Секреты наследственности человека

Афонькин Сергей Юрьевич

Гормон инсулин, например, удалось обнаружить в бактериях. Основной компонент кутикулы насекомых — хитин, присутствует в клеточных стенках грибов. Полисахарид агар, выделяемый некоторыми водорослями (его используют при изготовлении мармелада), найден в бактериях рода Псевдомоиас. Список подобных примеров можно значительно расширить. Как их объяснить? Неужели все современные организмы, включая бактерий, произошли от одного предка — одноклеточного существа, которое обладало всем мыслимым набором различных соединений, встречающихся теперь в различных группах современного живого мира? Быть может, одни и те же макромолекулы были «изобретены» в процессе эволюции независимо друг от друга в различных систематических группах? Маловероятно. Скорее всего, мы имеем дело со своеобразной формой биологического плагиата — заимствования удачных «текстов ДНК».

Основное время биологической эволюции живого на Земле было потрачено на создание генных и белковых блоков и на шлифовку правил их комбинирования. Эволюции потребовалось

около двух миллиардов лет, чтобы отобрать, закрепить и отшлифовать потенциально совместимые блоки и завершить, в конечном счете, формирование сложно устроенной клетки со всеми ее неисчерпаемыми возможностями для комбинирования признаков, свойств, Функций. Возникновение многоклеточных организмов, возможно, неоднократное, и их фантастически быстрая с геологической точки зрения эволюция сравним с шахматной партией, перед которой партнеры долго вытачивали и расставляли фигуры на доске.

Как и любой новый взгляд на природу, на мир, биокомбинаторика завоевывает сознание медленно, хотя сама идей создания разнообразия жизни за счет комбинирования неких частей имеет очень долгую историю. Она восходит еще к Эмпедоклу, считавшему, что сперва возникли различные части животных, затем они соединялись в различных сочетаниях. Все, что оказалось недееспособным погибло, остальное выжило. В наши дни эта идея рядится в новые формы. Сошлемся для примера на мнения заслуженных авторитетов. Выдающийся биохимик Е. М. Кребс считал, что: «Если природа нашла удачное химическое решение биологической задачи, то она сохраняет его в дальнейшей эволюции». Знаменитый французский биолог Жакоб утверждал, что эволюция действует путем «перелицовки» старого. С его точки зрения, новшества возникают путем видоизменения уже существующих систем или структур. Наиболее же эффективный способ их изменений — комбинирование составляющих их частей или блоков. Наш соотечественник А. М. Уголев, создавший в биологии целую новую область — науку о питании (трофологию), приходит к выводу, что: «…эволюция является процессом, главным содержанием которого является поиск определенных полезных сочетаний существенных функциональных блоков, сформировавшихся и меняющихся относительно мало в процессе эволюции».

Зубы в глотке?

возможности комбинирования можно продемонстрировать и на примере развития клеточных тканей. Эти возможности скрыты от глаз исследователя во время нормального развития эмбрионов, однако, их можно продемонстрировать в специальных экспериментах. Например, если опытным путем срастить вместе клетки эпителия из глотки курицы и клетки из десен мыши, то в столь необычной ситуации куриные клетки начинают производить эмаль и подчас даже формируют настоящие зубы! Таким образом, учитывая эти данные, обычный птичий клюв — продукт лишь одного режима работы эпителия из серии возможных программ. Тоже вероятно справедливо и для многих других тканей. Сформированный организм, с этой точки зрения, представляет собой определенную комбинацию, сложенную из определенных режимов работы тканей. Другой режим другие формы. Одна комбинация достаточно жестко закреплена, что, собственно, и создает впечатление четкой запрограммированности при развитии зародыша во взрослый организм, однако такая комбинация, вероятно, далеко не единственная из возможных. Эпидермис ящерицы, например, контактирующий с тканями организмов иных систематических групп, производит чешуи как на лапе курицы, так и сосочки, расположение которых напоминает распределение усов мыши или пластинки, расположение которых типично для птиц.

Все эти примеры можно рассматривать, однако, лишь как некую патологию, полученную в условиях эксперимента. Встречаются ли в природе необычные комбинации, в которых расположение тканей, органов или даже частей тела отличается от обычного? Да, такие примеры существуют!

Общий план строения целого организма может меняться довольно существенно, причем так, что это, опять-таки, создает впечатление блочности его организации. Удается, например, находить морских звезд и других иглокожих с измененной симметрией: двух, трех, четырех и шестилучевых. На задних лапах морских свинок, обычно трехпалых, иногда появляется добавочный четвертый палец. У насекомых антенны порой превращаются в ноги; у двукрылых может появляться добавочная пара настоящих крыльев, возникают вариации числа сегментов груди и брюшка. У гусениц отмечены добавочные ходильные ноги. Глаза ракообразных редко, но все же иногда превращаются в антенны.

На важность подобных редких, но очень существенных для понимания сути дела изменений, указывал еще в конце прошлого века Уильям Бетсон. Он предложил термин «гомеозис» — то есть такое изменение, когда одно становится похоже на другое. Современные биологи только начинают изучать гены, контролирующие такого рода изменения, однако уже ясно, что ни гены играют ключевую роль в пространственной блочной организации многоклеточных организмов. Существует точка зрения, что вся эволюция членистоногих от примитивных кольчатых червей через существ, подобным многоножкам, к настоящим крылатым насекомым шла по пути изменения работы гомеозисных генов. В результате менялось взаимное расположение крупных морфологических блоков. Одни сегменты сливались, другие редуцировались, третьи увеличивались…

Блоки поведения

Все сказанное выше было лишь нисколько растянутым введением, задача которого состояла в том, чтобы убедить читателей: в основе биологического разнообразия часто лежит комбинирование несложных блоков и модулей. Быть может, и сложное поведение животных, включая поведение человека, строится по такому же принципу?

Связь между генами и поведением четко прослеживается у некоторых примитивных организмов. Про одноклеточные водоросли хламидомонады уже было рассказано выше. Изучать генетические основы поведения многоклеточных животных не так легко, однако есть уверенность, что в будущем и в этой области будут достигнуты впечатляющие результаты. Вполне возможно, что сложное поведение удастся рассматривать как комбинирование отдельных элементарных поведенческих актов — «модулей». В качестве примера можно рассмотреть совсем простое многоклеточное существо — обычную пресноводную гидру. Устроена она, на первый взгляд, весьма примитивно. Представьте себе крошечную, около сантиметра, сильно вытянутую перчатку с отверстием-ртом между длинными пальцами-щупальцами. Ее тело образовано двумя разновидностями клеток. Одни покрывают гидру снаружи, другие выстилают ее изнутри. Между ними рассеяны немногочисленные нервные клетки. Своими отростками они образуют сплетение, напоминающее сетку железной кровати. Концы щупалец вооружены смертельными клетками, способными парализовать некрупную добычу. Вот, собственно, почти и все. По сути гидра — живой желудок, засовывающий в себя пойманную добычу.

Никаких внутренних органов, костей, хрящей, печени, почек, кишок, жабр, органов чувств, рецепторов, кровеносных сосудов и нервов у нее нет. Абсолютно никаких мозгов. Несмотря на это гидры обладают довольно сложным повелением. По крайне мере, будь мы гидрами, мы бы вели себя точно так же. Голодная гидра раскидывает в стороны вытянутые щупальца и начинает слегка покачивать верхней частью тела — облавливает свои водяные угодья. Если расставленные сети долго остаются пустыми, полип внезапно сокращается, а затем распрямляется, отклонившись в другую сторону. Так нетерпеливый рыболов вновь и вновь забрасывает в реку спиннинг или удочку. Аналогия полная! Пойманный наконец рачок подтягивается щупальцами к открывающемуся рту и засовывается внутрь. Длинного и тонкого червяка гидра предварительно складывает пополам. Длинного и толстого впихивает постепенно, переваривая по частям.

У гидр есть намек на характер. При встряхивании сосуда одни полипы (холерики) сокращаются резко и быстро. Другие (флегматики) едва поводят щупальцами. Причинами таких различий и их наследованием, кажется, никто не занимался. Гидр пытались обучать простейшим трюкам, однако без всякого успеха. Выработать у них рефлексы не удается. Так что полипам в театре Дурова не место. Вместе с тем, как уже говорилось, у гидр есть довольно сложное поведение, которое построено на сочетании простейших двигательных актов. Стрекательные клетки выстреливают — жупальце сокращается — ротовое отверстие открывается, потом закрывается… Удачное сочетание! Перестановка местами любых эти поведенческих блоков приведет к их неудачному сочетанию, При изучении излюбленного объекта нейрофизиологов — моллюска аплизии (в просторечии именуемого морским зайцем) — также удастся вскрыть тонкие механизмы «блочного» поведения. При откладке яиц аплизия совершает сложную серию движений. Недавно было показано, что эта серия определяется несколькими белками, способными усиливать или ослаблять прохождение нервных сигналов между нервными клетками. Такие белки называют нейромедиаторами. Каждый из них определяет простой поведенческий акт — например, покачивание головы или вытягивание из полового отверстия шнура с отложенными яйцам, а все вместе они обуславливают весь комплекс действий в целом. Все эти нейромедиаторы закодированы в едином блоке генов. Совершенно очевидно, что новые программы поведения могут возникать на этой базе в результате появления новых сочетаний генов, кодирующих разные нейромедиаторы. Последовательное «включение» генов такого блока будет приводить к осуществлению нового сложного поведенческого акта. Именно таким образом сложное поведение может складываться из простых поведенческих актов, каждый из которых определяемся одним или несколькими нейромедиаторами. Комбинационные возможности такой схемы очевидны. Кстати, программисты уже начинают моделировать поведение виртуальных живых организмов, строя их поведение на комбинировании несложных двигательных актов и реакций на воздействие внешней среды. Более того, создаются программы, которые сами могут строить из подобных блоков более сложные программы поведения, а потом отбирать наиболее удачные из них.

Не вызывает сомнения, что поведенческие акты моллюсков вроде морского зайца, да и более сложно организованных существ, носят рожденный, наследственный характер. Никаких школ моллюски не посещают, что, впрочем, не мешает им справляться с житейскими проблемами. Выручают врожденные программы поведения. Хорошо известно, что относительно несложные врожденные поведенческие акты существуют и у человека. Речь идет о некоторых врожденных рефлексах. Ребенка не надо учить отдергивать руку от раскаленного предмета. Необходимая адекватная реакция столь очевидна, что привода жестко зафиксировала ее, сделав наследуемой из поколения в поколение. Практически все физиологические реакции нашего тела построены на работе врожденных программ. Никто ведь не пытается контролировать с помощью сознания процесс потения в бане или образования мочи в почках. Эти процессы происходят «сами собой».