Взломать Дарвина: генная инженерия и будущее человечества

Метцль Джейми

* * *

На протяжении первых 2,5 миллиарда лет жизни на Земле наши одноклеточные предки размножались «клонированием». Например, одна бактерия делилась на две отдельные бактерии с одинаковым набором генов, а затем процесс повторялся. Это был отличный способ репродукции, поскольку вам не нужно было тратить время и энергию на поиски партнера. Все, что от вас требовалось, – найти еду и разделиться, и ваш род продолжался. Отрицательной стороной клонирования являлось то, что такое размножение приводило к генетическому однообразию в сообществе одноклеточных организмов и ограничивало естественный отбор. [3]

3

Около 3,5 миллиарда

лет назад первые одноклеточные микробы разделились на две ветви: бактерии и археи. Некоторые биологи выделяют еще и третью ветвь – эукариоты.

Стоит сказать, что однообразие было непостоянным. Бактерии развились таким образом, что могли буквально захватывать чужие гены с помощью микроскопических гарпунов, которые называются ворсинками, или пили [4] . Несмотря на то что клонирование помогало бактериям передавать полезные мутации, оно также бывало опасным для колоний (например, при появлении поражающих бактерии вирусов), поскольку клонированные особи сохраняли слишком много одинаковых дефектов в защитных механизмах. Многое изменилось с появлением полового размножения.

4

Ознакомиться с красочной визуализацией этого процесса можно в работе Courtney K. Ellison, Triana N. Dalia, Alfredo Vidal Ceballos, Joseph Che-Yen Wang, Nicolas Biais, Yves V. Brun, Ankur B. Dalia. Retraction of DNA-Bound Type IV Competence Pili Initiates DNA Uptake during Natural Transformation in Vibrio Cholerae// Nature Microbiology. – 2018. – doi:10.1038 /s41564-018-0174-y.

Точные копии в биологии почти всегда несовершенны. Мы не можем указать точное время, однако палеонтологические ископаемые показывают, что около 1,2 миллиарда лет назад какой-то один из простейших организмов развил странную мутацию. Вместо того чтобы скопировать самого себя или получить несколько генов из других микроорганизмов, такие особи спарились с другими микробами, и их потомство получило ДНК обоих родителей. Тогда и возникло половое размножение, которое невероятным образом расширило эволюционные возможности видов.

Для поиска партнера требовалось больше энергии, чем для клонирования себя. А сами потенциальные партнеры отсутствовали по определению. Искатели «второй половинки» должны были развить в себе новые, усовершенствованные способности для привлечения наиболее перспективных вариантов и конкурирования с соперниками. Но когда партнер находился, обе особи могли смешивать свои гены более полноценно и произвольно, что давало им огромное преимущество.

У организмов с половым размножением было больше генетических дефектов, чем у их клонирующихся собратьев. Зато возрастали и возможности для создания генетических преимуществ. Благодаря тому, что постоянно появлялись новые организмы с различными моделями полового размножения, оно позволяло видам быстрее адаптироваться к изменяющимся обстоятельствам, лучше справляться с защитой от хищников и добычей пропитания, а также ускорять процесс эволюционных изменений. Вся наша эволюционная история состоит из таких зачастую случайных генетических мутаций и вариаций, породивших множество новых признаков, самые полезные из которых распространились внутри вида. Вооружившись генетическими различиями, наши предки конкурировали друг с другом и с окружающей средой в процессе, который Дарвин назвал естественным отбором.

Со временем сам процесс полового размножения столкнулся с эволюционным давлением, на которое живые существа отреагировали по-разному. Некоторые, например современный лосось, начинали откладывать как можно больше икры – в надежде, что какие-то икринки успеют оплодотвориться. Откладывание тысяч икринок в ямки на дне рек повышало шансы, что хоть какие-то из них успеет оплодотворить самец. Однако этот способ размножения не предусматривает родительской заботы о потомстве.

Чтобы вы ни думали о своих родителях, сама возможность заботы о потомстве является очень важным эволюционным преимуществом. Другие особи (в том числе наши более современные предки) предпочитали не откладывать икру наружу, а до оплодотворения хранить яйца внутри женского организма.

Сами эмбрионы вынашивались внутри самок. Если представить половое размножение в виде игры в казино, то особи, похожие на лосося, ставили бы фишки на каждую цифру, а существа, подобные нам, выбирали бы несколько одинаковых чисел. Производя меньше потомков, чем другие млекопитающие, и удерживая их рядом с домом, наши предки активно содействовали взрослению новых поколений. Это означало, что наши дети развивали навыки, недоступные для малька лосося, который вылуплялся из икринки и сразу был предоставлен самому себе.

Половое размножение активно способствовало разнообразию, создавая плацдарм для непрерывной эволюционной гонки. Когда в этой гонке побеждал лосось, он мог активно размножаться, производя потомство в большом количестве. В то же время лосось никак не участвовал в заботе о детях, поскольку его отпрыски быстро разбегались. Мы же, наоборот, защищали свое уязвимое потомство сразу после рождения, позволяя растущему мозгу развиваться, и ухаживали за детьми, обучая их новым навыкам. Способность к уходу за потомством была заложена в нашей природе эволюционно. Побеждая в этой гонке, мы смогли создать цивилизацию.

«Встроенный» половой инстинкт гарантировал, что наши предки продолжали размножаться, даже не до конца понимая, что происходит, – как минимум на техническом уровне. Древние цивилизации приписывали магию деторождения богам, но наши пытливые умы были настроены на то, чтобы еще глубже понять мир вокруг. На протяжении тысячи лет прогресс в изучении биологии шел очень медленно. Но затем с развитием философии и инструментов научной революции наши знания стали стремительно углубляться.

* * *

В 1677 году окрыленный голландец Антони ван Левенгук вспорхнул с постели. Изобретатель микроскопа, на порядок превосходившего прежние, уже самостоятельно изучил телесные жидкости: кровь, слюну и слезы. В этот раз он решил привлечь к эксперименту жену. После полового акта Левенгук поместил часть своего эякулята под микроскоп и в удивлении увидел, как «семенные зверьки» извивались, «будто угри, плавающие в воде» [5] . Но какую же роль, гадал ученый, выполняли эти изворотливые зверьки?

5

Priya Verm. Reproduction and the Discovery of Sperm // Elawoman. URL:(дата обращения: 25 июня 2018 года).

По бытовавшему тогда убеждению, которое дошло до Европы от древних греков, в мужском семени содержались гомункулы – маленькие человечки, которые ждали момента для того, чтобы начать расти. Согласно этой гипотезе, женское тело подобно почве, в которой прорастают семена. По другой теории, в женской яйцеклетке живет мини-копия человека, а мужская сперма стимулирует ее рост. Третья группа, состоящая в основном из малообразованной прослойки населения, полагала, будто жизнь зарождается спонтанно – как мухи, появляющиеся в тухлом мясе.

В XVIII веке выдающийся католический священник из Италии Ладзаро Великолепный Спалланцани, чтобы проверить свою гипотезу о размножении, провел гениальный эксперимент. Он сшил из тафты крошечные лягушачьи трусы, которые не позволяли самцам лягушек передавать свои «жидкости». Сегодня каждый подросток узнает это на уроках полового воспитания, однако в XVIII веке новость о том, что самки лягушек не могут забеременеть, если мужская сперма задерживается в трусах, стала настоящей сенсацией. Когда Спалланцани искусственно осеменил самок лягушек спермой самцов, те смогли забеременеть. Теперь стало понятно, что в сперме содержится необходимый компонент, который нужен, чтобы женские особи могли завести потомство [6] . Великолепно! Ученым понадобилось еще 100 лет, чтобы догадаться, что в оплодотворение мужские и женские половые клетки вносят одинаковый вклад.

6

F. Gilbert. Structure of the Gametes// Developmental Biology. – 6 Edition. – Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2000. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10005/.