Современная генетика

Какие вещества самые главные для всех видов жизни, от бактерий до человека? Жизнь — это организованные упорядоченные химические реакции; что же направляет их, да еще с невероятной точностью и скоростью? Это белки — ферменты, они и есть начало всех явлений жизни.

Можно ли проверить древние предания? В некоторых случаях это оказалось возможным. По увлекательности, количеству загадок и разгадок современная генетика значительно превосходит любые детективные истории.

Жизнь нашего 21-го века трудна, требует знаний основ естественных и социальных наук. Хорошо было обезьянам бандерлогам Р. Киплинга, они обходились единовременно всего одной мыслью, каждая следующая выбивала предыдущую, нам такая роскошь даже не может присниться, мы обречены на трудную работу со многими фактами, мыслями. На своей первой работе в Нью-Йорке я имел честь познакомиться с профессором Юлиусом Мармуром, его имя и сейчас фигурирует во всех статьях, связанных с использованием ДНК. Предложенный им в 50-ые годы метод выделения этого вещества остался наиболее популярным. Хотя ДНК была открыта в 1869 году, ее биологическую роль начали понимать в полной мере лишь в середине 50-х годов 20-го века. Откройте любой приличный учебник для школьников, там подробно описана вся история открытия. История же изучения нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) началась как и с генами задолго до начала их выделения в чистом виде, причем и тут в ней, как в самом понятии о генах, самое активное участие приняли физики и биохимики. Какие же вещества самые главные для всех видов жизни, от бактерий до человека? Жизнь — это организованные упорядоченные химические реакции; любые проявления жизни, — будь это рост деревьев, движения животных, наше мышление. Что же направляет их, да еще с невероятной точностью и скоростью? Это белки — ферменты, они и есть начало всех явлений жизни.

Еще в конце 19-го века опыты нескольких исследователей открыли, что механически разрушенные вездесущие дрожжи обладают тем не менее способностью к брожению — превращению сахаров в этиловый спирт, хотя клетки полностью разрушены, расти они не могут. Но в таком случае все свойства живого определяются наборами его белков — ферментов (синоним — энзимы) и белков — не являющихся ферментами. Один из базовых принципов биологии — общность всех живых существ, весьма скромные наборы мономеров, из которых построены все полимерные молекулы живого, они очень малы по сравнению со списками синтетических органических молекул. Белки — аналоги инструментов в нашей человеческой жизни, в живой клетке, организме, они — начало всех начал, информация о них в форме последовательностей ДНК и есть биологическая информация. Это очень общее определение, порядок считывания, различные модификации ДНК очень существенны. Пока мы еще плохо знаем как происходит регуляция транскрипции — синтеза РНК на матрице ДНК. Отсюда и колоссальная важность молекулярной биологии — изучения функций нуклеиновых кислот, ею занимаются исследователи всего мира.

Это важнейшая часть современной генетики, наука эта комплексная и чрезвычайно масштабная. Сейчас ни одна из областей биологии, медицины не обходится без молекулярной биологии, о ее достижениях мы узнаем получая лекарства, читая разделы криминальной хроники, об открытиях историков, антропологов, обо всем, что так или иначе касается живого. Мне очень нравится союз современной биологии и истории.

Вот небольшой рассказ об  этом сотрудничестве:

Можно ли проверить древние предания? В некоторых случаях это оказалось возможным. У маленького народа на юго-востоке Африки (всего 50 000 человек) свято хранились удивительные предания и религиозные обряды. Они поразительно были похожи на ранний иудаизм. На помощь историкам пришли молекулярные биологи, они провели исследование ДНК Y-хромосомы, не затрагиваемой естественным отбором, она состоит в основном из лишней или т. наз. “мусорной” ДНК, для мужчин еврейского рода когенов, их потомки носят фамилии Коган, Кохен и т. п., из них с глубокой древности выбирали священников, ее последовательности хорошо изучены, так как обычаи эти свято соблюдались со времен патриархов. В итоге молекулярные биологии добыли уникальные последовательности т.наз. кохеновских Y-хромосом, они свойственны 50–75% носителей этих фамилий. Высокая честь принадлежать к этому роду сделала его через многие поколения фамилией. В Y-хромосоме содержится в основном “мусорная” ДНК, ее не затрагивает естественный отбор. У 50% мужчин маленького африканского народа нашли эти последовательности. Все совпало с преданиями этого народа:  2500 лет назад с юга Аравии, где находились процветающие еврейские города-государства, к ним прибыли люди, научившие их истинной вере. Запрет и жесткие ограничения на обращение в иудаизм появился куда позднее. Так генетика и история подали друг другу руки.

О совсем древних временах рассказала ДНК митохондрий; эти сигарообразные структуры клетки, ее энергетические станции, обладают собственной ДНК-крошкой, по их последовательностям удалось узнать очень многое о предыстории. По ним построены схемы родства народов мира. Так было показано, что человек современного типа появился не менее 200 000 лет назад в Восточной Африке, что мы скорее всего не являемся потомками могучих неандертальцев. По ним же удалось проследить путь первых американцев из Азии в Америку.

Другой пример — серповидноклеточная анемия, она хорошо знакома нью-йоркцам. Это пример сочетания мутаций, естественного отбора и истории. Темнокожие американцы — потомки жителей зоны гигантского Гвинейского залива на западе Африки. Это плодородные земли, но одновременно и наиболее малярийные на планете, в былые времена их называли Могила Белого Человека. Это далеко не единственный район, где малярия убивала и продолжает убивать миллионы людей. Они расположены в устьях и долинах рек, где плодородные почвы создавали высокую плотность населения на всех материках. В 60-е годы были выявлены люди, страдающие этой наследственной болезнью из числа потомственных москвичей. Во времена войн с Турцией в 18–19 веках нередки были браки русских офицеров с красавицами гречанками, болгарками. У всех потомственных москвичей, страдающих серповидноклеточной анемией в роду было не менее двух предков по женской линии из Средиземноморья. Передается она по менделевскому типу (смотрите предыдущую главу), но при том, что аллель эта рецессивная, гетерозиготы малярией не болеют и притом не страдают этой болезнью, у них половина эритроцитов — серповидные. При максимальном распространении этого гена 1/4 популяции больна серповидноклеточной анемией, 1/4 имеет нормальный генотип и 50% — гетерозиготы, т.е. им более всех повезло, болезни нет и для малярии они недоступны. Нa специальных картах, где отмечена частота серповидноклеточной анемии и распространение малярии, эти показатели идеально совпадают. Это еще и прекрасный пример, как недостаток информации приводит к ошибкам.

Более всего для нас интересны мы сами, рассмотрим распределение признаков человека   европейского типа (по старой номенклатуре белой расы). Это уже материалы из генетики популяций, т.е. распределения признаков в больших сообществах. Здесь биологам очень помогли математики. Первые шаги в генетике популяций сделал еще Грегор Мендель, его  знаменитое распределение признаков 3:1 при скрещивании потомков первого гибрида (см. предыдущую главу) соблюдалось тем лучше, чем больше было гибридов использовано в опыте. В природе недостаточно большие, изолированные популяции (их разделяют горы, реки и т.п.) — дело обычное. Итог — увеличение частоты рецессивных признаков (дрейф генов) и появление в популяции случайных, т.е. неприспособительных признаков, т.наз. эффект родоначальников обычное явление. Значительная часть признаков живых существ не имеют приспособительного значения, неадаптивные признаки. Это явление очень распространено у рода человеческого, но крайне редко известно широкой публике. К ним относятся многие расовые признаки у человека. Китайская поговорка “путь прямой, как волос” тому пример. Признаки людей азиатского типа (старое название монголоидной расы) типичный эффект родоначальника. Их специфический разрез глаз, уплощенность лица, лопатообразные резцы, прямые волосы, желтые пятна на пояснице у детей не имеют никакого приспособительного значения. На радость антропологов они доминантны, это своего рода справки о происхождении. По ним можно проследить пути древних миграций, войн, завоеваний и т. п. Они могут иногда совпадать с данными историков, но далеко не всегда.

Эти справки о происхождении весьма отличаются от привычных нам мифов. Язык, культура, религия с ними совершенно не совпадают. Небольшые дозы монголоидных признаков у населения северной, центральной России совершенно не связаны с татаро-монгольским игом.            

Историки и археологи доказали, что пришедшие с юга и запада славяне принесли сюда культуру ржи, выплавки железа, в финнском языке сохранились славянские названия железных инструментов. Но по крови русские более потомки аборигенов — восточных финнов, чем пришельцев. Это общее правило, антропологический тип куда более устойчив, чем язык и другие культурные признаки. Финноязычные и угроязычные племена имели небольшую примесь крови людей азиатского типа. Нашествие татаро-монголов тут ни сном, ни духом не виновно. Смешение племен и народов происходит при их мирном сожительстве, а не при войнах. Традиционно симпатичная русским людям Болгария — великолепный пример устойчивости антропологического типа населения. Болгары гордятся и не зря своим земледельческим мастерством, столетия они были под властью турок, народа начавшего свою историю в центральной Азии. Но вот по примеси признаков людей азиатского типа болгары существенно превосходят турок! Болгары — старейшие земледельцы Европы, археологи проследили заселение Балкан принесшими туда земледелие и скотоводство людьми из западной Азии в каменном веке, во времена Переселения народов, примерно 2 000 лет назад через большую часть Европы прошел вал народов с востока. Следы этих “давно минувших дней” сохранились в виде небольшой примеси крови выходцев из Азии. Их можно обнаружить не только на Балканах, но и в Баварии, где когда-то находился центр Аварского каганата, одного из недолговечных образований пришельцев из Азии (современные авары в Дагестане унаследовали лишь имя).

Такие ситуации повторялись во всех частях света, общее у них в полном преобладании культурных признаков народов над биологическими. Мы привыкли связывать такие признаки северных европейцев как светлая окраска кожи, волос, глаз, высокий рост, — с их локализацией на севере континента. Но оказалось, что это не более чем рецессивные аллели, при том они не являются группой сцепления, наследуются независимо, не имеют адаптивного значения, т. е. не закрепляются естественным отбором. Тут нам мешают некоторые религиозные традиции, они запрещают браки даже при очень низкой степени родства. Но в древности у людей не было особого выбора, браки заключались из социальных соображений, это был единственный способ добиться мирных, доброжелательных отношений между соседними общинами. В итоге в районах с высокой плотностью населения (хорошие условия для земледелия) устанавливалось нормальное распределение частот доминантных и рецессивных аллелей. При низкой плотности населения резко возрастает частота рецессивных аллелей.

Есть довольно крупные человеческие популяции с высоким уровнем рецессивных аллелей. Генетики изучили две большие изолированные человеческие популяции: финнов и евреев-ашкенази. Они сложились в силу разных причин, но итог сходен. Внешние признаки, отражающие высокую концентрацию рецессивных аллелей: высокий рост, светлая окраска кожи, глаз, волос. При полном отсутствии родства между этими популяциями они совпадают. По египетскому папирусу 4000 летней давности туземцы территории современного Израиля были высокого роста, светлокожи, со светлыми глазами, нередко светловолосыми. Этот типаж распространен и среди современных ашкенази — потомков противников древних египтян. Для невысоких, смуглых, черноволосых и черноглазых египтян, а они были людьми той же средиземноморской расы, но из зоны с высокой плотностью населения, т.е. с резким преобладанием доминантных аллелей, вид их был очень необычен. Точно такая же история повторяется при сравнении жителей густо населенных районов Таджикистана и таджиков из редко заселенных гор Памира, а так же кавказских горцев. Знаменитая формула гитлеровских идеологов “высок, строен, белокур” описывает вовсе не уроженцев северной Европы, а набор рецессивных признаков у людей европеоидного типа! Напомним, признаки эти не сцеплены, так самые рослые европейцы — темноокрашенные жители гор Шотландии  и Балкан.

Есть у изолированных человеческих популяций и настоящие маркеры их происхождения — это наследственные болезни, передающиеся в форме рецессивных аллелей. Это очень грустная тема, речь идет о некоторых психических заболеваниях и миотиях (деградации мышц). К счастью они очень редки. В скандинавских странах очень аккуратно велись записи о рождении и смерти. В Швеции удалось таким образом зафиксировать всех потомков пяти братьев, живших в 18 веке — носителей миотии, проявляющейся только в зрелом возрасте. Это рецессивная аллель гена, наследуемого по менделевскому типу, к их носителям относится 1,5 % населения страны, в брак им вступать рискованно.

Наконец, о группах сцепления, т.е. признаках, локализованных в одной хромосоме. О них знали издавна потомственные крестьяне. Так по наборам определенных признаков они определяли овец, передающих потомству лучшие качества шерсти, большие надои, высокую жирность молока у коров. Это были тайные знания, хранили их не хуже, чем тайны банков. Откроем одну из них: для всех млекопитающих оказались сцепленными темная окраска (меланизм) и устойчивость психики. Мне приходилось уже писать о черных белках в сквере, в центре Манхэттена, они невозмутимо занимались своими делами невзирая на адский шум и суету вокруг.

Очень важный для практиков вопрос о близко- и дальнородственном скрещивании. Нетрудно сообразить, что первое ведет к увеличению гомозиготности, второе — к его снижению. Это означает, что у близкородственных гибридов увеличена частота фенотипического проявления рецессивных генов, а у дальнородственных — снижена. Как правило признаки, снижающие жизнеспособность, наследуются как рецессивные аллели, т.е. у дальнородственных гибридов больше шансов выжить в неблагоприятных условиях, они в среднем более выносливы, устойчивы к инфекционным заболеваниям.

Особенно демонстративны бесплодные гибриды млекопитающих близких видов, самые известные из них мулы и лошаки — гибрид осла и кобылицы и наоборот. Бесплодность тут связана с нечетным числом хромосом в силу отличия их числа на 2 хромосомы у родителей, в итоге гаметы гибридов нежизнеспособны.

Законный вопрос, опасны ли браки между двоюродными братьями, сестрами, опыт показал, что не опасны. Они часты на севере Европы, среди ашкенази, таковы все нынешние Ротшильды, но нельзя доводить это правило до абсурда. Это хорошо знают опытные собачники, стремление добиться определенного экстерьера (внешнего облика) побуждает их скрещивать близких и кровных родственников, итог — неустойчивая психика. В цирках выступают беспородные собаки,  пудели, очень старая порода, в полиции служат собаки пастушьих пород, старейшие из собачьих пород. Учтите это, заводя щенка. Снижение жизнеспособности при близкородственном скрещивании бывает совершенно различным. В СССР немецкие овчарки (старая пастушья порода центральной Европы) были завезены в 20-ые годы из определенных районов, в силу их близкого родства у них был выявлен генетический дефект — частичное бесплодие кобелей. В 1970 г. вся страна проводила юбилейные конференции в честь 100-летия В. И. Ленина. Рекорд по идиотизму поставили во Всесоюзном клубе собаководства. Там решали проблему бесплодия кобелей этой ценной служебной породы. Вопрос был весьма серьезный, по расчетам генетиков нужно было завести определенное количество кобелей немецкой овчарки из определенных районов Европы. Но после этого выступления последовала гневная отповедь некой дамы о недопустимости покрывать наших советских сук импортными кобелями, да еще в 100-летие со дня рождения вождя. Видимо, гены правильной идеологии и идиотизма связаны (шутка, конечно).

Современная генетика необъятна, можно в этой короткой главе только назвать часть ее направлений, их разработка уже дала великолепные результаты. Это производство белков и пептидов для клинической медицины, они спасли и спасают многие миллионы жизней, выведение новых сортов растений, идентификация личности в криминалистике, определение систематического положения живых существ. Использование ДНК из древних костей (она сохраняется значительно лучше белков) произвели целую революцию в антропологии. Наконец, Генная Терапия, эта заветная мечта медиков, т.е. возможность дать людям с наследственными дефектами недостающие им гены. Все это мы увидим, получим в недалеком будущем. По увлекательности, количеству загадок и разгадок современная генетика значительно превосходит любые детективные истории.