Генетическое разнообразие в популяциях людей. Генетическое разнообразие человечества

В ПОПУЛЯЦИЯХ ЛЮДЕЙ

Человечеству свойствен высокий уровень наследственного разнообразия, что проявляется в многообразии фенотипов. Люди отличаются друг от друга цветом кожных покровов, глаз, волос, формой носа и ушной раковины, рисунком эпидермальных гребней на подушечках пальцев и другими сложными признаками. Выявлены многочисленные варианты отдельных белков, различающиеся по одному или нескольким аминокислотным остаткам и, следовательно, функционально. Белки являются простыми признаками и прямо отражают генетическую конституцию организма. У людей не совпадают группы крови по системам эритроцитарных антигенов «резус», АВ0, MN. Известно более 130 вариантов гемоглобина, более 70 вариантов фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД), который участвует в бескислородном расщеплении глюкозы в эритроцитах. В целом не менее 30% генов, контролирующих у человека синтез ферментных и других белков, имеют несколько аллельных форм. Частота встречаемости разных аллелей одного гена варьирует.

Так, из многих вариантов гемоглобина лишь четыре обнаруживаются в некоторых популяциях в высокой концентрации: HbS (тропическая Африка, Средиземноморье), НЬС (Западная Африка), HbD (Индия), НЬЕ (Юго-Восточная Азия). Концентрация других аллелей гемоглобина повсеместно не превышает, видимо, 0,01-0,0001. Вариабельность распространенности аллелей в популяциях людей зависит от действия элементарных эволюционных факторов. Важная роль принадлежит мутационному процессу, естественному отбору, генетико-автоматическим процессам, миграциям.

Мутационный процесс создает новые аллели. И в человеческих популяциях он действует ненаправленно, случайным образом. В силу этого отбор не приводит к выраженному преобладанию концентрации одних аллелей над другими. В достаточно большой популяции, где каждая пара родителей из поколения в поколение дает двух потомков вероятность сохранения новой нейтральной мутации через 15 поколений составляет всего 1/9.

Все многообразие вариантов белков, отражающее разнообразие аллелей в генофонде человечества, можно разделить на две группы. К одной из них относятся редкие варианты, встречающиеся повсеместно с частотой менее 1%. Появление их объясняется исключительно мутационным процессом. Вторую группу составляют варианты, обнаруживаемые относительно часто в избранных популяциях. Так, в примере с гемоглобинами к первой группе относятся все варианты, кроме HbS, HbC, HbD и HbE. Длительные различия в концентрации отдельных аллелей между популяциями, сохранение в достаточно высокой концентрации нескольких аллелей в одной популяции зависят от действия естественного отбора или дрейфа генов.

К межпопуляционным различиям в концентрации определенных аллелей приводит стабилизирующая форма естественного отбора. Неслучайное распределение по планете аллелей эритроцитарных антигенов АВ0 может быть, например, обусловлено различной выживаемостью лиц, отличающихся по группе крови, в условиях частых эпидемий особо опасных инфекций. Области сравнительно низких частот аллеля I 0 и относительно высоких частот аллеля I B в Азии примерно совпадают с очагами чумы. Возбудитель этой инфекции имеет Н-подобный антиген. Это делает людей с группой крови О особенно восприимчивыми к чуме, так как они, имея антиген Н, не способны вырабатывать противочумные антитела в достаточном количестве. Указанному объяснению соответствует факт, что относительно высокие концентрации аллеля I 0 обнаруживаются в популяциях аборигенов Австралии и Полинезии, индейцев Америки, которые практически не поражались чумой.

Частота заболеваемости «натуральной» оспой, тяжесть симптомов, смертность выше у лиц с группой крови А или АВ в сравнении с лицами, имеющими группу крови 0 или В (рис. 12.10). Объяснение состоит в том, что у людей первых двух групп отсутствуют антитела, частично нейтрализующие оспенный антиген А. Лица с группой крови 0 в среднем имеют возможность прожить дольше, однако для них выше вероятность заболеть язвенной болезнью. В таблице 12.3 указаны некоторые аллели и генотипы, имеющие приспособительное значение в отдельных географических и экологических регионах.

Рис. 12.10. Относительная частота и показатели тяжести заболевания «натуральной» оспой у лиц с разными группами крови АВО

Таблица 12.3. Примеры аллелей, имеющих адаптивное значение

Вместе с тем для популяций из одного географического района, но изолированных в репродуктивном отношении, причиной различий в концентрации аллелей АВО мог быть дрейф генов. Так, частота группы крови А достигает у индейцев племени черноногих 80%, а у индейцев из штата Юта - 2%.

В основе стойкого сохранения в популяции людей одновременно нескольких аллелей одного гена лежит, как правило, отбор в пользу гетерозигот, который ведет к состоянию балансированного полиморфизма. Классическим примером такой ситуации является распространение аллелей гемоглобинов S, С, и Е в очагах тропической малярии.

Выше приведены примеры полиморфизма по конкретным локусам, который объясняется действием известного фактора отбора. В естественных условиях в силу воздействия на фенотипы организмов комплекса факторов отбор осуществляется по многим направлениям. В результате формируются генофонды, сбалансированные по набору и частотам аллелей, обеспечивающие в данных условиях достаточную выживаемость популяций. Это справедливо и для популяций людей. Так, люди с группой крови 0 более восприимчивы к чуме, чем люди с группой В. Туберкулез легких у них лечится с большим трудом, чем у лиц с группой крови А. Вместе с тем лечение больных сифилисом людей с группой крови 0 быстрее вызывает переход болезни в неактивную стадию. Для лиц с группой крови 0 вероятность заболеть раком желудка, раком шейки матки, ревматизмом, ишемической болезнью сердца, холециститом, жёлчно-каменной болезнью примерно на 20% ниже, чем для лиц с группой А.

Генетический полиморфизм по многим локусам мог быть унаследован людьми от предков на досапиентной стадии развития. Полиморфизм по таким системам групп крови, как АВ0 и Rh, обнаружен у человекообразных обезьян. Факторы отбора, действие которых создавало современную картину распределения аллелей в популяции людей, для подавляющего большинства локусов точно не установлены. Примеры, рассмотренные выше, указывают на их экологическую природу.

Генетический полиморфизм является основой межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости людей. Изменчивость проявляется в неравномерном распределении по планете некоторых заболеваний, тяжести их протекания в разных человеческих популяциях, разной степени предрасположенности людей к определенным болезням, индивидуальных особенностях развития патологических процессов, различиях в реакции на лечебное воздействие. Наследственное разнообразие долго было препятствием успешному переливанию крови. В настоящее время оно же создает большие трудности в решении проблемы пересадок тканей и органов.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ГРУЗ

В ПОПУЛЯЦИЯХ ЛЮДЕЙ

Так же как и в популяциях других организмов, наследственное разнообразие снижает реальную приспособленность популяций людей. Бремя генетического груза человечества можно оценить, введя понятие летальных эквивалентов. Считают, что число их в пересчете на гамету колеблется от 1,5 до 2,5 или от 3 до 5 на зиготу. Это означает, что то количество неблагоприятных аллелей, которое имеется в генотипе каждого человека, по своему суммарному вредному действию эквивалентно действию 3-5 рецессивных аллелей, приводящих в гомозиготном состоянии к смерти индивидуума до наступления репродуктивного возраста.

При наличии неблагоприятных аллелей и их сочетаний примерно половина зигот, образующихся в каждом поколении людей, в биологическом плане несостоятельна. Такие зиготы не участвуют в передаче генов следующему поколению. Около 15% зачатых организмов гибнет до рождения, 3 - при рождении, 2 - непосредственно после рождения, 3 - умирает, не достигнув половой зрелости, 20 - не вступают в брак, 10% браков бездетны.

Неблагоприятные последствия генетического груза в виде рецессивных аллелей, если они не приводят к гибели организма, проявляются в снижении ряда важных показателей состояния индивидуума, в частности его умственных способностей. Исследования, проведенные на популяции арабов в Израиле, для которой характерна высокая частота близкородственных браков (34% между двоюродными и 4% между дважды двоюродными сибсами), показали снижение умственных способностей у детей от таких браков.

Исторические перспективы человека в силу его социальной сущности не связаны с генетической информацией, накопленной видом Homo sapiens в ходе эволюции. Тем не менее человечество продолжает «оплачивать» эти перспективы, теряя в каждом поколении часть своих членов из-за их генетической несостоятельности.

Естественный отбор также называют выживанием наиболее приспособленного . Это явление действительно наблюдается в природе и поддаётся проверке, но одним из механизмов, отвечающих за "биологическую эволюцию ", его считают несправедливо. Наследственные черты можно обнаружить в пределах популяции в различных формах, и их различие обеспечивает отдельным её представителям различные шансы на успех. Если та и иная наследственная черта обеспечивает организму преимущество в текущих условиях, соответствующие гены передаются последующих поколениям чаще, а в обратной ситуации - реже. Это и называют "естественным отбором" наследственной черты.

Общими свойствами естественного отбора являются:

• Ограниченность : Отбор может происходить только среди имеющихся наследственных черт, а новые при этом не появляются;
• Быстрота : Данный процесс позводяет виду приспособиться к новым условиям среды в течение нескольких поколений;
• Увеличение специализации : Приспособление организмов к определённой среде - нише ;
• Уменьшение разнообразия : Наследственные черты, мешающие в данных условиях (хотя и способные дать преимущество в иных условиях), теряются, делая генофонд беднее, хотя и узкоприспособленным к текущим условиям.

Естественный отбор и генетическое разнообразие

Естественный отбор не вызывает появления новых наследственных черт, а лишь способствует увеличению распространённости уже имеющихся, дающих преимущество в текущих условиях, и уменьшению распространённости мешающих, также уже имеющихся.

Иными словами, естественный отбор является по сути инбридингом генов , оказавшихся "в почёте", что уменьшает разнообразие генетической информации в пределах популяции, а также (при отсутствии какого-либо иного источника генетического разнообразия, опережающего естественный отбор) вызывает появление чистой породы или генетической гомозиготы для данной наследственной черты. В результате организмы со временем оказываются хорошо приспособленными к среде, а опасным мутациям не позволяется распространяться в пределах популяции. Факт естественного отбора признают как креационисты, так и эволюционисты. Приспособление организмов к условиям исследователи наблюдали многократно, и роль естественного отбора в этом процессе несомненна и не может являться предметом спора. А последним является другое - каков источник генетической информации, каковы действующие в клетках механизмы, ответственные за поддержание и создание генетического разнообразия. С точки зрения креационизма, это результат разумного замысла , как прямой (по причине Сотворения мира), так и косвенный (вследствие работы механизма направленной генетической рекомбинации). С точки же зрения общей теории эволюции , за возникновение этой информации отвечают случайные мутации и рекомбинации, среди которых затем и происходит отбор, и прямое воздействие Бога в этом процессе, якобы, не играет никакой роли. Но один из материалов, опубликованных в журнале "Nature", позволяет сделать вывод, что не все эволюционисты строго относят естественный отбор к эволюционным процессам:

Но биологи-эволюционисты вводят себя в заблуждение, если полагают, что хорошо понимают роль отбора в природе.

С точки зрения креационизма, поскольку естественный отбор действует в ограниченных рамках и постоянно сокращает количество генетической информации в пределах популяции, специализация, встречающаяся у многих организмов, может быть отнесена, скорее, к генетической рекомбинации . Многие организмы, в частности, белый медведь, приспособились к экстремальным условиям, которых не было в период Сотворения мира. Наследственные черты, позволившие им выжить, с большой вероятностью отсутствовали у них первоначально, но стали результатом генетической рекомбинации. Естественный отбор всего лишь влияет на выраженность наследственных черт. Вопрос, который надо задать себе, звучит так: может ли такая сильная специализация быть результатом всего лишь естественного отбора среди вариаций наследственных черт, вызванных случайными причинами? Может ли случайное придание потомству таких качеств, как большие или меньшие размеры, более или менее яркий цвет, привести к появлению наблюдаемых сегодня на планете специализаций? Если нет, то речь идёт о другом - генетической рекомбинации под влиянием воздействия среды. Естественный отбор также задействован в механизме, касающемся распространения мутаций. Естественный отбор предотвращает распространение большинства опасных мутаций, но не всех - некоторые остаются в популяции. Согласно креационной модели, всё живое, включая наших первых отца и мать, Адама и Еву, было сотворено без единой генетической ошибки. Это означает, что мы, накопившие опасные мутации, испорчены по сравнению с нашими предками. Естественный отбор уменьшает скорость накопления ошибок в генофонде, но не удаляет из него все опасные мутации. Поэтому его можно считать лишь процессом, замедляющем деградацию видов, но не более того. Без него человечество деградировало бы быстрее, но и с ним деградация имеет место всё равно. Более того, естественный отбор может даже ускорять деградацию, ведь не факт, что наиболее приспособленный к текущим условиям окажется с наименее деградированным генетическим кодом. Да и эффект бутылочного горлышка , вызываемый естественным отбором, сохранности генетического кода не способствует. Это прямо противоположно точке зрения дарвинизма , согласно которой, нынешние организмы, якобы, совершеннее своих предков.

Естественный отбор и эволюционизм

Естественный отбор работает с набором генов, относящихся к определённой наследственной черте. Она видоизменяется в пределах популяции, поскольку ген или гены, отвечающие за неё, присутствуют более, чем в одной форме. Эти вариациии гена называются аллелями , о которых говорят, что они находятся в одном семействе генов. Поскольку приспособление в конечном итоге полагается на аллели, среди которых может происходить отбор, ценральным вопросом в дебатах между креационистами и эволюционистами является следующий: какой же механизм отвечает за их возникновение? Иными словами, что создаёт новые аллели: случайное, непреднамеренное изменение, или же клеточные механизмы, создающие их преднамеренно?

Биологи-эволюционисты утверждают, будто новые гены и генетическое разнообразие возникают по причине сочетания дупликации генов и случайных мутаций , что сопровождается сложным каскадом морфологических изменений, которые, якобы, делают возможным не только видообразование, но и "эволюцию" "от молекул до людей". Действительно, проанализировав последовательность тех или иных генов в популяции, можно обнаружить небольшие различия некоторых из них. Когдща эволционист обнаруживает эти изменения, он автоматически считает их результатами случайных мутаций.

Например, у прокариотов некоторые из ферментов, предназначенных для репликации ДНК (полимераз), вначале показались более подверженными ошибкам, чем другие. Бытовало мнение, что эти "низкокачественные" полимеразы были причиной ошибок при неблагоприятных воздействиях на бактерии. Но выяснилось, что эти ферменты являются частью механизма, обеспечивающегося изменчивость при попадании организма в условия, к которым он не приспособлен. Этот механизм получил название SOS-системы.

Теперь также известно, что не все гены изменчивы, и что существуют гены, являющиеся гиперизменчивыми по сравнению с нейтральными участками между генами. Изучением характера изменений гиперизменчивых генов удалось выяснить, случайными эти изменения не являются. Всегда имеются сохраняемые области кодонов, а также определённые схемы изменений. Вместо случайного копирования возникающих ошибок (мутаций), за изменчивость отвечает такая разновидность генетической рекомбинации, как генная конверсия.

Сворачивание белков

Основываясь на наших экспериментальных наблюдениях, а также расчётах, сделанных нами с использованием популяционной модели, опубликованной в , мы оцениваем период времени, который потребовался бы по дарвиновскому сценарию для изученного нами едва заметного изменения функции фермента, более, чем в триллион триллионов раз.

Естественный отбор и креационизм

Креационисты не отрицают естественный отбор, но лишь тогда, когда ему не дают тавтологическое определение. Он объясняет механизм, отбора наследственных черт и приспособления организмов к условиям. Этот полностью натуралистический механизм, наблюдаемый сегодня в природе, отвечает за приспособление в малых пределах, но не за радикальные изменения генома, о которых эволюционисты думают, будто таковые "обязаны" происходить. Таким образом, поскольку всё, что наблюдается - это малые изменения, что как раз соответствует представлению о происходящем с организмами по причине естественного отбора, ложные выводы эволюционистов можно считать основанными не на результатах наблюдений, а на экстраполяции таковых на представления, вызванные натуралистической и эволюционной предвзятостью.

Галапагосские зяблики являются классическим примером результатов естественного отбора. Вероятность выживания птицы с клювом, более подходящим по форме и размерам к текущим условиям, больше, а с менее подходящим - меньше. Но одновременно с увеличением приспособленности птиц к среде обитания произошло и обеднение их генофонда.

1. Организмы, более приспособленные к условиям, выживают чаще.
2. Приспособление к условиям сопровождается специализацией и уменьшением физического и генетического разнообразия.

По дарвинистской модели происхождения жизни, новую информацию в генофонд, якобы, вносят мутации, а естественный отбор разделяет их на полезные, нейтральные и вредные. В креационизме же естественный отбор считается частью целенаправленно спроектированной системы. С этой точки зрения, вся полезная генетическая информация является результатом работы Господа. Он создал все организмы с уже имеющейся изменчивостью, а также молекулярные механизмы, осуществляющие модификацию, когда это необходимо, и такую, которая необходима. Вместе с естественным отбором, генетическая рекомбинация систематически позволяет организмам приспособливаться к условиям и специализироваться. Креационисты признают три источника разнообразия естественных черт:

• Уже присутствующие - вариации, созданные Господом изначально;
• Генетическая рекомбинация - вариации, внесённые клеточными механизмами;
• Мутации тоже могут вызывать вариации, но только косвенно, вследствие деактивации генов либо провоцирования средой; они являются наследуемыми.

Естественный отбор влияет на всё перечисленное выше. С точки зрения дарвинизма, причинами всех естественных черт являются мутации, а с точки зрения креационизма, большая их часть заложена Господом изначально, а остальная небольшая часть является результатом рекомбинаций. Получается, что виды быстро приспосабливаются к условиям и специализируются по той причине, что эта способность в них заложена изначально , а вовсе не является результатом случайных мутаций. Этому процессу не требуются ни постепенность, ни длительные периоды времени. В любом случае, естественный отбор работает лишь с теми вариациями наследственных черт, которые уже есть в популяции, независимо от их источников.

«Выживание наиболее приспособленного» как тавтология

Иногда термин «естественный отбор» может быть тавтологическим - когда ему дают соответствующие определения. Выживание наиболее приспособленного - а кто наиболее приспособлен? Тот, кто выживает. А кто выживает? Наиболее приспособленный. То есть, термин «естественный отбор» вообще несёт какой-либо смысл лишь тогда, когда правильно определён. А именно, когда приспособленностью называют бóльшую вероятность продолжения рода. Это - определение, не «висящее в воздухе», а связанное с другими. Живое существо получает больший шанс продолжения рода, поскольку у его конкурентов накопилось больше разрушительных мутаций. Некоторые ошибочно полагают, будто креационисты отрицают естественный отбор. В журнале Scientific American опубликована небольшая дискуссия, в которой подвергнут критике т. наз. «логический круг » в материале «15 ответов на креационистский „нонсенс“ ». Там «забыли» сказать, что, поддерживая эволюционизм, термин «естественный отбор» часто используют тавтологическим способом, что не всегда легко распознать. С другой стороны, некоторые начинающие креационисты сами иногда ошибочно полагают, будто

Человечеству свойствен высокий уровень наследственного разнообразия, что проявляется в многообразии фенотипов. Люди отличаются друг от друга цветом кожных покровов, глаз, волос, формой носа и ушной раковины, рисунком эпидермальных гребней на подушечках пальцев и другими сложными признаками. Выявлены многочисленные варианты отдельных белков, различающиеся по одному или нескольким аминокислотным остаткам и, следовательно, функционально. Белки являются простыми признаками и прямо отражают генетическую конституцию организма. У людей не совпадают группы крови по системам эритроцитарных антигенов «резус», АВ0, MN. Известно более 130 вариантов гемоглобина, более 70 вариантов фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД), который участвует в бескислородном расщеплении глюкозы в эритроцитах. В целом не менее 30% генов, контролирующих у человека синтез ферментных и других белков, имеют несколько аллельных форм. Частота встречаемости разных аллелей одного гена варьирует.

Так, из многих вариантов гемоглобина лишь четыре обнаруживаются в некоторых популяциях в высокой концентрации: HbS (тропическая Африка, Средиземноморье), НЬС (Западная Африка), HbD (Индия), НЬЕ (Юго-Восточная Азия). Концентрация других аллелей гемоглобина повсеместно не превышает, видимо, 0,01-0,0001. Вариабельность распространенности аллелей в популяциях людей зависит от действия элементарных эволюционных факторов. Важная роль принадлежит мутационному процессу, естественному отбору, генетико-автоматическим процессам, миграциям.

Мутационный процесс создает новые аллели. И в человеческих популяциях он действует ненаправленно, случайным образом. В силу этого отбор не приводит к выраженному преобладанию концентрации одних аллелей над другими. В достаточно большой популяции, где каждая пара родителей из поколения в поколение дает двух потомков вероятность сохранения новой нейтральной мутации через 15 поколений составляет всего 1/9.

Все многообразие вариантов белков, отражающее разнообразие аллелей в генофонде человечества, можно разделить на две группы. К одной из них относятся редкие варианты, встречающиеся повсеместно с частотой менее 1%. Появление их объясняется исключительно мутационным процессом. Вторую группу составляют варианты, обнаруживаемые относительно часто в избранных популяциях. Так, в примере с гемоглобинами к первой группе относятся все варианты, кроме HbS, HbC, HbD и HbE. Длительные различия в концентрации отдельных аллелей между популяциями, сохранение в достаточно высокой концентрации нескольких аллелей в одной популяции зависят от действия естественного отбора или дрейфа генов.

К межпопуляционным различиям в концентрации определенных аллелей приводит стабилизирующая форма естественного отбора. Неслучайное распределение по планете аллелей эритроцитарных антигенов АВ0 может быть, например, обусловлено различной выживаемостью лиц, отличающихся по группе крови, в условиях частых эпидемий особо опасных инфекций. Области сравнительно низких частот аллеля I 0 и относительно высоких частот аллеля I B в Азии примерно совпадают с очагами чумы. Возбудитель этой инфекции имеет Н-подобный антиген. Это делает людей с группой крови О особенно восприимчивыми к чуме, так как они, имея антиген Н, не способны вырабатывать противочумные антитела в достаточном количестве. Указанному объяснению соответствует факт, что относительно высокие концентрации аллеля I 0 обнаруживаются в популяциях аборигенов Австралии и Полинезии, индейцев Америки, которые практически не поражались чумой.

Частота заболеваемости «натуральной» оспой, тяжесть симптомов, смертность выше у лиц с группой крови А или АВ в сравнении с лицами, имеющими группу крови 0 или В. Объяснение состоит в том, что у людей первых двух групп отсутствуют антитела, частично нейтрализующие оспенный антиген А. Лица с группой крови 0 в среднем имеют возможность прожить дольше, однако для них выше вероятность заболеть язвенной болезнью.

Вместе с тем для популяций из одного географического района, но изолированных в репродуктивном отношении, причиной различий в концентрации аллелей АВО мог быть дрейф генов. Так, частота группы крови А достигает у индейцев племени черноногих 80%, а у индейцев из штата Юта - 2%.

В основе стойкого сохранения в популяции людей одновременно нескольких аллелей одного гена лежит, как правило, отбор в пользу гетерозигот, который ведет к состоянию балансированного полиморфизма. Классическим примером такой ситуации является распространение аллелей гемоглобинов S, С, и Е в очагах тропической малярии.

Выше приведены примеры полиморфизма по конкретным локусам, который объясняется действием известного фактора отбора. В естественных условиях в силу воздействия на фенотипы организмов комплекса факторов отбор осуществляется по многим направлениям. В результате формируются генофонды, сбалансированные по набору и частотам аллелей, обеспечивающие в данных условиях достаточную выживаемость популяций. Это справедливо и для популяций людей. Так, люди с группой крови 0 более восприимчивы к чуме, чем люди с группой В. Туберкулез легких у них лечится с большим трудом, чем у лиц с группой крови А. Вместе с тем лечение больных сифилисом людей с группой крови 0 быстрее вызывает переход болезни в неактивную стадию. Для лиц с группой крови 0 вероятность заболеть раком желудка, раком шейки матки, ревматизмом, ишемической болезнью сердца, холециститом, жёлчно-каменной болезнью примерно на 20% ниже, чем для лиц с группой А.

Генетический полиморфизм по многим локусам мог быть унаследован людьми от предков на досапиентной стадии развития. Полиморфизм по таким системам групп крови, как АВ0 и Rh, обнаружен у человекообразных обезьян. Факторы отбора, действие которых создавало современную картину распределения аллелей в популяции людей, для подавляющего большинства локусов точно не установлены. Примеры, рассмотренные выше, указывают на их экологическую природу.

Генетический полиморфизм является основой межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости людей. Изменчивость проявляется в неравномерном распределении по планете некоторых заболеваний, тяжести их протекания в разных человеческих популяциях, разной степени предрасположенности людей к определенным болезням, индивидуальных особенностях развития патологических процессов, различиях в реакции на лечебное воздействие. Наследственное разнообразие долго было препятствием успешному переливанию крови. В настоящее время оно же создает большие трудности в решении проблемы пересадок тканей и органов.

Виды животных сильно отличаются друг от друга по уровню генетического разнообразия (полиморфизма), однако причины этих различий точно не установлены. Анализ транскриптомов 76 видов животных, относящихся к 31 семейству и восьми типам, позволил выявить ключевой фактор, коррелирующий с уровнем генетического полиморфизма. Им оказался уровень родительского вклада в потомство, который можно оценить по размеру особей на той стадии, когда они покидают родителей и переходят к самостоятельной жизни. Как выяснилось, низкий генетический полиморфизм характерен для видов, выпускающих в мир немногочисленное, но зато крупное и способное за себя постоять потомство, а высокий - для тех, кто бросает многочисленных мелких, незащищенных потомков на произвол судьбы. Данный результат заставляет пересмотреть некоторые устоявшиеся представления популяционной генетики и по-новому взглянуть на эволюционную роль заботы о потомстве.

Уровень генетического полиморфизма популяции (или вида в целом) считается в популяционной генетике важнейшим показателем, от которого зависят эволюционная пластичность вида, его приспособляемость к переменам среды и риск вымирания.

Виды животных сильно различаются по уровню генетического полиморфизма. Например, у гепардов разнообразие крайне низкое. Это объясняется недавним «бутылочным горлышком» - экстремальным снижением численности, в результате которого почти весь предковый полиморфизм был потерян. Поэтому все ныне живущие гепарды являются близкими родственниками, а генетически они почти идентичны друг другу. У ланцетника, наоборот, полиморфизм рекордно высок (см.: Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных , «Элементы», 23.06.2008). Это, предположительно, объясняется тем, что численность популяции ланцетников оставалась очень высокой в течение долгого времени.

Впрочем, одной лишь численностью популяции невозможно объяснить межвидовые различия по уровню полиморфизма. Выдающийся эволюционный генетик Ричард Левонтин (Richard Lewontin) еще 40 лет назад назвал объяснение этих различий центральной проблемой популяционной генетики (R. C. Lewontin, 1974. The Genetic Basis of Evolutionary Change). Однако добиться полной ясности в данном вопросе пока не удалось.

В теории проблема выглядит относительно простой. Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции , в «идеальной» популяции (с абсолютно свободным, случайным скрещиванием, постоянной численностью, равным числом самцов и самок и т. д.) должен поддерживаться постоянный, равновесный уровень нейтрального генетического полиморфизма, зависящий только от двух переменных: темпа мутагенеза (частоты появления новых нейтральных мутаций) и эффективной численности популяции , N e (см. также Effective population size). Последняя в идеале равна числу особей, участвующих в размножении, но в далекой от идеала реальности вычислять ее приходится сложными окольными путями - например, по косвенным признакам, указывающим на силу генетического дрейфа : чем ниже N e , тем сильнее должен быть дрейф (см. краткое содержание главы 3 “Effective population size” учебника по популяционной генетике).

Для большинства видов измерить N e затруднительно. Гораздо проще оценить «обычную» численность (N ). Поскольку N e , по-видимому, все-таки должна (со всеми оговорками) положительно коррелировать с N , логично предположить, что у массовых видов генетическое разнообразие должно быть в среднем выше, чем у малочисленных.

Эмпирические данные, однако, не дают этой гипотезе однозначного подтверждения. Похоже, различия по N позволяют объяснить лишь небольшую долю межвидовой вариабельности по уровню полиморфизма. Чем же объясняется всё остальное? Большинство специалистов предполагают совокупное влияние множества факторов, таких как темп мутагенеза (прямые данные по которому есть пока лишь для немногих видов), популяционная структура и ее динамика, отбор полезных мутаций (приводящий к «выметанию» нейтрального полиморфизма из окрестностей мутантного локуса). Но главным фактором обычно считают историческую динамику численности, в том числе наличие в прошлом периодов резкого сокращения численности (как в случае с гепардами) или длительное их отсутствие (как в случае с ланцетниками).

Впрочем, до сих пор попытки эмпирическим путем выяснить причины межвидовых различий по уровню полиморфизма имели фрагментарный характер: анализировались либо отдельные группы животных, либо небольшое число генов. Коллектив генетиков из Франции, Великобритании, Швейцарии и США попытался найти более общее решение «центральной проблемы популяционной генетики» при помощи современных методов секвенирования транскриптомов . Авторы получили и проанализировали транскриптомы 76 видов животных, относящихся к разным ветвям эволюционного дерева. Изученные виды представляют 31 семейство животных, принадлежащих к восьми типам: нематодам , членистоногим , моллюскам , немертинам , кольчатым червям , иглокожим , хордовым и книдариям .

Всего было исследовано 374 транскриптома, то есть в среднем изучено примерно по пять особей каждого вида и по 10 копий каждого гена (поскольку особи диплоидные). Этого достаточно, чтобы с приемлемой точностью оценить уровень полиморфизма белок-кодирующих последовательностей. В качестве меры нейтрального полиморфизма авторы использовали стандартный показатель - процент синонимичных различий между двумя случайно выбранными гомологичными последовательностями, π s . Был вычислен также процент несинонимичных (значимых) различий π n (см. Nucleotide diversity).

Оказалось, что уровень полиморфизма в изученной выборке варьирует в широких пределах. Рекордно низкое генетическое разнообразие обнаружилось у термита Reticulitermes grassei (π s = 0,1%), максимальное - у морского брюхоногого моллюска Bostrycapulus aculeatus (π s = 8,3%). Различие почти на два порядка!

Виды с высоким и низким полиморфизмом распределены по эволюционному дереву довольно хаотично (рис. 1). При этом родственные виды (относящиеся к одному и тому же семейству) в среднем более сходны друг с другом по уровню полиморфзима, чем представители разных семейств. Этот факт противоречит гипотезе о том, что главным фактором, влияющим на полиморфизм, являются случайные перипетии популяционной истории. Ведь нет оснований предполагать, что у видов, относящихся к одному семейству, должна быть сходная динамика численности. Правда, тут мог сказаться и подбор видов для анализа: например, все три вида морских ежей семейства Schizasteridae, выбранные для анализа, - это обитатели высоких широт Южного полушария, относящиеся к «сумчатым» морским ежам с развитой заботой о потомстве (см. ниже), хотя в этом семействе преобладают виды, не заботящиеся о потомстве.

Авторы сопоставили полученные данные с биологическими и биогеографическими характеристиками изученных видов. Биологических характеристик было шесть: размер взрослой особи, масса тела, максимальная продолжительность жизни, подвижность (расселительная способность) взрослых особей, плодовитость и размер «пропагулы» (то есть той стадии жизненного цикла, на которой животное покидает родителей и переходит к самостоятельной жизни: у кого-то это маленькая икринка, у кого-то - почти взрослая, тщательно выкормленная и выпестованная родителями молодая особь).

Никакой корреляции генетического полиморфизма с биогеографическими и экологическими показателями (площадь ареала, приуроченность к широтным зонам, водный или наземный образ жизни и т. п.) обнаружить не удалось (хотя биогеографические характеристики, надо признать, оценивались весьма грубо). Напротив, все шесть биологических характеристик достоверно коррелируют с полиморфизмом, в совокупности объясняя 73% вариабельности видов по показателю π s . Наилучшим предиктором полиморфизма, намного превосходящим в этом отношении остальные пять переменных, оказался размер пропагулы (рис. 2).

В этом и состоит главная закономерность, обнаруженная авторами: чем более крупных потомков выпускают родители в мир, тем ниже (в среднем) генетический полиморфизм вида. Размер пропагулы, в свою очередь, отрицательно коррелирует с плодовитостью, причем эта корреляция весьма сильна. Таким образом, низкий полиморфизм характерен для животных, производящих небольшое количество тщательно выпестованных, хорошо подготовленных к самостоятельной жизни потомков (K-стратегия; см. Теория r-K отбора), а высокий - для тех, кто производит множество мелких и слабых потомков, бросая их на произвол судьбы (r-стратегия).

Размер взрослого животного коррелирует с полиморфизмом намного слабее (рис. 2, b). Этот результат является неожиданным, потому что размер, как правило, отрицательно коррелирует с численностью (популяции крупных животных в среднем имеют меньшую численность). Логично было бы предположить, что именно размер взрослого животного будет наилучшим предиктором полиморфизма, но это не подтвердилось. Среди видов с низким полиморфизмом есть как мелкие животные (менее 1 см), так и очень крупные. Виды одинакового размера могут иметь контрастно различающиеся уровни полиморфизма, если одни из этих видов являются K-стратегами, а другие - r-стратегами. Например, из рассмотренных авторами пяти видов морских ежей (Echinocardium cordatum, Echinocardium mediterraneum, Abatus cordatus, Abatus agassizi, Tripylus abatoides ) первые два не заботятся о потомстве, производят много мелких яйцеклеток с небольшим количеством желтка, и поэтому их потомкам приходится начинать самостоятельную жизнь в виде крохотных, питающихся планктоном личинок - эхиноплутеусов. Три последних вида относятся к марсупиальным (сумчатым) морским ежам, чьи самки производят крупные, богатые желтком яйца и вынашивают молодь в специальных выводковых камерах, представляющих собой видоизмененные органы дыхания (петалоиды). У этих видов «пропагула», переходящая к самостоятельной жизни, представляет собой уже вполне сформированного морского ежика диаметром в несколько миллиметров. Соответственно, у первых двух видов полиморфизм высокий (π s = 0,0524 и 0,0210), у трех последних - низкий (0,0028, 0,0073, 0,0087). При этом по размеру взрослых особей все пять видов мало отличаются друг от друга. Аналогичная картина характерна для K- и r-стратегов среди офиур, немертин, насекомых и др.

Что касается насекомых, то в категорию K-стратегов здесь попали эусоциальные виды: термиты, пчелы, муравьи. В данном случае очевидно, что по размеру взрослой особи нельзя судить об N e: численность (N ) муравьев может быть очень высокой, что соответствует их небольшим размерам, но размножаться из них могут лишь немногие - «цари» и «царицы» (N e << N ). Понятно, что K-стратегия, обусловленная эусоциальностью, ведет к резкому снижению N e . В других случаях этот эффект не столь очевиден.

Тем не менее авторы полагают, что обнаруженная связь между K-стратегией и низким полиморфизмом обусловлена именно отрицательным влиянием K-стратегии на эффективную численность, даже если природа этого влияния пока непонятна. Альтернативное объяснение могло бы состоять в том, что для K-стратегов характерен пониженный темп мутагенеза. Однако факты говорят скорее об обратном: темп мутагенеза (среднее число мутаций на геном за поколение), судя по всему, у K-стратегов выше, чем у r-стратегов. Одна из причин в том, что K-стратеги живут в среднем дольше, а поколения у них разделены большим числом клеточных делений (см.: У шимпанзе, как и у людей, число мутаций у потомства зависит от возраста отца , «Элементы», 18.06.2014). Так что различия в темпах мутагенеза скорее должны ослаблять, чем усиливать найденную отрицательную корреляцию между вкладом в потомство и полиморфизмом.

Уровень несинонимичного (значимого) нуклеотидного полиморфизма (π n) у исследованных видов тоже лучше всего коррелирует с размером пропагулы, хотя эта корреляция слабее, чем для синонимичного полиморфизма (рис. 3). Отношение π n /π s широко варьирует у разных видов и сильнее всего коррелирует с продолжительностью жизни: у долгоживущих организмов доля несинонимичных полиморфизмов повышена. Этот результат легко объясним: у долгоживущих видов, при прочих равных условиях, эффективная численность популяции должна быть ниже, а дрейф сильнее. Следовательно, слабовредные значимые мутации у долгожителей отбраковываются менее эффективно.

Таким образом, исследование показало, что уровень генетического полиморфизма можно довольно точно предсказать, зная определенные аспекты биологии рассматриваемого вида, такие как величина родительского вклада в потомство, приверженность K- или r-стратегии и продолжительность жизни. Случайные колебания численности популяции, полагавшиеся до сих пор чуть ли не главным фактором, влияющим на уровень полиморфизма, по-видимому, играют менее важную роль в глобальном масштабе. Хотя, конечно, нельзя отрицать их определяющее значение во многих частных ситуациях (как у тех же гепардов).

Авторы полагают, что K-стратегия в долгосрочной перспективе должна коррелировать с более низкими значениями N e , а r-стратегия - с более высокими. Возможно, дело в том, что K-стратеги, благодаря эффективной заботе о потомстве, в целом более толерантны к низкой численности популяции: они могут долго существовать при низкой численности, не вымирая. Они могут, подобно гепардам, успешно восстановиться даже после экстремальных снижений численности, когда от всего вида остается несколько десятков особей. Напротив, r-стратеги сильнее зависят от изменений среды, которые приводят к резким колебаниям численности; их стратегия более «рискованная», поэтому в долгосрочной перспективе будут сохраняться только те виды, чья численность лишь очень редко или никогда не снижается до экстремально низких значений. Косвенно это рассуждение подтверждается палеонтологическими данными: во время массовых вымираний K-стратеги, по-видимому, имеют больше шансов выжить, чем r-стратеги, особенно крупноразмерные. Например, во время великого вымирания на рубеже мела и палеогена (66 млн лет назад) вымерли динозавры, у которых были большие проблемы с заботой о потомстве, - но выжили птицы и млекопитающие (ярко выраженные K-стратеги); вымерли аммониты (r-стратеги), но выжили наутилоидеи с крупными «пропагулами».

Исследование также заставляет задуматься об общих тенденциях эволюции K- и r-стратегов. На первый взгляд кажется, что у первых эволюционные перспективы должны быть в целом гораздо хуже, чем у вторых. У K-стратегов ниже смертность, особенно на ранних стадиях развития, что ограничивает возможности для естественного отбора. Как мы теперь знаем, у них ниже также и генетический полиморфизм, который считается важнейшим показателем «генетического благополучия» вида, приспособляемости и эволюционной пластичности. У них, вероятно, в среднем ниже и эффективная численность популяции. Это способствует ослаблению отбора и усилению дрейфа, что, в свою очередь, должно замедлять отбраковку слабовредных мутаций и фиксацию слабополезных. Стало быть, у K-стратегов должен быть большой мутационный груз (см. Genetic load). Если посмотреть на ситуацию под таким углом, то становится вообще непонятно, почему K-стратеги до сих пор не вытеснены повсеместно r-стратегами. В действительности, судя по палеонтологическим данным, тенденция скорее обратная, особенно у таких ключевых представителей наземной биоты, как сосудистые растения и четвероногие (наземные позвоночные). В этих группах в течение фанерозоя прослеживается явный сдвиг в сторону K-стратегии: беззащитные «пропагулы» в виде мельчайших спор и икринок уступают место увесистым семенам и подрощенным, хорошо упитанным детенышам.

По-видимому, K-стратегия каким-то образом компенсирует все вышеперечисленные недостатки. Одним из факторов может быть отмеченная выше толерантность к низкой численности, обусловленная меньшей зависимостью смертности от непредсказуемых колебаний среды: сравните положение беззащитных лягушачьих икринок в пруду и птичьих яиц в теплом гнездышке с заботливой наседкой. Кроме того, хотя у K-стратегов уровень смертности (элиминации) ниже, эта смертность наверняка более избирательна и неслучайна , чем у r-стратегов. Гибель мелких «пропагул» часто происходит случайно и вообще не зависит от качества генов. Возможно, отбор у K-стратегов даже при низком уровне смертности достаточно эффективен за счет более избирательной (зависящей от качества генов) элиминации. Наконец, можно допустить, что забота о потомстве делает многие потенциально вредные мутации (которые снизили бы шансы на выживание молодняка, брошенного на произвол судьбы) де-факто нейтральными. В этом случае часть значимого (несинонимичного) полиморфизма у K-стратегов в действительности может оказаться не «мутационным грузом» (слабовредными мутациями, не отбракованными своевременно из-за сильного дрейфа и слабого отбора), а нейтральным полиморфизмом, повышающим эволюционную пластичность.

Причины появления
генетических различий между популяциями

Люди, живущие в разных концах Земли, различаются многими
признаками: языковой принадлежностью, культурными традициями, внешностью,
генетическими особенностями. Каждая популяция характеризуется своим набором
аллелей (различных состояний гена, соответствующих различным состояниям
признака, причем некоторые аллели могут быть уникальными для этнической группы
или расы) и соотношением их популяционных частот.

Генетические характеристики народов зависят от их истории и
образа жизни. В изолированных популяциях, не обменивающихся потоками генов (то
есть не смешивающихся из-за географических, лингвистических или религиозных
барьеров), генетические различия возникают за счет случайных изменений частот
аллелей и благодаря процессам позитивного и негативного естественного отбора.
Без действия каких-либо других факторов случайные изменения генетических
характеристик популяций обычно невелики.

Значительные изменения частот аллелей могут возникать при
сокращении численности популяции или отселении небольшой группы, которая дает
начало новой популяции. Частоты аллелей в новой популяции будут сильно зависеть
от того, каким был генофонд основавшей ее группы (так называемый эффект основателя).
С эффектом основателя связывают повышенную частоту болезнетворных мутаций в
некоторых этнических группах.

Например, один из видов врожденной глухоты вызывается у
японцев мутацией, возникшей однократно в прошлом и не встречающейся в других
регионах мира, то есть все носители получили мутацию от общего предка, у
которого она возникла. У белых австралийцев глаукома связана с мутацией,
принесенной переселенцами из Европы. У исландцев найдена мутация,
повышающая.риск развития рака и восходящая к общему прародителю. Аналогичная
ситуация обнаружена у жителей острова Сардиния, но мутация у них другая,
отличная от исландской. Эффект основателя является одним из возможных
объяснений отсутствия у индейцев Южной Америки разнообразия по группам крови:
преобладающая группа крови у них – первая (частота ее более 90%, а во многих
популяциях – 100%). Так как Америка заселялась небольшими группами, пришедшими
из Азии через перешеек, когда-то соединявший эти материки, возможно, что в
популяции, давшей начало коренному населению Нового Света, другие группы крови
отсутствовали.

Слабовредные мутации могут долго поддерживаться в популяции,
тогда как мутации, значительно снижающие приспособленность индивида,
отсеиваются отбором. Показано, что болезнетворные мутации, приводящие к более
тяжелым формам наследственных заболеваний, обычно эволюционно молоды. Давно
возникшие мутации, длительное время сохраняющиеся в популяции, связаны с более
легкими формами болезни.

Популяции адаптируются к условиям обитания в результате
отбора путем как фиксации случайно возникших новых мутаций (то есть новых
аллелей), повышающих приспособленность к этим условиям, так и изменения частот
существующих аллелей. Разные аллели обусловливают разные варианты фенотипа,
например, цвета кожи или уровня холестерина в крови. Частота аллеля,
обеспечивающего адаптивный фенотип (скажем, темная кожа в зонах с интенсивным
солнечным облучением), возрастает, так как его носители жизнеспособнее в данных
условиях. Адаптация к различным климатическим зонам проявляется как вариация
частот аллелей комплекса генов, географическое распределение которых
соответствует этим зонам. Самый заметный след в глобальном распределении
генетических вариаций оставили миграции народов при расселении от африканской
прародины.

Происхождение и
расселение человека

Ранее историю появления вида Homo sapiens на Земле
реконструировали на основе палеонтологических, археологических и
антропологических данных. В последние десятилетия появление
молекулярно-генетических методов и исследования генетического разнообразия
различных народов позволили уточнить многие вопросы, связанные с происхождением
и расселением людей современного анатомического типа.

Молекулярно-генетические методы, применяемые для
восстановления событий демографической истории, сходны с лингвистическими
методами реконструкции праязыка. Время, прошедшее с того момента, когда два
родственных языка разделились (то есть перестал существовать их общий предковый
праязык), оценивают по количеству различающихся слов, появившихся за период
раздельного существования этих языков. Аналогично время существования общей
предковой популяции для двух современных народов оценивают по количеству
различий (мутаций), накопившихся в ДНК представителей этих народов. Так как
скорость накопления мутаций в ДНК известна, по числу мутаций, различающих две
популяции, можно определить, когда они разошлись.

Дату расхождения популяций устанавливают с помощью так
называемых нейтральных мутаций, не влияющих на жизнеспособность индивида и не
подверженных действию естественного отбора. Такие мутации найдены во всех
участках генома человека, но чаще всего в филогенетических исследованиях
рассматривают мутации в ДНК, содержащейся в клеточных органеллах – митохондриях
(мтДНК).

Первым использовал мтДНК для реконструкции истории
человечества американский генетик Алан Уилсон в 1985 г. Он изучил образцы
мтДНК, полученные из крови людей из всех частей света, и на основе выявленных
между ними различий построил филогенетическое древо человечества. Уилсон
показал, что все современные мтДНК могли произойти от мтДНК общей праматери,
жившей в Африке. Работа Уилсона приобрела широкую известность. Обладательницу
предковой мтДНК тут же окрестили «митохондриальной Евой», что породило неверные
толкования – будто все человечество произошло от одной-единственной женщины. На
самом деле у «Евы» было несколько тысяч соплеменниц, просто их мтДНКдо наших
времен не дошли. Однако их вклад бесспорен – от них мы унаследовали
генетический материал хромосом. Появление новой мутации в мтДНК дает начало
новой генетической линии, наследуемой от матери к дочери. Характер наследования
в данном случае можно сравнить с семейным имуществом – деньги и земли человек
может получить от всех предков, а фамилию – только от одного из них.
Генетический аналог фамилии, передаваемой по женской линии, – мтДНК, по мужской
– Y-хромосома, передаваемая от отца к сыну.

К настоящему времени изучены мтДНК десятков тысяч людей. Удалось
выделить мтДНК из костных останков древних людей и неандертальцев. На основе
изучения генетических различий представителей разных народов генетики пришли к
выводу, что на протяжении последнего миллиона лет численность групп
одновременно живущих прямых предков человека колебалась от 40 до 100 тыс.
Однако около 100-130 тыс. лет назад общая численность предков человека
сократилась до 10 тыс. индивидов (генетики называют сокращение численности
популяции с последующим быстрым ростом ее прохождением через «бутылочное
горлышко»), что привело к значительному снижению генетического разнообразия
популяции (рис. 1).

Рис. 1. Результаты оценки численности популяций на основе изучения генетических различий представителей разных народов.

Причины колебания численности пока неизвестны, вероятно, они
были такими же, как и у других видов животных, – изменения климата или кормовых
ресурсов. Описываемый период снижения численности и изменения генетических
характеристик предковой популяции считается временем появления вида Homo
sapiens.

(Часть антропологов относят неандертальцев также к виду Homo
sapiens. В этом случае линию человека обозначат как Homo sapiens sapiens, а
неандертальца – как Homo sapiens neanderthalensis. Однако большинство генетиков
склонны считать, что неандерталец представлял хотя и родственный человеку, но
отдельный вид Homo neanderthalensis. Эти виды разделились 300-500 тыс. лет
назад.)

Изучение мтДНК и аналогичные исследования ДНК Y-хромосомы,
передающейся только по мужской линии, подтвердили африканское происхождение
человека и позволили установить пути и даты его расселения на основе
распространения различных мутаций у народов мира. По современным оценкам, вид
Homo sapiens появился в Африке около 130-180 тыс. лет назад, затем расселился в
Азии, Океании и Европе. Позже всего была заселена Америка (рис. 2).

Рис. 2.Пути (отмечены стрелками) и даты (обозначены цифрами) расселения человека, установленные на основе изучения распространения различных мутаций у народов мира.

Вероятно, исходная предковая популяция Homo sapiens состояла
из небольших групп, ведущих образ жизни охотников-собирателей. Расселяясь по
Земле, люди несли с собой свои традиции и культуру и свои гены. Возможно, они
также обладали и праязыком. Пока лингвистические реконструкции древа
происхождения языков мира ограничены 30 тыс. лет, и существование общего для
всех людей праязыка только предполагается. И хотя гены не определяют ни язык,
ни культуру, во многих случаях генетическое родство народов совпадает и с
близостью их языков и культурных традиций. Но есть и противоположные примеры,
когда народы меняли язык и перенимали традиции своих соседей. Смена традиций и
языка происходила чаще в районах контактов различных волн миграций либо как
результат социально-политических изменений или завоеваний.

Конечно, в истории человечества популяции не только
разделялись, но и смешивались. Поэтому каждый народ представлен не единственной
генетической линией мтДНК или Y-хромосомы, но набором разных, возникших в
разное время в разных регионах Земли.

Адаптация популяций
человека к условиям обитания

Результаты сравнительных исследований мтДНК и Y-хромосом
разных популяций современных людей позволили выдвинуть предположение, что еще
до выхода из Африки, около 90 тыс. лет назад, предковая популяция разделилась
на несколько групп, одна из которых вышла в Азию через Аравийский полуостров.
При разделении различия между группами могли быть чисто случайными. Большая
часть расовых различий возникла, вероятно, позже как адаптация к условиям
обитания. Это относится, например, к цвету кожи – одному из самых известных
расовых признаков.

Адаптация к
климатическим условиям. Степень пигментации кожи у человека генетически
задана. Пигментация обеспечивает защиту от повреждающего действия солнечного
облучения, но не должна препятствовать получению минимальной дозы
ультрафиолета, необходимого для образования в организме человека витамина Д,
предотвращающего рахит.

В северных широтах, где интенсивность облучения низка, люди
обладают более светлой кожей. Жители экваториальной зоны имеют самую темную
кожу. Исключения составляют обитатели затененных тропических лесов – их кожа
светлее, чем можно было бы ожидать для этих широт, и некоторые северные народы
(чукчи, эскимосы), кожа которых относительно сильно пигментирована, так как они
употребляют в пищу продукты, богатые витамином Д, например, печень морских
животных. Таким образом, различия в интенсивности ультрафиолетового излучения
действуют как фактор отбора, приводя к географическим вариациям в цвете кожи.
Светлая кожа – эволюционно более поздний признак, возникший из-за мутаций в
нескольких генах, регулирующих выработку кожного пигмента меланина. Способность
загорать также детерминирована генетически. Ею отличаются жители регионов с
сильными сезонными колебаниями интенсивности солнечного излучения.

Известны связанные с климатическими условиями различия в
строении тела. Речь идет об адаптациях к холодному или теплому климату:
короткие конечности у арктических популяций (чукчи, эскимосы) увеличивают
отношение массы тела к его поверхности и тем самым уменьшают теплоотдачу, а
жители жарких сухих регионов, например африканские масаи, отличатся длинными
конечностями. Для обитателей районов с влажным климатом характерны широкие и
плоские носы, а в сухом холодном климате эффективнее длинный нос, лучше
согревающий и увлажняющий вдыхаемый воздух.

Приспособлением к жизни в высокогорных условиях является
повышенное содержание гемоглобина в крови и усиление легочного кровотока. Такие
особенности наблюдаются у коренных жителей Памира, Тибета и Анд. Все эти
отличия определяются генетически, но степень их проявления зависит от условий
развития в детстве. Например, у андских индейцев, выросших на уровне моря,
признаки выражены в меньшей степени.

Адаптация к типам
питания. Некоторые генетические изменения связаны с различиями в типах
питания. Наиболее известна среди них гиполактазия – непереносимость молочного
сахара (лактозы). Для усвоения лактозы у детенышей млекопитающих вырабатывается
фермент лактаза. По окончании периода вскармливания этот фермент исчезает из
кишечного тракта детеныша и у взрослых особей не вырабатывается.

Отсутствие лактазы у взрослых является исходным, предковым
признаком для человека. Во многих азиатских и африканских странах, где взрослые
традиционно не пьют молока, после пятилетнего возраста лактаза перестает
вырабатываться. Употребление молока в таких условиях приводит к расстройству
пищеварения. Однако большинство взрослых европейцев вырабатывают лактазу и
могут пить молоко без вреда для здоровья. Эти люди являются носителями мутации
в участке ДНК, регулирующем синтез лактазы. Мутация распространилась после
появления молочного скотоводства 9-10 тыс. лет назад и встречается
преимущественно у европейских народов. Более 90% шведов и датчан способны
усваивать молоко, и лишь небольшая часть населения Скандинавии отличается
гиполактазией. В России частота гиполактазии составляет около 30% для русских и
более 60-80% для коренных народов Сибири и Дальнего Востока.

Народы, у которых гиполактазия сочетается с молочным
скотоводством, традиционно употребляют в пищу не сырое молоко, а кисломолочные
продукты, в которых молочный сахар уже переработан бактериями в легко
усваиваемые вещества. Преобладание единой для всех диеты западного образца в
некоторых странах приводит к тому, что часть детей с недиагностированной
гиполактазией реагирует на молоко расстройством пищеварения, которое принимают
за кишечные инфекции. Вместо необходимого в таких случаях изменения диеты
предписывают лечение антибиотиками, приводящее к развитию дисбактериоза. Еще
один фактор мог способствовать распространению синтеза лактазы у взрослых – в
присутствии лактазы молочный сахар способствует усвоению кальция, выполняя те
же функции, что и витамин Д. Возможно, именно поэтому у северных европейцев
мутация, о которой идет речь, встречается чаще всего.

Жители Северной Азии отличаются наследственным отсутствием
фермента трегалазы, расщепляющего углеводы грибов, которые традиционно
считаются здесь пищей оленей, не пригодной для человека.

Для населения Восточной Азии характерна другая
наследственная особенность обмена веществ: многие монголоиды даже от небольших
доз спиртного быстро пьянеют и могут получить сильную интоксикацию из-за
накопления в крови ацетальдегида, образующегося при окислении алкоголя
ферментами печени. Окисление происходит в два этапа: на первом этиловый спирт
превращается в токсичный этиловый альдегид, на втором альдегид окисляется с
образованием безвредных продуктов, которые выводятся из организма. Скорость
работы ферментов первого и второго этапов (с неудобочитаемыми названиями
алкогольдегидрогеназа и ацетальдегидрогеназа) задается генетически.

В Восточной Азии распространено сочетание «быстрых»
ферментов первого этапа с «медленными» ферментами второго, то есть при приеме
спиртного этанол быстро перерабатывается в альдегид (первый этап), а его
дальнейшее удаление (второй этап) происходит медленно. Эта особенность
восточных монголоидов обусловлена частым сочетанием у них двух мутаций,
влияющих на скорость работы упомянутых ферментов. Предполагается, что так
проявляется адаптация к еще неизвестному фактору среды.

Адаптации к типу питания связаны с комплексами генетических
изменений, немногие из которых пока детально изучены на уровне ДНК. Например, около
20-30% жителей Эфиопии и Саудовской Аравии способны быстро расщеплять некоторые
пищевые вещества и лекарства, в частности, амитриптилин, благодаря наличию у
них двух или более копий гена, кодирующего один из видов цитохромов –
ферментов, расщепляющих чужеродные вещества, поступающие в организм с пищей. У
народов других регионов удвоение данного гена встречаются с частотой не более
3-5%. Предполагают, что увеличение числа копий гена вызвано особенностями диеты
(возможно, употреблением в пищу больших количеств перца или съедобного растения
тефф, составляющего до 60% продуктов питания в Эфиопии и нигде больше не
распространенного в такой степени). Но что является причиной, а что следствием –
определить в настоящее время невозможно. Привело ли случайное.повышение
частоты в популяции носителей множественных генов к тому, что люди смогли есть
какие-то особые растения? Или то, что они начали употреблять в пищу перец (либо
какой-либо другой продукт, для усвоения которого необходим этот цитохром)
вызвало увеличение частоты удвоения гена? Любой из этих двух процессов мог
иметь место в ходе эволюции популяций.

Очевидно, что пищевые традиции народа и генетические факторы
взаимодействуют. Употребление тех или иных видов пищи становится возможным лишь
при наличии определенных генетических предпосылок, а ставшая впоследствии
традиционной диета действует как фактор отбора и приводит к изменению частот
аллелей и распространению в популяции генетических вариантов, наиболее
адаптивных при данной диете. Традиции обычно меняются медленно. Так, переход от
собирательства к земледелию и сопутствующие этому изменения диеты и образа
жизни продолжались в течение десятков и сотен поколений. Относительно медленно
происходят и сопровождающие такие события изменения генофонда популяций.
Частоты аллелей могут меняться на 2-5% за поколение, и эти изменения
накапливаются из поколения в поколение. Действие же других факторов, например
эпидемий, часто связанных с войнами и социальными кризисами, может в несколько
раз изменить частоты аллелей на протяжении жизни одного поколения за счет
резкого снижения численности популяции. Так, завоевание Америки европейцами
привело к гибели 90% коренного населения в результате войн и эпидемий.

Генетика устойчивости
к инфекционным заболеваниям

Оседлый образ жизни, развитие земледелия и скотоводства,
повышение плотности населения способствовали распространению инфекций и
вспышкам эпидемий. Например, туберкулез – ранее болезнь крупного рогатого
скота, был получен человеком после одомашнивания животных и стал эпидемически
значимым при зарождении и росте городов. Эпидемии сделали актуальной проблему
устойчивости к инфекциям. Устойчивость к инфекциям также имеет генетический
компонент.

Первым изученным примером устойчивости является
распространение в тропической и субтропической зонах наследственной болезни
крови – серповидноклеточной анемии, которая вызывается мутацией в гене
гемоглобина, приводящей к нарушению его функций. У больных форма эритроцитов,
определяемая при микроскопическом анализе крови, не овальная, а серповидная,
из-за чего болезнь и получила свое название. Носители мутации оказались
устойчивыми к малярии. В зонах распространения малярии наиболее «выгодно»
гетерозиготное состояние (когда из пары генов, полученных от
родителей,поврежден только один, а другой нормален), так как гомозиготные
носители мутантного гемоглобина погибают от анемии, гомозиготные по нормальному
гену – болеют малярией, а у гетерозиготных анемия проявляется в мягкой форме и
они защищены от малярии.

В Европе распространено другое наследственное заболевание –
муковисцидоз. Его причина – мутация, нарушающая регуляцию солевого обмена и
водного баланса клеток. У больных поражаются все органы, выделяющие слизистые
секреты (бронхолегочная система, печень, различные железы). Они умирают к
подростковому возрасту, не оставляя потомства. Однако заболевание возникает
только в том случае, если ребенок получает от обоих родителей поврежденный ген,
гетерозиготные носители мутаций вполне жизнеспособны, хотя выделение железистых
секретов и жидкости у них может быть снижено.

В Европе муковисцидоз встречается у одного из 2500
рожденных. В гетерозиготном состоянии мутация присутствует у одного из 50
человек – очень высокая частота для болезнетворной мутации. Поэтому следует
предположить, что естественный отбор действует в пользу ее накопления в
популяциях, то есть гетерозиготы имеют повышенную приспособленность. И
действительно, считается, что они более устойчивы к кишечным инфекциям.
Существует несколько гипотез о механизмах этой устойчивости. Согласно одной из
них, у гетерозигот по мутации снижено выделение жидкости через кишечник, так
что им в меньшей степени грозит смерть от обезвоживания при диарее, возникающей
в результате инфицирования. Но в жарком климате вред от нарушения солевого
обмена перевешивает пользу от повышенной устойчивости к инфекциям – и
муковисцидоз встречается там крайне редко из-за пониженной жизнеспособности
носителей мутаций.

С устойчивостью к туберкулезу связывают распространение в
некоторых популяциях болезни Тея-Сакса, тяжелого наследственного заболевания,
приводящего к дегенерации нервной системы и изменению слизистой дыхательного
тракта. Выявлен ген, мутации в котором приводят к развитию заболевания.
Предполагают, что гетерозиготные носители мутации более устойчивы к туберкулезу.

Эти примеры показывают, что платой популяции за повышение
выживаемости гетерозиготных носителей мутации может оказаться гибель на порядок
реже встречающихся гомозиготных носителей, которые неизбежно появляются при
повышении ее популяционной частоты. Однако известны мутации, которые и в
гомозиготном состоянии защищают от инфекций, например от инфицирования вирусом
иммунодефицита человека, ВИЧ, либо замедляют развитие болезни после
инфицирования. Две такие мутации встречаются во всех популяциях, а еще одна –
европейского происхождения, и в других регионах отсутствует. Предполагается,
что эти мутации распространились в прошлом, поскольку обладают защитным
эффектом и в отношении других эпидемических заболеваний. В частности,
распространение мутации у европейцев связывают с «черной смертью» – эпидемией
чумы, в XIV веке выкосившей треть населения Европы, а в некоторых регионах – до
80%. Другой кандидат на роль фактора отбора – оспа, также уносившая множество
жизней. До появления больших городов и достижения эпидемического порога
численности населения такие крупномасштабные «раунды отбора» на устойчивость к
инфекциям были невозможны.

Развитие цивилизации и
генетические изменения

Кажется удивительным тот факт, что питание бушменов –
охотников-собирателей, живущих в Южной Африке, оказалось соответствующим
рекомендациям ВОЗ по общему балансу белков, жиров, углеводов, витаминов,
микроэлементов и калорий. Биологически человек и его непосредственные предки на
протяжении сотен тысяч лет адаптировались к образу жизни охотников-собирателей.

Изменение традиционного типа питания и образа жизни
отражается на здоровье людей. Например, афроамериканцы чаще, чем евроамериканцы
болеют гипертонией. У североазиатских народов, традиционная диета которых была
богата жирами, переход на европейскую высокоуглеводную пищу приводит к развитию
диабета и других заболеваний.

Преобладавшие ранее представления о том, что с развитием
производящего хозяйства (земледелия и скотоводства) здоровье и питание людей
неуклонно улучшается, сейчас опровергнуто: многие распространенные заболевания
редко встречались у древних охотников-собирателей или вообще были им
неизвестны. При переходе к земледелию уменьшилась продолжительность жизни (от
30-40 лет до 20-30), в 2-3 увеличилась рождаемость и одновременно значительно
возросла детская смертность. Костные останки у раннеземледельческих народов
чаще имеют признаки перенесенной анемии, недоедания, различных инфекций, чем у
доземледельческих.

Лишь в средние века наступил перелом – и продолжительность
жизни стала увеличиваться. Заметное улучшение здоровья населения в развитых
странах связано с появлением современной медицины.

К факторам, отличающим современные земледельческие народы,
относятся высокоуглеводная и высокохолестериновая диета, употребление соли, снижение
физической активности, оседлый образ жизни, высокая плотность населения,
усложнение социальной структуры. Адаптация популяций к каждому из этих факторов
сопровождается генетическими изменениями, то есть возрастанием частоты
адаптивных аллелей в популяции. Частота неадаптивных аллелей снижается,
поскольку их носители менее жизнеспособны или имеют меньшую численность
потомков. Так, низкохолестериновая диета охотников-собирателей делает
адаптивной для них способность к интенсивному поглощению холестерина из пищи,
что при современном образе жизни становится фактором риска атеросклероза и
сердечно-сосудистых заболеваний. Эффективное усвоение соли, полезное в прошлом,
когда соль была недоступна, превращается в фактор риска гипертонии. Изменения
популяционных частот аллелей при рукотворном преобразовании среды обитания
человека происходят так, как и при адаптации к природным условиям. Рекомендации
врачей по поддержанию здоровья (физическая активность, прием витаминов и
микроэлементов, ограничение соли) искусственно воссоздают условия, в которых
человек жил большую часть времени своего существования как биологического вида.

Этические аспекты
изучения генетических различий людей

Итак, на формирование генофондов этнических групп влияют
различные процессы – накопление мутаций в изолированных группах, миграции и
смешение народов, адаптация популяций к условиям среды. Генетические различия
не подразумевают превосходства какой-либо расы, этнической или образованной по
любому иному признаку (типу хозяйства или уровню сложности социальной
организации) группы. Напротив, они подчеркивают эволюционную ценность
разнообразия человечества, позволившую ему заселить все климатические зоны
Земли.

Журнал «Энергия» 2005, № 8