В данном материале нам придется рассмотреть более общие вопросы, чем те, которые мы рассматривали в предыдущей части. Это ряд вопросов из самых разных научных дисциплин: общей биологии, общей и популяционной генетики. Принципиально, нужно было начинать с этого, раздела, а потом уже углубляться в рассмотрение медицинских вопросов, которые изложены в первом разделе. Но сложилось именно так.
Еще раз напомню читателям, что будут излагаться только общие принципы, без углубления в конкретные детали и тщательного разбора задействованных механизмов. К сожалению, формат делать этого не позволяет. Поэтому еще раз прошу прощения за определенную приблизительность, огрубление объяснений и отсутствие массы подробностей. И весьма жаль, что некоторые комментаторы этого не понимают, что показало обсуждение первой части статьи.
Итак, начнем. Вопрос первый.
Почему мы все такие одинаковые?
Прошу сразу же не кидаться в бой, оспаривая данный тезис, а посмотреть на вопрос в общем. Если брать всю совокупность вида «Homo sapiens», то по основной массе параметров люди друг от друга отличаются крайне незначительно: у всех две руки, две ноги, голова, позвоночник, системы кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения, размножения и другие работают на одних и тех же принципах и отличаются только мелкими деталями. Почему?
Давайте обратимся к общей биологии. Если отбросить всяческую экзотику, то большинство многоклеточных организмов начинают свою жизнь и развитие с одной единственной клетки (ее называют зигота), в которой уже заложена схема построения данного организма. Практически полностью, включая параметры пределов, в которых организм сможет реагировать на воздействия внешней среды. Вся эта информация заложена в наборе хромосом, которые в обязательном порядке присутствуют в зиготе. Именно там записано, что у человека должно быть две руки, две ноги и голова, там же записано, как должна работать система дыхания, ну и так далее. Причем различия в наборе хромосом (кариотипе) каждого конкретного человека составляют в массе не более 0,1%, что установлено при составлении генетических карт. Таким образом, из более чем трех миллиардов нуклеотидных последовательностей в геноме человека (около 20 тысяч генов), отличия наблюдаются немногим более чем в трех миллионах. Вот поэтому мы все такие одинаковые.
Причем, если внимательнее посмотреть, то определенная часть нашего генотипа отвечает за то, что мы принадлежим к животным, а не растениям, другая часть генотипа отвечает за то, что мы являемся млекопитающими, третья – за то, что мы относимся к отряду приматов. Причем общая часть этого генотипа составляет примерно 95%. А генетические отличия нас от крупных человекообразных приматов составляют всего 2-3%. Напомню критикам, что это всего лишь обобщенная приближенная картинка.
Напомню, что кариотип человека состоит из 23 пар идентичных хромосом. Т.е. каждая хромосома представлена в двух наборах. Один набор мы получаем от отца, второй от матери.
И самое время перейти ко второму вопросу.
Почему мы все такие разные?
Звучит как парадокс, особенно в сочетании с предыдущим вопросом, но только на первый взгляд. Потому что, при всем том, что «базовое» устройство у нас у всех одинаково, то детали могут весьма сильно отличаться. Почему? Причин здесь две.
Причина первая: как ни банально это звучит – условия внешней среды. Причем различные условия внешней среды делают разными людей с абсолютно идентичной генетической информацией. Возьмем, например, двух однояйцовых близнецов. Генетический материал у них абсолютно одинаков. Как вы думаете, что будет с цветом кожи у каждого из них, если один с детства живет на Чукотке, а второй в Крыму? Как ни странно, но у того, который живет в Крыму, цвет кожи будет темнее, чем у «чукчи». Почему? А потому что у него включился адаптационный механизм по защите кожи от дополнительного ультрафиолета, который он получает, тогда как у второго этот адаптационный механизм «спит» за ненадобностью. То есть в подавляющем большинстве адаптационных механизмов заложены не жесткие параметры, по которым этот механизм обязательно отработает, а некие «допуски», в соответствии с которыми этот механизм будет работать при различных воздействиях. Таким образом, мы имеем различные особенности, обусловленные воздействием внешней среды при одинаковых генотипах. Это то, что называют «фенотипом». Нужно учитывать, что большинство «фенотипических» изменений может исчезать при изменении внешних условий. Ну, например, если мы поменяем нашим близнецам место жительства, поселив обоих в Москве, то через какое-то время их цвет кожи выровняется и будет одинаковым. Нужно отметить этот момент, поскольку в третьей части материала, при ответе на вопрос «Quo vadis?» («Куда идем?») он будет иметь определенное значение.
Причина вторая: те самые 0,1% генетической информации, которыми мы отличаемся друг от друга. Несмотря на такую малую цифру, эта десятая процента кодирует десятки и сотни тысяч признаков, которыми мы можем отличаться. Допустим, что строение кожи кодируют, грубо говоря, сто миллионов нуклеотидных последовательностей. При этом у каждого из нас примерно 99 миллионов 900 тысяч нуклеотидных последовательностей, кодирующих строение кожи абсолютно одинаково, а все отличия кодируются всего в 100 тысячах последовательностей, из них ее цвет (т.е. исходное содержание меланина в клетках кожи) кодируют всего 10 тысяч. Учитывая то, что изменение даже одной нуклеотидной последовательности, может привести к изменению признака, который кодирует довольно длинная цепочка нуклеотидных последовательностей, получаем достаточно большое разнообразие.
Для того чтобы стало более понятно, о чем я буду говорить в дальнейшем стоит более внимательно рассмотреть механизм размножения человека.
Вспомним, что все клетки многоклеточных организмов (в том числе и человека), имеющие ядро, несут в нем двойной набор хромосом. За исключением только одного единственного типа клеток: репродуктивных (участвующих в размножении). Репродуктивные клетки содержат только один набор хромосом. Зачем это нужно? Для лучшей рекомбинации признаков, полученных организмом от родителей. Как уже говорилось, в имеющемся двойном наборе хромосом один получен от отца, другой от матери. При подготовке репродуктивных клеток в одиночный набор попадают хромосомы, как из отцовского, так и из материнского набора в случайном порядке. Допустим, четные хромосомы от отца, нечетные – от матери, хотя это совершенно необязательно. В этом случае ваш потомок получает четные хромосомы от дедушки, нечетные – от бабушки. То есть получает смешанные признаки предыдущих поколений, что повышает его приспособляемость к условиям внешней среды. Далее при слиянии репродуктивных клеток, ваш потомок получит половину хромосом от вас, а вторую половину от другого родителя. При этом примерно по четверти хромосомного набора будет получена от ваших отца и матери. Нужно отметить, что распределение хромосомных наборов при продукции репродуктивных клеток происходит именно в случайном порядке, то есть возможны ситуации, когда в набор попадет, например, 22 хромосомы от вашего отца и только одна от матери (или наоборот). Так же возможна ситуация (достаточно редко), когда в хромосомном наборе будут хромосомы только от одного родителя (отцовские или материнские). Впрочем, любители математики могут посчитать, сколько комбинаций может быть при участии 23 пар хромосом и каковы вероятности их сочетаний.
Теперь пора перейти к терминам общей генетики.
Ген – это структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Представляет из себя часть хромосомы, т.е цепочку нуклеотидных последовательностей.
Нужно отметить одно из немаловажных для нас свойств гена: вариабельность. Это значит, что ген может изменяться, изменяя тем самым свойства признака, которое он кодирует. Такое изменение называется мутацией. Усредненная вероятность возникновения мутации – 2*10 в минус пятой степени на ген за одну генерацию, т.е. примерно 0,002%.
Пара генов, отвечающих за развитие аналогичных признаков или свойств, и находящихся в парных хромосомах, называются аллель. В аллели один ген нам достается от матери, другой от отца.
Из пары различных состояний признаков, кодируемых одной аллелью, в подавляющем большинстве случаев реализуется только одно состояние. Ген, кодирующий данное состояние, называется доминантным. Ген, несущий подавляемое состояние, называется рецессивным. Встречается и частичное доминирование гена.
Нужно заметить, что рецессивный признак в аллели может реализоваться только в том случае, если он закодирован в обоих генах аллели. Если в аллели оба гена кодируют одно и то же состояние признака, все равно доминантное оно или рецессивное, то данный организм называется гомозиготным по данному гену. Если в аллели присутствуют гены, кодирующие разные состояния признака, то данный организм называется гетерозиготным по данному гену. Прошу обратить внимание на оба термина, в рассмотрении дальнейших вопросов состояние гомозиготности/гетерозиготности имеет очень большое значение. Еще раз подчеркну, что рецессивные гены реализуются только в состоянии гомозиготности. Для понимания некоторых вещей, о которых мы будем говорить в дальнейшем, это очень важно.
Нужно отметить еще один момент. Хромосом в кариотипе человека всего 23, а генов около 20 тысяч. Т.е. каждая хромосома несет в себе чуть менее тысячи генов. При дальнейшем наследовании гены, находящиеся в одной хромосоме, будут передаваться одному и тому же потомку, а не распределяться по всему потомству. Это явление называется «сцепленным наследованием». Например, если ген «темнокожести» (кодирующий повышенное содержание меланина в коже) находится в одной хромосоме с геном «курчавости волос», то все потомки, получившие ген «темнокожести», получат и ген «курчавости». Нужно отметить, что существуют механизмы, позволяющие так называемый «дрейф генов», дающие рекомбинацию генов, находящиеся в парных хромосомах. То есть возможна ситуация, когда при наличии хромосомы содержащей гены «темнокожести» и «курчавости», ген «курчавости» будет «передан» аналогичной хромосоме в обмен на ген «прямоволосости». В этом случае родится темнокожий ребенок с прямыми волосами или светлокожий с курчавыми.
Давайте теперь разберемся с закономерностями наследования признаков. Тут все относительно просто.
Обозначим ген, несущий доминантный признак как «А», а аналогичный ген, несущий рецессивный признак как «а».
Аллель в клетках тела может находиться только в трех состояниях:
1. Аллель гомозиготна по доминантному признаку: «АА»
2. Аллель гомозиготна по рецессивному признаку: «аа»
3. Аллель гетерозиготна: «Аа»
Соответственно, варианты, которые может дать каждое из этих состояний в репродуктивных клетках (где содержится один ген из аллели) следующие:
Первое состояние даст только один вариант: «А». То есть потомству с этой стороны будет передаваться только доминантный признак.
Второе состояние даст тоже только один вариант: «а». То есть потомству с этой стороны будет передаваться исключительно рецессивный признак.
Третье состояние даст два варианта «А» и «а», то есть потомству может передаться как доминантный, так и рецессивный признак.
Теперь рассмотрим потомство при различных состояниях аллелей у родителей:
Здесь возможны следующие сочетания (для лучшего понимания добавлены таблички распределения генов по аллелям, по строкам указана мать, по столбцам – отец, или наоборот, как хотите):
1. Оба родителя гомозиготны по доминантному признаку («АА») – в этом случае потомство тоже гомозиготно по доминантному признаку, у всех потомков будет «АА».
• А • А
• А • АА • АА
• А • АА • АА
2. Оба родителя гомозиготны по рецессивному признаку («аа») – в этом случае потомство тоже гомозиготно по рецессивному признаку, у всех потомков будет «аа».
• а • а
• а • аа • аа
• а • аа • аа
3. Оба родителя гомозиготны, но один по доминантному признаку («АА»), другой по рецессивному признаку («аа») – в этом случае все потомство будет гетерозиготным («Аа»).
• А • А
• а • Аа • Аа
• а • Аа • Аа
4. Один родитель гомозиготен по доминантному признаку («АА»), другой гетерозиготен («Аа»). В этом случае потомство распределится следующим образом: половина будет гомозиготна по доминантному признаку («АА»), половина будет гетерозиготна («Аа»).
• А • А
• А • АА • АА
• а • Аа • Аа
5. Один родитель гомозиготен по рецессивному признаку («аа»), другой гетерозиготен («Аа»). В этом случае потомство распределится следующим образом: половина будет гомозиготна по рецессивному признаку («аа»), половина будет гетерозиготна («Аа»).
• А • а
• а • Аа • аа
• а • Аа • аа
6. Оба родителя гетерозиготны («Аа»). В этом случае потомство распределится следующим образом: ¼ будет гомозиготна по доминантному признаку («АА»), ¼ будет гомозиготна по рецессивному признаку («аа»), половина гетерозиготна («Аа»).
• А • а
• А • АА • Аа
• а • Аа • аа
Таким образом, видим, что рецессивный признак имеет возможность проявиться только в следующих случаях со следующей вероятностью:
1. Оба родителя гомозиготны по рецессивному признаку – 100%
2. Один из родителей гомозиготен по рецессивному признаку, второй гетерозиготен – 50%
3. Оба родителя гетерозиготны – 25%.
Теперь давайте углубимся в более сложные вещи и посмотрим, как все это работает на уровне достаточно большой группы особей. Этим занимается «популяционная генетика».
Допустим, у нас имеется достаточно изолированная группа особей (популяция), численностью, предположим, сто особей (50 самок + 50 самцов), размножение которых идет исключительно внутри группы. Каждая пара особей рожает в течение жизни 4 особи, из которых выживает к концу их жизни 2 потомка, так что численность популяции постоянна. Потомки одной пары не спариваются друг с другом, допустим, до 6 колена (5 поколений).
У одного члена популяции в детстве (до начала его размножения) возникла некоторая мутация одного из генов аллели, которая является безусловно летальной, т.е. особь с данной мутацией однозначно погибает. Мутантный ген при этом является рецессивным. Таким образом, генотип данной особи по этому признаку будет «Аа». У всех остальных 99 членов группы он будет «АА». Посмотрим, что будет в дальнейшем с генетикой данной группы.
При скрещивании данной особи половина потомства будет гетерозиготна по данному признаку. То есть появятся 2 гетерозиготных потомка, несущих «летальный» ген и 2 гомозиготных потомка без этого гена. Какие варианты возможны далее?
Первый: допустим, что оба потомка с «летальным» геном погибли по каким-то обстоятельствам. Это самый благоприятный вариант для группы, т.к. «летальная» мутация «ушла» и в дальнейшем в генотипе фигурировать уже не будет. Все 100 особей летального гена не несут – генотип «АА».
Второй: погиб один потомок с «летальным» геном, второй выжил. Ситуация для группы в общем-то не изменилась. Одна особь несет «летальный» ген, генотип – «Аа», 99 особей – не несут, генотип «АА».
Третий: выжили оба потомка гетерозиготных по «летальному» гену. Это самый «плохой» вариант для группы. Почему, увидим далее. Теперь 2 особи из группы имеют генотип «Аа», 98 – «АА».
Допустим, что во всех следующих поколениях ситуация развивается по третьему варианту, то есть по каким-то случайностям выживают потомки, несущие «летальный» ген. Что будет с генетикой группы?
2 поколение: Два гетерозигота («Аа») дадут в потомстве 4 гетерозигота («Аа»), а 96 особей будут гомозиготны («АА»).
3 поколение: 8 «Аа», 92 – «АА».
4 поколение: 16 «Аа», 84 – «АА».
5 поколение: 32 «Аа», 68 – «АА».
То есть практически треть популяции несет «летальный» ген. Далее ситуация начинает развиваться еще более интересно, т.к в спаривание между собой вступают особи, гетерозиготные по «летальному» гену. Допустим, в спаривание между собой вступила только половина гетерозигот по летальному гену.
6 поколение: 16 «Аа», спариваясь между собой дадут 4 «АА», 8 «Аа» и 4 «аа». 16 «Аа», спариваясь с «АА» дадут 32 «Аа». Учитывая то, что 4 «аа» умерли сразу же, получим следующий генетический состав группы: 40 «Аа» и 60 «АА».
Давайте, ради интереса еще посчитаем и следующее поколение при тех же условиях (спаривание половины несущих гомозиготу).
7 поколение: 20 «Аа» дадут 5 «АА», 10 «Аа» и 5 «аа» (которые сразу же умрут). 20 «Аа», спариваясь с «АА» дадут 40 «Аа». Итого генетический состав группы будет 50 «Аа» и 50 «АА».
Как видим темп распространения «летального» гена внутри популяции значительно замедлился. Через какое-то время, примерно к 10-12 поколению (любопытные могут посчитать точнее), наступит «равновесие», т.е. число особей гетерозиготных по летальному гену будет оставаться примерно одним и тем же из поколения в поколение.
В случае доминантных мутаций картина будет примерно такой же, но только в том случае, если данная мутация не является «летальной», поскольку таковая мутация будет исключена из генофонда сразу же после возникновения, в первом же поколении.
Таким образом, в популяции любая рецессивная мутация до проявления проходит некую стадию «накопления», пока не начнет попадать в гомозиготное состояние и сможет проявить свое действие.
Давайте теперь поподробнее рассмотрим взаимосвязанные механизмы изменчивости и отбора (как естественного, так и искусственного) в разрезе популяции. В общем. Обращаю ваше внимание, что здесь мы не будем рассматривать человечество как популяцию. Особенности популяции «Homo Sapiens» мы будем рассматривать в следующей статье. Так же обращаю ваше внимание, что я не буду разделять естественный и искусственный отбор, поскольку и при первом и при втором работают одни и те же закономерности.
Сначала рассмотрим сам механизм изменчивости. Все мутации по влиянию на фенотип можно разделить на 2 типа: влияющие на фенотип и не влияющие.
В свою очередь, мутации, влияющие на фенотип, влияют на него по-разному.
Они могут быть безусловно летальными – такими, которые не позволяют функционировать организму в существующих основных условиях внешней среды. Ну, например, у организма с аэробным обменом (потребляющего кислород), мутация, изменяющая строение переносчика кислорода в организме (например, гемоглобина) таким образом, что переносить кислород он перестает.
Они могут быть безразличными – изменяющими фенотип таким образом, что на существование в имеющихся условиях внешней среды они никак не влияют.
Они могут быть полезными - изменяющими фенотип таким образом, что при имеющихся условиях существования шансы на выживание увеличиваются.
Они могут быть вредными – влияющими на фенотип таким образом, что при имеющихся условиях существования шансы на выживание снижаются.
Обращаю ваше внимание, что здесь все завязано именно на условия существования. При изменении этих условий критерии «полезности»/«вредности» могут меняться весьма значительным образом.
Замечу, что подавляющее большинство мутаций, «выходящих в свет», особенно «вредных», по некоторым причинам, которые мы рассмотрим чуть ниже, являются рецессивными и проявляются в популяции далеко не сразу, а только пройдя «период накопления», когда они начнут выходить в гомозиготное состояние.
Теперь давайте рассмотрим механизмы отбора. Условно их можно разделить на 2 группы: пренатальные (до появления организма на свет – родов) и постнатальные (после рождения).
Пренатальный отбор можно представить как цепочку фильтров, отсеивающих безусловно «летальные» и самые явные «плохие» фенотипические мутации. Причем начинается он еще в организме родителей. В обычной порции эякулята (спермы) от 20 до 40 миллионов сперматозоидов, а до яйцеклетки доберется всего один. Соответственно, у всех сперматозоидов, несущих мутации, хоть как-то уменьшающие их подвижность и жизнеспособность, шанс поучаствовать в оплодотворении стремится к нулю. То же самое касается и яйцеклетки. Даже если она выделяется в единичном количестве, как это происходит у человека, то любая мутация снижающая жизнеспособность или восприимчивость приведет к тому, что она уйдет в унитаз, а не оплодотворится.
Далее, согласно исследованиям, около 40% оплодотворенных яйцеклеток погибают, не дойдя до стадии дифференциации. Еще примерно 20% погибают на стадии продвижения и образования плаценты. То есть более половины оплодотворенных яйцеклеток даже не доходит до стадии, которую принято считать беременностью.
Пренатальный отбор продолжает действовать и во время беременности. Согласно статистике у млекопитающих беременность заканчивается выкидышем в 15-20% случаев. При этом генетические нарушения плода находят у 80%. О статистике человека – поговорим в следующей статье.
Замечу, что данный механизм отлично работает в случаях «вредных» мутаций, являющимися доминантными и гораздо хуже, когда они являются рецессивными, т.е. не проявляются в первом же поколении.
После родов, на всех прошедших сито пренатального отбора, начинает действовать постнатальный отбор. Его тоже можно представить как ряд фильтров, но уже формируемых условиями окружающей среды. На каждом из этих фильтров будет проверяться работа соответствующих этому фильтру адаптационных механизмов организма. Понятно, что мутации, ведущие к снижению возможностей адаптационных механизмов, снизят вероятность прохождения через фильтр, т.е. организм или погибнет или резко снизит возможности для передачи своей наследственной информации потомкам.
Следует отметить, что действие постнатального отбора приводит к тому, что в одних и тех же условиях существования численность популяции остается относительно стабильной либо медленно растет. Как только начинается резкое изменение величины популяции, нужно смотреть, какой из факторов условий существования изменился. Причем резкое увеличение популяции практически всегда приводит к последующему не менее резкому ее уменьшению.
Дальнейший разбор будем проводить в следующей статье.
Оценили 16 человек
18 кармы