
Поразительно и то, каков возраст первых «генетических» опытов:
«Первые работы по разведению начались примерно 11 000 лет тому назад; об этом свидетельствуют найденные черепки глиняной посуды, древние семена и кости одомашненных животных. Человек стал регулировать размножение изначально диких животных и растений, выращивая их для своей пользы. Благодаря аграрной революции численность нашего вида резко возросла, но мы оказались в опасной зависимости от наследственных свойств тех видов, которые мы выращиваем».
Исследованием наследственности занимался и Чарльз Дарвин. Ниже некоторые его теоретические выкладки по этому вопросу, доказывающие, насколько пытливым и прозорливым умом обладал этот ученый, пусть его теория и оказалась ошибочной.
«Чарльз Дарвин написал труд «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». В нем автор представил наследственность как научный вопрос, требующий срочного ответа. Но ответ, который предложил он сам, оказался совершенно ошибочным. «Изменение животных и растений…» стало продолжением хорошо известной книги «Происхождение видов». <…> Дарвин думал, что, возможно, клетки по всему телу выделяют «мельчайшие крупинки или атомы». Он назвал эти гипотетические крупинки геммулами. После выхода из клетки геммулы распространяются по телу, постепенно накапливаясь в половых органах. Когда геммулы от обоих родителей объединяются в оплодотворенной яйцеклетке, они позволяют ей развиться в смесь клеток от обоих родителей. Дарвин хотел дать этому воображаемому процессу яркое запоминающееся название. Может быть, что-то, объединяющее клетки и происхождение. Он попросил своего сына Джорджа, обучавшегося в Кембриджском университете, посоветоваться с тамошними преподавателями древних языков о подходящем названии. Джордж вернулся с необычными предложениями, среди которых были, к примеру, атомогенезис и циттарогенезис. Дарвин выбрал пангенезис.
Дарвиновская гипотеза пангенезиса отличалась от представлений большинства натуралистов той эпохи. Они объясняли наследственность как слияние черт, сродни тому, как смешивают синий и желтый цвет для получения зеленого. Дарвин же, напротив, смотрел на наследственность как на совокупность отдельных частиц. Они никогда не сливались и никогда не теряли свою индивидуальность. Ученый хорошо понимал, что пангенезис — это «временная гипотеза или предположение». Тем не менее для Дарвина она обладала огромной объяснительной силой. Он говорил: «Меня осенило понимание многих сложных явлений». С помощью своей гипотезы Дарвин смог объяснить, почему на одного родителя дети похожи больше, чем на другого: некоторые геммулы были сильнее других. Формирующие новорожденного геммулы были смесью частиц, которые накапливались на протяжении поколений у родителей, дедушек и бабушек и т.д. Какая-то геммула могла затеняться другими, более сильными, на протяжении тысячелетий, а потом выйти вперед и проявиться в виде некой характерной черты далекого предка. И жизненный опыт мог изменять геммулы — подобно тому, как он меняет клетки. В результате признаки, приобретенные с течением жизни, могли передаваться следующим поколениям. В этом последнем предположении Дарвин просто следовал традиции, берущей свое начало за два тысячелетия до него — в трудах Гиппократа».
Долгое время ученые спорили: способны ли организмы передавать потомкам приобретенные особенности, например, отрубленный хвост? Важный эксперимент Августа Вейсмана дал ответ на этот вопрос буквальным экспериментом.
«В 1887 г. Август Вейсман решил сделать то, чего защитники наследования приобретенных признаков никогда не делали. Он собрался экспериментально проверить предположение, что увечья могут передаваться потомкам. Он провел это исследование на белых мышах, которым отрезал хвосты до начала размножения. Самки мышей беременели и приносили потомство. Все мышата были с хвостами. Вейсман повторил процедуру с этими детенышами, затем уже с внуками и т.д. до пятого поколения. В итоге он получил 901 мышонка. У всех вырастал нормальный хвост».
Немецкий зоолог и профессор Альберт Вейсан – знаковая фигура в разработке теории эволюционного учения. Именно он первым обратил внимание на хромосомы в ядрах клеток, как на носители наследственной информации.
«Вейсман изменил взгляды ученых на наследственность. Новые представления укрепились благодаря открытию поразительной детали, которая не была известна самому зоологу. Следуя предложенной Вейсманом теории клеток зародышевой линии, исследователи обратили пристальное внимание на делящиеся в ядре клетки нити. Их назвали хромосомами».
Хотя исследование наследственности открывало нам нас самих и безусловно в последствии принесло много хорошего, у этого процесса была и обратная мрачная сторона: аморальные евгенистические идеи. И если первое, что приходит тут на ум – это преступные практики нацистов, то стоит отметить, что первых воинствующих евгенистов было много именно в США и Великобритании.
«В начале XIX в. алиенисты настаивали на запрете безумным создавать семьи. Фрэнсис Гальтон придал этим соображениям гораздо более экстремальную форму: он призывал органы государственного управления заняться разведением граждан, как разводят коров или кукурузу. Гальтон пришел к выводу, что для привлечения сторонников ему понадобится, как он выразился, «краткое название для науки об улучшении рода». В 1883 г. он придумал термин «евгеника», впоследствии хорошо прижившийся.
Для Гальтона евгеника состояла из радостных образов организованных браков, благодаря которым следующие поколения людей будут лучше. «Какую плеяду гениев могли бы мы создать!» — мечтал он. Энтузиазм Гальтона привлек внимание некоторых английских биологов, и они организовали Общество евгенического просвещения. Однако этому обществу так и не удалось приобрести большой вес и как-то повлиять на положение дел в Великобритании.
К началу XX в. евгеника начала укореняться в США, и там она расцвела черным цветом. Американские евгенисты хотели запретить людям с плохими свойствами иметь детей. Одни предлагали изолировать слабоумных, чтобы помешать им вступать в половые отношения. Другие призывали к стерилизации. Дошло до того, что в 1900 г. американский врач Уильям Дункан Макким агитировал за «тихое безболезненное умерщвление». Он мечтал о создании газовых камер, чтобы убивать «самых слабых и самых опасных». Макким заявлял, что бессмысленно пытаться как-то улучшить этих людей через перевоспитание, поскольку «наследственность — главная причина испорченности человека».
Чарльз Девенпорт без колебаний принял евгенику и заявил, что менделевские открытия только укрепляют доводы в ее пользу. С переданными зародышу плохими генами ничего поделать нельзя, можно только не позволить отравить ими следующее поколение. Девенпорт считал, что для претворения евгеники в жизнь надо хорошо знать наследственные свойства, поэтому в 1910 г. он организовал хранилище данных — Евгенический архив — рядом с исследовательской станцией Колд-Спринг-Харбор. Девенпорт предсказывал, что в перспективе евгеника обеспечит «спасение расы с помощью наследственности».
Карл Циммер приводит в книге трагическую историю Эммы Волвертон (1889—1978), слабоумной девушки, всю жизнь прожившей и проработавшей в приюте. Американский психолог и евгеник Генри Герберт Годдард заинтересовался ее судьбой и решил проследить биографию. Он выяснил, что со стороны отца (героя гражданской войны) у нее были здоровые и успешные родственники, а со стороны слабоумной матери-барменши – сплошные неудачники и тугодумы. Годдарт пришел к выводу, что один слабоумный человек если дать ему возможность рожать детей, сможет породить в нескольких поколениях десятки и сотни таких же слабоумных потомков (согласно распределению Менделя 1 к 3), а это значит, что таким людям лучше не рожать. Все это Годдарт изменив имена (девушку теперь звали Дебора Калликак) оформил в книгу «Семья Калликак» 1912 года, которая случайным образом легла в основу нацистской расовой теории:
«Когда Адольфа Гитлера заключили в 1924 г. в тюрьму, он там прочитал книгу о наследственности и узнал о семье Калликак. Вскоре после этого Гитлер написал «Mein Kampf», в которой, имитируя американских евгенистов, утверждал, что стерилизация неполноценных людей — «гуманнейший шаг, совершаемый человечеством». <…>
Нацисты использовали «Семью Калликак» в качестве учебного пособия. В 1935 г. власти выпустили обучающий фильм под названием «Наследственность» (Das Erbe). В его начале двое пожилых ученых объясняют своим молодым помощницам законы наследственности. На фоне кадров с цветами, птицами, скаковыми лошадьми и охотничьими собаками они разговаривают о том, как создать новые породы животных и растений. Успех селекционера зависит от правильного выбора особей для получения потомства. То же самое верно и для людей. Лучший пример негативных следствий, появившихся по причине недостаточно серьезного отношения к планированию семей, — семья Калликак, описанная в «работе американского евгениста Генри Годдарда», — говорит один из немецких ученых. Экран становится черным, и сверху появляется заголовок «Потомки лейтенанта Калликака». Лейтенант обозначен кружком, от него вниз спускаются две ветви — 493 «высококачественных потомка» от женщины из здорового рода и 434 «потомка низкого качества» от женщины с наследственным заболеванием. Один из ученых объясняет: «Единственного предка с наследственным заболеванием оказалось достаточно, чтобы оставить большое количество неблагополучных потомков. Это всего лишь один пример из тысяч». Испытывая сочувствие к страданиям таких людей, необходимо предотвратить их размножение «любым способом». <…>
В 1980-х гг. любопытствующие исследователи раскрыли реальное имя Деборы Калликак. Два специалиста по генеалогии, Дэвид Макдональд и Нэнси Макадамс, углубившись в описанную Годдардом историю, установили личности родственников Эммы Волвертон. По ходу постепенно выяснялась несостоятельность всех частей годдардовской книги, заложившей основы современной евгеники и стимулировавшей одно из величайших преступлений в истории человечества. Оказалось, что Элизабет Кайт не поняла пожилую женщину, которую опрашивала в 1910 г. У Кайт сложилось впечатление, что солдат Джон Волвертон стал отцом внебрачного сына Джона Волвертона. На самом деле оба Джона Волвертона были троюродными братьями. Иначе говоря, годдардовского естественного генетического эксперимента никогда не было».
Так ошибка сбора данных и пристрастие одного ученого к евгенике заложило фундамент Холокоста. В истории во истину много трагических совпадений…
Еще одна девушка, ставшая героиней этой книги – это дочка писательницы Перл Бак. У нее выявилось слабоумие, которое, как оказалось позже, можно было успешно вылечить, получи она должное лечение в первые годы. У девушки выявили фенилкетонурию (ФКУ), при которой при несоблюдении диеты вырабатываются токсичные ферменты, подавляющие когнитивные способности. Но все это ученые поняли намного позже…
«Когда исследователи создали диету для фенилкетонурии, она стала лучшей иллюстрацией пластичности генов. В 1972 г. британский биолог Стивен Роуз заявил, что пример ФКУ показывает, насколько бессмысленно говорить о чем-то вроде гена «высокого интеллекта». Вариация гена pah может привести к низким результатам тестов на интеллект, если ребенок останется без лечения. Но тот же ребенок покажет нормальный результат, если будет получать нужное питание».
Первые успехи в лечении наследственных заболеваний также связаны с ФКУ:
«К 1970-м гг. первое поколение детей, лечившихся от фенилкетонурии с рождения, достигло зрелости. Они смогли окончить школу, работали, вели обычную жизнь. В 2001 г. аспирантка Трейси Бек стала первым человеком с ФКУ, получившим докторскую степень. Будучи астрономом, она участвовала в создании Космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Тысячелетиями люди, унаследовавшие мутацию в гене pah, смотрели на небо и не могли назвать светила, которые видели. Теперь Бек помогала расширить кругозор человечества до самых отдаленных частей Вселенной».
А теперь поговорим о ДНК и генах. Как появилась ДНК?
«По одной из версий, жизнь начиналась без ДНК и белков. Она полагалась только на молекулы РНК. Первичная клетка могла содержать несколько разных типов коротких РНК, которые помогали копировать друг друга. Эксперименты, проведенные с РНК, показывают, как это могло происходить. Одна молекула РНК способна захватывать азотистые основания и соединять их вместе, используя вторую молекулу РНК как образец. Вторая молекула может делать то же самое по отношению к третьей. Если последняя в этом ряду РНК помогает копировать первую, то круг замыкается. У таких древних РНК два типа наследственных признаков: от предков они получают собственно генетическую информацию, а также определенную форму, которая позволяет им создавать новые молекулы. Такая первая наследственность была довольно неточной. <…> Жизнь на основе РНК могла существовать в океане или приливно-отливной зоне, там же могли находиться и свободные аминокислоты. По мере того, как РНК эволюционировала, она принимала все более сложные формы, и некоторые из этих структур, возможно, начали соединять аминокислоты в короткие цепочки, которые мы сейчас называем пептидами. Пептиды могли выполнять работу внутри клеток. Со временем короткие пептиды превратились в крупные, сложноустроенные белки. Кроме того, основанная на РНК жизнь могла в процессе эволюции создать также и молекулу ДНК. Двухцепочечная молекула ДНК более стабильна, чем одноцепочечная РНК, и менее подвержена повреждениям».
Закон Менделя:
«Закон Менделя гласит, что доминантные и рецессивные признаки будут проявляться у потомков в соотношении «три к одному». И неважно, идет ли речь о морщинистой форме горошин или фенилкетонурии у людей. Значения будут одинаковы. Безусловно, открытие Менделя — одно из важнейших в науке. Но эта закономерность на самом деле не представляет собой универсальный закон».
Вот пример того, почему это так:
«Бактерии и археи используют разные молекулы для построения клеточных стенок и разные молекулы для работы с генами. Однако обе эти линии микроорганизмов оказались удивительно гибки, приспособившись жить в каждом уголке земли, где есть вода и энергия. Микроорганизмы адаптировались для жизни на поверхности океана, где они улавливают солнечный свет, на морском дне, где потребляют серу и железо, глубоко в земле, где используют энергию радиоактивного распада… По оценкам ученых, на Земле проживает около миллиона миллиардов миллиардов микроорганизмов, которые образуют триллион разных видов. И ни у кого из них не соблюдается закон Менделя».
Наследственность и группа крови:
«Группы крови были впервые описаны в 1900 г., и спустя восемь лет польский серолог Людвик Гиршфельд показал, что для них выполняется закон Менделя. Ген системы АВ0 определяет, какие молекулы будут на поверхности красных кровяных клеток. Возможные варианты гена: А, В и 0. А и В доминируют над 0, иначе говоря, если вы унаследовали А от мамы и 0 от папы, то у вас будет группа крови А. И только если вы унаследовали 0 от обоих родителей, вы получите группу крови 0. Если же унаследовать и А, и В, то группа крови окажется АВ».
Генетика в зале суда (впервые):
«В 1926 г. один из судов в Германии впервые использовал группы крови для разрешения спора об отцовстве. Постепенно эта методика привлекала к себе все больше внимания, хотя многие скептически относились к ее точности».
Важное про ДНК и родство (почему мы порой неправильно понимаем степень родства по ДНК):
«В западной культуре мы ошибочно уравниваем ДНК и родство. На самом же деле наследственность работает не так. Чем дальше ваше с кем-то родство, тем больше поколений назад жил ваш общий предок. Также это означает, что у вас с вашим родственником более короткие одинаковые участки, полученные от того предка, плюс они перемешаны с фрагментами ДНК других, не общих предков. Какой участок попадет в сперматозоид или яйцеклетку — определяется случаем. Со временем гены какого-то определенного предка могут просто исчезнуть. В 2014 г. генетик из Калифорнийского университета в Дейвисе Грэм Куп определил, что если вы возьмете 100 пар четвероюродных братьев и сестер, то у одной из них не будет идентичных участков ДНК. Если вы соберете 100 пар пятиюродных братьев и сестер, то у 25 из них не будет признаков генетического родства. То же самое верно и для наших предков. Если я сравню свой геном с геномами моих бабушек и дедушек, то найду большие идентичные участки ДНК. С каждым из них у меня будет примерно 25% общего генома. В предыдущем поколении, где у меня восемь прабабушек и прадедушек, таких участков больше количественно, но они окажутся меньшего размера. С каждым поколением назад число моих предков удваивается».
Таким образом, тест на родство по ДНК хорошо работает на расстоянии в одно поколение (отцы и дети), но плохо, когда оно определяется через несколько поколений.
К слову, вот интересный парадокс о родстве:
«Мы представляем себе генеалогию в виде простого дерева: наши двое родителей происходят от четырех дедушек и бабушек, являющихся потомками восьмерых прабабушек и прадедушек и т.д. Но в определенный момент это становится невозможным. Если мы дойдем до времен, скажем, Карла Великого, то должны будем нарисовать на дереве триллион веточек. Другими словами, число ваших предков превысит количество всех когда-либо живших людей. Единственный способ решить эту проблему — соединить некоторые веточки вместе. То есть ваши предки должны быть в той или иной степени родственниками друг другу. Этот узор наследственности давно привлекал математиков, и в 1999 г. их представитель Джозеф Чанг из Йельского университета создал первую статистическую модель для его описания. Он обнаружил удивительное свойство: если двигаться назад во времени, вы достигнете момента, когда каждый человек, чей потомок живет в наши дни, окажется общим предком всех живущих сейчас людей. <…> Каждый, кто жил 1000 лет назад в Европе и у кого есть хотя бы один потомок, живущий в наши дни, является прямым предком всех современных европейцев».
А вот еще один неожиданный факт о том, насколько на самом деле могут быть генетически близки братья и сестры:
«Когда у ученых появилась возможность прочитывать последовательность ДНК, они применили ее для сравнения генетической схожести обычных людей. В 2006 г. генетик Питер Вишер из Квинслендского института медицинских исследований (Австралия) и его коллеги исследовали 4401 пару братьев и/или сестер, изучив несколько сотен генетических маркеров у каждого. Часто у братьев и сестер было несколько одинаковых сегментов хромосом, которые они унаследовали от одного из родителей. Ученые обнаружили, что в среднем у братьев и сестер примерно половина всей ДНК состоит из одинаковых участков. Однако различие между многими парами не было равным точно 50%. Максимальное значение общей ДНК, которое зарегистрировали исследователи, оказалось 61,7%, минимальное — 37,4%. Другими словами, среди всего разнообразия наследования братья и сестры в ряде пар были ближе к однояйцевым близнецам, а в некоторых других — к кузенам и кузинам».
Таким образом результаты исследований разбивают еще один распространенный миф, что в каждом из нас половина (ровно половина!) генов от каждого из родителей.
А вот еще один генетический «количественный» парадокс про ДНК неандертальцев в нас:
«Пэабо с коллегами определил, что у каждого современного неафриканца можно найти 1–4% генов, полученных от неандертальцев. Получается, что сейчас на Земле ДНК неандертальцев больше, чем когда жили они сами».
И напоследок кусочек истории науки и ее странных методов. Вот как определяли количество смешанных кровей по цвету кожи с помощью особого волчка:
«Харви Джордан выбрал четыре семьи мулатов. Чтобы установить цвет их кожи, он взял с собой разноцветную детскую игрушку — волчок. Такой волчок, выпускаемый компанией Milton Bradley Company, антропологи стали широко использовать в качестве инструмента для определения этого признака. Он был разделен на желтый, черный, красный и белый сектора. Если волчок раскручивали достаточно сильно, цвета всех секторов сливались в один. Регулируя размер секторов, ученые могли менять оттенок итогового цвета. Джордан просил мулатов, которых он изучал, протянуть руку, и запускал рядом волчок. Он корректировал получающийся цвет крутящегося волчка, пока не достигал совпадающего с кожей. Затем он записывал размеры секторов, которые при смешении давали нужный оттенок».
Теперь поговорим о степени наследуемости некоторых параметров.
О наследуемости роста:
«В 2007 г. Питер Вишер с коллегами исследовал рост 11 214 пар обычных братьев и сестер. Ученые обнаружили, что, когда у детей было больше половины одинаковых генов, их рост оказывался примерно одним и тем же. Братья и сестры с меньшим генетическим сходством сильнее различались по росту. Исследователи использовали эти корреляции, чтобы подсчитать наследуемость роста. В итоге они определили, что ее коэффициент здесь равен 86%. Это очень много. Никотиновая зависимость имеет наследуемость 60%. Возраст наступления менопаузы у женщин — 47%. Леворукость — всего 26%. Наследуемость роста весьма высока. <…> В 2017 г., через 10 лет после первой попытки изучения роста с помощью полногеномного поиска ассоциаций, в рамках проекта GIANT опубликовали исследование, выполненное более чем на 700 000 человек, а общее количество найденных генов, влияющих на высоту, достигло почти 800».
О наследуемости интеллекта:
«Интеллект очень непохож на группы крови. Несмотря на то, что результаты тестов — бесспорно наследуемый признак, у него не стопроцентная наследуемость. Может быть множество вариантов. Хотя однояйцовые близнецы действительно получают схожие баллы в тестах, все же так бывает не всегда. Даже если ваш результат при решении подобных заданий показал средний уровень, все равно есть вероятность, что ваши дети окажутся гениями. А если вы сами гениальны, то вам хватит ума понять, что отпрыски ваши могут оказаться не такими. Интеллект — это не то, что можно просто передать по наследству, как корону. Как бы сложно ни было находить гены, участвующие в формировании интеллекта, отслеживать влияние среды оказывается еще труднее».
Про тесты на интеллект (забавное о науке):
«Когда стало ясно, что результаты теста на интеллект могут зависеть от культурного багажа испытуемого, некоторые психологи постарались исключить его влияние. Среди них был и Стэнли Портеус. Он решил полностью отказаться от использования языка и тестировал людей с помощью лабиринтов. Он разработал разные уровни сложности этой головоломки, а затем отдал задания в печать. Путешествуя по Австралии, Азии и Африке, он искал людей, готовых хоть чуть-чуть идти на контакт, чтобы он мог их исследовать. Портеус обнаружил, что по умственному развитию бушмены Калахари находятся на уровне семилетнего ребенка. При этом его испытуемые прокладывали свой путь по напечатанным лабиринтам, стоя посреди огромной пустыни, в которой ориентировались безо всякой карты, находя всю необходимую им еду и укрытие».
Как показывают исследования, для наследования тех или иных параметров важны как гены, так и среда, в которой растет организм. Даже имея гены «рослости», трудно вырасти большим без должного питания или в постоянном стрессе. Вот важные слова о генах, интеллекте и среде и об особенностях развития нашего вида:
«Гены могут в течение долгого времени формировать среду, в которой развивается наш интеллект. В 2010 г. Роберт Пломин провел исследование 11 000 близнецов из четырех стран, оценив наследуемость в разном возрасте. В возрасте девяти лет наследуемость интеллекта составляла 42%, к 12 годам она выросла до 54%, а к 17-ти — уже до 68%. Другими словами, по мере взросления унаследованные нами гены проявляются сильнее. Пломин утверждал, что этот сдвиг происходит из-за того, что люди с разными генами попадают в разную среду. Дети, которые по генетическим причинам плохо читают, могут избегать книг и не получать пользы от их прочтения. Ребенка, который научился быстро решать математические задачи, учитель может поощрять решать их еще и еще. По мере взросления у детей появляется все больше возможностей выбирать среду, подходящую их интеллекту. Нам кажется, что окружающая среда — это просто физические условия вокруг нас типа жары или холода, наличия определенных веществ и пищи. Но мы, люди, способны выстраивать свою собственную окружающую среду из слов и чисел».
А теперь поговорим о наследственности внутри нашего тела:
«Использование языка наследственности для описания происходящего внутри нашего тела может показаться странным. Мы привыкли думать о наследственности как о механизме, биологически связывающем нас с прошлым и будущим. Однако передача наследственной информации не останавливается в момент зарождения новой жизни. Каждая из 37 трлн наших клеток занимает свое место на ветвях генеалогического дерева, растущего от той самой первой клетки, возникшей в момент зачатия».
Ветвями эволюционного древа принято считать организмы, но на самом деле каждая клетка — это еще один отросток, который ветвится и меняется с каждым делением. Из-за этого геном одной клетки может не совпадать с геномом другой. Чем более точное совпадение мы ищем, тем меньше вероятность, что мы его найдем.
Давайте рассмотрим ряд необычных явлений, когда геном у человека, скажем так, «неоднозначен».
Лайонизация – явление, когда в каждой клетке женского организма одна или две Х-хромосомы выключаются или «подавляются». Этот процесс называется в честь Мэри Лайон, которая впервые его описала.
«Бóльшая часть исследований X-хромосом была посвящена изучению болезней, которые с ними связаны. Для мужчин наличие единственной X-хромосомы означает, что у них нет надежды спастись от мутации с помощью резервной рабочей копии. В результате многие наследственные заболевания, связанные с X-хромосомой, поражают почти исключительно мужчин. Например, белок дистрофин необходим для правильной работы мышц, и так сложилось, что ген этого белка лежит в X-хромосоме. Мышечная дистрофия Дюшенна — заболевание, ослабляющее мышцы в разных частях тела, — угрожает почти всегда только мальчикам. Они наследуют ее от своих ни о чем не подозревающих матерей, которые не страдают от мутации, потому что у части мышечных клеток достаточно дистрофина, чтобы сохранялась сила мышц. Между тем женщины сталкиваются с другими проблемами, если выключенные X-хромосомы становятся активными и, таким образом, нарушается баланс белков».
К слову, именно лайонизации мы обязаны тем, что черепаховый окрас проявляется только у кошек. Такая кошка как раз стала поводом для начала исследований Мэри Лайон.
Мозаицизм - наличие в тканях одного организма генетически различающихся клеток, происходящих от одной зиготы.
«По ходу того, как ученые определяли генетические причины других мозаичных заболеваний, выяснялась последовательность событий при реализации нашей внутренней наследственности. Мутации могут возникать на любом этапе развития, начиная с первого деления зиготы и заканчивая последним митозом перед смертью. В зависимости от момента возникновения мутации заболевание может затронуть несколько клеток или же, напротив, много. Заболевание кожи, которое называется CHILD-синдром, возникает на ранних этапах развития, когда у эмбриона образуются правая и левая сторона. При этом заболевании формируется наполовину светлое, наполовину темное тело».
Самое важное про мозаицизм:
«Когда-то проявления мозаицизма служили пищей для суеверий или дорогой в цирк уродов. Затем его признали заболеванием — сначала редким, потом частым. Сейчас мы можем видеть ее повсюду. Один геном более не может характеризовать нас полностью, поскольку наследственность внутри нас играет с ДНК, изменяя почти каждый кусочек полученного генетического материала».
Т.е. каждый из нас носитель целого ряда геномов. В случае, когда клетки мутируют в определенных местах еще при первых делениях, это может вылиться в тяжелые наследственные заболевания. Если же мутации происходят на стадии взрослой особи, то они могут никак себя не проявить. Но у каждого из нас есть клетки с разной степенью накопленных в ходе деления мутаций.
Химеризм — редкое состояние, характеризующееся наличием в организме клеток, имеющих разный генотип. Вот показательный пример влияния на жизнь химеризма:
«В 2003 г. в штате Вашингтон Лидии Фэйрчайлд должны были сделать анализ ДНК. Незамужняя безработная 27-летняя женщина ожидала рождения четвертого ребенка. Чтобы получать социальное пособие, по законам штата требовалось подтверждение генетического родства детей с ней и с их отцом Джейми. В один из дней Лидии позвонили из департамента социального обеспечения и попросили немедленно приехать. Анализ ДНК подтвердил, что Джейми действительно являлся отцом троих ее детей. Но Лидия не была их матерью. Сотрудники департамента начали ее допрашивать, подозревая в преступлении. Предполагали, что она похитила детей. Или что это была какая-то афера с суррогатным материнством. В любом случае грозило обвинение в мошенничестве. Лидии сказали, что детей заберут, а ее саму отправят в тюрьму. Женщина отчаянно пыталась доказать, что это ее дети. Она принесла их свидетельства о рождении, где было указано, что она рожала их в местных больницах. Лидия попросила своего акушера поручиться за нее. Ее мать в интервью ABC News сообщила: «Я сама видела, как они рождались». Шестьюдесятью годами ранее Чарли Чаплин не мог заставить суд взглянуть на генетические доказательства, чтобы тот принял решение об отцовстве. Теперь же ДНК было единственным доказательством, которое суд принимал, и оно означало, что слова Лидии не могли быть правдой. Ее отец признался, что, хотя он доверяет дочери, анализ посеял в нем сомнения. «Я всегда верил в ДНК», — сказал он позже».
В своей книге Карл Циммер подробно описывает то, как универсальная тотипотентная зародышевая клетка обретает свое однозначное предназначение, становясь одним из специализированных типов клетки: например, нервной или мышечной тканью. Это удивительный процесс самоограничения и саморегуляции.
«С каждым новым сужением возможностей все сильнее работает долгосрочная регуляция ДНК с помощью метилирования генов. Клетки выключают многие свои гены настолько глубоко, что те более не имеют шансов стать включенными снова. Генетические сети, которые определяют характерные свойства клетки кости, мышцы или кишечника, становятся надежнее и противостоят случайным колебаниям содержания белков. Когда такие клетки делятся, их потомство гарантированно относится к тому же типу, с тем же метилированием и теми же участками ДНК, намотанными на белковые катушки».
После того, как процесс секвенирования генома стал относительно простым, быстрым и доступным, учеными был произведен ряд открытий, доказывающий, что наша наследственность устроена еще сложнее, чем мы думали ранее.
Вот одно такое удивительное открытие: клетки плода могут жить внутри матери годами!
«Дайана Бьянки отобрала для своих исследований нескольких женщин, у которых никогда не было переливания крови или трансплантации органов. У шести из восьми таких женщин исследовательница обнаружила клетки плода с Y-хромосомой. Одна из них была мамой 27-летнего сына, а это значит, что его клетки сохранялись в теле матери более четверти века. Когда Бьянки попыталась опубликовать статью о своих исследованиях, три журнала ее отклонили. Рецензенты возражали, что клеткам плода нет никакого смысла так долго сохраняться в чужом теле. Наконец, в 1996 г. журнал Proceedings of the National Academy of Sciences согласился опубликовать ее результаты. В статье Бьянки с коллегами было сказано: «Таким образом беременность может создать у женщины долговременный слабо выраженный химеризм». <…> В 2015 г. группа исследователей из Лейденского университета в Нидерландах поступила так: они искали в голландских больницах образцы тканей женщин, которые на момент смерти были беременны мальчиками либо умерли в течение месяца после рождения сына. Исследователи нашли 26 таких женщин и взяли образцы тканей из их почек, печени, селезенки, легких, сердца и мозга. У некоторых из них клетки их сыновей были во всех органах. Из 17 исследованных сердец пять были химерными. Из 19 исследованных легких химерными оказались все. Клетки сыновей были и в пяти мозгах из пяти проверенных».
Отсюда важные последствия беременности для суррогатной матери (и выношенного ею плода):
«По мере того как химеризм перестает считаться чем-то необычным, возникают неожиданные этические вопросы. Только в США ежегодно около тысячи детей рождаются у суррогатных матерей. По мнению биоэтиков из Колумбийского университета Рут Фишбах и Джона Лойке, правила суррогатного материнства основаны на старомодных представлениях о беременности. Согласно им, люди считаются просто наборами генов. Общество не переживает о женщине, вынашивающей чужой эмбрион и затем расстающейся с ним, поскольку у них нет наследственной связи, которая есть у этого эмбриона с родной матерью. Если беременность прошла нормально, то после нее суррогатная мама остается такой же, какой была до начала всего этого процесса. Однако Фишбах и Лойке отмечают, что суррогатная мать и ребенок могут остаться связанными самым глубоким образом. Клетки плода способны проникать во все части тела вынашивающей его женщины и поселяться там навсегда. И она может передавать некоторые свои клетки такому ребенку. Это не просто абстрактные размышления. В 2009 г. ученые из Гарварда исследовали 11 суррогатных матерей, вынашивающих мальчиков, но не имеющих собственных сыновей. После родов ученые обнаружили Y-хромосому в клетках крови у пяти из них. Фишбах и Лойке не утверждают, что суррогатное материнство следует запретить из-за химеризма. Но исследователи уверены: информированное согласие, которое дают будущие суррогатные матери, должно быть по-настоящему информированным — чтобы для таких женщин не оказалось неожиданностью, что их собственная ДНК способна будет долгое время влиять на неродного им ребенка, а также что они сами в итоге могут получить некоторые клетки с геномом этого ребенка. Эти женщины должны знать, что щупальца наследственности не так легко обрезать, как кажется».
Вы наверняка слышали выражение, что рак не заразен. Для рака внутренних органов это так, но это не значит, что заразного рака не существует. Например, такой обнаружен в популяциях тасманийских дьяволов. Они – самые крупные из ныне живущих сумчатых хищников и к тому же очень жестокие. У них есть обыкновение откусывать кусочки от морд друг друга в ходе драки за еду и при спаривании. Именно так происходит заражение вирусом, вызывающим рак на мордочках этих животных (гуглить не рекомендую!).
«Заразные раковые заболевания оставались тайной для науки, хотя их заметили уже два столетия назад. Когда ученые поняли, что это такое, и заинтересовались, нет ли еще чего-то подобного, их стало обнаруживаться все больше. Совершенно очевидно, что восемь разновидностей, выявленных на сегодняшний день, это не предел. Сколько их будет, никто не знает. Может быть, окажется, что некоторые виды животных более восприимчивы, чем другие. Маленький размер популяции тасманийских дьяволов мог способствовать повышенной уязвимости, поскольку у этих животных низкий уровень генетического разнообразия. У таких видов заразному раку проще проникать внутрь новых хозяев, потому что раковые клетки не кажутся подозрительно чужеродными. Кроме того, заразному раку нужен простой способ передачи от одного хозяина к другому. У собак половой акт длится долго, иногда до получаса, и сопровождается повреждением слизистой оболочки. Это потенциально удобный способ передачи своих клеток для опухоли, приспособленной к росту вокруг половых органов. Но не надо недооценивать расстояние, которое могут преодолеть раковые клетки, чтобы попасть в следующего хозяина. В конце концов, теперь мы знаем, что они умеют плавать. На самом деле, даже если ученые найдут новые разновидности заразного рака, истинное его количество может оказаться гораздо больше. Вероятно, как и генный драйв, заразный рак регулярно возникает у животных, но затем исчезает — либо потому, что иммунная система хозяев усиливает свою способность защищаться, либо потому, что он доводит их до вымирания. Все это вызывает тревожный вопрос: может ли у нас, людей, развиться заразная форма рака? <…> Наши клетки умеют чувствовать вторжение вирусов и совершают самоубийство, чтобы остановить их распространение. Мы можем выработать антитела, чтобы уничтожить штамм плохих бактерий, но сохранить при этом полезные. Благодаря таким эволюционным приобретениям у наших предков появилось больше шансов на выживание и размножение. Но ведь они не пересаживали друг другу легкие и селезенку. Так зачем же наша иммунная система дает на это такую острую реакцию? Одно из объяснений — опасность заразных раковых заболеваний. Возможно, наши давние предки 700 млн лет назад регулярно сталкивались с нашествиями паразитических клеток других животных».
Известно, что митохондрии (энергетические станции в клетках живых организмов) – это бывшие бактерии, которые эволюционно «остались» внутри клетки. Но есть и другие примеры клеточно-бактериального симбиоза:
«К тем микробам, что живут внутри тараканов, относят, в частности, Blattabacterium. Как и у моллюсков, у этих насекомых развились специальные клетки, внутри которых обитают бактерии. Вместо попадающего в морскую воду сероводорода тараканы используют для своего питания органическое вещество с поверхности земли, они находят его под пологом леса или в обычной нью-йоркской квартире. Blattabacterium сыграли важнейшую роль в повсеместном распространении тараканов. Когда насекомые кормятся, они запасают азот в жировом теле, это специальный орган в брюшке. Некоторые клетки внутри жирового тела содержат Blattabacterium. Бактерии превращают азот в аминокислоты и другие вещества, необходимые тараканам для роста. Иногда клетки с Blattabacterium отправляются в путешествие. Они покидают жировое тело, находят тараканьи яйцеклетки и прикрепляются к ним. А через несколько дней яйцеклетка их поглощает. Таким образом, новое поколение тараканов продолжит завоевание планеты».
Как митохондрии в наших клетках влияют на наследственность?
«Если единичная митохондрия мутирует, то клетка будет продолжать нормально работать, потому что у нее есть еще сотни других, здоровых митохондрий. Когда клетка делится, одна из дочерних клеток наследует эту мутантную митохондрию. По мере деления мутантных митохондрий нагрузка на клетку возрастает. Когда число испорченных митохондрий превысит определенный порог, у клетки начнутся неприятности. Содержание мутантных митохондрий способно увеличиваться из поколения в поколение. Женщина с низким их содержанием может родить детей, у которых количество неисправных митохондрий будет выше порогового, и митохондриальное заболевание разовьется в полной мере. Случайным образом некоторые из ее детей заболеют, а другие останутся здоровыми. Изучение митохондриальных заболеваний, возможно, в итоге приведет ученых к ответу на главный вопрос митохондриальной наследственности: почему митохондрии передаются только по материнской линии? Никто из нас — как мужчин, так и женщин — не может жить без митохондрий. Сперматозоиды нуждаются в митохондриях, чтобы приплыть к месту зачатия.
Ученые обнаружили несколько видов, у которых оба родителя передают свои митохондрии потомству. Один из них — чернильный гриб. Другой — герань. У мидий сыновья наследуют митохондрии от обоих родителей, а дочери — только от матерей. Но у подавляющего большинства видов отцы никогда не передают свои митохондрии потомству. Все это указывает на то, что должно быть какое-то мощное преимущество в передаче митохондрий только по материнской линии. <…> Бактерии, некогда заразившие наших предков, теперь представляют собой такую значительную часть нашей наследственности, что от их качества стало зависеть, какими окажутся новые человеческие существа».
Можно ли передать на генетическом уровне жизненный опыт?
«Наиболее убедительная критика этой формы наследования направлена на молекулярные детали. Непонятно, как именно полученный родителями опыт может точно помещать метки на гены их потомков. И, хотя рисунок метилирования в клетках действительно меняется в течение жизни человека, совершенно неочевидно, что эти изменения унаследованы. Проблема данной гипотезы заключается вот в чем — она не соответствует тому, что мы знаем о процессе оплодотворения.
Сперматозоид несет свою собственную ДНК, у которой есть свой собственный индивидуальный эпигеном. Эта ДНК должна быть упакована очень плотно, чтобы уместиться в крошечном сперматозоиде. В ходе оплодотворения гены сперматозоида попадают в яйцеклетку, где сталкиваются с белками, атакующими эпигеном отца. Эпигенетическая драма продолжается и по мере роста эмбриона. Тотипотентные клетки удаляют бóльшую часть оставшихся метильных групп со своих ДНК. А затем — в процессе развития — они, наоборот, прикрепляют новую порцию метильных групп обратно на ДНК. Такое новое метилирование позволяет клеткам эмбриона становиться тем, чем надо. Некоторые клетки «стремятся» стать плацентой. Другие дают начало трем зародышевым листкам. А по прошествии примерно трех недель маленькая группа клеток получает сигнал, сообщающий, что они выбраны для бессмертия. Избранники станут половыми клетками. Эти новообразованные первичные половые клетки еще раз меняют свой эпигеном. Они убирают со своих ДНК львиную долю метильных групп. Многие ученые сомневаются, что эпигенетические отметки в состоянии сохраниться после всех этих чисток и переустановок. Если рассматривать наследственность как разновидность памяти, то у метилирования наступает полная амнезия в каждом поколении. Подобные проблемы как раз и вызвали озабоченность многих ученых, вследствие чего они засомневались в утверждении Брайана Диаса, что мыши могут наследовать воспоминания».
Но у растений все немного иначе:
«По-видимому, растениям проще, чем животным, осуществить передачу эпигенетической информации между поколениями. У них, в отличие от животных, нет обособления клеток зародышевой линии в начале развития и нет сброса старого метилирования. Желудь красного дуба прорастает, его клетки развиваются в побеги и корни, и с годами их число увеличивается так, что получается дерево. Примерно через 25 лет оно оказывается готово к размножению и меняет программу некоторых клеток кончиков ветвей, превращая их в ботанический аналог стволовых клеток. Эти клетки начинают быстро делиться, формируя цветки либо с пыльцой (растительный аналог сперматозоидов), либо с семязачатками (растительные аналоги яйцеклеток). Семязачатки оплодотворяются пыльцой от другого дерева и развиваются в желуди. На следующий год тот же дуб снова образует на кончиках веток стволовые клетки, из которых появляются цветки и половые клетки. Так будет продолжаться столетиями. Иначе говоря, прежде чем из соматической клетки образуется половая, проходит много делений и много времени, в течение которого эпигенетическая схема красного дуба может измениться. Поскольку растения не сбрасывают эпигенетические метки в половых клетках, молодой красный дуб может унаследовать эпигенетические изменения своих родителей. Есть еще одна важная разница в эпигенетике растений и животных. Хотя растения прикрепляют к своим генам те же самые метильные группы, молекулы, посредством которых они это делают, различаются».
Какая часть наших генов кодирует белки?
«У каждого из нас примерно 20 000 белок-кодирующих генов и тысячи генов, кодирующих молекулы РНК. Но какое их количество нам действительно нужно? Если мутация выключает некоторые гены, это приводит к смертельным наследственным заболеваниям. Тем не менее, несмотря на полученные сломанные гены, у многих из нас хорошее здоровье. Ученые давно задавались вопросом, сколько генов абсолютно необходимы человеку для выживания. При этом они понимали, что такой каталог составить не удастся. Система CRISPR сделала это возможным. В 2015 г. три независимые исследовательские группы использовали CRISPR для выключения всех белок-кодирующих генов по очереди, чтобы понять, может ли клетка выжить без определенного гена. В итоге получились почти одинаковые списки. Незаменимыми оказались около 2000 генов, т.е. примерно 10% белок-кодирующих генов человеческого генома. Эксперименты показали, что многим генам можно и испортиться, поскольку у них есть запасные варианты. Если одни выйдут из строя, то другие возьмут на себя их функции».
А теперь выйдем за пределы молекулярной биологии и обратимся к культуре, как еще одному «внешнему» механизму наследственности.
Кумулятивность - важная особенность нашей культуры, обеспечивающая ее развитие, накопление и передачу информации.
«Кумулятивная культура — отличительная особенность нашего вида. Традиции, которые существуют у шимпанзе, — простые, состоящие всего из нескольких последовательных шагов. У них исследователи никогда не наблюдали способности развивать навык на основе того, что уже освоено. Люди, наоборот, постоянно что-то добавляют к выученным действиям, создавая принципиально новые сложные формы культуры. Они способны разработать рецепт нарду, модифицировать каноэ так, что на нем можно будет пересечь Тихий океан. Также мы в состоянии превратить классические гитары в электрические.
Эксперименты Льюиса Дина выявили некоторые из ключевых черт, обеспечивающих возможность существования кумулятивной культуры. Прежде всего важно дружелюбие. Когда Дин давал шкатулку с секретом приматам, они конкурировали за нее вместо того, чтобы сотрудничать. Те, кто выяснил, как добыть фрукт из лотка, всегда съедал его в одиночку, никогда не делясь с остальными. А вот детям, напротив, было комфортнее в компании друг друга. Некоторые из них спонтанно отдавали извлеченные из шкатулки наклейки тем, у кого не получилось открыть лоток. Дин обнаружил, что чем дружелюбнее были дети, тем лучше они справлялись с задачей. В ряде других исследований были получены аналогичные выводы: мы, люди, по сравнению с другими видами развили бóльшую взаимную терпимость — что дает нам возможность учиться друг у друга. И эта дополнительная возможность социального обучения, похоже, имеет решающее значение для кумулятивной культуры».
Важное замечание о культуре и генетике:
«Очевидно, что унаследовать от своих родителей ФКУ — не то же самое, что унаследовать знание о том, как делать хлеб из нарду. В первом случае наследование представляет собой копирование генетической информации и соединение ее в эмбрионе. Для второго нужны годы обучения с помощью действий и речи. Тем не менее эти два примера наследования имеют общие черты. Они являются элементами отличия человека от человека и популяции от популяции соответственно. И оба способа наследования могут поддерживать эти различия на протяжении поколений».
Сегодня у нас есть хорошо зарекомендовавшая себя технология CRISPR/Cas9, позволяющая вносить изменения в геном. Она открывает широкие возможности для изменения жизни, причем, как это всегда бывает, как в лучшую, так и в худшую сторону. Но вопрос редактирования генома уже не сугубо биологический или медицинский, а большей частью этический. Споры на эту тему ведутся не первый год, и пока широкое редактирование генома человека –табу.
Технология смогла бы устранять поломанные или рецессивные гены еще до рождения, и тем самым избавлять будущих младенцев от тяжелых заболеваний. Но стоит помнить, что отредактированный геном – не вечный подарок, и через несколько поколений он может утратить свои свойства.
«Когда мы заглядываем так далеко вперед, поверх многих поколений, следует учесть, что наследственная информация необязательно передастся так, как мы это себе представляем. Введение единственного отредактированного гена в генофонд человечества не гарантирует, что он распространится по всему виду, как уверяет Агиус. На самом деле популяционная генетика говорит, что, скорее всего, этот новый аллель просто исчезнет. Вы можете сделать своим детям прекрасный подарок, дав им в наследство аллель, защищающий от болезни Альцгеймера, но это, увы, не тот подарок, который гарантированно передается из поколения в поколение. Представьте себе, что ваша дочь, у которой две копии этого аллеля, вышла замуж за мужчину, у которого нет ни одной. Их дети унаследуют только по одной копии. Когда они решат завести своих детей от супругов, не имеющих таких аллелей, многие ваши праправнуки останутся вовсе без этой защиты».
И несколько слов об этике. Вот пара интересных примеров из настоящего, которые наводят на глубокие размышления. Первый пример о преждевременной гибели и наследниках:
«В 2011 г. 17-летняя Чен Айда Айаш из Израиля погибла в автомобильной аварии. Родители попросили врача извлечь несколько яйцеклеток из ее тела. Чтобы получить на это разрешение, они отправились в суд, где объяснили судье, что хотели бы искусственно оплодотворить яйцеклетки Чен, после чего ее тетя выносит их и родит ее детей. Таким образом, погибшая Чен могла бы дать своим родителям внуков. Эти случаи переносят нас в реальность, где прежние представления и правила не работают. Слова, которыми мы пользуемся, обсуждая наследственность, потеряли старые значения и обрели новые».
Второй пример о вине и ответственности:
«Было уже возбуждено несколько дел по заявлению детей против своих родителей, позволивших им появиться на свет с наследственными заболеваниями. В этих исках о «неправомочном рождении» утверждается, что родители проявили халатность, проигнорировав результаты анализа плода, и позволили беременности продолжиться. Теперь некоторые специалисты по этике задумываются, могут ли в будущем дети подавать в суд на своих родителей за то, что те не использовали митохондриальную заместительную терапию для лечения синдрома Лея или какого-либо другого губительного митохондриального заболевания. А если родители секвенировали геном эмбриона и решили не редактировать аллель, который повышает риск развития деменции, то будут ли дети в таких случаях пытаться привлечь их к ответственности?
Сложно сказать, удастся ли детям выигрывать подобные дела. При некоторых формах митохондриальной заместительной терапии ядро из неоплодотворенной яйцеклетки переносят в новую клетку. И только после этого врачи оплодотворяют ее. Чтобы ребенок имел основания утверждать, что ему был нанесен вред появлением его на свет, он должен будет доказать, что оказался бы в лучшем положении, будь процедура проведена. Но ведь после такой процедуры родился бы уже кто-нибудь другой, так как он получил бы иную комбинацию аллелей».
А напоследок еще одно открытие, над которым ученые работают сейчас: «мутагенная цепная реакция»! Она может стать новой угрозой жизни на Земле, а может, наоборот, исполнить роль спасителя человечества во время очередной пандемии. С помощью такой «биологической бомбы» можно вносить изменения в геномы целых популяций!
«…План был таков. Первым делом Ганц использует CRISPR, чтобы вырезать тот ген, который он заменит сегментом ДНК. В этом сегменте окажется не только измененный ген, но и гены для CRISPR. Тогда собственные клетки мухи начнут синтезировать молекулы CRISPR, которые будут находить соответствующую хромосому и редактировать вторую копию гена. В результате Ганц получит мух-горбаток с двумя мутантными копиями гена и сможет использовать их для получения линии мутантных мух. Ганц назвал этот процесс «мутагенной цепной реакцией».
Идея показалась Биеру слишком фантастичной. Он сомневался, что все сработает достаточно надежно, чтобы произошли те генетические изменения, на которые рассчитывал Ганц. Но если вдруг все сработает, сказал Биер, это может оказаться мощным инструментом для генетических исследований не только мух-горбаток, но и других видов. И пока Биер с Ганцом обсуждали мутагенную цепную реакцию, на них вдруг снизошло, что она может стать даже еще более мощным инструментом, чем изначально предполагалось.
«И тут мы поняли: стоп, она же может проникать в клетки зародышевой линии!» — сказал Биер. Если Ганц скрестит муху, несущую CRISPR, с обычной, он получит нарушение закона Менделя. Муха начнет передавать потомкам одну хромосому с генами для CRISPR и геном, который система CRISPR должна будет скопировать. У эмбрионов мух второго поколения молекулы CRISPR изменят вторую копию хромосомы. В результате мухи второго поколения не окажутся гибридами с одной копией генов CRISPR. У них будет две копии. То же получится и при скрещивании с обычными мухами. «Представьте себе супружескую пару, в которой один супруг светловолосый, а у другого волосы темные, — рассказывал мне Биер. — Все их дети светловолосые. Все их внуки светловолосые. Все их правнуки светловолосые. И так до бесконечности. Что-то в этом роде».
Пока результаты экспериментов ненадежны, не всегда мутагенная цепная реакция срабатывает как надо. Почему? Это и пытаются выяснить ученые, видя опасность в том, что такая реакция может выйти из-под контроля.
Важные слова автора о вмешательстве в гены:
«Безусловно, нам нужно принять коллективное решение о правилах применения CRISPR для изменения человеческих эмбрионов, чтобы это помогало людям и не создавало для них серьезной угрозы. Но использование понятия «наследственность» в столь узком смысле само по себе тоже опасно. Есть риск, что мы начнем воспринимать себя всего лишь результатом работы генов, которые мы унаследовали от родителей, а будущим считать просто дальнейшую передачу этих генов. Перспектива изменения генетической наследственности становится чрезвычайно захватывающей и пугающей. Нам обещали, что в скором времени больше никто не будет страдать от генетических заболеваний. Нас уверяли, что в скором времени Китай создаст армию супергениев. Такие упрощения мешают мыслить ясно о генетической наследственности. Они заставляют нас переоценивать наши смутные знания о работе генов и упускать из виду другие факторы, которые влияют на нашу жизнь и которые можно изменить для улучшения мира».
Самое время дать правильные ответы на заданные в начале рецензии контрольные вопросы. Вот они:
1) Когда было опубликовано первое исследование наследственных заболеваний? (1605 год)
2) Когда были проведены первые генетические опыты? (примерно 11 000 лет назад)
3) Когда появились первые успехи в лечении наследственных заболеваний? (1970-е)
4) Когда впервые генетика была использована в зале суда? (1926 год)
5) Какая часть наших генов кодирует белки? (10%)
Насколько близки вы оказались к этим ответам? Надеюсь, совпадения вас порадовали, а неправильные ответы заставили задуматься.
Книга Карла Циммера «Она смеётся, как мать» — это пример глубокой, увлекательной, хорошо и доступно написанной научно-популярной литературы, которая рассказывает интересные истории, поднимая через них важные темы и объясняя то, как устроен наш мир и жизнь на нашей планете. Книга дает полное представление о сложности такого явления, как наследственность, где мы делаем только первые шаги к полному его пониманию. Главная мысль, которую подчеркивает в своей книге автор, заключается в том, что нельзя наследственность считать полностью генетически обусловленной и рассматривать ее следует только комплексно, включая среду и культуру. Сама биология и история эволюции подсказывает нам это.
«Наш антропоцентризм легко позволяет нам забыть, что законы Менделя молоды. Вселенная зародилась, имея скорость света 300 000 км/с и определенную массу электрона. И нигде в космосе не было никаких законов Менделя. Они появились гораздо позже и, насколько нам известно, всего лишь на одной планете. Но на покрытом водой камне наследственность развивалась уже миллиарды лет — задолго до возникновения законов Менделя. Микробы и вирусы, которые были единственными жителями Земли на протяжении половины всего существования жизни, размножались вовсе не путем слияния половых клеток. Они до сих пор так и не начали этого делать. Микроорганизмы следуют своим собственным правилам. Они создают почти идентичные копии своей ДНК. Но эта ДНК может передаваться от одного микроба к другому, формируя смесь, которая никогда бы не возникла, если бы наследственность передавалась только вертикально. У микробов развился собственный способ наследования. Ученые только в начале 2000-х гг. обнаружили, что многие виды бактерий используют систему CRISPR для получения защиты от вирусов — защиты, которую могут унаследовать их потомки. Мы не сможем понять мир природы, исходя из упрощенного представления о генетической наследственности. Некоторые ученые утверждают, что следует снова расширить понятие «наследственность», чтобы учесть и другие пути ее передачи — культуру, эпигенетические маркеры, перемещающихся микробов и наверняка еще что-то, о чем мы пока даже не знаем».
МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ:
Качественное издание в традиционном для «АНФ» оформлении.
Формат стандартный, расширенный (170x240 мм), твердый переплет, без суперобложки, 596 страниц, без иллюстраций.
Достоинства издания: научный редактор (Яна Шурупова); хорошее качество печати; белая плотная бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; информация об авторе; подробное оглавление; хорошо выделенные заголовки; закладка-ляссе; примечания; библиография; предметно-именной указатель; глоссарий.
Недостатки издания: не обнаружено.
ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ:
Да. Интересная книга о наследственности, показывающая это явление с самых разных сторон и доказывающая его сложность. Книга интересна и просто как литература, поскольку содержит множество отлично написанных реальных историй из мира науки.
КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ:
Тем, кого интересует биология и генетика в целом, и вопросы наследственности в частности.
ТЕГИ: Нон-фикшн, науч-поп, биология, генетика, медицина, наследственность, обучение, культура, традиции, технологии, этика, история.
ВИДЕО В ТЕМУ: Лауреатами Нобелевской премии по химии 2020 года стали Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна – за развитие метода редактирования генома, технологию CRISPR /Cas9, которую также называют «молекулярными ножницами». Перед вами нобелевская лекция одного из лауреатов об этой технологии и ее будущем.
https://youtu.be/KSrSIErIxMQ?si=wZI9ym6uqYzUXQJl
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
https://t.me/pavelmazheikabooksreview
Другие мои рецензии на страницах:
Группа "ВКонтакте":
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
Канал в "Телеграм":