Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 35 от 25 сентября 2007 года

Как оптимизируются мутации?

А.М.: Хорошо изученный пример – изменение генома в иммунной системе. Это сочетание целенаправленного и случайного поиска. Если в организм проник незнакомый микроб, клетка иммунной системы "не знает", какой нуклеотид нужно заменить в своей ДНК, чтобы убивать именно этот микроб. Но клетка умеет целенаправленно редактировать свой геном. Популяция антител формируется в организме в два этапа. Сначала, в ходе эмбрионального и постэмбрионального развития, определенным образом варьируются определенные участки определенных генов клеток иммунной системы. Из полученного множества лимфоцитов выбраковываются те, которые производят аутоиммунные тела (нападающие на сам организм). Остальные размножаются, и в итоге организм получает набор лимфоцитов, которые атакуют практически любые молекулы, кроме тех, что есть в организме. На этом этапе набор заготовок комбинируется в нескольких миллионах вариантов, и из них в каждом лимфоците собирается один ген антитела. А вот когда в организм попадает инфекция, начинается второй этап, точная подгонка антител. Лимфоциты, которые лучше всего атакуют нового возбудителя, начинают вносить случайные, точечные мутации в гены своих антител. Механизм этого процесса расшифрован. После мутаций проверяется, что получилось. Если не удалось убить нового возбудителя, мутирование продолжается, и так до тех пор, пока не будет нащупан эффективный вариант антитела. Тогда соответствующий лимфоцит начинает бурно размножаться. В итоге мы получаем приобретенный иммунитет. Мутации случайны, но конечный результат закономерен и предсказуем. Мы знаем, что дней через пять после прививки, допустим, оспы нужные антитела появятся.

Но как возникли эти механизмы? Как определились места, где допускаются мутации? Как возник сам генетический код? Такие вопросы можно продолжать бесконечно.

А.М.: Да, и я отвечу только на первый из них: точно известно, откуда в иммунной системе взялись белки, отвечающие за вырезание и комбинирование кусочков генома. Они были получены извне. Существуют похожие на вирусы мобильные генетические элементы – транспозоны. Они не так легко, как вирусы, передаются "по горизонтали", но иногда это случается. Главная же особенность транспозонов в том, что они очень хорошо умеют вырезать куски генома и переставлять их с места на место. Они этим живут испокон веков. Вот они-то и принесли эти механизмы в организм позвоночных.

Простейший такой элемент имеет только один ген – ген фермента транспозазы. Этот фермент находит в чужом геноме нужное место и встраивает туда свой мобильный элемент. Когда-то в ходе эволюции произошло важнейшее событие – позвоночные животные вступили в симбиоз с этими элементами, и функция, которая эволюционно возникла для размножения транспозонов, пригодилась для создания приобретенного иммунитета.

Это очень важный принцип эволюции – а может быть, и самый главный. Без симбиоза темпы эволюции были бы в миллионы раз меньше.

Сама эукариотическая (имеющая ядро) клетка возникла в результате серии последовательных симбиозов безъядерных прокариотических клеток – они превратились в митохондрии и другие органеллы. Если бы этого не произошло, на Земле до сих пор жили бы только бактерии – ведь в природе так и не появились многоклеточные прокариотические организмы. Они не раз вплотную подходили к многоклеточности – но не могли преодолеть некий предел сложности организации.

Человек со своей уникальной способностью существовать практически в любых условиях ("одежда, жилища – вот что нам нужно" – говорил Страшила Мудрый) приспособил под жилье практически всю землю. Но так было не всегда. У человека, то есть у рода Homo, была своя родина. В начале XX века таковой считалась Юго-Восточная и Центральная Азия. Это мнение основывалось на географии самых древних находок представителей рода человеческого, то есть питекантропов. В середине века родину человека перенесли в Африку – там нашлись и человек умелый, и питекантропы, более древние, чем азиатские. А теперь нам стало известно, насколько интенсивной была эволюция гоминид в Африке 6-2 млн. лет назад, так что африканские корни человечества на сегодня выглядят практически узаконенными паспортными данными.

Почти любая группа животных или растений после выхода на эволюционную арену начинает расселяться по свету. Этот эволюционный период называется фазой расцвета. Так же и род человеческий, зародившись в африканских тропиках, пустился в путь. Можно, конечно, утверждать, что человеком двигало присущее высшему разуму любопытство или нетерпеливость, однако расселительная фаза присуща и другим земным обитателям.