Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни - Ник Лэйн

Что это? Нейтральный дрейф? Или здесь просматривается действие естественного отбора? Ископаемые с озера Мунго снова подсказывают нам ответ. В 2003 г. Джеймс Боулер (один из тех, кто 1969 г. обнаружил эти ископаемые) и его коллеги показали, что первые оценки возраста этих останков (60 тысяч лет) неверны. Новая датировка, основанная на значительно более полном стратиграфическом анализе, относится ко времени 40 тысяч лет назад. Это любопытно. Новая дата совпадает с периодом изменения климата, когда пересыхали озера и реки и значительная часть юго-западной Австралия превратилась в пустыню. Иными словами, «Мунго-линия» митохондриальной ДНК вымерла во времена меняющегося давления отбора.

Перед нами возникает призрак естественного отбора, действующего на митохондриальные гены. Согласно ортодоксальным взглядам, это невозможно. Если изменения генетических последовательностей накапливаются за тысячи лет, и все эти изменения можно проследить, сравнивая геномы современных людей, то естественный отбор не мог выбраковывать промежуточные варианты. Все мутации изменения были случайными, нейтральными. Однако такой подход не может объяснить несоответствие между высокой частотой мутаций и низкой скоростью дивергенции, то есть эволюции. А вот естественный отбор может. Если быстро эволюционирующие линии элиминируются естественным отбором, то линии, которые выжили, должны иметь более низкую эволюционную изменчивость. Я уже говорил, что не нужно путать высокую частоту мутаций с высокими темпами эволюции. Это тот самый случай. Частота мутаций высокая, а эволюция идет более медленными темпами, потому что некоторые мутации имеют отрицательные последствия и выбраковываются отбором.

В случае ископаемых останков с озера Мунго вымирание линии митохондриальной ДНК можно было бы объяснить действием естественного отбора, проблема только в том, что это идет вразрез с доктриной. Но, может быть, доктрина все же ущербна? На самом деле, в последнее время появились убедительные данные в пользу того, что естественный отбор все-таки действует на митохондриальные гены.

В 2004 г. выдающийся митохондриальный генетик Дуглас Уоллес и его группа (Калифорнийский университет в Ирвайне) опубликовали крайне интересные данные, свидетельствующие о том, что естественный отбор действует на митохондриальные гены. Сам Уоллес, два десятилетия работавший в Университете Эмори (Атланта), был одним из первых исследователей, занимавшихся типизацией митохондрий в человеческой популяции. Его работы начала 1980-х гг. легли в основу знаменитой статьи Канн, Стоункинга и Уилсона (1987), о которой мы говорили в начале этой главы. На генетическом древе человечества, построенном Уоллесом, видны несколько митохондриальных линий — гаплогрупп (впоследствии за ними закрепилось название «дочери Евы»), Уоллес обозначил эти группы буквами алфавита (классификация Эмори), а Брайан Сайкс (Оксфорд), автор научно-популярного бестселлера The Seven Daughters of Eve («Семь дочерей Евы»), подобрал им подходящие личные имена (в его книге речь идет только о европейских линиях).

Уоллес (который по совершенно непонятной мне причине даже не упоминается в книге Сайкса) — выдающийся специалист не только в области митохондриальной популяционной генетики, но и в области митохондриальных заболеваний. Количество таких заболеваний совершенно не соответствует малому числу митохондриальных генов. Их причиной часто являются незначительные вариации последовательности митохондриальной ДНК. Учитывая его интерес к митохондриальным заболеваниям, неудивительно, что Уоллеса одолевали подозрения, что на митохондриальные гены может действовать естественный отбор. Действительно, если мутации митохондриальной ДНК могут стать причиной серьезной болезни, то естественный отбор просто обязан выбраковывать их.

Еще в начале 1990-х гг. Уоллес и его коллеги обратили внимание на статистические данные, свидетельствующие об «очищающем отборе». Уоллес не забывал о них следующие десять лет. Читая статьи на тему генетических исследований митохондрий, он то и дело замечал, что географическое распространение митохондриальных генов в человеческой популяции не случайно, как это предсказывает теория нейтрального дрейфа. Конкретные гены процветают в определенных местах, а это нередко красноречиво свидетельствует о действии отбора. Например, большинство многочисленных африканских линий митохондриальной ДНК встречается только в Африке. Лишь несколько линий покинули пределы черного континента, и из них расцвело все разнообразие митохондриальной ДНК за пределами Африки.

Из всего разнообразия азиатской митохондриальной ДНК лишь несколько типов смогли прижиться в Сибири, а затем переселиться в обе Америки. Может быть, подумал Уоллес, некоторые митохондриальные гены позволяют лучше адаптироваться к определенным типам климата и поэтому хорошо переносят миграцию, в то время как другие должны оставаться дома под страхом вымирания?

К 2002 г. Уоллес и его коллеги занялись этим вопросом вплотную и обнародовали свою точку зрения в ряде вдумчивых обзорных статей. Однако только в 2004 г. им наконец удалось найти доказательства. Их гипотеза захватывающе проста и в то же время исключительно важна как для эволюционной теории, так и для медицины. Митохондрии имеют две основные функции — производство энергии и производство тепла. Баланс между производством энергии и теплопродукцией может варьировать, а его текущее состояние может быть принципиально важно для здоровья. И вот почему.

Существенная часть нашего внутреннего тепла производится за счет рассеивания протонного градиента через митохондриальные мембраны. Поскольку протонный градиент может идти или на производство АТФ, или на теплопродукцию, протоны, рассеивающиеся с выделением тепла, не могут идти на производство АТФ. (Как мы видели в части 2, протонный градиент выполняет ряд других очень важных функций, но если допустить, что они остаются постоянными, на обсуждаемый аспект это не влияет.) Скажем, если 30 % протонного градиента используется для производства тепла, то для производства АТФ может быть направлено не более 70 %. Уоллес и коллеги поняли, что это равновесие может смещаться в зависимости от климата. Жители тропической Африки выиграют от тесного сопряжения закачки протонов с производством АТФ, так как в жарком климате разумно производить меньше тепла. Напротив, эскимосам имеет смысл производить больше внутреннего тепла, а значит, относительно меньше АТФ. Чтобы уравновесить более низкий уровень производства АТФ, им нужно больше есть.

Уоллес начал искать митохондриальные гены, которые могли бы влиять на равновесие между теплопродукцией и производством АТФ. Он нашел несколько вариантов, которые, возможно, влияют на теплопродукцию (за счет разобщения потока электронов и закачки протонов). Как и следовало ожидать, варианты, производящие больше тепла, чаще встречались в Арктике, а производящие меньше всего тепла — в Африке.

На первый взгляд это просто вполне разумное соображение, однако если приглядеться внимательно, то за ним скрывается поворот сюжета, достойный самого закрученного детектива. Вспомним часть 4 книги: скорость образования свободных радикалов зависит не от скорости дыхания, а от того, насколько дыхательные цепи заполнены электронами. Если электроны текут вяло, потому что спрос на энергию низок, они накапливаются в цепях и утекают с образованием свободных радикалов. Мы говорили о том, что скорость образования свободных радикалов можно снизить, поддерживая поток электронов за счет рассеивания протонного градиента с выделением тепла. Я тогда сравнил эту ситуацию с плотиной, снабженной водосбросами. Необходимость рассеивать протонный градиент могла быть настолько животрепещущей, что расходы окупались. Спускать воду через водосбросы — это расточительство, но уж лучше расточительство, чем потоп. Так возникла эндотермность. Короче говоря, повышение внутренней теплопродукции снижает скорость образования свободных радикалов в состоянии покоя, а ее снижение, наоборот, ведет к повышению вероятности образования свободных радикалов.