Чтение онлайн

XXI. Эволюция 3 миллионов лет эволюции человека объем мозга более чем утроился, а продолжительность жизни удвоилась. В течение ряда лет выдвигались различные гипотезы от¬ носительно эволюционного давления, которое могло повли¬ ять на увеличение мозга. Увеличение мозга приматов пред¬ положительно было вызвано тем, что употребление орудий увеличивало доступ к пище и тем самым давало им эволю¬ ционное преимущество. В дальнейшем предположили, что наибольшим вкладом в развитие мозга приматов стали пре¬ жде всего сложные социальные отношения, — так называе¬ мая гипотеза Макиавелли. Отдельные индивиды должны были участвовать в выработке социальной стратегии, кото¬ рая в дальней перспективе гарантировала лучшую выжи¬ ваемость группы. И действительно, у приматов прослежи¬ вается явная связь между величиной мозга и величиной и сложностью группы. Жизнь в социальных группах возникла у приматов 52 миллиона лет тому назад. Когда они превра¬ тились из ночных животных в дневных, жить в группах ста¬ ло более безопасно. Сложность жизни в группе в значительной степени определялась формированием пар и моногамией. И то и другое предъявляет высокие требования к мозгу: тре¬ буется тщательный выбор партнера, гарантирующий хоро¬ шее потомство; становятся необходимы сложные переговоры между партнерами. Сложность и интенсивность таких от¬ ношений, в чем мы все уже убедились на собственном опы¬ те, вероятно, оказали сильное эволюционное воздействие на развитие более крупного мозга. Механизм моногамного вы¬ бора партнера у человека должен был сформироваться при¬ мерно 3,5 миллиона лет назад и в ходе эволюции доказал свое преимущество для защиты семьи, но продолжает оста¬ ваться немалой нагрузкой для нашего мозга. 496

XXI.2. Эволюция мозга XXL 2 Эволюция мозга Мы, люди, существуем, потому что некая странная группа рыб отличалась своеобразной анатомией плавников, которые превратились в ноги назем¬ ных животных; потому что земля никогда полно¬ стью не замерзала в ледниковый период; потому что малочисленному и неприметному виду живот¬ ных, возникшему в Африке четверть миллиона лет назад, удалось каким-то образом выжить. Возмож¬ но, мы и хотели бы услышать внеземное объясне¬ ние всего этого — но такового не существует. Стивен Джей Гулд (1941-2002) Наша отличительная особенность — фантастический мозг весом 1,5 кг, состоящий из примерно 100 миллиардов клеток, нейронов. Это в 15 раз превышает население земного шара. Каждая клетка мозга находится в контакте с 10 000 других мозговых клеток посредством высоко специализированных контактов — синапсов. Наш мозг содержит 100 000 км нерв¬ ных волокон. Тем не менее основные свойства нервных кле¬ ток: принимать, направлять, обрабатывать и посылать им¬ пульсы — сами по себе не специфичны для нервной ткани. В принципе эти свойства также присущи и многим другим видам ткани живых организмов, даже одноклеточных. Это относится и к рудиментарным формам памяти и внимания. Но, как писал уже профессор К. У. Ариенс Капперс (1930), первый директор Института мозга в Амстердаме, нервная сис¬ тема, дифференцировавшаяся в ходе эволюции, значительно улучшила все эти функции. В то время как скорость переда¬ чи раздражения в других тканях, не принадлежащих к нерв¬ ной системе, редко выходит за пределы 0,1 см/с, простей¬ шая нервная клетка передает такой импульс со скоростью 0,1-0,5 м/с. Как показал профессор Капперс, наши нервные 497

XXI. Эволюция клетки могут передавать импульсы даже со скоростью 100 м/с. И это только одно из особых свойств нервных клеток, давшее громадное эволюционное преимущество. Губки, самые примитивные животные, имеют лишь не¬ сколько видов клеток; у них нет ни специализированных органов, ни настоящей нервной системы. Но имеются пред¬ шественники нервных клеток, и в их ДНК присутствует поч¬ ти полный комплект генов для построения белков на воспри¬ нимающей части синаптического контакта между нервными клетками (на постсинаптической мембране). Так в ходе эво¬ люции, при всего лишь нескольких модификациях могла возникнуть совершенно новая функция передачи химиче¬ ских нейротрансмитгеров. Примитивная нервная клетка возникла 650-543 миллио¬ на лет назад, в прекамбрии. Кишечнополостные уже тогда обладали диффузной нервной системой с настоящими ней¬ ронами и синапсами. С самого начала эти нервные клетки использовали химические нейротрансмиттеры, постепенную молекулярную эволюцию которых можно проследить вплоть до близкородственных им химических нейротрансмиттеров нашего мозга. Излюбленным кишечнополостным при иссле¬ дованиях является крошечный пресноводный полип гидра (hydra), состоящий всего из 100 000 клеток. У гидры уже имеют¬ ся уплотнения нервной системы в голове и в подошве, что может рассматриваться как первое эволюционное образова¬ ние для возникновения головного и спинного мозга. В нерв¬ ной системе гидры присутствует химический нейротранс- митгер, напоминающий и наш вазопрессин, и наш окситоцин. Этот маленький белок, вырабатываемый нервными клетка¬ ми как химический нейротрансмиттер, называют нейропепти¬ дом. У позвоночных животных ген этого нейропептида снача¬ ла удвоился, а затем в двух местах изменился. Так возникли два близких друг к другу, однако специализированных, нейро¬ пептида, вазопрессин и окситоцин, которые, среди прочих, 498

XXI.2. Эволюция мозга лишь недавно стали предметом особого интереса как важ¬ нейшие нейротрансмиттеры нашего социального мозга (см. II.3, Х.2). В соответствии с местом, где они вырабатываются, выделяются, и местом, где принимаются их сообщения, эти два нейротрансмиттера могут быть задействованы также в функции почек (см. VI. 1), при родах и лактации (см. II.2, 3), ритмах дня и ночи (см. XXI.4), стрессе, влюбленности (см. V.3), эрекции (см. V.4), доверии, боли и ожирении (см. VI.5). В ра¬ ботах по Гидра-пептид-проекту в 2001 году уже было выделено 823 пептида и получены их химические характеристики. Среди них были также нейропептиды, которые затем были впервые найдены у позвоночных животных; пептид, активи¬ рующий образование головы гидры, был найден также в гипота¬ ламусе, в плаценте и в опухолях мозга у человека. Химическое родство различных видов животных чрезвычайно велико. Первая в ходе эволюции группа нервных клеток в голове, которую можно охарактеризовать как начало головного моз¬ га, головной ганглий, имеется у плоских червей. Постепен¬ ные, небольшие структурные и молекулярные изменения в процессе эволюции мозга ясно показывают, что нам следует весьма условно относиться к часто провозглашаемому уни¬ кальному месту человека в животном мире. Дарвин уже вы¬ сказал это в книге The Descent of Man and Selection in Relation to Sex (Происхождение человека и половой отбор] (1871): «Я думаю, что никто не сомневается в том, что значительно большая величина мозга человека по отношению к величине его тела, в сравнении с гориллой и орашутаном, непосредственно связана с его более высокими умственными способностями. <.. .> С другой стороны, никто не думает, что интеллект двух животных или двух людей можно точно определить, измерив объем их черепа». Совершенно точно: величина нашего моз¬ га очень важный, но, конечно, не единственный фактор, опре¬ деляющий наши умственные способности. Небольшие моле¬ кулярные различия также имеют большие последствия. 499

XXI. Эволюция XXI.3 Молекулярная эволюция Как было возможно, что не то чтобы черес¬ чур умный сын состоятельных родителей в конце концов изложил идею, самую важ¬ ную из всех, какие мы когда-либо знали? Мидас Деккере о Чарлзе Дарвине, газета De Volkskrant, 2 января 2010 Движение Intelligent Design (ID) [Разумный замысел] в последние годы предпринимает, в том числе и в Нидерландах, судорож¬ ные и явно безуспешные попытки демонтировать теорию эволюции Дарвина. Отрицание существования эволюции, безусловно, законом не запрещается, однако публичное отри¬ цание имеющихся научных данных, чем постоянно занима¬ ется Разумный замысел, ясно показывает наличие двух разных мерок: поношение Бога в Нидерландах всё еще противозакон¬ но, но поношение Дарвина не возбраняется. Частью ID-кампа¬ нии стало отрицание громадного вклада молекулярной биоло¬ гии в наше понимание эволюции. Так, в книге Кееса Деккера о Разумном замысле (2005) профессор-натуралист Ари ван ден Бёкел говорит: «Неоднократно предполагали, что успехи моле¬ кулярной биологии за последние десятилетия обеспечат ре¬ шительную поддержку дарвиновской теории. Ничто не может быть дальше от истины». Я хотел бы на нескольких примерах показать, сколь абсурдным является это самоуверенное утверж¬ дение приверженца ID-движения. Почти невозможно представить, что Дарвин еще в 1859 году, не располагая молекулярными знаниями нашего времени, писал, что начало всякой жизни — единая первоформа, по¬ тому что все живые ткани химически почти полностью подоб¬ ны друг другу. С тех пор молекулярная биология поставила эту визионерскую идею на прочный фундамент. Эволюция ДНК, например, привела к: 1) постепенным молекулярным из¬ 500

XXI.3. Молекулярная эволюция менениям в генах, кодирующих образование белков; 2) удвое¬ нию генов и формированию из них новых функциональных генов; 3) исчезновению генов и 4) эволюционным изменениям в некодирующих белки частях, РНК, выполняющих важные регулирующие функции в клетке. Молекулярные исследова¬ ния постоянно обогащают нас новыми знаниями и идеями относительно пути, по которому шла эволюция, и о том, поче¬ му она проходила именно так, а не иначе. То же относится к генам, имеющим отношение к нервной системе. Значитель¬ ное молекулярное соответствие нервной системы червей, насекомых и позвоночных, от рыб до человека, говорит о том, что все они должны были иметь одного общего предка, жив¬ шего 600 миллионов лет назад. Щетинковый червь (Platynereis dumerilii) длиной в несколько сантиметров — живое иско¬ паемое. Его эмбриональное развитие следует той же молеку¬ лярной программе, что и ранняя стадия развития млекопи¬ тающих, в том числе и человека. Дарвин, конечно же, оценил бы молекулярное исследо¬ вание ДНК митохондрий знаменитых земляных вьюрков, которых он встретил на Галапагосских островах во время своего плавания на Бигле. Исследования подтвердили, что все 13 видов вьюрков произошли от одного предка, как и пред¬ положил Дарвин. Этот предок 2,3 миллиона лет назад мигри¬ ровал из южноамериканского континента на Галапагосские острова. Идея Дарвина о том, что предков человека нужно было бы искать в Африке, получила поддержку со стороны молекулярной биологии: как материнская митохондриальная ДНК, так и отцовская Y-хромосомальная ДНК ведут в Африку. Подтвердились также идеи Дарвина о волнах миграции че¬ ловека из Африки и континентальной миграции в Европу и Китай. Теперь уже ясно, что из Африки были две волны ми¬ грации человека. Первая, миграция Homo erectus, 2-1,6 мил¬ лиона лет назад и вторая, миграция современного человека, Homo sapiens, 50 000-60 000 лет назад. Незначительные от¬ 501

XXI. Эволюция клонения генетического материала среди популяций за пре¬ делами Африки говорят о том, что индивидов, которые отту¬ да мигрировали, было не более нескольких десятков. Впо¬ следствии в различных регионах современный человек имел сексуальные контакты с Homo erectus, и последний ассими¬ лировался. В последнее время ведутся поиски молекулярно-генети¬ ческих изменений, которые через 300 000 поколений посте ответвления от шимпанзе привели к появлению человека. Неоднократно указывалось на то, что геномы человека и шимпанзе различаются примерно на 35 миллионов ДНК-кир- пичиков, и это всего лишь 1%. Это число уже превратилось в миф, но различие в 6% все-таки ближе к истине. Столь зна¬ чительное совпадение, однако, еще ни о чем не говорит, по¬ тому что в принципе лишь немногие гены могут быть ответ¬ ственны за утроение веса нашего мозга в период, прошедший после ответвления человека от шимпанзе. Эту возможность подтверждает ряд наблюдений. Одно из наиболее характер¬ ных отличий мозга человека от мозга шимпанзе состоит в том, что в человеческом мозге гораздо сильнее проявляется экспрессия генов, участвующих в мозговом обмене веществ. Ответственны за эго, по-видимому, лишь немногие гены (транскрипционные факторы). Аналогичный аргумент дает одна из стратегий, применяемых для отслеживания генов, которые могли быть ответственны за становление человека, а также для поиска генов, мутация которых может приво¬ дить к уменьшению мозга и умственной отсталости. При на¬ следственной первичной микроцефалии человеческий мозг столь же мал, как у крупных обезьян, однако глобальная структура его остается неизменной. Внешне такие люди вы¬ глядят вполне нормально и не имеют неврологических откло¬ нений. Это нарушение развития может быть локализовано по меньшей мере в шести различных местах ДНК. Все до сих пор идентифицированные гены участвовали в делении кле¬ 502

XXI.3. Молекулярная эволюция ток. Отсюда логически вытекает их участие в увеличении размеров мозга в процессе эволюции. Один из этих генов — ген ASPM (Abnormal Spindle-like, Microcephaly-associated — абнормальный веретенообразный, связанный с микроцефа¬ лией), который воздействовал на ускоренное изменение его строительных ДНК-кирпичиков после произошедшего при¬ мерно 5,5 миллиона лет назад ответвления человека от шим¬ панзе. Было высказано предположение, что человеческий мозг все еще развивается, ввиду того, что примерно 5 800 лет назад возник вариант гена ASPM и с тех пор быстро распро¬ странился в человеческой популяции. Генетический вариант гена микроцефалии (МСРШ-вариант D), вероятно, попал в ДНК вида Homo sapiens в последний ледниковый период, при¬ мерно 37 000 лет назад, хотя сейчас 70% населения Земли являются его носителями. Столь быстрое распространение возможно лишь в том случае, если этот вариант приносит явное эволюционное преимущество. Найдены также гены, изменения которых ассоциируют¬ ся с человеческой речью. Мутации гена FOXP2 приводят к наследуемому расстройству речи и дефектам произношения. Гены ASPM и микроцефалии также, по-видимому, связаны с речью. В ходе эволюции возникали также новые функциональ¬ ные гены. Наилучший пример — ген трехцветного зрения у приматов. Удвоение зеленого опсина*, а затем мутации и от¬ бор привели к возникновению красного опсина у приматов. Эволюционное преимущество цветного зрения могло быть в том, что давало возможность отличать красные, зрелые фрук¬ ты от зеленых, незрелых. Красный цвет всё еще используется как возбудитель, в то время как доминирующий в природе зеленый оказывает успокаивающее действие, даже в плаце¬ * Опсины — группа рецепторов в светочувствительных клетках сет¬ чатки. 503

XXI. Эволюция бо (см. XVII.4). Поэтому и стены операционной красят в зеле¬ ный. Происходила также и утрата генов. У мыши 1 200 генов рецепторов запаха, у человека же осталось лишь 350. Утрата человеком одного из этих генов (MYH16), возможно, косвен¬ но способствовала увеличению его мозга. Экспрессия этого гена выражалась в мощной мускулатуре челюстей наших предков. Исчезновение его сделало возможным увеличение размеров черепа человека в качестве адаптации к увеличе¬ нию мозга. Другой стратегией отыскания генов, которые были необ¬ ходимы для развития нашего мозга, является прочтение пол¬ ного генома различных представителей эволюционного пути, приведшего к возникновению человека. В настоящее время шведский исследователь Сванте Пээбо, работающий в Макс- Планк-институте эволюционной антропологии в Лейпциге, занимается определением полной последовательности базо¬ вых пар ДНК генома неандертальца, вымершего 30 000 лет назад. Он выделил ДНК из трех ископаемых костей Homo neanderthalensis женского пола, возраст которых составлял 38 000-44 000 лет. Исследователь разработал технику, позво¬ ляющую различать между сильно фрагментированной ДНК неандертальца и загрязнениями, внесенными бактериями и современным человеком. Благодаря этому он надеется в те¬ чение нескольких лет получить возможность сравнить полную ДНК неандертальца с ДНК современного человека и тем са¬ мым установить, какие генетические изменения позволили совершить такой огромный скачок вперед. После расшифров¬ ки 60% ДНК неандертальца уже получены первые поразитель¬ ные результаты. Европейцы, китайцы и папуасы сохраняют следы сексуальных контактов с неандертальцами, которые должны были происходить на Ближнем Востоке 80 000- 50 000 лет назад. От 1% до 4% нашей ДНК ведет происхожде¬ ние от неандертальцев. Этого не наблюдается у африканцев. 504

XXI.3- Молекулярная эволюция Можно спросить, какие же признаки мы заимствовали от неандертальцев. До сих пор найден 51 ген, получивший бы¬ строе развитие после ответвления современного человека от неандертальцев. Установлены также большие различия в отрезках ДНК, кодирующих РНК и выполняющих регули¬ рующие функции (см. ниже); были также найдены 78 генов, одинаковых у современных людей, но отличающихся у неан¬ дертальцев. Среди отличающихся генов сравнительно много таких, которые связаны с функциями мозга и поэтому могут дать нам в дальнейшем представление об истории возник¬ новения особенных свойств современного человека. Когда говорят о разнице в 6% между ДНК человека и шим¬ панзе, нужно иметь в виду, что даже самые незначительные генные модификации, так называемые полиморфизмы, мо¬ гут полностью изменить пространственную структуру белка и тем самым все его функции. К тому же один ген может при¬ вести к образованию множества различных белков. В нашей исследовательской группе Татьяна Ишунина установила, что в мозге имеется более 40 вариантов одного из белков, кото¬ рый принимает информационные послания эстрогена, рецеп¬ тор эстрогена альфа (ER а). Воздействие этих различных форм варьируется в зависимости от возраста, ареала мозга, типа клеток и болезненного процесса. Совсем недавно стало ясно, что в деле эволюции мозга мы не должны слишком уж кон¬ центрировать внимание на генах, которые кодируют белки. Ибо 98% генома кодирует не белки, а только РНК, и главным образом микро-РНК могли играть основную роль в увеличе¬ нии размеров нашего мозга. Отрезками РНК регулируется множество процессов в клетке, и у человека и шимпанзе про¬ текают они часто очень по-разному. До сих пор наибольшее различие между человеком и шимпанзе было найдено в зоне ускоренного развития 1 (human accelerated region 1, HAR1) — части недавно открытого гена РНК. В РНК мозга генетическая 505

XXI. Эволюция экспрессия (ген HAR1F) на ранней стадии утробного разви¬ тия наблюдается в нейронах Кахаля-Ретциуса. Начиная с 17-19-й недели утробного развития человека происходит экспрессия гена HAR1F вместе с выработкой белка рияина, необходимого доя образования шестислойной коры больших полушарий, так сильно развитых у человека. Изменения в этом гене произошли, вероятно, более 1 миллиона лет назад и поэтому могли иметь решающее значение для возникно¬ вения современного человека. В ходе эволюции в нашей ДНК накопилось колоссальное количество хлама и повторений. Многочисленные шрамы истории нашей эволюции дают нам важную информацию об истории нашего эволюционного становления, но вряд ли могут служить аргументом в пользу профессионализма Твор¬ ца, во что незыблемо верят приверженцы Разумного замысла, не говоря уже о том, чтобы невозмутимо называть ДНК «язы¬ ком Бога». Как видно, ничего не изменилось с тех пор, как в 1871 году Дарвин отметил, что важнейший принцип эволю¬ ции имеет под собой твердую почву, во всяком случае если природные явления не воспринимать с точки зрения дика¬ ря. Сторонники Разумного замысла спустя 130 лет занимают одинокое место среди немногих еще остающихся дикарей, отрицающих эволюцию. XXI.4 Почему именно за неделю? Мы взяли неделю из Библии — или наделили Библию своим недельным биологическим ритмом? Замысел этой книги возник, когда меня попросили отвечать в еженедельной колонке газеты NRC Handclsblad на вопросы относительно нашего мозга. Один из вопросов гласил: «По¬ 506