Александр Соколов. Странная обезьяна. Куда делась шерсть и почему люди разного цвета. М.: Альпина нон-фикшн, 2020. Содержание
В погоне за «белым геном»
То, что цвет наследуется, ни для кого не секрет. По оттенку кожи люди порой судят о вашей родословной, и в былые времена это, увы, служило причиной для дискриминации (смугл — значит, кто-то из родителей «не той расы»). А что говорит наука?
Если вы интересуетесь историей биологии, то наверняка слышали про «кошмар Дженкина» — довод, который в XIX веке использовался как возражение против теории Дарвина. Напомню, что, согласно Дарвину, материалом для эволюции служат небольшие случайные изменения в строении и поведении, возникающие при размножении живых существ. Некоторые из этих изменений могут повышать приспособленность организма, их обладатель имеет больше шансов выжить и размножиться. Через несколько поколений благоприятный признак распространяется в популяции. Так работает естественный отбор.
Суть возражения, выдвинутого в 1867 году инженером Флемингом Дженкином, заключалось в том, что признак, даже самый выгодный, неизбежно размывается при скрещивании с особями, у которых такой особенности нет. Почему я вспомнил о кошмаре Дженкина? Посмотрите, какой пример использовал автор.
«...Представим себе белого человека, потерпевшего кораблекрушение на острове, населенном неграми... Наш выживший герой, возможно, станет среди них королем; он убьет очень много чернокожих в борьбе за выживание; он заведет очень много жен и детей, в то время как множество его подданных будут жить холостяками и умрут холостяками... Качества и способности нашего белого человека, несомненно, помогут ему дожить до глубокой старости, но даже его длинной жизни явно не хватит для того, чтобы кто-то из его потомков в каком-либо поколении стал полностью белым... В первом поколении будет несколько дюжин смышленых молодых мулатов, чей ум будет в среднем превосходить негритянский. Нас не удивит, что трон в течение нескольких поколений будет принадлежать более или менее желтокожему королю; но сможет ли поверить кто-то, что население всего острова постепенно станет белым или пусть даже желтым?..
В нашем случае признак попал в исключительно благоприятные условия, способствующие его сохранению, — способствующие, и все же неспособные закрепить и сохранить его».
Этот довод произвел впечатление на Дарвина, который не нашел сильных контраргументов и сам использовал словосочетание «кошмар Дженкина» для обозначения серьезности проблемы.
Оставим в стороне расистскую сторону аргументации, обычную для XIX века. Описанный Дженкином ход событий следует из представлений европейца об интеллектуальном превосходстве «белой расы». Однако рассматриваемый признак — светлую кожу — едва ли можно назвать благоприятным для выживания на тропическом острове. Кроме того, Дженкин исходил из того, что наследственность непрерывна, т. е. результат скрещивания — это всегда нечто промежуточное между признаками отца и матери. В момент, когда Дженкин писал свою работу, уже были сформулированы, но еще не приняты научным сообществом законы наследования, открытые Грегором Менделем и переоткрытые позднее Гуго де Фризом, Карлом Корренсом и Эрихом Чермаком. Наследственность оказалась дискретной, признак не размывался, а передавался целиком в виде особых частиц, позже названных генами. Согласно Менделю, потомок не был носителем среднего арифметического признаков отца и матери — в нем проявлялась особенность лишь одного из родителей, доминантная. Рецессивный вариант гена не влиял на развитие организма и мог сохраняться в популяции, не подвергаясь отборуЛишь позже выяснилось, что не все гены обладают доминантными и рецессивными вариантами, и все-таки бывают ситуации, когда признаки «усредняются»..
Стоп! Погодите. Но ведь цвет кожи наследуется не так. Мы же знаем, что у чернокожей женщины и белого мужчины (или наоборот) родится ребенок-мулат, который может оказаться и темным, и светлым, но чаще промежуточно-смуглым. Где же ваши законы Менделя?
Все верно. Ведь единственного гена «темной кожи» или «светлой кожи» не существует. Наша пигментация управляется множеством генов.
Представьте себе, что у вас есть принтер, который печатает только одним цветом, оставляя на бумаге последовательность крошечных точек — условных «меланосом». При этом печатающий картридж может выдавать много краски, а может по чуть-чуть, сами точки получаются большими или маленькими, то круглыми, то вытянутыми, головка принтера движется медленно либо быстро, плавно или рывками, а промежутки между точками тоже зависят от настроек. Меняя настройки (аллели генов), мы получим сотни различных оттенков.
Я сейчас не пытался описать устройство человеческой пигментации. Аналогия с принтером нужна, чтобы показать, что такое полигенный признак: родители передают ребенку комбинацию «настроек», перемешанных случайным образом, в результате цвет кожи потомка сложно предсказать.
Цвет шерсти или кожи удобен для исследования, и генетики плотно занялись пигментацией еще 100 лет назад. Но напрямую читать ДНК ученые стали совсем недавно — до этого влияние генов на организм изучали, скрещивая различающихся особей и оценивая то, что получилось. Мышей разных цветов можно скрестить, но как быть с человеком? Взять в качестве модельного объекта популяции смешанного происхождения, например афроамериканские. Анализировать родословную каждого индивида, оценивать вклад «белых» и «черных», фиксировать цвет кожи у потомков в разных поколениях и делать выводы.
Первая работа такого рода была проведена еще в 1913 году. За ней последовали другие. Авторы по-разному оценивали европейский вклад в генофонд афроамериканцев, в итоге получали, что цвет кожи регулируется двумя, тремя, а то и шестью генами «аддитивного» действия (т. е. эффект суммировался). Сложность в том, что сами африканцы и европейцы разнообразны по цвету кожи. Чтобы обойти эту проблему, исследователи пытались найти относительно гомогенную популяцию с хорошо известной родословной. Такой оказалась, например, группа афроевропейских метисов первого поколения в Ливерпуле и их потомков. Снова выходило, что за различия в цвете кожи между европейцами и неграми ответственны три-четыре наследуемых фактора (гена?).
Ситуация резко изменилась с развитием молекулярной генетики: когда специалисты научились читать и сравнивать генетические последовательности, быстро выяснилось, что генов, связанных с пигментацией, десятки, если не сотни. К началу XXI века генов, влияющих на цвет кожи, шерсти и глаз у мышей насчитывалось уже 127, и с первой расшифровкой человеческого генома у человека нашлось не менее 60 очень похожих генов-«ортологов». Эти гены отвечали за развитие пигментных клеток и меланосом, регулировали их миграцию, кодировали белки, участвующие в синтезе пигмента.
<...>
Тайна рыжих волос
Прорыв в генетике кожной пигментации связан с исследованием еще одного гена — меланокортинового рецептора 1-го типа (MC1R).
Исследователи установили, что ген MC1R влияет на окраску меха у млекопитающих. Мутации в гене рецептора приводили к тому, что у мышей шерсть, в норме темная, становилась желтоватой. Как выяснилось, MC1R определяет относительное количество эумеланина и феомеланина, вырабатываемых меланоцитами. Если работа гена нарушалась, вместо темно-коричневого эумеланина образовывался желто-красный феомеланин. Оказалось, что работа гена сказывается на пигментации у лошадей, собак, свиней, овец и птиц.
Но раз у человека есть похожий ген, то, может быть, в нем кроется тайна рыжеволосости? Это можно проверить! В 1995 году группа генетиков взяла образцы этого гена у 30 рыжих британцев и ирландцев. Для сравнения изучили варианты MC1R у 30 темноволосых европейцев. Неожиданно 21 рыжий «подопытный» оказался носителем мутантного — отличного от эталонного — варианта MC1R. Да не одного — таких вариантов нашлось целых девять! Самая частая мутация, Asp294His (замена в 294-й позиции аминокислоты аспартата на гистидин) встретилась у 16 человек. А у восьми рыжих оказалось сразу две или больше мутаций в гене MC1R. И ни одного мутантного варианта не нашлось у контрольной темноволосой группы.
Дальнейший анализ показал, что нестандартные варианты MC1R все-таки встречаются и у обладателей темных волос, но никогда в двух копиях, на обеих хромосомах. Удивительно, но и многие рыжие были гетерозиготамиНапомню: большинство генов достается нам в двух копиях, от мамы и от папы. Если оба варианта гена одинаковы, говорят, что организм гомозиготен по этому гену. Если варианты различаются, например один «дикий», а другой содержит мутацию, организм гетерозиготен. по этому гену. То есть для того, чтобы получить рыжеватые волосы, достаточно было, чтобы мутация досталась от одного из родителей, хотя наиболее чистый рыжий тип, как позднее выяснилось, был все же гомозиготным.
Интересен и другой результат: практически у всех темноволосых носителей мутантного варианта MC1R была очень светлая кожа, а кроме того, они плохо загорали. Очевидно, ген влияет не только на волосы, но и на кожу, отмечали авторы исследования. Обнаружилась и связь гена с появлением веснушек, а также — увы — с риском развития рака кожи.
Это было только начало множества исследований гена, который оказался очень удобным — маленьким (всего 954 нуклеотида), с понятной функцией, удивительно изменчивым. Связь некоторых вариантов гена MC1R с рыжими волосами подтвердил анализ ДНК ирландцев, голландцев и шведов, а также исследования на близнецах, выявившие еще 11 вариантов гена. Одни аллели MC1R оказывали сильное, другие — слабое влияние на рыжеволосость. Любопытно, что у разнояйцевых близнецов, обладающих одинаковым вариантом MC1R, встречались разные типы волос — значит, этот ген не мог полностью отвечать за признак. Впрочем, это было очевидно и раньше, ведь мутации в гене обнаружились не у всех рыжих. Так что окрестить ген MC1R «геном рыжих волос», как бы ни хотелось, не получится.
Тем не менее, если проанализировать распространение разных версий гена, может, это расскажет нам что-нибудь о человеческой эволюции? В 2000 году группа генетиков так и поступила. В исследовании участвовали образцы ДНК из Европы, Африки, Азии, Океании, а также двух шимпанзе.
Сравнив варианты гена MC1R между собой, исследователи вычислили предковый, «корневой» вариант, который, немного предсказуемо, оказался африканским, обычным также для юга Азии. Почему предсказуемо? Потому что, как мы знаем, люди родом из Африки. Этот вариант отличался от шимпанзиного 16 мутациями, 10 из которых были несинонимичными, т. е. меняли аминокислоту.
А дальше — интереснее. Африканское разнообразие гена выглядело очень низким — генетики нашли тогда всего пять вариантов, и все синонимичные, их различия не влияли на работу гена. Сходная картина у папуасов и южных азиатов — людей с темной кожей. И совсем другое дело — остальная Евразия, где обнаружилось 13 вариантов гена, причем синонимичных — только 3. Ситуация очень нетипичная, ведь обычно разнообразие максимально в Африке, а тут строго наоборот. Что бы все это значило? А вот что: в Африке палящее солнце отбраковывало любые мутации, вызывавшие хотя бы незначительное посветление кожи. Этот мощный стабилизирующий отбор и есть причина низкого числа вариантов MC1R на Африканском континенте, а также на юге Азии. Когда же люди мигрировали на север, в высокие широты, жесткий отбор прекратился. По мнению авторов исследования, причина появления вариантов MC1R в Евразии — не естественный отбор, а, наоборот, его ослабление. В таких условиях мутации, снижавшие пигментацию, уже не приводили к печальным последствиям и стали распространяться по законам нейтральной эволюции, случайным образом. То, что внутривидовое разнообразие примерно соответствует межвидовым различиям между человеком и шимпанзе, по мнению авторов, свидетельствует не в пользу отбора. Этим можно объяснить и то, что вариантов гена в Европе больше, чем в Азии.
Повторю: вариант шимпанзе отличается от «корневого» человеческого десятью значимыми мутациями. А сейчас в Африке любые мутации в MC1R отсеиваются стабилизирующим отбором. Получается, что когда-то этот отбор был слабым, а затем почему-то стал сильным. Если африканское солнце играет роль сурового фактора отбора сейчас, почему это не происходило раньше? Американские антропологи Алан Роджерс, Дэвид Илтис и Стивен Вудинг предложили простое объяснение: раньше кожа наших предков была покрыта шерстью! Волосы защищали кожу от вредного ультрафиолета, поэтому ее цвет был не столь важен, вот и накапливались мутации. Кстати, у современных обезьян, у тех же шимпанзе, кожа под шерстью может быть очень разной — на выживание животного это не влияет.
Ситуация изменилась, когда древние гоминины лишились волосяного покрова. Коже пришлось быстро почернеть, и с тех пор у африканцев она не менялась.