ЯДРО ЗЕМЛИ И ЯДРО КЛЕТКИ – ЧТО ОБЩЕГО?
А.В.МАРКОВ доктор биологических наук, старший научный сотрудник Института палеонтологии РАН
На главную страницу
Темы дня:
• Привычные очертания африканского материка вскоре изменятся
• Укрощение "Сатаны": конструктивные откровения ракет Михаила Янгеля
• "Мы ищем не тех инопланетян?": когда заговорят животворящие "железяки"
• Российский исследователь изучил состав вещества космического тела, упавшего в тунгусской тайге
• Что общего у рака, насморка и сотрясения мозга?
• "Филиппов суд". По чьему распоряжению была расстреляна царская семья?
• Обнаружен важный маркер состояния сосудов
begun Дать объявление
Астрономы обнаружили...
Астрономы нашли планету, которая прибыла в нашу галактику извне, ...
www.gzt.ru • 1 день
Все объявления
Судьба жизни на Земле решалась примерно 2,6 млрд лет назад. Величайший экологический кризис совпал с крупнейшим эволюционным скачком. Будь катастрофа чуть сильнее, планета навсегда могла бы остаться безжизненной. Будь она слабее — возможно, бактерии и по сей день были бы единственными обитателями Земли...
Появление эукариот — живых клеток, обладающих ядром, — второе по значимости (после зарождения самой жизни) событие биологической эволюции. О том, когда, как и почему появилось клеточное ядро, и пойдет речь.
Жизнь на Земле прошла долгий путь развития от первой живой клетки до млекопитающих и человека. На этом пути было немало эпохальных событий, сделано множество великих открытий и гениальных изобретений. Какое из них было самым главным? Может быть, формирование человеческого мозга или выход животных на сушу? А может быть, появление многоклеточных организмов? Ученые тут почти единодушны: величайшим достижением эволюции стало появление клеток современного типа — с ядром, хромосомами, вакуолями и прочими органами, труднопроизносимые названия которых мы смутно помним со школьной скамьи. Тех самых клеток, из которых состоит в том числе и наше тело.
А вначале клетки были совсем другими. Не было у них ни ядер, ни вакуолей, ни других «органов», а хромосома была всего одна, и имела она форму кольца. Так и по сей день устроены клетки бактерий — первых обитателей Земли. Между этими первичными клетками и современными, усовершенствованными — пропасть куда большего размера, чем между медузой и человеком. Как же природе удалось преодолеть ее?
Бактериальный мир
Миллиард лет, а то и больше, Земля была царством бактерий. Уже в самых древних осадочных породах земной коры (их возраст 3,5 миллиарда лет) обнаружены остатки синезеленых водорослей, или цианобактерий. Эти микроскопические организмы процветают и поныне. За миллиарды лет они почти не изменились. Это они окрашивают воду в озерах и прудах в яркий голубовато-зеленый цвет, и тогда говорят, что «вода цветет». Синезеленые водоросли — отнюдь не самые примитивные из бактерий. От зарождения жизни до появления цианобактерий, скорее всего, прошли многие миллионы лет эволюции. К сожалению, никаких следов тех древнейших эпох в земной коре не сохранилось: беспощадное время и геологические катаклизмы уничтожили, переплавив в раскаленных недрах, все осадочные породы, возникшие в первые сотни миллионов лет существования Земли.
Цианобактерии — организмы не только древние, но и заслуженные. Именно они «изобрели» хлорофилл и фотосинтез. Их незаметный труд в течение многих миллионов лет постепенно обогатил океан и атмосферу кислородом, что сделало возможным появление настоящих растений и животных. Поначалу весь кислород уходил на окисление растворенного в океане железа. Окисленное железо выпадало в осадок: так образовались крупнейшие залежи железных руд. Только когда с железом было «покончено», кислород стал накапливаться в воде и поступать в атмосферу.
Не менее миллиарда лет цианобактерии были безраздельными хозяевами Земли и почти единственными ее обитателями. Дно Мирового океана было устлано голубовато-зелеными коврами. В этих коврах, цианобактериальных матах, вместе с синезелеными жили и другие бактерии. Все они были прекрасно приспособлены и друг к другу и к суровым условиям первобытного океана. В то время — архейскую эру (архей) — на Земле было очень жарко. Богатая углекислым газом атмосфера создавала мощный парниковый эффект. Из-за этого к концу архея Мировой океан нагрелся до 50—60 °С. Растворяясь в воде, углекислый газ превращался в кислоту; горячие кислые воды облучались жестким ультрафиолетом (ведь у Земли еще не было современной атмосферы со спасительным озоновым щитом). Вдобавок в воде было растворено огромное количество ядовитых солей тяжелых металлов. Постоянные извержения вулканов, выбросы пепла и газов, резкие колебания условий окружающей среды — все это отнюдь не упрощало жизнь первым обитателям планеты.
Ссылки по теме:
Секреты Земли
"Холодный первородный бульон" - идеальный инкубатор "молекул жизни"?
Куда спешат колесики эволюции?
Существа на грани химии и жизни: роль вирусов в эволюции
Развившиеся в такой негостеприимной среде бактериальные сообщества были невероятно выносливыми и устойчивыми. Из-за этого их эволюция шла очень медленно. Они уже были приспособлены почти ко всему, и им незачем было совершенствоваться. Чтобы жизнь на Земле начала развиваться и усложняться, требовалась катастрофа. Необходимо было разрушить этот сверхустойчивый бактериальный мир, казавшийся вечным и нерушимым, чтобы освободить жизненное пространство для чего-то нового.
Планетная катастрофа — образование земного ядра
Долгожданная революция, положившая конец затянувшемуся застою и выведшая жизнь из бактериального «тупика», произошла 2,7—2,5 миллиардов лет назад, в самом конце архейской эры. Российские геологи О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков, авторы новейшей физической теории развития Земли, рассчитали, что в это время наша планета подверглась самому крупному и катастрофическому преобразованию за всю свою историю.
По их гипотезе, причиной катастрофы стало возникновение у нашей планеты железного ядра. С момента образования Земли до конца архея в верхних слоях мантии накапливалась расплавленная смесь железа и его двухвалентного оксида (FeO). Примерно 2,7 миллиарда лет назад масса этого расплава превысила некий порог, после чего тяжелая, вязкая, раскаленная жидкость буквально «провалилась» к центру Земли, вытеснив оттуда ее первичную, более легкую сердцевину. Эти грандиозные перемещения огромных масс вещества в недрах планеты разорвали и смяли ее тонкую поверхностную оболочку — земную кору. Повсюду извергались вулканы. Древние материки сблизились, столкнулись и слились в единый суперматерик Моногею — как раз над тем местом, где жидкое железо протекло в глубь планеты. Вышедшие на поверхность глубинные породы вступили в химическую реакцию с атмосферным углекислым газом, и очень скоро в атмосфере почти не осталось углекислоты. Парниковый эффект стал гораздо слабее, что привело к сильнейшему похолоданию: температура океана упала от +60 °С до +6. Столь же внезапно и резко снизилась кислотность морской воды.
Это была величайшая из катастроф. Но даже она не смогла уничтожить цианобактерий. Они выжили, хотя им и пришлось по-настоящему туго. Исчезновение углекислотной атмосферы означало для них жестокий голод, ведь цианобактерии, как и высшие растения, используют углекислоту как сырье для синтеза органических веществ. Бактериальных матов стало меньше. От сплошных голубых ковров, выстилавших морское дно, остались обрывки. Бактериальный мир не погиб, но был сильно потрепан, в нем появились «дыры» и «бреши». Именно в этих «брешах» и «пробоинах» древнего мира и зародились в ту давнюю эпоху первые организмы с принципиально иным строением — более сложные и совершенные одноклеточные существа, которым предстояло стать новыми хозяевами планеты.
Появление клеточного ядра
Бактериальная клетка — сложная живая конструкция. Но клетки высших организмов — растений, животных, грибов и даже так называемых простейших (амеб, инфузорий) — устроены намного сложнее. У бактериальной клетки нет ни ядра, ни каких-либо иных внутренних «органов», окруженных оболочкой. Поэтому бактерии называют «прокариотами» (что в переводе с греческого означает «доядерные»). У высших организмов клетка имеет ядро, окруженное двойной оболочкой (отсюда название «эукариоты», т. е. имеющие выраженное ядро), а также «внутренние органы», важнейшие из которых — митохондрии (своеобразные энергетические станции). Митохондрии расщепляют органические вещества до углекислого газа и воды, используя кислород в качестве окислителя. Мы дышим исключительно для того, чтобы обеспечить кислородом митохондрии наших клеток. Кроме митохондрий, важнейшими органами эукариотической клетки оказываются пластиды (хлоропласты), служащие для фотосинтеза, которые есть только у растений.
Но главное в эукариотической клетке — это, конечно, ее ядро. В ядре хранится наследственная информация, записанная четырехбуквенным языком генетического кода в молекулах ДНК. У бактерий, разумеется, тоже есть ДНК — единственная молекула в форме кольца, содержащая все гены данного вида бактерий. Но бактериальная ДНК лежит прямо во внутренней среде клетки — в ее цитоплазме, где протекает активный обмен веществ. Это значит, что непосредственное окружение драгоценной молекулы напоминает химический завод или лабораторию алхимика, где ежесекундно появляются и исчезают сотни тысяч самых разнообразных веществ. Каждое из них потенциально может повлиять на наследственную информацию, а также на те молекулярные механизмы, которые эту информацию считывают и «воплощают в жизнь». В таких «антисанитарных» условиях нелегко создать эффективную и надежную «систему обслуживания» — хранения, чтения, воспроизведения и ремонта ДНК. Еще труднее создать молекулярный механизм, который мог бы «осмысленно» (сообразуясь с обстановкой) управлять работой такой системы.
Именно в этом и состоял великий смысл обособления клеточного ядра. Гены оказались надежно изолированы от цитоплазмы с ее бурлящей химией. Теперь можно было в «спокойной обстановке» наладить эффективную систему их регуляции. И тут оказалось, что при одном и том же наборе генов клетка может вести себя совершенно по-разному в разных условиях.
Как хорошо известно, одну и ту же книгу можно прочесть по-разному (особенно если книга хорошая). В зависимости от подготовки, настроения и жизненной ситуации читатель в первый раз найдет в книге одно, а перечитав ее через год, — совсем другое. Так же и с геномом эукариот. В зависимости от условий он «считывается» по-разному, и клетки, развивающиеся в итоге этого «прочтения», тоже оказываются разными. Так появился механизм ненаследственной приспособительной изменчивости — «изобретение», намного повысившее устойчивость и жизнеспособность организмов.
Без этой системы регуляции генов никогда бы не появились многоклеточные животные и растения. Ведь вся суть многоклеточного организма в том и состоит, что генетически идентичные клетки в зависимости от условий становятся разными — берут на себя выполнение различных функций, образуют разные ткани и органы. Прокариоты (бактерии) на это не способны принципиально.
Как приспосабливаются к меняющимся условиям бактерии? Они быстро мутируют и обмениваются друг с другом генами. Подавляющее большинство их гибнет, но, поскольку бактерий очень много, всегда есть вероятность, что кто-то из мутантов окажется жизнеспособным в новых условиях. Способ надежный, но чудовищно расточительный. И главное — тупиковый. При такой стратегии нет никаких причин усложняться, совершенствоваться. Бактерии не способны к прогрессу. Потому-то современные бактерии почти не отличаются от архейских.
Древнейшие следы присутствия эукариот обнаружены в осадочных породах возрастом около 2,7 миллиарда лет. Это как раз то время, когда у Земли образовалось железное ядро. По-видимому, катастрофа, едва не разрушившая бактериальный мир, заставила земную жизнь всерьез «задуматься» о поиске новых, лучших способов приспособления к меняющейся среде. Жизнь не может стоять на месте, она обречена на вечное совершенствование. Так появление земного ядра, возможно, стало причиной появления ядра клеточного.
Чудеса интеграции, или Может ли коллектив стать единым организмом
Еще в начале XX века ученые заметили, что пластиды и митохондрии по своему строению удивительно напоминают бактерий. Почти век ушел на сбор фактов и доказательств, но теперь уже можно считать твердо установленным, что эукариотическая клетка возникла в результате сожительства (симбиоза) нескольких разных бактериальных клеток.
С пластидами и митохондриями, по правде говоря, все было ясно уже давно. Эти «органы» эукариотической клетки имеют собственную кольцевую ДНК — в точности такую же, как у бактерий. Они самостоятельно размножаются внутри хозяйской клетки, просто делясь пополам, как это принято у прокариот. Они никогда не образуются заново, «из ничего». По всем признакам они самые настоящие бактерии. Причем можно даже точно сказать, какие именно: митохондрии напоминают так называемые альфа-протеобактерии, а пластиды — уже знакомые нам цианобактерии. Эти прославленные «изобретатели» хлорофилла и фотосинтеза так и «не поделились» ни с кем своим «открытием»: они и по сей день, став важной внутренней частью клеток растений, держат под своим «контролем» практически весь фотосинтез на планете (а значит, и почти все производство органических веществ и кислорода!).
Но откуда взялась сама клетка-хозяин? Какой микроб был ее «предком»? Среди ныне живущих бактерий кандидата на эту роль долго не могли найти. Дело в том, что гены эукариот, заключенные в клеточном ядре, резко отличаются по своей структуре от генов большинства бактерий: они состоят из множества отдельных «смысловых» кусков, разделенных длинными «бессмысленными» участками ДНК. Чтобы «прочесть» такой ген, все его кусочки нужно аккуратно «вырезать» и «склеить». Ничего подобного у обычных бактерий не наблюдается.
К удивлению ученых, «эукариотическое» строение генома, а также многие другие уникальные особенности эукариот обнаружились у самой странной и загадочной группы прокариотических организмов — археобактерий. Эти существа отличаются невероятной устойчивостью: они могут жить даже в кипящей воде геотермальных источников. У некоторых археобактерий оптимальная для жизни температура лежит в диапазоне +90 ÷ —110 °С, а при +80 °С они уже начинают замерзать.
Сейчас большинство ученых считают, что эукариотическая клетка возникла в результате того, что какая-то археобактерия (возможно, приспособленная к жизни в кислой и горячей воде) приобрела внутриклеточных сожителей-симбионтов из числа обычных бактерий.
Специалисты долго не могли понять, как археобактерии удалось «проглотить» своих будущих сожителей — ведь прокариоты не могут заглатывать крупные частицы. Но недавно у бактерий был открыт внутриклеточный паразитизм. Оказалось, что некоторые микробы способны проделывать отверстия в клеточной стенке других бактерий и проникать в их цитоплазму. Может быть, именно так проникли будущие пластиды и митохондрии внутрь клетки-хозяина?
Приобретение внутриклеточных сожителей привело к тому, что в одной клетке оказалось несколько разных геномов. Ими нужно было как-то управлять. Создание такого руководящего центра клетки — клеточного ядра — стало жизненной необходимостью. По одной из гипотез, ядерная оболочка могла возникнуть как случайный результат несогласованной работы нескольких групп генов, отвечавших за формирование клеточных оболочек у только что объединившихся бактерий.
Недавние исследования показали, что комплекс белков-ферментов, отвечающий за кислородное дыхание митохондрий, возник в результате небольшого изменения ферментов фотосинтеза (фото: журнал "Экология и жизнь")
Разнообразные микробы, давшие начало эукариотической клетке, вовсе не сразу слились в единый организм. Сначала они просто жили вместе в одном бактериальном сообществе, постепенно приспосабливаясь друг к другу и учась извлекать выгоду из такого сожительства. Выделяемый цианобактериями кислород был для них ядовит. В ходе эволюции они «придумали» много разных способов борьбы с этим побочным продуктом своей жизнедеятельности. Одним из таких способов и стало... дыхание. Недавние исследования показали, что комплекс белков-ферментов, отвечающий за кислородное дыхание митохондрий, возник в результате небольшого изменения ферментов фотосинтеза. Ведь с точки зрения химии, фотосинтез и кислородное дыхание — это одна и та же химическая реакция, только идущая в противоположных направлениях:
CO2 + H2O + энергия ↔ органические вещества.
Так в цианобактериальных матах могли появиться полезные сожители — микробы, способные дышать. Они не только забирали излишек кислорода, но еще и вырабатывали огромное количество энергии — достаточное, чтобы поделиться с соседями.
Третий участник сообщества — археобактерии. Они могли забирать у цианобактерий излишки органики, сбраживать их и тем самым переводить в форму, более «удобоваримую» для дышащих бактерий.
Подобные микробные сообщества можно встретить и сегодня. Жизнь бактерий в таких сообществах протекает на удивление дружно и слаженно. Микробы «научились» даже обмениваться особыми химическими сигналами, чтобы лучше координировать свои действия. Кроме того, они активно обмениваются генами. Кстати, именно эта способность так мешает борьбе с инфекционными болезнями: стоит какой-нибудь одной бактерии в результате случайной мутации приобрести ген устойчивости к новому антибиотику, как очень скоро и другие виды бактерий могут приобрести этот ген путем обмена. Все это делает бактериальное сообщество похожим на единый организм.
Видимо, катастрофические события конца архейской эры заставили микробные сообщества пройти еще дальше по пути интеграции. Клетки разных видов бактерий, давно уже «притертые» и приспособленные друг к другу, стали объединяться под общей оболочкой. Это было необходимо для максимально слаженной, централизованной регуляции жизненных процессов в условиях кризиса.
Сообщество превратилось в организм. Индивидуумы слились воедино, отказавшись от самостоятельности во имя создания новой индивидуальности высшего порядка.
Кирпичики
Излюбленный аргумент противников теории эволюции — невозможность создать новую сложную структуру (например, новый ген) путем перебора случайных вариантов (мутаций). Антиэволюционисты утверждают, что с той же вероятностью смерч, пронесшийся над городской свалкой, может собрать из мусора и обломков космический корабль. И они совершенно правы!
Но только крупные эволюционные преобразования, по-видимому, идут вовсе не путем перебора бесчисленных мелких, случайных мутаций. На примере происхождения эукариотической клетки — а это, как уже отмечалось, крупнейшее эволюционное событие со времен появления жизни — хорошо видно, как Природа, создавая нечто принципиально новое, сложное, прогрессивное, умело пользуется уже готовыми, испытанными «кирпичиками», собирая из них, как из конструктора, новый организм. По-видимому, этот «блочный» принцип сборки новых живых систем пронизывает собой всю биологическую эволюцию и во многом определяет ее темп и особенности. По этому принципу (из крупных, заранее заготовленных и проверенных блоков) строятся и новые гены, и белки, и новые группы организмов. (Кстати, гены археобактерий и эукариот поделились на отдельные куски, скорее всего, именно с этой целью: такие блоки очень удобно перекомбинировать.)
Наука неуклонно приближается к новому видению Природы. Постепенно мы начинаем понимать, что все живое вокруг нас — вовсе не случайный набор видов и форм, а сложный и единый организм, развивающийся по своим непреложным законам. Любой живой организм, любая живая клетка, да и мы сами — кирпичики в великом «конструкторе» Природы. И каждый из таких кирпичиков может оказаться незаменимым.
По материалам статьи для журнала «Парадокс»
Источник: "Экология и жизнь"
Оцените этот текст
1
2
3
4
5
суббота, 20 ноября 2010 г.
среда, 29 сентября 2010 г.
Проследить эволюционную историю различных этносов и узнать о прошлом той или иной гаплогруппы можно на сайте проекта Genogeographic Project. Правда, пока там нет информации на русском языке.
ВЕЛИКАЯ ИММУНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ: ДВЕ ИПОСТАСИ ИММУНИТЕТА
Сергей НЕДОСПАСОВ член-корреспондент РАН, Борис РУДЕНКО
На главную страницу
Темы дня:
• Космотрясения могут достигнуть поверхности Земли
• Когда настанет судный день?
• Палеонтологи предложили еще одно объяснение эволюции
• Корвалол - капли депрессии: что же такого волшебного в этом лекарстве?
• Почему природные катастрофы редки?
• Ученые заметили странные процессы в земном ядре
• Медики объяснили, почему умирающие парят над собственным телом
begun Дать объявление
Брошенного в Доминикане...
На следующей неделе в Россию вернется сирота из Волгоградской. ..gifts
www.gzt.ru
Все объявления
Революционные прорывы в любой области науки происходят нечасто, раз-два в столетие. Да и для того, чтобы осознать, что революция в познании окружающего мира действительно произошла, оценить её результаты, научному сообществу и обществу в целом порой требуется не один год и даже не одно десятилетие. В иммунологии такая революция случилась в конце прошедшего века. Готовили её десятки выдающихся учёных, выдвигавших гипотезы, совершавших открытия и формулирующих теории, причём некоторые из этих теорий и открытий были сделаны сто лет назад.
Две школы, две теории
Весь ХХ век, вплоть до начала 1990-х, в исследованиях иммунитета учёные исходили из убеждения, что самой совершенной иммунной системой обладают высшие позвоночные, и в частности человек. Вот её-то и следует изучать в первую очередь. И если что-то пока ещё «недооткрыли» в иммунологии птиц, рыб и насекомых, то для продвижения на пути познания механизмов защиты от людских болезней особой роли это, скорее всего, не играет.
Иммунология как наука возникла полтора столетия назад. Хотя первую вакцинацию связывают с именем Дженнера, отцом-основателем иммунологии по праву считается великий Луи Пастер, начавший искать разгадку выживания рода человеческого, несмотря на регулярные опустошительные эпидемии чумы, чёрной оспы, холеры, обрушивающиеся на страны и континенты словно карающий меч судьбы. Миллионы, десятки миллионов погибших. Но в городах и селениях, где похоронные команды не успевали убирать с улиц трупы, находились такие, кто самостоятельно, без помощи знахарей и колдунов справлялся со смертельной напастью. А также те, кого болезнь не коснулась совершенно. Значит, существует в организме человека механизм, защищающий его хотя бы от некоторых вторжений извне. Он и называется иммунитетом.
Пастер развивал представления об искусственном иммунитете, разрабатывая методики его создания посредством вакцинации, однако постепенно стало ясно, что иммунитет существует в двух ипостасях: естественный (врождённый) и адаптивный (приобретённый). Который же из них важнее? Какой из них играет роль при успешной вакцинации? В начале ХХ столетия в ответе на этот принципиальный вопрос столкнулись в острой научной полемике две теории, две школы — Пауля Эрлиха и Ильи Мечникова.
Илья Ильич Мечников. «Выдающийся русский естествоиспытатель…» — так начинались статьи в советских энциклопедических изданиях. Окончил Харьковский университет, стажировался в научных и учебных заведениях Европы, вернулся в Россию, преподавал в Одессе, но «после столкновения с реакционными деятелями образования» в 1887 году уехал в Германию, а осенью 1888 года по приглашению Л. Пастера перебрался в Париж и всю последующую жизнь проработал в Пастеровском институте, где (это тоже цитата из Большой медицинской энциклопедии 1960 года издания) «создал школу русских и иностранных микробиологов, паразитологов и иммунологов».
Пауль Эрлих ни в Харькове, ни в Одессе не бывал. Свои университеты проходил в Бреславле (Бреслау, ныне Вроцлав) и Страсбурге, трудился в Берлине, в институте Коха, где создал первую в мире серологическую контрольную станцию, а потом возглавил институт экспериментальной терапии во Франкфурте-на-Майне, носящий сегодня его имя. И тут следует признать, что в концептуальном плане Эрлих сделал для иммунологии за всю историю существования этой науки более, чем кто-либо ещё.
Мечников открыл явление фагоцитоза — захвата и уничтожения специальными клетками — макрофагами и нейтрофилами — микробов и других чужеродных организму биологических частиц. Именно этот механизм, полагал он, и является основным в иммунной системе, выстраивая линии защиты от вторжения патогенов. Именно фагоциты бросаются в атаку, вызывая реакцию воспаления, к примеру при уколе, занозе и т.д.
Ссылки по теме:
Существа на грани химии и жизни: роль вирусов в эволюции
Медики обнаружили тесную взаимосвязь сна и иммунной системы
Гулливер в стране бактерий
Эрлих доказывал противоположное. Главная роль в защите от инфекций принадлежит не клеткам, а открытым им антителам — специфическим молекулам, которые образуются в сыворотке крови в ответ на внедрение агрессора. Теория Эрлиха получила название теории гуморального иммунитета.
Интересно, что непримиримые научные соперники — Мечников и Эрлих — разделили в 1908 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за работы в области иммунологии, хотя к этому времени теоретические и практические успехи Эрлиха и его последователей, казалось бы, полностью опровергали воззрения Мечникова. Даже поговаривали, что премия последнему была присуждена, скорее, по совокупности заслуг (что вовсе не исключено и не зазорно: иммунология — лишь одна из областей, в которых работал русский учёный, вклад его в мировую науку огромен). Впрочем, даже если и так, члены Нобелевского комитета, как оказалось, были намного более правы, чем полагали сами, хотя подтверждение тому пришло только через столетие.
Эрлих умер в 1915 году, Мечников пережил своего оппонента всего на год, так что принципиальнейший научный спор вплоть до конца столетия развивался уже без участия его инициаторов. А пока всё, что происходило в иммунологии в течение следующих десятилетий, подтверждало правоту Пауля Эрлиха. Было установлено, что белые кровяные тельца, лимфоциты, делятся на два вида: В и Т (тут надо подчеркнуть, что открытие Т-лимфоцитов в середине ХХ века перенесло науку о приобретённом иммунитете на совершенно другой уровень — основоположники этого не могли предвидеть). Именно они организуют защиту от вирусов, микробов, грибков и вообще от враждебных организму субстанций. В-лимфоциты продуцируют антитела, которые связывают чужеродный белок, нейтрализуя его активность. А Т-лимфоциты уничтожают заражённые клетки и способствуют удалению возбудителя из организма другими путями, причём в обоих случаях образуется «память» о патогене, так что с повторной инфекцией организму бороться уже намного проще. Эти защитные линии способны точно так же расправиться и с собственным, но перерождённым белком, который становится опасен для организма. К сожалению, такая способность в случае сбоя в настройке сложнейшего механизма адаптивного иммунитета может стать причиной аутоиммунных заболеваний, когда лимфоциты, потеряв способность отличать свои белки от чужих, начинают «стрелять по своим»…
Таким образом, до 80-х годов ХХ столетия иммунология в основном развивалась по пути, указанному Эрлихом, а не Мечниковым. Невероятно сложный, фантастически изощрённый миллионами лет эволюции адаптивный иммунитет постепенно раскрывал свои загадки. Учёные создавали вакцины и сыворотки, которые должны были помочь организму как можно быстрее и эффективнее организовать иммунный ответ на заражение, и получали антибиотики, способные подавить биологическую активность агрессора, облегчив тем самым работу лимфоцитов. Правда, поскольку многие микроорганизмы находятся в симбиозе с хозяином, антибиотики с неменьшим энтузиазмом обрушиваются и на своих союзников, ослабляя и даже сводя на нет их полезные функции, но медицина заметила это и забила тревогу много, много позднее…
Однако рубежи полной победы над болезнями, поначалу казавшиеся такими достижимыми, отодвигались всё дальше к горизонту, потому что с течением времени появлялись и накапливались вопросы, на которые господствующая теория отвечать затруднялась или не могла ответить вовсе. Да и создание вакцин шло вовсе не так гладко, как предполагалось.
Известно, что 98% живущих на Земле существ вообще лишено адаптивного иммунитета (в эволюции он появляется лишь с уровня челюстных рыб). А ведь у всех у них тоже есть свои враги в биологическом микромире, свои болезни и даже эпидемии, с которыми, однако, популяции справляются вполне успешно. Известно также, что в составе микрофлоры человека есть масса организмов, которые, казалось бы, просто обязаны вызывать заболевания и инициировать иммунный ответ. Тем не менее этого не происходит.
Подобных вопросов десятки. Десятилетиями они оставались открытыми.
Как начинаются революции
В 1989 году американский иммунолог профессор Чарльз Джэнуэй (Charles Janeway) опубликовал работу, которая очень скоро была признана провидческой, хотя, как и у теории Мечникова, у неё были и остаются серьёзные, эрудированные противники. Джэнуэй предположил, что на клетках человека, отвечающих за иммунитет, существуют специальные рецепторы, распознающие какие-то структурные компоненты патогенов (бактерий, вирусов, грибков) и запускающие механизм ответной реакции. Поскольку потенциальных возбудителей заболеваний в подлунном мире насчитывается неисчислимое множество, Джэнуэй предположил, что и рецепторы будут распознавать какие-то «инвариантные» химические структуры, характерные для целого класса патогенов. Иначе просто не хватит генов!
Спустя несколько лет профессор Жюль Хоффманн (впоследствии ставший президентом Французской академии наук) обнаружил, что мушка-дрозофила — почти непременный участник важнейших открытий в генетике — обладает защитной системой, до того момента недопонятой и неоценённой. Оказалось, что у этой плодовой мушки есть специальный ген, который не только важен для развития личинки, но и связан с врождённым иммунитетом. Если в мушке этот ген испортить, то при заражении грибками она погибает. Причём от других болезней, например бактериального характера, не погибнет, а от грибковой — неизбежно. Открытие позволяло сделать три важнейших вывода. Во-первых, примитивная мушка-дрозофила наделена мощным и эффективным врождённым иммунитетом. Во-вторых, её клетки обладают рецепторами, распознающими инфекции. В-третьих, рецептор специфичен к определённому классу инфекций, то есть способен распознавать не любую чужеродную «структуру», а только вполне определённую. А от другой «структуры» данный рецептор не защищает.
Вот эти два события — почти умозрительную теорию и первый неожиданный экспериментальный результат — и следует считать началом великой иммунологической революции. Дальше, как и бывает в науке, события развивались по нарастающей. Руслан Меджитов, который окончил Ташкентский университет, потом аспирантуру в МГУ, а впоследствии стал профессором Йельского университета (США) и восходящей звездой мировой иммунологии, первым обнаружил эти рецепторы на клетках человека.
Оказалось, что у нас их не менее десятка. Каждый специализируется на определённом классе патогенов. Если говорить упрощённо, то один распознаёт грамотрицательные инфекции, другой — грамположительные, третий — грибковые, четвёртый — белки одноклеточных паразитов, пятый — вирусы и так далее. Рецепторы располагаются на многих типах клеток и даже на клетках кожи и эпителия. Но в самую первую очередь — на тех, что отвечают за врождённый иммунитет, — фагоцитах. Подобные рецепторы были обнаружены у амфибий, рыб, других животных и даже растений (хотя у последних механизмы врождённого иммунитета функционируют по-другому).
Так, спустя почти сто лет, окончательно решился давний теоретический спор великих научных соперников. Решился тем, что оба были правы — их теории дополняли друг друга, причём теория И. И. Мечникова получила новое экспериментальное подтверждение.
А фактически произошла концептуальная революция. Оказалось, что для всех сущих на Земле врождённый иммунитет — главный. И только у наиболее «продвинутых» по лестнице эволюции организмов — высших позвоночных в дополнение возникает иммунитет приобретённый. Однако именно врождённый руководит его запуском и последующей работой, хотя многие детали того, как всё это регулируется, ещё предстоит установить.
«Адъювант его превосходительства»
Новые взгляды на взаимодействие врождённой и приобретённой ветвей иммунитета помогли разобраться в том, что до сей поры было непонятно.
Как действуют вакцины в тех случаях, когда они работают? В общем (и весьма упрощённом) виде это происходит примерно так. Ослабленный возбудитель болезни (как правило, вирус или бактерия) вводится в кровь животного-донора, например лошади, коровы, кролика и т.д. Иммунная система животного продуцирует защитный ответ. Если защитный ответ связан с гуморальными факторами — антителами, то его материальные носители можно очистить и перенести в кровь человека, одновременно перенося и защитный механизм. В других случаях ослабленным (или убитым) патогеном заражают или иммунизуют самого человека, надеясь вызвать иммунную реакцию, которая сможет защитить от реального возбудителя болезни и даже закрепиться в клеточной памяти на долгие годы. Именно так Эдвард Дженнер в конце XVIII века впервые в истории медицины провёл вакцинацию против оспы.
Однако такая методика срабатывает далеко не всегда. Не случайно до сих пор нет вакцин против СПИДа, туберкулёза и малярии — трёх наиболее опасных заболеваний в мировом масштабе. Более того, на многие простые химические соединения или белки, которые являются чужеродными для организма и просто обязаны были бы инициировать ответ иммунной системы, — ответ не возникает! И часто происходит это по той причине, что механизм основного защитника — врождённого иммунитета — остаётся неразбуженным.
Один из способов преодолеть это препятствие экспериментально продемонстрировал американский патолог Дж. Фрейнд (J. Freund). Иммунная система заработает в полную силу, если враждебный антиген смешать с адъювантом. Адъювант — своего рода посредник, помощник при иммунизации, в опытах Фрейнда он состоял из двух компонентов. Первый — водо-масляная суспензия — выполнял чисто механическую задачу медленного высвобождения антигена. А второй компонент — на первый взгляд достаточно парадоксальный: высушенные и хорошо растолчённые бактерии туберкулёза (палочки Коха). Бактерии мертвы, они не способны вызвать заражение, но рецепторы врождённого иммунитета их всё равно немедленно распознáют и включат защитные механизмы на полную мощность. Вот тогда и запускается процесс активации адаптивного иммунного ответа на антиген, который был подмешан к адъюванту.
Открытие Фрейнда было чисто экспериментальным и поэтому может показаться частным. Но Джэнуэй уловил в нём момент общей значимости. Более того, он даже называл неспособность индуцировать полноценный иммунный ответ на чужеродный белок у экспериментальных животных или у человека «маленьким грязным секретом иммунологов» (намекая на то, что это удаётся сделать только в присутствии адъюванта, а как работает адъювант, никто не понимает).
Джэнуэй и предположил, что система врождённого иммунитета распознаёт бактерии (как живые, так и убитые) по компонентам клеточных стенок. Бактериям, которые живут «сами по себе», нужны для внешней защиты прочные многослойные клеточные оболочки. Нашим же клеткам, под мощным чехлом внешних защитных тканей, такие оболочки не нужны. И синтезируются бактериальные оболочки с помощью ферментов, каких у нас нет, и поэтому компоненты бактериальных стенок — это как раз те химические структуры, идеальные сигнализаторы угрозы инфекции, на которые организм в процессе эволюции изготовил рецепторы-опознаватели.
Небольшое отступление в контексте основной темы.
Жил датский учёный-бактериолог Христиан Иоахим Грам (1853—1938), занимавшийся систематизацией бактериальных инфекций. Он нашёл вещество, которое бактерии одного класса окрашивало, а другого — нет. Те, что окрашивались в розовый цвет, теперь в честь учёного называются грамположительными, а те, что оставались бесцветными, — грамотрицательными. В каждом из классов миллионы различных бактерий. Для человека — вредоносных, нейтральных и даже полезных, они живут в почве, воде, слюне, кишечнике — где угодно. Наши защитные рецепторы умеют избирательно опознавать и те и другие, включая соответствующую защиту против опасных для своего носителя. И краситель Грама мог их различать за счёт связывания (или несвязывания) с теми же самыми «инвариантными» компонентами бактериальных стенок.
Оказалось, что стенки микобактерий — а именно к ним относятся туберкулёзные палочки — устроены особенно сложно и распознаются сразу несколькими рецепторами. Наверное, поэтому у них превосходные адъювантные свойства. Итак, смысл применения адъюванта — обмануть иммунную систему, послать ей ложный сигнал о том, что организм заражён опасным патогеном. Заставить реагировать. А на самом деле в вакцине такого патогена нет вообще или он не такой опасный.
Нет сомнений, что можно будет найти и другие, в том числе неприродные, адъюванты для иммунизаций и вакцинаций. Это новое направление биологической науки имеет колоссальное значение для медицины.
Включаем-выключаем нужный ген
Современные технологии позволяют выключать («нокаутировать») единственный ген у подопытной мыши, который кодирует один из рецепторов врождённого иммунитета. Например, отвечающий за распознавание тех же самых грамотрицательных бактерий. Тогда мышь теряет способность обеспечить свою защиту и, будучи инфицированной, погибает, хотя все остальные компоненты иммунитета у неё не нарушены. Именно так сегодня экспериментально и изучается работа систем иммунитета на молекулярном уровне (пример плодовой мушки мы уже обсуждали). Параллельно клиницисты учатся связывать отсутствие у людей иммунитета к определённым инфекционным заболеваниям с мутациями в конкретных генах. Сотни лет известны примеры, когда в некоторых семьях, родах и даже племенах была чрезвычайно высока смертность детей в раннем возрасте от совершенно определённых болезней. Теперь становится понятно, что в некоторых случаях причина — мутация какого-то компонента врождённого иммунитета. Ген выключен — частично или полностью. Поскольку большинство генов у нас — в двух копиях, то надо специально постараться, чтобы обе копии были испорчены. «Достичь» этого можно в результате близкородственных браков или кровосмешения. Хотя было бы ошибкой думать, что это объясняет все случаи наследственных заболеваний иммунной системы.
В любом случае, если причина известна, есть шанс найти способ избежать непоправимого, хотя бы в будущем. Если ребёнка с диагностированным врождённым дефектом иммунитета целенаправленно защищать от опасной инфекции до 2—3-летнего возраста, то с завершением формирования иммунной системы смертельная опасность для него может миновать. Даже без одного уровня защиты он будет в состоянии справляться с угрозой и, возможно, проживёт полноценную жизнь. Опасность останется, но её уровень снизится в разы. Ещё есть надежда на то, что когда-нибудь генотерапия войдёт в повседневную практику. Тогда больному надо будет просто перенести «здоровый» ген, без мутации. У мыши учёные умеют не только выключать ген, но и включать. У человека это намного сложнее.
О пользе простокваши
Стоит вспомнить ещё об одном предвидении И. И. Мечникова. Сто лет назад он связывал активность открытых им фагоцитов с питанием человека. Хорошо известно, что в последние годы жизни он активно употреблял и пропагандировал простоквашу и прочие кисломолочные продукты, утверждая, что поддержание необходимой бактериальной среды в желудке и кишечнике чрезвычайно важно и для иммунитета, и для продолжительности жизни. И тут он опять оказался прав.
Действительно, исследования последних лет показали, что симбиоз кишечных бактерий и человеческого организма намного глубже и сложнее, чем полагали до сих пор. Бактерии не только помогают процессу пищеварения. Поскольку в них присутствуют все характерные химические структуры микробов, то даже самые что ни на есть полезные бактерии обязаны распознаваться системой врождённого иммунитета на клетках кишечника. Оказалось, что через рецепторы врождённого иммунитета бактерии посылают организму некие «тонизирующие» сигналы, смысл которых ещё не полностью установлен. Но уже известно, что уровень этих сигналов очень важен и если он снижен (например, бактерий в кишечнике недостаточно, в частности от злоупотребления антибиотиками), то это один из факторов возможного развития онкологических заболеваний кишечного тракта.
***
Двадцать лет, прошедшие с момента последней (последней ли?) революции в иммунологии, — слишком малый срок для широкого практического применения новых идей и теорий. Хотя вряд ли в мире осталась хоть одна серьёзная фармацевтическая компания, которая ведёт разработки без учёта новых знаний о механизмах врождённого иммунитета. И некоторые практические успехи уже достигнуты, в частности в разработке новых адъювантов для вакцин.
А более глубокое понимание молекулярных механизмов иммунитета — как врождённого, так и приобретённого (не надо забывать, что они должны действовать вместе — победила дружба) — неизбежно приведёт к значительному прогрессу в медицине. Сомневаться в этом не стоит. Следует лишь немного подождать.
Но вот в чём промедление крайне нежелательно, так это в просвещении населения, а также в смене стереотипов в преподавании иммунологии. Иначе наши аптеки будут по-прежнему ломиться от доморощенных лекарств, якобы универсально усиливающих иммунитет.
***
Сергей Артурович Недоспасов — заведующий кафедрой иммунологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, заведующий отделом Института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского.
Борис Руденко - обозреватель журнала "Наука и жизнь".
«Наука и жизнь» об иммунитете:
Петров Р. Точно по цели. — 1990, № 8.
Мате Ж. Человек с точки зрения иммунолога. — 1990, № 8.
Белоконева О. Иммунитет в стиле «ретро». — 2004, № 1.
Зверев В. Вакцины от Дженнера и Пастера до наших дней. — 2006, № 3.
Чайковский Ю. Юбилей Ламарка—Дарвина и революция в иммунологии. — 2009, №№ 2, 3, 4, 5.
Источник: "Наука и жизнь"
Сергей НЕДОСПАСОВ член-корреспондент РАН, Борис РУДЕНКО
На главную страницу
Темы дня:
• Космотрясения могут достигнуть поверхности Земли
• Когда настанет судный день?
• Палеонтологи предложили еще одно объяснение эволюции
• Корвалол - капли депрессии: что же такого волшебного в этом лекарстве?
• Почему природные катастрофы редки?
• Ученые заметили странные процессы в земном ядре
• Медики объяснили, почему умирающие парят над собственным телом
begun Дать объявление
Брошенного в Доминикане...
На следующей неделе в Россию вернется сирота из Волгоградской. ..gifts
www.gzt.ru
Все объявления
Революционные прорывы в любой области науки происходят нечасто, раз-два в столетие. Да и для того, чтобы осознать, что революция в познании окружающего мира действительно произошла, оценить её результаты, научному сообществу и обществу в целом порой требуется не один год и даже не одно десятилетие. В иммунологии такая революция случилась в конце прошедшего века. Готовили её десятки выдающихся учёных, выдвигавших гипотезы, совершавших открытия и формулирующих теории, причём некоторые из этих теорий и открытий были сделаны сто лет назад.
Две школы, две теории
Весь ХХ век, вплоть до начала 1990-х, в исследованиях иммунитета учёные исходили из убеждения, что самой совершенной иммунной системой обладают высшие позвоночные, и в частности человек. Вот её-то и следует изучать в первую очередь. И если что-то пока ещё «недооткрыли» в иммунологии птиц, рыб и насекомых, то для продвижения на пути познания механизмов защиты от людских болезней особой роли это, скорее всего, не играет.
Иммунология как наука возникла полтора столетия назад. Хотя первую вакцинацию связывают с именем Дженнера, отцом-основателем иммунологии по праву считается великий Луи Пастер, начавший искать разгадку выживания рода человеческого, несмотря на регулярные опустошительные эпидемии чумы, чёрной оспы, холеры, обрушивающиеся на страны и континенты словно карающий меч судьбы. Миллионы, десятки миллионов погибших. Но в городах и селениях, где похоронные команды не успевали убирать с улиц трупы, находились такие, кто самостоятельно, без помощи знахарей и колдунов справлялся со смертельной напастью. А также те, кого болезнь не коснулась совершенно. Значит, существует в организме человека механизм, защищающий его хотя бы от некоторых вторжений извне. Он и называется иммунитетом.
Пастер развивал представления об искусственном иммунитете, разрабатывая методики его создания посредством вакцинации, однако постепенно стало ясно, что иммунитет существует в двух ипостасях: естественный (врождённый) и адаптивный (приобретённый). Который же из них важнее? Какой из них играет роль при успешной вакцинации? В начале ХХ столетия в ответе на этот принципиальный вопрос столкнулись в острой научной полемике две теории, две школы — Пауля Эрлиха и Ильи Мечникова.
Илья Ильич Мечников. «Выдающийся русский естествоиспытатель…» — так начинались статьи в советских энциклопедических изданиях. Окончил Харьковский университет, стажировался в научных и учебных заведениях Европы, вернулся в Россию, преподавал в Одессе, но «после столкновения с реакционными деятелями образования» в 1887 году уехал в Германию, а осенью 1888 года по приглашению Л. Пастера перебрался в Париж и всю последующую жизнь проработал в Пастеровском институте, где (это тоже цитата из Большой медицинской энциклопедии 1960 года издания) «создал школу русских и иностранных микробиологов, паразитологов и иммунологов».
Пауль Эрлих ни в Харькове, ни в Одессе не бывал. Свои университеты проходил в Бреславле (Бреслау, ныне Вроцлав) и Страсбурге, трудился в Берлине, в институте Коха, где создал первую в мире серологическую контрольную станцию, а потом возглавил институт экспериментальной терапии во Франкфурте-на-Майне, носящий сегодня его имя. И тут следует признать, что в концептуальном плане Эрлих сделал для иммунологии за всю историю существования этой науки более, чем кто-либо ещё.
Мечников открыл явление фагоцитоза — захвата и уничтожения специальными клетками — макрофагами и нейтрофилами — микробов и других чужеродных организму биологических частиц. Именно этот механизм, полагал он, и является основным в иммунной системе, выстраивая линии защиты от вторжения патогенов. Именно фагоциты бросаются в атаку, вызывая реакцию воспаления, к примеру при уколе, занозе и т.д.
Ссылки по теме:
Существа на грани химии и жизни: роль вирусов в эволюции
Медики обнаружили тесную взаимосвязь сна и иммунной системы
Гулливер в стране бактерий
Эрлих доказывал противоположное. Главная роль в защите от инфекций принадлежит не клеткам, а открытым им антителам — специфическим молекулам, которые образуются в сыворотке крови в ответ на внедрение агрессора. Теория Эрлиха получила название теории гуморального иммунитета.
Интересно, что непримиримые научные соперники — Мечников и Эрлих — разделили в 1908 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за работы в области иммунологии, хотя к этому времени теоретические и практические успехи Эрлиха и его последователей, казалось бы, полностью опровергали воззрения Мечникова. Даже поговаривали, что премия последнему была присуждена, скорее, по совокупности заслуг (что вовсе не исключено и не зазорно: иммунология — лишь одна из областей, в которых работал русский учёный, вклад его в мировую науку огромен). Впрочем, даже если и так, члены Нобелевского комитета, как оказалось, были намного более правы, чем полагали сами, хотя подтверждение тому пришло только через столетие.
Эрлих умер в 1915 году, Мечников пережил своего оппонента всего на год, так что принципиальнейший научный спор вплоть до конца столетия развивался уже без участия его инициаторов. А пока всё, что происходило в иммунологии в течение следующих десятилетий, подтверждало правоту Пауля Эрлиха. Было установлено, что белые кровяные тельца, лимфоциты, делятся на два вида: В и Т (тут надо подчеркнуть, что открытие Т-лимфоцитов в середине ХХ века перенесло науку о приобретённом иммунитете на совершенно другой уровень — основоположники этого не могли предвидеть). Именно они организуют защиту от вирусов, микробов, грибков и вообще от враждебных организму субстанций. В-лимфоциты продуцируют антитела, которые связывают чужеродный белок, нейтрализуя его активность. А Т-лимфоциты уничтожают заражённые клетки и способствуют удалению возбудителя из организма другими путями, причём в обоих случаях образуется «память» о патогене, так что с повторной инфекцией организму бороться уже намного проще. Эти защитные линии способны точно так же расправиться и с собственным, но перерождённым белком, который становится опасен для организма. К сожалению, такая способность в случае сбоя в настройке сложнейшего механизма адаптивного иммунитета может стать причиной аутоиммунных заболеваний, когда лимфоциты, потеряв способность отличать свои белки от чужих, начинают «стрелять по своим»…
Таким образом, до 80-х годов ХХ столетия иммунология в основном развивалась по пути, указанному Эрлихом, а не Мечниковым. Невероятно сложный, фантастически изощрённый миллионами лет эволюции адаптивный иммунитет постепенно раскрывал свои загадки. Учёные создавали вакцины и сыворотки, которые должны были помочь организму как можно быстрее и эффективнее организовать иммунный ответ на заражение, и получали антибиотики, способные подавить биологическую активность агрессора, облегчив тем самым работу лимфоцитов. Правда, поскольку многие микроорганизмы находятся в симбиозе с хозяином, антибиотики с неменьшим энтузиазмом обрушиваются и на своих союзников, ослабляя и даже сводя на нет их полезные функции, но медицина заметила это и забила тревогу много, много позднее…
Однако рубежи полной победы над болезнями, поначалу казавшиеся такими достижимыми, отодвигались всё дальше к горизонту, потому что с течением времени появлялись и накапливались вопросы, на которые господствующая теория отвечать затруднялась или не могла ответить вовсе. Да и создание вакцин шло вовсе не так гладко, как предполагалось.
Известно, что 98% живущих на Земле существ вообще лишено адаптивного иммунитета (в эволюции он появляется лишь с уровня челюстных рыб). А ведь у всех у них тоже есть свои враги в биологическом микромире, свои болезни и даже эпидемии, с которыми, однако, популяции справляются вполне успешно. Известно также, что в составе микрофлоры человека есть масса организмов, которые, казалось бы, просто обязаны вызывать заболевания и инициировать иммунный ответ. Тем не менее этого не происходит.
Подобных вопросов десятки. Десятилетиями они оставались открытыми.
Как начинаются революции
В 1989 году американский иммунолог профессор Чарльз Джэнуэй (Charles Janeway) опубликовал работу, которая очень скоро была признана провидческой, хотя, как и у теории Мечникова, у неё были и остаются серьёзные, эрудированные противники. Джэнуэй предположил, что на клетках человека, отвечающих за иммунитет, существуют специальные рецепторы, распознающие какие-то структурные компоненты патогенов (бактерий, вирусов, грибков) и запускающие механизм ответной реакции. Поскольку потенциальных возбудителей заболеваний в подлунном мире насчитывается неисчислимое множество, Джэнуэй предположил, что и рецепторы будут распознавать какие-то «инвариантные» химические структуры, характерные для целого класса патогенов. Иначе просто не хватит генов!
Спустя несколько лет профессор Жюль Хоффманн (впоследствии ставший президентом Французской академии наук) обнаружил, что мушка-дрозофила — почти непременный участник важнейших открытий в генетике — обладает защитной системой, до того момента недопонятой и неоценённой. Оказалось, что у этой плодовой мушки есть специальный ген, который не только важен для развития личинки, но и связан с врождённым иммунитетом. Если в мушке этот ген испортить, то при заражении грибками она погибает. Причём от других болезней, например бактериального характера, не погибнет, а от грибковой — неизбежно. Открытие позволяло сделать три важнейших вывода. Во-первых, примитивная мушка-дрозофила наделена мощным и эффективным врождённым иммунитетом. Во-вторых, её клетки обладают рецепторами, распознающими инфекции. В-третьих, рецептор специфичен к определённому классу инфекций, то есть способен распознавать не любую чужеродную «структуру», а только вполне определённую. А от другой «структуры» данный рецептор не защищает.
Вот эти два события — почти умозрительную теорию и первый неожиданный экспериментальный результат — и следует считать началом великой иммунологической революции. Дальше, как и бывает в науке, события развивались по нарастающей. Руслан Меджитов, который окончил Ташкентский университет, потом аспирантуру в МГУ, а впоследствии стал профессором Йельского университета (США) и восходящей звездой мировой иммунологии, первым обнаружил эти рецепторы на клетках человека.
Оказалось, что у нас их не менее десятка. Каждый специализируется на определённом классе патогенов. Если говорить упрощённо, то один распознаёт грамотрицательные инфекции, другой — грамположительные, третий — грибковые, четвёртый — белки одноклеточных паразитов, пятый — вирусы и так далее. Рецепторы располагаются на многих типах клеток и даже на клетках кожи и эпителия. Но в самую первую очередь — на тех, что отвечают за врождённый иммунитет, — фагоцитах. Подобные рецепторы были обнаружены у амфибий, рыб, других животных и даже растений (хотя у последних механизмы врождённого иммунитета функционируют по-другому).
Так, спустя почти сто лет, окончательно решился давний теоретический спор великих научных соперников. Решился тем, что оба были правы — их теории дополняли друг друга, причём теория И. И. Мечникова получила новое экспериментальное подтверждение.
А фактически произошла концептуальная революция. Оказалось, что для всех сущих на Земле врождённый иммунитет — главный. И только у наиболее «продвинутых» по лестнице эволюции организмов — высших позвоночных в дополнение возникает иммунитет приобретённый. Однако именно врождённый руководит его запуском и последующей работой, хотя многие детали того, как всё это регулируется, ещё предстоит установить.
«Адъювант его превосходительства»
Новые взгляды на взаимодействие врождённой и приобретённой ветвей иммунитета помогли разобраться в том, что до сей поры было непонятно.
Как действуют вакцины в тех случаях, когда они работают? В общем (и весьма упрощённом) виде это происходит примерно так. Ослабленный возбудитель болезни (как правило, вирус или бактерия) вводится в кровь животного-донора, например лошади, коровы, кролика и т.д. Иммунная система животного продуцирует защитный ответ. Если защитный ответ связан с гуморальными факторами — антителами, то его материальные носители можно очистить и перенести в кровь человека, одновременно перенося и защитный механизм. В других случаях ослабленным (или убитым) патогеном заражают или иммунизуют самого человека, надеясь вызвать иммунную реакцию, которая сможет защитить от реального возбудителя болезни и даже закрепиться в клеточной памяти на долгие годы. Именно так Эдвард Дженнер в конце XVIII века впервые в истории медицины провёл вакцинацию против оспы.
Однако такая методика срабатывает далеко не всегда. Не случайно до сих пор нет вакцин против СПИДа, туберкулёза и малярии — трёх наиболее опасных заболеваний в мировом масштабе. Более того, на многие простые химические соединения или белки, которые являются чужеродными для организма и просто обязаны были бы инициировать ответ иммунной системы, — ответ не возникает! И часто происходит это по той причине, что механизм основного защитника — врождённого иммунитета — остаётся неразбуженным.
Один из способов преодолеть это препятствие экспериментально продемонстрировал американский патолог Дж. Фрейнд (J. Freund). Иммунная система заработает в полную силу, если враждебный антиген смешать с адъювантом. Адъювант — своего рода посредник, помощник при иммунизации, в опытах Фрейнда он состоял из двух компонентов. Первый — водо-масляная суспензия — выполнял чисто механическую задачу медленного высвобождения антигена. А второй компонент — на первый взгляд достаточно парадоксальный: высушенные и хорошо растолчённые бактерии туберкулёза (палочки Коха). Бактерии мертвы, они не способны вызвать заражение, но рецепторы врождённого иммунитета их всё равно немедленно распознáют и включат защитные механизмы на полную мощность. Вот тогда и запускается процесс активации адаптивного иммунного ответа на антиген, который был подмешан к адъюванту.
Открытие Фрейнда было чисто экспериментальным и поэтому может показаться частным. Но Джэнуэй уловил в нём момент общей значимости. Более того, он даже называл неспособность индуцировать полноценный иммунный ответ на чужеродный белок у экспериментальных животных или у человека «маленьким грязным секретом иммунологов» (намекая на то, что это удаётся сделать только в присутствии адъюванта, а как работает адъювант, никто не понимает).
Джэнуэй и предположил, что система врождённого иммунитета распознаёт бактерии (как живые, так и убитые) по компонентам клеточных стенок. Бактериям, которые живут «сами по себе», нужны для внешней защиты прочные многослойные клеточные оболочки. Нашим же клеткам, под мощным чехлом внешних защитных тканей, такие оболочки не нужны. И синтезируются бактериальные оболочки с помощью ферментов, каких у нас нет, и поэтому компоненты бактериальных стенок — это как раз те химические структуры, идеальные сигнализаторы угрозы инфекции, на которые организм в процессе эволюции изготовил рецепторы-опознаватели.
Небольшое отступление в контексте основной темы.
Жил датский учёный-бактериолог Христиан Иоахим Грам (1853—1938), занимавшийся систематизацией бактериальных инфекций. Он нашёл вещество, которое бактерии одного класса окрашивало, а другого — нет. Те, что окрашивались в розовый цвет, теперь в честь учёного называются грамположительными, а те, что оставались бесцветными, — грамотрицательными. В каждом из классов миллионы различных бактерий. Для человека — вредоносных, нейтральных и даже полезных, они живут в почве, воде, слюне, кишечнике — где угодно. Наши защитные рецепторы умеют избирательно опознавать и те и другие, включая соответствующую защиту против опасных для своего носителя. И краситель Грама мог их различать за счёт связывания (или несвязывания) с теми же самыми «инвариантными» компонентами бактериальных стенок.
Оказалось, что стенки микобактерий — а именно к ним относятся туберкулёзные палочки — устроены особенно сложно и распознаются сразу несколькими рецепторами. Наверное, поэтому у них превосходные адъювантные свойства. Итак, смысл применения адъюванта — обмануть иммунную систему, послать ей ложный сигнал о том, что организм заражён опасным патогеном. Заставить реагировать. А на самом деле в вакцине такого патогена нет вообще или он не такой опасный.
Нет сомнений, что можно будет найти и другие, в том числе неприродные, адъюванты для иммунизаций и вакцинаций. Это новое направление биологической науки имеет колоссальное значение для медицины.
Включаем-выключаем нужный ген
Современные технологии позволяют выключать («нокаутировать») единственный ген у подопытной мыши, который кодирует один из рецепторов врождённого иммунитета. Например, отвечающий за распознавание тех же самых грамотрицательных бактерий. Тогда мышь теряет способность обеспечить свою защиту и, будучи инфицированной, погибает, хотя все остальные компоненты иммунитета у неё не нарушены. Именно так сегодня экспериментально и изучается работа систем иммунитета на молекулярном уровне (пример плодовой мушки мы уже обсуждали). Параллельно клиницисты учатся связывать отсутствие у людей иммунитета к определённым инфекционным заболеваниям с мутациями в конкретных генах. Сотни лет известны примеры, когда в некоторых семьях, родах и даже племенах была чрезвычайно высока смертность детей в раннем возрасте от совершенно определённых болезней. Теперь становится понятно, что в некоторых случаях причина — мутация какого-то компонента врождённого иммунитета. Ген выключен — частично или полностью. Поскольку большинство генов у нас — в двух копиях, то надо специально постараться, чтобы обе копии были испорчены. «Достичь» этого можно в результате близкородственных браков или кровосмешения. Хотя было бы ошибкой думать, что это объясняет все случаи наследственных заболеваний иммунной системы.
В любом случае, если причина известна, есть шанс найти способ избежать непоправимого, хотя бы в будущем. Если ребёнка с диагностированным врождённым дефектом иммунитета целенаправленно защищать от опасной инфекции до 2—3-летнего возраста, то с завершением формирования иммунной системы смертельная опасность для него может миновать. Даже без одного уровня защиты он будет в состоянии справляться с угрозой и, возможно, проживёт полноценную жизнь. Опасность останется, но её уровень снизится в разы. Ещё есть надежда на то, что когда-нибудь генотерапия войдёт в повседневную практику. Тогда больному надо будет просто перенести «здоровый» ген, без мутации. У мыши учёные умеют не только выключать ген, но и включать. У человека это намного сложнее.
О пользе простокваши
Стоит вспомнить ещё об одном предвидении И. И. Мечникова. Сто лет назад он связывал активность открытых им фагоцитов с питанием человека. Хорошо известно, что в последние годы жизни он активно употреблял и пропагандировал простоквашу и прочие кисломолочные продукты, утверждая, что поддержание необходимой бактериальной среды в желудке и кишечнике чрезвычайно важно и для иммунитета, и для продолжительности жизни. И тут он опять оказался прав.
Действительно, исследования последних лет показали, что симбиоз кишечных бактерий и человеческого организма намного глубже и сложнее, чем полагали до сих пор. Бактерии не только помогают процессу пищеварения. Поскольку в них присутствуют все характерные химические структуры микробов, то даже самые что ни на есть полезные бактерии обязаны распознаваться системой врождённого иммунитета на клетках кишечника. Оказалось, что через рецепторы врождённого иммунитета бактерии посылают организму некие «тонизирующие» сигналы, смысл которых ещё не полностью установлен. Но уже известно, что уровень этих сигналов очень важен и если он снижен (например, бактерий в кишечнике недостаточно, в частности от злоупотребления антибиотиками), то это один из факторов возможного развития онкологических заболеваний кишечного тракта.
***
Двадцать лет, прошедшие с момента последней (последней ли?) революции в иммунологии, — слишком малый срок для широкого практического применения новых идей и теорий. Хотя вряд ли в мире осталась хоть одна серьёзная фармацевтическая компания, которая ведёт разработки без учёта новых знаний о механизмах врождённого иммунитета. И некоторые практические успехи уже достигнуты, в частности в разработке новых адъювантов для вакцин.
А более глубокое понимание молекулярных механизмов иммунитета — как врождённого, так и приобретённого (не надо забывать, что они должны действовать вместе — победила дружба) — неизбежно приведёт к значительному прогрессу в медицине. Сомневаться в этом не стоит. Следует лишь немного подождать.
Но вот в чём промедление крайне нежелательно, так это в просвещении населения, а также в смене стереотипов в преподавании иммунологии. Иначе наши аптеки будут по-прежнему ломиться от доморощенных лекарств, якобы универсально усиливающих иммунитет.
***
Сергей Артурович Недоспасов — заведующий кафедрой иммунологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, заведующий отделом Института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского.
Борис Руденко - обозреватель журнала "Наука и жизнь".
«Наука и жизнь» об иммунитете:
Петров Р. Точно по цели. — 1990, № 8.
Мате Ж. Человек с точки зрения иммунолога. — 1990, № 8.
Белоконева О. Иммунитет в стиле «ретро». — 2004, № 1.
Зверев В. Вакцины от Дженнера и Пастера до наших дней. — 2006, № 3.
Чайковский Ю. Юбилей Ламарка—Дарвина и революция в иммунологии. — 2009, №№ 2, 3, 4, 5.
Источник: "Наука и жизнь"
вторник, 3 августа 2010 г.
Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений
02.11.2009
Колбы с 12 экспериментальными популяциями кишечной палочки. Каждая из этих популяций вот уже 20 лет эволюционирует под пристальным наблюдением исследователей. В обсуждаемой статье в Nature рассмотрены эволюционные изменения, произошедшие в популяции A-1. Фото с сайта en.wikipedia.org
В ходе уникального эксперимента, длившегося более 20 лет, удалось детально проследить эволюционные изменения, происходившие в популяции кишечной палочки Escherichia coli в течение 40 000 поколений. В первой половине эксперимента в популяции фиксировались в основном полезные мутации, повышавшие приспособленность бактерий. Самым неожиданным результатом оказалось постоянство скорости накопления полезных мутаций. До сих пор считалось, что с постоянной скоростью должны накапливаться нейтральные мутации, а не полезные, однако в эксперименте всё оказалось наоборот. В середине эксперимента в популяции зафиксировалась мутация, резко повысившая темп мутагенеза. После этого мутации стали фиксироваться на порядок быстрее, но это были в основном уже не полезные, а нейтральные мутации.
Давняя мечта биологов — напрямую сопоставить темпы эволюции на геномном и организменном уровнях — наконец-то начинает сбываться. До сих пор в этой области приходилось довольствоваться в основном теоретическими соображениями и математическими моделями. Уникальный эксперимент, начатый в 1988 году международной командой исследователей под руководством Ричарда Ленски (Richard E. Lenski), дал возможность с небывалой доселе степенью детальности проследить ход эволюции как на уровне генома (темп накопления мутаций), так и на уровне целого организма (темп развития адаптаций).
Эксперимент проводится параллельно с 12 популяциями E. coli, но в обсуждаемой статье рассмотрена только одна из них. Бактерий выращивают на «минимальной» питательной среде (см.: minimal growth medium), в которой лимитирующим фактором, ограничивающим размножение бактерий, является недостаток пищи (глюкозы). Каждый день из пробирки с микробами берут 0,1 мл содержимого и помещают в новую пробирку с 9,9 мл свежей питательной среды. Периодически часть популяции замораживают при –80C и сохраняют для последующего изучения. Это мудро, потому что аналитические методики — в частности, методики секвенирования («прочтения») геномов — сейчас стремительно развиваются и столь же стремительно дешевеют. На сегодняшний день авторы полностью отсеквенировали геномы бактерий из поколений №0 (предковый штамм), 20! 00, 5000, 10 000, 15 000, 20 000 и 40 000.
Регулярно проводится также оценка «приспособленности» популяции. Для этого сравнивают скорость размножения «экспериментальных» микробов с контрольным меченым штаммом (о методике оценки приспособленности см. в заметке: Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009).
Длительность эксперимента и размер популяции были достаточными для того, чтобы каждая из возможных точечных мутаций (нуклеотидных замен) в ходе случайного мутирования произошла более одного раза (размер генома подопытного штамма кишечной палочки — 4,6 × 106 пар нуклеотидов).
Чем отличается «возникновение» мутации от ее «закрепления» (фиксации). Далеко не всякая возникшая мутация закрепляется (фиксируется) в популяции. Каждая мутация изначально возникает только у одного микроба. Чтобы мутация зафиксировалась, потомки этого микроба должны вытеснить всех остальных микробов в своей пробирке. Вредная мутация, скорее всего, будет отсеяна отбором. Полезная мутация под действием отбора может закрепиться, то есть распространиться в популяции и достичь стопроцентной частоты, но может и случайно потеряться, пока ее носители еще не успели как следует размножиться. Наконец, нейтральные мутации, согласно имеющимся теоретическим моделям, должны фиксироваться с постоянной скоростью, равной скорости мутирования. Частота встречаемости нейтральной мутации в популяции колеблется в соответствии с алгоритмом случайного блуждания (см. random walk) до тех пор, пока случ! айно не достигнет величины 0% (полная элиминация) или 100% (фиксация). Парадоксальным образом скорость фиксации нейтральных мутаций не зависит от размера популяции. Это объясняется тем, что чем больше популяция, тем чаще в ней возникают мутации, но и тем ниже вероятность фиксации каждой из них. В результате размер популяции в уравнении просто-напросто сокращается.
За первые 20 000 поколений в экспериментальной популяции зафиксировалось 45 мутаций, в том числе 29 однонуклеотидных замен и 16 иных мутаций (вставок, выпадений, инверсий, встраиваний мобильных элементов). Самое интересное, что скорость накопления мутаций на этом этапе была строго постоянной (все отклонения от линейной модели статистически недостоверны), тогда как приспособленность сначала росла очень быстро, а затем ее рост замедлился (см. рисунок).
Постоянная скорость фиксации, согласно теории, характерна для нейтральных мутаций. Однако все 45 мутаций не могли быть нейтральными. Ясно, что по крайней мере некоторые из них были полезными — об этом свидетельствует рост приспособленности. Полученные результаты не очень легко увязать и с гипотезой о том, что все 45 мутаций были полезными. Авторы рассматривают несколько простых моделей с разными наборами исходных допущений, из которых следует, что, если бы все мутации были полезными, то обе величины — приспособленность и число накопленных мутаций — должны были бы меняться сходным образом, то есть или расти с постоянной скоростью, или параллельно замедляться.
Простейшее из возможных объяснений состоит в том, что среди 45 зафиксировавшихся мутаций большинство были нейтральными, но некоторые были полезными, причем основная масса полезных мутаций зафиксировалась вскоре после начала эксперимента. Возможности для «полезного мутирования» довольно быстро исчерпались, и в дальнейшем фиксировались преимущественно нейтральные мутации.
Накопление мутаций (синии линии и кружки) и рост приспособленности (зеленые линии и квадраты) в экспериментальной популяции. По горизонтальной оси — номер поколения. Видно, что число зафиксировавшихся мутаций росло линейно (тонкие ломаные линии очерчивают 95-процентные доверительные интервалы линейной модели). Приспособленность сначала росла очень быстро, а потом ее рост замедлился. «Прыжки» зеленых квадратов вверх и вниз относительно зеленой линии не выходят за пределы статистической погрешности, то есть не требуют специальных объяснений. На маленьком графике в правом нижнем углу показано резкое ускорение накопления мутаций начиная примерно с поколения №26 000, когда в популяции зафиксировалась мутация, повышающая темп мутагенеза. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы, однако, приводят четыре серьезных аргумента против такого объяснения.
1) В случае преобладания нейтральных мутаций должно быть резко повышено число синонимичных нуклеотидных замен (то есть таких изменений ДНК, которые не ведут к изменениям аминокислотной последовательности белков). Вопреки этим ожиданиям, все без исключения зафиксировавшиеся мутации в кодирующих областях генов являются значимыми (несинонимичными).
2) В случае преобладания нейтральных мутаций следует ожидать, что в 12 экспериментальных популяциях (в 11 из которых полные геномы пока не секвенировались) за 20 000 поколений мутации зафиксировались в разных генах. Напротив, мутации в одних и тех же генах, закрепившиеся независимо в разных популяциях, были бы доводом в пользу того, что мутации фиксировались в результате отбора, а не генетического дрейфа (то есть мутации были полезными). Чтобы проверить это, авторы отсеквенировали у бактерий поколения №20 000 из остальных одиннадцати экспериментальных популяций 14 генов, в которых у «главной» экспериментальной популяции закрепились мутации. Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев в других популяциях эти гены тоже изменились.
3) Если бы большинство мутаций были нейтральными, наблюдалась бы значительная внутрипопуляционная изменчивость по этим локусам (потому что полезные мутации под действием отбора фиксируются быстро, а нейтральные сначала должны долго «случайно блуждать» между нулевой и стопроцентной частотой). Это предположение не подтвердилось.
4) При помощи генной инженерии авторы смогли непосредственно определить степень полезности 9 мутаций из рассматриваемых 45. Эти мутации искусственно внедряли в геном предкового штамма. В восьми случаях из девяти приспособленность бактерий резко повысилась. Что касается девятой мутации, то авторы думают, что она тоже полезна, но не сама по себе, а в сочетании с другими мутациями, потому что точно такая же мутация закрепилась у других подопытных популяций. Для сравнения, в другом эксперименте в геном кишечной палочки вносили случайные мутации по одной, и при этом ни одна из 26 мутаций не дала ни малейшего выигрыша в приспособленности.
Таким образом, в течение первых 20 000 поколений в популяции фиксировались преимущественно полезные мутации, причем их фиксация шла с постоянной скоростью. Замедление роста приспособленности, по-видимому, было связано с тем, что средняя степень полезности мутаций постепенно снижалась. Наиболее радикальные адаптивные изменения произошли в течение первых 2000 поколений, а затем, вероятно, происходила более тонкая оптимизация фенотипа.
До сих пор речь шла только о первой половине эксперимента. Во второй его половине эволюционная динамика подопытной популяции радикально изменилась. Дело в том, что после 26 000 поколений зафиксировалась мутация в гене mutT. Этот ген кодирует белок, участвующий в репарации («починке») ДНК. В результате частота мутирования резко выросла. Как следствие, более чем на порядок выросла и частота фиксации мутаций. В течение второй половины эксперимента зафиксировалось 609 мутаций — в 13,5 раз больше, чем за первые 20 000 поколений.
Аналогичные по своей функции мутации, увеличившие темп мутагенеза, закрепились и в нескольких других экспериментальных популяциях. Из этого следует, что рост темпов мутагенеза дал бактериям адаптивное преимущество. Это, между прочим, противоречит распространенной идее о том, что в стабильных условиях организмам было бы выгодно снизить темп мутирования до нуля — и этого не происходит только из-за технической невозможности обеспечить абсолютную точность копирования ДНК (см.: В. П. Щербаков, 2005).
В «основной» популяции эта мутация появилась не позднее, чем в поколении №26 500 (из трех проверенных микробов этого поколения мутация есть у одного и отсутствует у двух). Начиная с поколения №29 000 мутация стала преобладать в популяции и, по-видимому, вскоре после этого зафиксировалась, то есть достигла частоты 100%.
«Полезность» мутации, повысившей темп мутагенеза, могла состоять только в том, что она повысила вероятность возникновения новых полезных мутаций после того, как большинство возможностей для «полезного мутирования» уже было исчерпано. Но в качестве побочного эффекта интенсификация мутагенеза неизбежно должна была привести к росту числа вредных и нейтральных мутаций.
Исходя из сказанного выше, следовало ожидать, что теперь большинство фиксирующихся мутаций будут нейтральными, а не полезными. Как мы помним, скорость фиксации нейтральных мутаций в популяции равна скорости мутагенеза независимо от размера популяции. Скорость мутирования у предкового штамма E. coli была низкой, и поэтому в первые 20 000 поколений нейтральных мутаций фиксировалось очень мало. Мутация гена mutT увеличила скорость мутирования приблизительно в 70 раз (от 1,6 × 10–10 до 1,1 × 10–8 на пару нуклеотидов на поколение). Разнообразные статистические тесты, примененные авторами, подтвердили предположение о том, что большинство из 609 «поздних» мутаций были нейтральными.
Почему-то в статье не сказано, как изменилась приспособленность бактерий во второй половине эксперимента.
Биологи активно используют результаты сравнений геномов для реконструкции путей и темпов эволюции организмов. До сих пор при этом приходилось довольствоваться в основном математическими моделями, основанными на разных более или менее правдоподобных допущениях. Теперь наконец появляется возможность экспериментальной проверки этих моделей. Первые результаты оказались во многом неожиданными. Например, мало кто ожидал, что постоянный темп накопления полезных мутаций может сопровождаться замедляющимся ростом приспособленности; или что возможны столь резкие скачки в соотношении темпов фиксации нейтральных и полезных мутаций. Основной вывод состоит в том, что количественные соотношения между разными аспектами эволюционного процесса (нейтральностью и адаптивностью, влиянием дрейфа и отбора, темпами изменений на уровне генотипа и фенотипа) могут быть существенно более сложными, неоднозначными и переменчивыми, чем предполагалось ранее.
Источник: Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski, Jihyun F. Kim. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli // Nature. 2009. V. 461. P. 1243–1247.
Об экспериментальном изучении эволюции см. также:
1) Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006.
2) Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007.
3) Начальные этапы видообразования воспроизведены в эксперименте на дрожжах, «Элементы», 06.06.2007.
4) Для видообразования достаточно одного гена, «Элементы», 28.11.2007.
5) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
6) Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009.
Александр Марков
02.11.2009
Колбы с 12 экспериментальными популяциями кишечной палочки. Каждая из этих популяций вот уже 20 лет эволюционирует под пристальным наблюдением исследователей. В обсуждаемой статье в Nature рассмотрены эволюционные изменения, произошедшие в популяции A-1. Фото с сайта en.wikipedia.org
В ходе уникального эксперимента, длившегося более 20 лет, удалось детально проследить эволюционные изменения, происходившие в популяции кишечной палочки Escherichia coli в течение 40 000 поколений. В первой половине эксперимента в популяции фиксировались в основном полезные мутации, повышавшие приспособленность бактерий. Самым неожиданным результатом оказалось постоянство скорости накопления полезных мутаций. До сих пор считалось, что с постоянной скоростью должны накапливаться нейтральные мутации, а не полезные, однако в эксперименте всё оказалось наоборот. В середине эксперимента в популяции зафиксировалась мутация, резко повысившая темп мутагенеза. После этого мутации стали фиксироваться на порядок быстрее, но это были в основном уже не полезные, а нейтральные мутации.
Давняя мечта биологов — напрямую сопоставить темпы эволюции на геномном и организменном уровнях — наконец-то начинает сбываться. До сих пор в этой области приходилось довольствоваться в основном теоретическими соображениями и математическими моделями. Уникальный эксперимент, начатый в 1988 году международной командой исследователей под руководством Ричарда Ленски (Richard E. Lenski), дал возможность с небывалой доселе степенью детальности проследить ход эволюции как на уровне генома (темп накопления мутаций), так и на уровне целого организма (темп развития адаптаций).
Эксперимент проводится параллельно с 12 популяциями E. coli, но в обсуждаемой статье рассмотрена только одна из них. Бактерий выращивают на «минимальной» питательной среде (см.: minimal growth medium), в которой лимитирующим фактором, ограничивающим размножение бактерий, является недостаток пищи (глюкозы). Каждый день из пробирки с микробами берут 0,1 мл содержимого и помещают в новую пробирку с 9,9 мл свежей питательной среды. Периодически часть популяции замораживают при –80C и сохраняют для последующего изучения. Это мудро, потому что аналитические методики — в частности, методики секвенирования («прочтения») геномов — сейчас стремительно развиваются и столь же стремительно дешевеют. На сегодняшний день авторы полностью отсеквенировали геномы бактерий из поколений №0 (предковый штамм), 20! 00, 5000, 10 000, 15 000, 20 000 и 40 000.
Регулярно проводится также оценка «приспособленности» популяции. Для этого сравнивают скорость размножения «экспериментальных» микробов с контрольным меченым штаммом (о методике оценки приспособленности см. в заметке: Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009).
Длительность эксперимента и размер популяции были достаточными для того, чтобы каждая из возможных точечных мутаций (нуклеотидных замен) в ходе случайного мутирования произошла более одного раза (размер генома подопытного штамма кишечной палочки — 4,6 × 106 пар нуклеотидов).
Чем отличается «возникновение» мутации от ее «закрепления» (фиксации). Далеко не всякая возникшая мутация закрепляется (фиксируется) в популяции. Каждая мутация изначально возникает только у одного микроба. Чтобы мутация зафиксировалась, потомки этого микроба должны вытеснить всех остальных микробов в своей пробирке. Вредная мутация, скорее всего, будет отсеяна отбором. Полезная мутация под действием отбора может закрепиться, то есть распространиться в популяции и достичь стопроцентной частоты, но может и случайно потеряться, пока ее носители еще не успели как следует размножиться. Наконец, нейтральные мутации, согласно имеющимся теоретическим моделям, должны фиксироваться с постоянной скоростью, равной скорости мутирования. Частота встречаемости нейтральной мутации в популяции колеблется в соответствии с алгоритмом случайного блуждания (см. random walk) до тех пор, пока случ! айно не достигнет величины 0% (полная элиминация) или 100% (фиксация). Парадоксальным образом скорость фиксации нейтральных мутаций не зависит от размера популяции. Это объясняется тем, что чем больше популяция, тем чаще в ней возникают мутации, но и тем ниже вероятность фиксации каждой из них. В результате размер популяции в уравнении просто-напросто сокращается.
За первые 20 000 поколений в экспериментальной популяции зафиксировалось 45 мутаций, в том числе 29 однонуклеотидных замен и 16 иных мутаций (вставок, выпадений, инверсий, встраиваний мобильных элементов). Самое интересное, что скорость накопления мутаций на этом этапе была строго постоянной (все отклонения от линейной модели статистически недостоверны), тогда как приспособленность сначала росла очень быстро, а затем ее рост замедлился (см. рисунок).
Постоянная скорость фиксации, согласно теории, характерна для нейтральных мутаций. Однако все 45 мутаций не могли быть нейтральными. Ясно, что по крайней мере некоторые из них были полезными — об этом свидетельствует рост приспособленности. Полученные результаты не очень легко увязать и с гипотезой о том, что все 45 мутаций были полезными. Авторы рассматривают несколько простых моделей с разными наборами исходных допущений, из которых следует, что, если бы все мутации были полезными, то обе величины — приспособленность и число накопленных мутаций — должны были бы меняться сходным образом, то есть или расти с постоянной скоростью, или параллельно замедляться.
Простейшее из возможных объяснений состоит в том, что среди 45 зафиксировавшихся мутаций большинство были нейтральными, но некоторые были полезными, причем основная масса полезных мутаций зафиксировалась вскоре после начала эксперимента. Возможности для «полезного мутирования» довольно быстро исчерпались, и в дальнейшем фиксировались преимущественно нейтральные мутации.
Накопление мутаций (синии линии и кружки) и рост приспособленности (зеленые линии и квадраты) в экспериментальной популяции. По горизонтальной оси — номер поколения. Видно, что число зафиксировавшихся мутаций росло линейно (тонкие ломаные линии очерчивают 95-процентные доверительные интервалы линейной модели). Приспособленность сначала росла очень быстро, а потом ее рост замедлился. «Прыжки» зеленых квадратов вверх и вниз относительно зеленой линии не выходят за пределы статистической погрешности, то есть не требуют специальных объяснений. На маленьком графике в правом нижнем углу показано резкое ускорение накопления мутаций начиная примерно с поколения №26 000, когда в популяции зафиксировалась мутация, повышающая темп мутагенеза. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы, однако, приводят четыре серьезных аргумента против такого объяснения.
1) В случае преобладания нейтральных мутаций должно быть резко повышено число синонимичных нуклеотидных замен (то есть таких изменений ДНК, которые не ведут к изменениям аминокислотной последовательности белков). Вопреки этим ожиданиям, все без исключения зафиксировавшиеся мутации в кодирующих областях генов являются значимыми (несинонимичными).
2) В случае преобладания нейтральных мутаций следует ожидать, что в 12 экспериментальных популяциях (в 11 из которых полные геномы пока не секвенировались) за 20 000 поколений мутации зафиксировались в разных генах. Напротив, мутации в одних и тех же генах, закрепившиеся независимо в разных популяциях, были бы доводом в пользу того, что мутации фиксировались в результате отбора, а не генетического дрейфа (то есть мутации были полезными). Чтобы проверить это, авторы отсеквенировали у бактерий поколения №20 000 из остальных одиннадцати экспериментальных популяций 14 генов, в которых у «главной» экспериментальной популяции закрепились мутации. Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев в других популяциях эти гены тоже изменились.
3) Если бы большинство мутаций были нейтральными, наблюдалась бы значительная внутрипопуляционная изменчивость по этим локусам (потому что полезные мутации под действием отбора фиксируются быстро, а нейтральные сначала должны долго «случайно блуждать» между нулевой и стопроцентной частотой). Это предположение не подтвердилось.
4) При помощи генной инженерии авторы смогли непосредственно определить степень полезности 9 мутаций из рассматриваемых 45. Эти мутации искусственно внедряли в геном предкового штамма. В восьми случаях из девяти приспособленность бактерий резко повысилась. Что касается девятой мутации, то авторы думают, что она тоже полезна, но не сама по себе, а в сочетании с другими мутациями, потому что точно такая же мутация закрепилась у других подопытных популяций. Для сравнения, в другом эксперименте в геном кишечной палочки вносили случайные мутации по одной, и при этом ни одна из 26 мутаций не дала ни малейшего выигрыша в приспособленности.
Таким образом, в течение первых 20 000 поколений в популяции фиксировались преимущественно полезные мутации, причем их фиксация шла с постоянной скоростью. Замедление роста приспособленности, по-видимому, было связано с тем, что средняя степень полезности мутаций постепенно снижалась. Наиболее радикальные адаптивные изменения произошли в течение первых 2000 поколений, а затем, вероятно, происходила более тонкая оптимизация фенотипа.
До сих пор речь шла только о первой половине эксперимента. Во второй его половине эволюционная динамика подопытной популяции радикально изменилась. Дело в том, что после 26 000 поколений зафиксировалась мутация в гене mutT. Этот ген кодирует белок, участвующий в репарации («починке») ДНК. В результате частота мутирования резко выросла. Как следствие, более чем на порядок выросла и частота фиксации мутаций. В течение второй половины эксперимента зафиксировалось 609 мутаций — в 13,5 раз больше, чем за первые 20 000 поколений.
Аналогичные по своей функции мутации, увеличившие темп мутагенеза, закрепились и в нескольких других экспериментальных популяциях. Из этого следует, что рост темпов мутагенеза дал бактериям адаптивное преимущество. Это, между прочим, противоречит распространенной идее о том, что в стабильных условиях организмам было бы выгодно снизить темп мутирования до нуля — и этого не происходит только из-за технической невозможности обеспечить абсолютную точность копирования ДНК (см.: В. П. Щербаков, 2005).
В «основной» популяции эта мутация появилась не позднее, чем в поколении №26 500 (из трех проверенных микробов этого поколения мутация есть у одного и отсутствует у двух). Начиная с поколения №29 000 мутация стала преобладать в популяции и, по-видимому, вскоре после этого зафиксировалась, то есть достигла частоты 100%.
«Полезность» мутации, повысившей темп мутагенеза, могла состоять только в том, что она повысила вероятность возникновения новых полезных мутаций после того, как большинство возможностей для «полезного мутирования» уже было исчерпано. Но в качестве побочного эффекта интенсификация мутагенеза неизбежно должна была привести к росту числа вредных и нейтральных мутаций.
Исходя из сказанного выше, следовало ожидать, что теперь большинство фиксирующихся мутаций будут нейтральными, а не полезными. Как мы помним, скорость фиксации нейтральных мутаций в популяции равна скорости мутагенеза независимо от размера популяции. Скорость мутирования у предкового штамма E. coli была низкой, и поэтому в первые 20 000 поколений нейтральных мутаций фиксировалось очень мало. Мутация гена mutT увеличила скорость мутирования приблизительно в 70 раз (от 1,6 × 10–10 до 1,1 × 10–8 на пару нуклеотидов на поколение). Разнообразные статистические тесты, примененные авторами, подтвердили предположение о том, что большинство из 609 «поздних» мутаций были нейтральными.
Почему-то в статье не сказано, как изменилась приспособленность бактерий во второй половине эксперимента.
Биологи активно используют результаты сравнений геномов для реконструкции путей и темпов эволюции организмов. До сих пор при этом приходилось довольствоваться в основном математическими моделями, основанными на разных более или менее правдоподобных допущениях. Теперь наконец появляется возможность экспериментальной проверки этих моделей. Первые результаты оказались во многом неожиданными. Например, мало кто ожидал, что постоянный темп накопления полезных мутаций может сопровождаться замедляющимся ростом приспособленности; или что возможны столь резкие скачки в соотношении темпов фиксации нейтральных и полезных мутаций. Основной вывод состоит в том, что количественные соотношения между разными аспектами эволюционного процесса (нейтральностью и адаптивностью, влиянием дрейфа и отбора, темпами изменений на уровне генотипа и фенотипа) могут быть существенно более сложными, неоднозначными и переменчивыми, чем предполагалось ранее.
Источник: Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski, Jihyun F. Kim. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli // Nature. 2009. V. 461. P. 1243–1247.
Об экспериментальном изучении эволюции см. также:
1) Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006.
2) Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007.
3) Начальные этапы видообразования воспроизведены в эксперименте на дрожжах, «Элементы», 06.06.2007.
4) Для видообразования достаточно одного гена, «Элементы», 28.11.2007.
5) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
6) Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009.
Александр Марков
Расширение белковой вселенной продолжается
24.05.2010
Рис. 1. Примерно так представляют себе биологи <>. Два горизонтальных измерения соответствуют фенотипу, вертикальное отражает приспособленность. Если речь идет об отдельном белке, то фенотип -- это аминокислотная последовательность, а приспособленность -- это эффективность выполнения белком своей функции. Эволюционируя путем накопления нейтральных или полезных аминокислотных замен, белок может двигаться по этому ландшафту горизонтально или вверх. Спуск в долины запрещен, п тому что мутации, снижающие эффективность работы белка, отсеиваются отбором. В результате белок может оказаться в <>, то есть застрять на одной из второстепенных вершин. Однако реальные ландшафты приспособленности, по-видимому, представляют собой не множество одиноких пиков, а сложные лабиринты горных хребтов. Двигаясь по гребням, белок может обходить пропасти, но на это уходит очень много времени. Именно поэтому многие белки, унаследованные современными организмами от последнего общего предка вс го живого, до сих пор так и не достигли предельного уровня несхожести и продолжают медленно расходиться в пространстве <>. Рисунок с сайта classes.yale.edu
Анализ аминокислотных последовательностей 572 древних белков, закодированных в геномах 836 бактерий и архей и унаследованных ими от последнего общего предка всего живого (LUCA), показал, что накопление различий между родственными белками, выполняющими одну и ту же функцию, происходило очень медленно и продолжается до сих пор. Предел расхождения так и не был достигнут за 3,5 млрд лет эволюции. По-видимому, накопление аминокислотных замен сдерживается сложными взаимодействиями ме ду разными участками белковой молекулы. Более 90% аминокислотных позиций в каждом белке в принципе могут быть изменены без снижения функциональности, но любое конкретное изменение возможно только в определенном аминокислотном <>, и поэтому в каждый момент времени реально осуществимы изменения лишь около 2% позиций.
1. Вавилонская библиотека белковых молекул
В рассказе Борхеса <> описана невообразимо огромная библиотека, содержащая абсолютно все возможные тексты определенной длины, составленные из определенного набора символов. При этом в библиотеке нет двух одинаковых книг. Схожий образ громадного, но всё же конечного <> (sequence space) используют специалисты по биоинформатике, изучающие эволюцию белков. Это воображаемое прост анство включает абсолютно все возможные последовательности из 20 аминокислот, длина которых соответствует реальному диапазону длин природных белков. Например, для белка длиной в 300 аминокислот существует 20300 возможных последовательностей. По сравнению с этим числом количество элементарных частиц во Вселенной (порядка 1080) выглядит ничтожно малым.
Каждая точка в пространстве последовательностей соответствует одному белку, а расстояние между двумя точками отражает величину различий между двумя белками. Эволюцию белковой молекулы можно представить как движение в пространстве последовательностей.
Каждой функции, выполняемой белками, соответствует некая область в пространстве последовательностей, в пределах которой любая точка -- это белок, способный успешно справиться с данной функцией. До тех пор пока эволюция белковой молекулы идет без смены функции, ее движение должно быть ограничено этой областью.
Ключевой вопрос состоит в том, насколько велики такие области и какова их структура. Теоретически они могут быть как сплошными полями, так и лабиринтами узких тропинок, разделенных <>.
Полезным дополнением к образу <> является образ <> (fitness landscape). Каждой точке пространства последовательностей соответствует та или иная величина <>, или эффективности выполнения белком своей функции. Принято представлять области высокой приспособленности в виде возвышенностей, низкой -- в виде долин или ям (рис. 1). При этом вышеупомянутые <> приобретают вид горных плато, <> становятся ребтами, а <> -- долинами и пропастями.
2. Вселенная древних белков продолжает расширяться
Фундаментальная статья, посвященная изучению общих законов эволюционного движения белков по ландшафтам приспособленности, опубликована 19 мая на сайте журнала Nature. Авторы статьи, Инна Поволоцкая и Федор Кондрашов, в настоящее время работают в Центре геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне.
Материалом для исследования послужили аминокислотные последовательности 572 древних белков, которые имелись уже у последнего общего предка всего живого (LUCA) и были унаследованы его потомками, а также нуклеотидные последовательности соответствующих генов из геномов 836 бактерий и архей. Эти белки называют <>, потому что после >3,5 млрд лет независимой эволюции в телах разнообразных потомков LUCA они до сих пор сохранили некоторое сходство своих аминокислотных последов ательностей (вплоть до поразительного 40-процентного сходства рибосомных белков L14 у бактерий и архей) и продолжают выполнять те же функции, что и у LUCA.
Рис. 2. Расширение физической и белковой Вселенной. Стрела времени направлена сверху вниз. Слева: в ходе расширения физической Вселенной увеличиваются расстояния от произвольно выбранного объекта (например, Земли) до других объектов, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию. Справа: в ходе расширения <> дочерние молекулы удаляются в пространстве последовательностей от исходной точки, которая соответствует одному из белков LUCA. При этом дистанции между произвольн о выбранным объектом (например, белком, принадлежащим эволюционной линии, которая привела к кишечной палочке E. coli) и другими объектами (родственными белками других эволюционных линий) постепенно растут. Однако белки с данной функцией не могут выйти за пределы <> подобласти в пространстве последовательностей -- иначе это будет уже другой белок, выполняющий другую функцию (эволюционные события, связанные со сменой функции белка, в обсуждаемой работе не рассматриваются). Подобласть, соответствующая данной функции, изобр жена на рисунке в виде внутреннего круга. Рано или поздно расходящиеся белки достигнут границ этой области, и дальнейшее расхождение станет невозможным (справа внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Первый вопрос, который поставили перед собой авторы, состоит в том, достигли уже эти белки максимального расхождения в пространстве последовательностей или их расхождение (накопление отличий друг от друга и от исходного предкового белка) всё еще продолжается? Сохранение высокого сходства после 3,5 млрд лет независимой эволюции, казалось бы, говорит о том, что возможности изменения этих белков весьма ограничены. Можно предположить, что области в пространстве последовательностей, соответствующие их функциям, сравнительно невел ики, и предел расхождения давно достигнут. Но возможно и другое объяснение. Эти области могут быть велики, но труднопроходимы. Например, они могут представлять собой лабиринт из немногочисленных узких хребтов, разделенных пропастями, и поэтому на <> всего потенциально доступного пространства требуется больше времени, чем прошло с момента появления LUCA.
Авторы проводят интересную аналогию между эволюцией белков и расширением Вселенной. Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем расстояние между галактиками положительно коррелирует со скоростью их разлетания. Экстраполируя эту тенденцию в прошлое, Хаббл пришел к выводу, что разлетание должно было начаться из одной точки. Эта идея легла в основу современной теории Большого взрыва. Нечто подобное происходит и с белками, расходящимися от общего предка -- исходного белка с данной функцией, который был зако дирован в геноме LUCA (рис. 2).
Чтобы выяснить, закончилось ли уже расширение <> или оно продолжается до сих пор, авторы применили оригинальные методы анализа белковых последовательностей. Рис. 3 иллюстрирует общий принцип, лежащий в основе примененной методики. Использовались четверки гомологичных (происходящих от одного предка) и выполняющих одну функцию белков. В качестве первых двух белков для каждой четверки брались близкородственные молекулы, обладающие высоким сходством аминокислотных последовательностей. Эти два бе ка назывались <>, и именно их эволюция анализировалась в рамках данной четверки.
Третий белок отличался от сестринских белков сильнее, чем они друг от друга. Он выполнял роль <>, позволяя понять, какие аминокислотные замены произошли в первом, а какие во втором сестринском белке. Например, если у внешнего белка в данной позиции стоит аминокислота K (лизин), и такая же аминокислота стоит здесь у первого из двух сестринских белков, а у второго в этом месте находится другая аминокислота (например, Y -- тирозин), то считалось, что K в данной позиции -- это <>, исходное состояние, а у второго сестринского белка произошла замена K на Y.
К этим трем белкам добавлялся четвертый, еще более далекий от сестринских, чем третий. Если у четвертого белка в данной позиции стоит аминокислота K (как на рис. 3), то делался вывод, что у второго сестринского белка произошло эволюционное изменение, увеличившее дистанцию между белками 2 и 4: белки разошлись. Если бы у четвертого белка здесь стояла аминокислота Y, то был бы сделан вывод, что в результате изменения, затронувшего белок 2, белки 2 и 4 сблизились.
Рис. 3. Принцип анализа белковых последовательностей, примененный в обсуждаемой работе. Для определения направленности аминокислотных замен (ведут ли они к увеличению или уменьшению сходства с другими гомологичными последовательностями) использовались четверки гомологичных белков, родственные отношения между которыми изображены в виде дерева. Анализ такой четверки позволяет понять, растет или снижается сходство между первыми двумя белками и четвертым. В данном случае считается, что у первого белка << предковая>> (имеющаяся у белков 2 и 3) аминокислота R в 11-й позиции (выделена синим) заменилась на E, что привело к росту сходства первого белка с четвертым, то есть к их сближению в пространстве последовательностей. У второго белка <> аминокислота K в 3-й позиции (выделена красным) заменилась на Y, что привело к снижению сходства второго белка с четвертым, то есть к их расхождению в пространстве последовательностей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Это очень хитрая методика, позволяющая обойти некоторые подводные камни, характерные для биоинформационных исследований. Она позволяет оценивать направленность эволюции (схождение или расхождение) у пары весьма удаленных друг от друга белков (например, таких как белки 1 и 4 или 2 и 4), несмотря на то, что достоверная реконструкция предковых состояний аминокислотных позиций возможна только при сравнении достаточно близких белков (например, таких как 1, 2 и 3).
В простейшем варианте расчетов учитывалось только совпадение / несовпадение аминокислот. В более сложном варианте учитывалась еще и степень сходства между разными аминокислотами, что позволило вовлечь в анализ гораздо большее число аминокислотных позиций (впрочем, на конечный результат это не повлияло).
В общей сложности было обработано 13,6 миллионов таких четверок. Для каждой четверки определялось число замен, ведущих к сближению последовательностей (Nt) и к их расхождению (Na). По соотношению этих величин (Nt/Na) можно понять общую тенденцию: расходятся ли белки, сближаются или балансируют вокруг некого постоянного уровня сходства последовательностей.
Оказалось, что даже у наиболее удаленных друг от друга гомологичных белков тенденция к расхождению значительно преобладает над тенденцией к сближению (Nt/Na < 1). Следовательно, <> продолжает расширяться, и пределы областей, соответствующих их функциям, за 3,5 млрд лет так и не были достигнуты. Эволюция этих белков была крайне медленной. Что же ее сдерживало? Решению этой проблемы посвящена вторая часть статьи, приводящая на память другой рассказ Борхеса -- <>.
3. Лабиринт расходящихся тропок
Обычного <>, отсеивающего неудачные (снижающие приспособленность) аминокислотные замены, явно недостаточно для того, чтобы объяснить медленную эволюцию древних белков. Предположение о том, что каждая аминокислота, стоящая в данной позиции, влияет на приспособленность одинаковым образом независимо от <> (то есть от того, какие аминокислоты стоят в других позициях в том же белке или в других белках, взаимодействующих с ним), соответствует представлению о легко проходимом ландшафте приспособлен ости (см. рис. 4c). Но со времен LUCA в каждом синонимичном сайте (так называют те нуклеотиды в цепи ДНК, изменение которых не влияет на структуру кодируемого белка) произошло уже свыше 100 замен. Синонимичные нуклеотидные замены -- это пример движения по ровным горизонтальным поверхностям ландшафта приспособленности. Из этого следует, что в случае хорошей проходимости ландшафта изучаемые белки давным-давно должны были освоить всю потенциально доступную им область в пространстве последовательностей, и тогда мы не наблюда и бы их продолжающегося расхождения.
Резко уменьшить проходимость ландшафта приспособленности -- превратить его в лабиринт узких тропок или горных хребтов -- может так называемый эпистаз (см. epistasis). В данном случае под эпистазом понимается зависимость влияния аминокислотной позиции на общую приспособленность белка от других аминокислотных позиций в том же белке или от свойств других эволюционирующих молекул (например, других белков или функциональных РНК), взаимодействующих с данным белком. Наличие эпистаза предполага ет, что многие аминокислотные замены являются допустимыми только в определенных контекстах. Если же контекст иной, данная замена будет снижать приспособленность, и отбор ее отбракует. Это явление в эволюции белков изучалось ранее на конкретных примерах (об одном из таких исследований рассказано в заметке Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, <>, 12.04.2006). Если эпистаз широко распространен, белок может добраться до многих потенциально достижимых пунктов в пространстве последо вательностей только долгим обходным путем (рис. 4b).
Для проверки гипотезы о важной роли эпистаза в эволюции белков авторы придумали хитроумный тест, основанный на сопоставлении темпов накопления <> и <> мутаций с дистанциями между белками. Темпы накопления мутаций в данном случае вычислялись другим, более изощренным методом, чем в первой части статьи (что диктовалось требованиями поставленной задачи). В частности, использовалось не абсолютное число замен, а доля реализованных замен данного типа из общего числа потенциально возможных для данной последова тельности. Основная идея состояла в том, что гипотезы о наличии и отсутствии эпистаза дают противоположные предсказания о том, как должна меняться частота закрепления сближающих и разводящих мутаций по мере снижения сходства между белками.
Если влияние эпистаза невелико, то у двух близких белков темп накопления разводящих мутаций должен быть высоким, а по мере расхождения последовательностей он должен снижаться. Темп накопления сближающих мутаций при этом должен оставаться примерно постоянным.
Если же эпистаз оказывает сильное влияние на эволюцию белков, всё должно быть наоборот: разводящие мутации должны накапливаться с примерно постоянной скоростью, а темп накопления сближающих мутаций в начале должен быть высоким, а по мере расхождения белков он должен снижаться.
Проведенные расчеты убедительно подтвердили гипотезу о сильном влиянии эпистаза на эволюцию белков. Оказалось, что темп накопления разводящих мутаций практически не зависит от дистанции между белками. В каждый момент времени лишь около 2% аминокислотных позиций могут быть изменены без снижения приспособленности, хотя в долгосрочной перспективе более 90% позиций могут измениться -- но к этим изменениям нужно идти долгими обходными путями по лабиринту узких <> ландшафта приспособленности. У близких, недавно р зошедшихся белков темп накопления сближающих мутаций (отнесенный к числу потенциально возможных мутаций такого типа) очень высок, потому что у близких белков аминокислотный <> для каждой позиции является сходным. Поэтому та аминокислота, которая недавно стояла в данной позиции, с большой вероятностью может <> на свое место, и это не снизит приспособленность. Напротив, у сильно отличающихся белков данная позиция уже находится в сильно отличающихся контекстах, и поэтому <> аминокислоты, которая стоял а здесь у далекого предка, с большой вероятностью снизит приспособленность, и мутация будет отсеяна.
В открытом авторами снижении вероятности сближающих мутаций по мере расхождения белков ярко проявляется правило необратимости эволюции: чем сильнее разошлись белки, тем меньше у них шансов снова стать похожими (см. также: Закон необратимости эволюции объяснен на молекулярном уровне, <>, 30.09.2009).
Рис. 4. Пространство последовательностей можно изобразить в виде графа, вершины которого соответствуют разным последовательностям (в данном случае показаны последовательности из двух нуклеотидов), а рёбра — единичным эволюционным событиям (нуклеотидным заменам). В первом случае (a) ландшафт приспособленности представляет собой сплошное ровное плато: все 16 последовательностей имеют одинаково высокую приспособленность и все возможные мутации разрешены (не будут отбракованы отбором). Два к ратчайших пути, соединяющие последовательности AT и GC, состоят всего из двух мутационных шагов (толстые фиолетовые стрелки). Во втором случае (b) половина последовательностей имеют пониженную приспособленность (отмечены черными кругами). При этом снижение приспособленности определяется не конкретным нуклеотидом в конкретной позиции, а уникальной комбинацией обоих нуклеотидов. Согласованное влияние двух или более нуклеотидов (или аминокислот) на приспособленность называют «эпистазом». Эпистаз резко снижает п оходимость ландшафта: число доступных траекторий снижается, и кратчайший путь между двумя пунктами (например, от AT к GC) удлиняется. В третьем случае (c) тоже половина последовательностей имеют пониженную приспособленность, но эпистаза нет: нуклеотиды A и G во второй позиции снижают приспособленность независимо от состояния первой позиции. Отсутствие эпистаза способствует тому, что ландшафт остается легко проходимым, и от AT к GC можно прийти всего за два шага, как и в первом случае. Рисунок из обсуждаемой ст атьи в Nature
Таким образом, ландшафт приспособленности белков отличается повышенной <>, он похож на труднопроходимый лабиринт узких горных хребтов, передвигаться по которому эволюционирующие белки могут лишь очень медленно. Один из выводов работы состоит в том, что крупномасштабные модели эволюции белков обязательно должны учитывать влияние эпистаза. Кроме того, эту работу можно рассматривать как новый весьма сильный аргумент в пользу единства происхождения всего живого. Подобно тому как разбегающиеся галактики указывают а существовавший в прошлом единый центр, из которого все объекты во Вселенной начали свое движение, так и продолжающееся по сей день <> древних белков недвусмысленно указывает на их происхождение от единого предка (см. также: Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, <>, 19.05.2010).
Источник: Inna S. Povolotskaya, Fyodor A. Kondrashov. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe // Nature. Advance online publication 19 May 2010. Doi:10.1038/nature09105.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
24.05.2010
Рис. 1. Примерно так представляют себе биологи <>. Два горизонтальных измерения соответствуют фенотипу, вертикальное отражает приспособленность. Если речь идет об отдельном белке, то фенотип -- это аминокислотная последовательность, а приспособленность -- это эффективность выполнения белком своей функции. Эволюционируя путем накопления нейтральных или полезных аминокислотных замен, белок может двигаться по этому ландшафту горизонтально или вверх. Спуск в долины запрещен, п тому что мутации, снижающие эффективность работы белка, отсеиваются отбором. В результате белок может оказаться в <>, то есть застрять на одной из второстепенных вершин. Однако реальные ландшафты приспособленности, по-видимому, представляют собой не множество одиноких пиков, а сложные лабиринты горных хребтов. Двигаясь по гребням, белок может обходить пропасти, но на это уходит очень много времени. Именно поэтому многие белки, унаследованные современными организмами от последнего общего предка вс го живого, до сих пор так и не достигли предельного уровня несхожести и продолжают медленно расходиться в пространстве <>. Рисунок с сайта classes.yale.edu
Анализ аминокислотных последовательностей 572 древних белков, закодированных в геномах 836 бактерий и архей и унаследованных ими от последнего общего предка всего живого (LUCA), показал, что накопление различий между родственными белками, выполняющими одну и ту же функцию, происходило очень медленно и продолжается до сих пор. Предел расхождения так и не был достигнут за 3,5 млрд лет эволюции. По-видимому, накопление аминокислотных замен сдерживается сложными взаимодействиями ме ду разными участками белковой молекулы. Более 90% аминокислотных позиций в каждом белке в принципе могут быть изменены без снижения функциональности, но любое конкретное изменение возможно только в определенном аминокислотном <>, и поэтому в каждый момент времени реально осуществимы изменения лишь около 2% позиций.
1. Вавилонская библиотека белковых молекул
В рассказе Борхеса <> описана невообразимо огромная библиотека, содержащая абсолютно все возможные тексты определенной длины, составленные из определенного набора символов. При этом в библиотеке нет двух одинаковых книг. Схожий образ громадного, но всё же конечного <> (sequence space) используют специалисты по биоинформатике, изучающие эволюцию белков. Это воображаемое прост анство включает абсолютно все возможные последовательности из 20 аминокислот, длина которых соответствует реальному диапазону длин природных белков. Например, для белка длиной в 300 аминокислот существует 20300 возможных последовательностей. По сравнению с этим числом количество элементарных частиц во Вселенной (порядка 1080) выглядит ничтожно малым.
Каждая точка в пространстве последовательностей соответствует одному белку, а расстояние между двумя точками отражает величину различий между двумя белками. Эволюцию белковой молекулы можно представить как движение в пространстве последовательностей.
Каждой функции, выполняемой белками, соответствует некая область в пространстве последовательностей, в пределах которой любая точка -- это белок, способный успешно справиться с данной функцией. До тех пор пока эволюция белковой молекулы идет без смены функции, ее движение должно быть ограничено этой областью.
Ключевой вопрос состоит в том, насколько велики такие области и какова их структура. Теоретически они могут быть как сплошными полями, так и лабиринтами узких тропинок, разделенных <>.
Полезным дополнением к образу <> является образ <> (fitness landscape). Каждой точке пространства последовательностей соответствует та или иная величина <>, или эффективности выполнения белком своей функции. Принято представлять области высокой приспособленности в виде возвышенностей, низкой -- в виде долин или ям (рис. 1). При этом вышеупомянутые <> приобретают вид горных плато, <> становятся ребтами, а <> -- долинами и пропастями.
2. Вселенная древних белков продолжает расширяться
Фундаментальная статья, посвященная изучению общих законов эволюционного движения белков по ландшафтам приспособленности, опубликована 19 мая на сайте журнала Nature. Авторы статьи, Инна Поволоцкая и Федор Кондрашов, в настоящее время работают в Центре геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне.
Материалом для исследования послужили аминокислотные последовательности 572 древних белков, которые имелись уже у последнего общего предка всего живого (LUCA) и были унаследованы его потомками, а также нуклеотидные последовательности соответствующих генов из геномов 836 бактерий и архей. Эти белки называют <>, потому что после >3,5 млрд лет независимой эволюции в телах разнообразных потомков LUCA они до сих пор сохранили некоторое сходство своих аминокислотных последов ательностей (вплоть до поразительного 40-процентного сходства рибосомных белков L14 у бактерий и архей) и продолжают выполнять те же функции, что и у LUCA.
Рис. 2. Расширение физической и белковой Вселенной. Стрела времени направлена сверху вниз. Слева: в ходе расширения физической Вселенной увеличиваются расстояния от произвольно выбранного объекта (например, Земли) до других объектов, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию. Справа: в ходе расширения <> дочерние молекулы удаляются в пространстве последовательностей от исходной точки, которая соответствует одному из белков LUCA. При этом дистанции между произвольн о выбранным объектом (например, белком, принадлежащим эволюционной линии, которая привела к кишечной палочке E. coli) и другими объектами (родственными белками других эволюционных линий) постепенно растут. Однако белки с данной функцией не могут выйти за пределы <> подобласти в пространстве последовательностей -- иначе это будет уже другой белок, выполняющий другую функцию (эволюционные события, связанные со сменой функции белка, в обсуждаемой работе не рассматриваются). Подобласть, соответствующая данной функции, изобр жена на рисунке в виде внутреннего круга. Рано или поздно расходящиеся белки достигнут границ этой области, и дальнейшее расхождение станет невозможным (справа внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Первый вопрос, который поставили перед собой авторы, состоит в том, достигли уже эти белки максимального расхождения в пространстве последовательностей или их расхождение (накопление отличий друг от друга и от исходного предкового белка) всё еще продолжается? Сохранение высокого сходства после 3,5 млрд лет независимой эволюции, казалось бы, говорит о том, что возможности изменения этих белков весьма ограничены. Можно предположить, что области в пространстве последовательностей, соответствующие их функциям, сравнительно невел ики, и предел расхождения давно достигнут. Но возможно и другое объяснение. Эти области могут быть велики, но труднопроходимы. Например, они могут представлять собой лабиринт из немногочисленных узких хребтов, разделенных пропастями, и поэтому на <> всего потенциально доступного пространства требуется больше времени, чем прошло с момента появления LUCA.
Авторы проводят интересную аналогию между эволюцией белков и расширением Вселенной. Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем расстояние между галактиками положительно коррелирует со скоростью их разлетания. Экстраполируя эту тенденцию в прошлое, Хаббл пришел к выводу, что разлетание должно было начаться из одной точки. Эта идея легла в основу современной теории Большого взрыва. Нечто подобное происходит и с белками, расходящимися от общего предка -- исходного белка с данной функцией, который был зако дирован в геноме LUCA (рис. 2).
Чтобы выяснить, закончилось ли уже расширение <> или оно продолжается до сих пор, авторы применили оригинальные методы анализа белковых последовательностей. Рис. 3 иллюстрирует общий принцип, лежащий в основе примененной методики. Использовались четверки гомологичных (происходящих от одного предка) и выполняющих одну функцию белков. В качестве первых двух белков для каждой четверки брались близкородственные молекулы, обладающие высоким сходством аминокислотных последовательностей. Эти два бе ка назывались <>, и именно их эволюция анализировалась в рамках данной четверки.
Третий белок отличался от сестринских белков сильнее, чем они друг от друга. Он выполнял роль <>, позволяя понять, какие аминокислотные замены произошли в первом, а какие во втором сестринском белке. Например, если у внешнего белка в данной позиции стоит аминокислота K (лизин), и такая же аминокислота стоит здесь у первого из двух сестринских белков, а у второго в этом месте находится другая аминокислота (например, Y -- тирозин), то считалось, что K в данной позиции -- это <>, исходное состояние, а у второго сестринского белка произошла замена K на Y.
К этим трем белкам добавлялся четвертый, еще более далекий от сестринских, чем третий. Если у четвертого белка в данной позиции стоит аминокислота K (как на рис. 3), то делался вывод, что у второго сестринского белка произошло эволюционное изменение, увеличившее дистанцию между белками 2 и 4: белки разошлись. Если бы у четвертого белка здесь стояла аминокислота Y, то был бы сделан вывод, что в результате изменения, затронувшего белок 2, белки 2 и 4 сблизились.
Рис. 3. Принцип анализа белковых последовательностей, примененный в обсуждаемой работе. Для определения направленности аминокислотных замен (ведут ли они к увеличению или уменьшению сходства с другими гомологичными последовательностями) использовались четверки гомологичных белков, родственные отношения между которыми изображены в виде дерева. Анализ такой четверки позволяет понять, растет или снижается сходство между первыми двумя белками и четвертым. В данном случае считается, что у первого белка << предковая>> (имеющаяся у белков 2 и 3) аминокислота R в 11-й позиции (выделена синим) заменилась на E, что привело к росту сходства первого белка с четвертым, то есть к их сближению в пространстве последовательностей. У второго белка <> аминокислота K в 3-й позиции (выделена красным) заменилась на Y, что привело к снижению сходства второго белка с четвертым, то есть к их расхождению в пространстве последовательностей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Это очень хитрая методика, позволяющая обойти некоторые подводные камни, характерные для биоинформационных исследований. Она позволяет оценивать направленность эволюции (схождение или расхождение) у пары весьма удаленных друг от друга белков (например, таких как белки 1 и 4 или 2 и 4), несмотря на то, что достоверная реконструкция предковых состояний аминокислотных позиций возможна только при сравнении достаточно близких белков (например, таких как 1, 2 и 3).
В простейшем варианте расчетов учитывалось только совпадение / несовпадение аминокислот. В более сложном варианте учитывалась еще и степень сходства между разными аминокислотами, что позволило вовлечь в анализ гораздо большее число аминокислотных позиций (впрочем, на конечный результат это не повлияло).
В общей сложности было обработано 13,6 миллионов таких четверок. Для каждой четверки определялось число замен, ведущих к сближению последовательностей (Nt) и к их расхождению (Na). По соотношению этих величин (Nt/Na) можно понять общую тенденцию: расходятся ли белки, сближаются или балансируют вокруг некого постоянного уровня сходства последовательностей.
Оказалось, что даже у наиболее удаленных друг от друга гомологичных белков тенденция к расхождению значительно преобладает над тенденцией к сближению (Nt/Na < 1). Следовательно, <> продолжает расширяться, и пределы областей, соответствующих их функциям, за 3,5 млрд лет так и не были достигнуты. Эволюция этих белков была крайне медленной. Что же ее сдерживало? Решению этой проблемы посвящена вторая часть статьи, приводящая на память другой рассказ Борхеса -- <>.
3. Лабиринт расходящихся тропок
Обычного <>, отсеивающего неудачные (снижающие приспособленность) аминокислотные замены, явно недостаточно для того, чтобы объяснить медленную эволюцию древних белков. Предположение о том, что каждая аминокислота, стоящая в данной позиции, влияет на приспособленность одинаковым образом независимо от <> (то есть от того, какие аминокислоты стоят в других позициях в том же белке или в других белках, взаимодействующих с ним), соответствует представлению о легко проходимом ландшафте приспособлен ости (см. рис. 4c). Но со времен LUCA в каждом синонимичном сайте (так называют те нуклеотиды в цепи ДНК, изменение которых не влияет на структуру кодируемого белка) произошло уже свыше 100 замен. Синонимичные нуклеотидные замены -- это пример движения по ровным горизонтальным поверхностям ландшафта приспособленности. Из этого следует, что в случае хорошей проходимости ландшафта изучаемые белки давным-давно должны были освоить всю потенциально доступную им область в пространстве последовательностей, и тогда мы не наблюда и бы их продолжающегося расхождения.
Резко уменьшить проходимость ландшафта приспособленности -- превратить его в лабиринт узких тропок или горных хребтов -- может так называемый эпистаз (см. epistasis). В данном случае под эпистазом понимается зависимость влияния аминокислотной позиции на общую приспособленность белка от других аминокислотных позиций в том же белке или от свойств других эволюционирующих молекул (например, других белков или функциональных РНК), взаимодействующих с данным белком. Наличие эпистаза предполага ет, что многие аминокислотные замены являются допустимыми только в определенных контекстах. Если же контекст иной, данная замена будет снижать приспособленность, и отбор ее отбракует. Это явление в эволюции белков изучалось ранее на конкретных примерах (об одном из таких исследований рассказано в заметке Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, <>, 12.04.2006). Если эпистаз широко распространен, белок может добраться до многих потенциально достижимых пунктов в пространстве последо вательностей только долгим обходным путем (рис. 4b).
Для проверки гипотезы о важной роли эпистаза в эволюции белков авторы придумали хитроумный тест, основанный на сопоставлении темпов накопления <> и <> мутаций с дистанциями между белками. Темпы накопления мутаций в данном случае вычислялись другим, более изощренным методом, чем в первой части статьи (что диктовалось требованиями поставленной задачи). В частности, использовалось не абсолютное число замен, а доля реализованных замен данного типа из общего числа потенциально возможных для данной последова тельности. Основная идея состояла в том, что гипотезы о наличии и отсутствии эпистаза дают противоположные предсказания о том, как должна меняться частота закрепления сближающих и разводящих мутаций по мере снижения сходства между белками.
Если влияние эпистаза невелико, то у двух близких белков темп накопления разводящих мутаций должен быть высоким, а по мере расхождения последовательностей он должен снижаться. Темп накопления сближающих мутаций при этом должен оставаться примерно постоянным.
Если же эпистаз оказывает сильное влияние на эволюцию белков, всё должно быть наоборот: разводящие мутации должны накапливаться с примерно постоянной скоростью, а темп накопления сближающих мутаций в начале должен быть высоким, а по мере расхождения белков он должен снижаться.
Проведенные расчеты убедительно подтвердили гипотезу о сильном влиянии эпистаза на эволюцию белков. Оказалось, что темп накопления разводящих мутаций практически не зависит от дистанции между белками. В каждый момент времени лишь около 2% аминокислотных позиций могут быть изменены без снижения приспособленности, хотя в долгосрочной перспективе более 90% позиций могут измениться -- но к этим изменениям нужно идти долгими обходными путями по лабиринту узких <> ландшафта приспособленности. У близких, недавно р зошедшихся белков темп накопления сближающих мутаций (отнесенный к числу потенциально возможных мутаций такого типа) очень высок, потому что у близких белков аминокислотный <> для каждой позиции является сходным. Поэтому та аминокислота, которая недавно стояла в данной позиции, с большой вероятностью может <> на свое место, и это не снизит приспособленность. Напротив, у сильно отличающихся белков данная позиция уже находится в сильно отличающихся контекстах, и поэтому <> аминокислоты, которая стоял а здесь у далекого предка, с большой вероятностью снизит приспособленность, и мутация будет отсеяна.
В открытом авторами снижении вероятности сближающих мутаций по мере расхождения белков ярко проявляется правило необратимости эволюции: чем сильнее разошлись белки, тем меньше у них шансов снова стать похожими (см. также: Закон необратимости эволюции объяснен на молекулярном уровне, <>, 30.09.2009).
Рис. 4. Пространство последовательностей можно изобразить в виде графа, вершины которого соответствуют разным последовательностям (в данном случае показаны последовательности из двух нуклеотидов), а рёбра — единичным эволюционным событиям (нуклеотидным заменам). В первом случае (a) ландшафт приспособленности представляет собой сплошное ровное плато: все 16 последовательностей имеют одинаково высокую приспособленность и все возможные мутации разрешены (не будут отбракованы отбором). Два к ратчайших пути, соединяющие последовательности AT и GC, состоят всего из двух мутационных шагов (толстые фиолетовые стрелки). Во втором случае (b) половина последовательностей имеют пониженную приспособленность (отмечены черными кругами). При этом снижение приспособленности определяется не конкретным нуклеотидом в конкретной позиции, а уникальной комбинацией обоих нуклеотидов. Согласованное влияние двух или более нуклеотидов (или аминокислот) на приспособленность называют «эпистазом». Эпистаз резко снижает п оходимость ландшафта: число доступных траекторий снижается, и кратчайший путь между двумя пунктами (например, от AT к GC) удлиняется. В третьем случае (c) тоже половина последовательностей имеют пониженную приспособленность, но эпистаза нет: нуклеотиды A и G во второй позиции снижают приспособленность независимо от состояния первой позиции. Отсутствие эпистаза способствует тому, что ландшафт остается легко проходимым, и от AT к GC можно прийти всего за два шага, как и в первом случае. Рисунок из обсуждаемой ст атьи в Nature
Таким образом, ландшафт приспособленности белков отличается повышенной <>, он похож на труднопроходимый лабиринт узких горных хребтов, передвигаться по которому эволюционирующие белки могут лишь очень медленно. Один из выводов работы состоит в том, что крупномасштабные модели эволюции белков обязательно должны учитывать влияние эпистаза. Кроме того, эту работу можно рассматривать как новый весьма сильный аргумент в пользу единства происхождения всего живого. Подобно тому как разбегающиеся галактики указывают а существовавший в прошлом единый центр, из которого все объекты во Вселенной начали свое движение, так и продолжающееся по сей день <> древних белков недвусмысленно указывает на их происхождение от единого предка (см. также: Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, <>, 19.05.2010).
Источник: Inna S. Povolotskaya, Fyodor A. Kondrashov. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe // Nature. Advance online publication 19 May 2010. Doi:10.1038/nature09105.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
Шимпанзе не бросают сирот
11.02.10 | Этология, Психология, Елена Наймарк | Комментарии (1)
Взрослый самец шимпанзе колет орехи для своей маленькой приемной дочки. Фото из обсуждаемой статьи в PlosOne
Немецкие ученые в течение 30 лет вели наблюдения за группами шимпанзе в естественной среде. Они установили, что в природе шимпанзе нередко берут на воспитание детенышей-сирот, потерявших мать. Такой поступок связан с исключительными личными затратами и рисками; он не приносит приемным родителям никакой пользы. Это проявление настоящего альтруизма, какого в условиях неволи ученым зафиксировать не удавалось. Альтруистическое поведение у шимпанзе, как и в человеческих обществах, формируется при наличии мощного внешнего врага и межгрупповых конфликтов.
Альтруизм — это бескорыстная помощь другим, не предполагающая награды. С точки зрения здравого, «экономического» смысла альтруизм вреден: индивидуум затрачивает силы, не получая ничего взамен. Тем не менее, вопреки логике, альтруистическое поведение существует. Это означает, что наш здравый смысл не учитывает каких-то важных преимуществ альтруистического поведения, за счет которых оно могло появиться в ходе эволюционного развития. Эволюционисты разработали модели, в которых альтруистическое поведение оказывается выгодным и поддерживается отбором. Эти модели базируются на двух невзаимоисключающих механизмах — родственном отборе и реципрокной (взаимной) пользе.
Родственный отбор подразумевает, что особи, совершая дорогостоящие альтруистические поступки, обеспечивают репродуктивный успех своим родственникам — носителям тех же генов, в число которых входят и гены альтруистического поведения. Чем ближе родственники, на которых направлен альтруистический акт, тем больше шансов на сохранение и передачу потомству своих генов. Таким способом происходит становление и закрепление альтруистического поведения.
При реципрокном альтруизме совершающий добрые поступки ожидает возвратной пользы в будущем, то есть это поведение по принципу «ты мне — я тебе». Этот тип взаимоотношений в коллективах разных животных чрезвычайно распространен. Он практикуется, естественно, и в человеческих обществах и на нем основаны многие экономические модели. Однако в современном мире (в обществах европейского типа) реципрокный альтруизм зачастую не признается настоящим и трактуется в негативном смысле как фарисейство — настоящий альтруизм совершается от всего сердца и без ожидания награды. Подобная благотворительность, направленная не на родственников и не ожидающая будущих выгод, считается исключительным свойством человеческого сознания и человеческого общества. Эксперименты, проводимые на животных, в подавляющем большинстве случаев подтверждают эту человеческую уникальность.
Однако новые данные, полученные группой исследователей из Института эволюционной антропологии Макса Планка (Лейпциг, Германия) и из Швейцарского центра научных исследований (Абиджан, Кот-д’Ивуар) под руководством Кристофа Беша (Сhristophe Boesch), свидетельствуют о существовании высокой морали и среди животных.
Группа Кристофа Беша в течение почти трех десятилетий проводит наблюдения за несколькими популяциями лесных шимпанзе в их естественной обстановке в национальном парке Берега Слоновой Кости. За это время ученые обнаружили, что в этих популяциях практикуются оригинальные технологии добывания орехов и обучение молодежи этим технологиям, а также что шимпанзе умеют планировать свои отношения с членами стада. Кроме того, удалось подтвердить наличие превосходной пространственной памяти у шимпанзе. Последняя статья приматологов в журнале PLoS ONE доказывает наличие у шимпанзе такого чистого проявления альтруизма, как усыновление.
Взять на воспитание осиротевшего малыша — это достаточно дорогостоящее предприятие; даже в человеческих обществах находится не много сердобольных граждан, берущих на себя такую ответственность и такие затраты. А уж в животном мире и подавно. Ведь родителям-шимпанзе приходится не только кормить приемыша, но и таскать его на себе или, рискуя жизнью, ждать уставшего малыша, пока всё стадо уже ушло вперед; нужно защищать его от внешних опасностей и делить с ним свое спальное место, ограждать от нападок сородичей, а такое частенько случается не только в детских человеческих коллективах, но и среди обезьян.
Обычно все эти затраты и риски берет на себя мать. Ее родительское участие продолжается три–пять лет, пока детеныш не станет совсем взрослым. Редко случается, что отец шимпанзенка принимает на себя долю всех этих трудностей. Его родительский вклад ограничивается лишь более частыми играми со своим ребенком, чем с другими малышами такого же возраста. Поэтому, когда у шимпанзенка умирает мать, он чаще всего тоже не выживает или очень сильно отстает в развитии — слишком трудна и опасна жизнь для неокрепших членов стада. Шимпанзенок-сирота может нормально вырасти только в случае усыновления. В условиях неволи случаи усыновления неизвестны. Но в природе, как показали наблюдения, такое случается.
За 27 лет ученые зарегистрировали 36 малышей-сирот, из которых были усыновлены 18. Примерно половина усыновленных детенышей (10 из 18) выжила. Среди приемышей было примерно одинаковое число девочек и мальчиков. Удивительно, что приемными родителями становились не только самки, но и самцы (тех и других было примерно поровну), хотя отцовская забота у шимпанзе редкость. Причем, как показали генетические тесты и наблюдения, среди самцов-усыновителей был только один настоящий отец осиротевшего детеныша, остальные сердобольные самцы были подросшими братьями, друзьями погибших матерей или случайными членами группы.
Самец во время долгого вояжа несет на спине уставшего приемного детеныша. Фото из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
Так, например, пятимесячного Момо взял друг умершей матери, то же произошло и с двумя другими осиротевшими шимпанзятами. Четырех малышей опекали совсем не связанные с матерью взрослые обезьяны. Приемные родители показывали чудеса заботы. Ученые наблюдали, как приемный отец расколол за 2 часа около 200 орехов, из которых 80% отдал своему приемному сыну; другой самец много месяцев таскал на спине приемную дочку, не бросая ее в отчаянных встречах с соседним враждебным стадом. Немало трудностей пришлось пережить и Улиссу, среднеранговому самцу, дважды бравшего себе воспитанников. Самцы-конкуренты постоянно третировали его несчастных воспитанников, чтобы таким образом сводить с ним счеты. Ему приходилось вступать в драки, защищая приемных детенышей. Ему удавалось выдерживать конфликты в первый раз полтора года, во второй раз три месяца; потом он всё же бросал сирот. Поистине, за этими обезьяньими историями просматриваются настоящие трагедии с «человеческими» слезами!
Из-за того что многие приемные родители не были никак генетически связаны с сиротами, нельзя считать, что альтруизм у шимпанзе развился в результате родственного отбора — тогда сиротам старались бы помогать их близкие родичи. В действительности присутствие родственников не увеличивало вероятность усыновления. Трудно себе представить и реципрокную пользу от рискованной и дорогостоящей заботы о брошенных детенышах, поскольку самцы брали себе сирот обоего пола с равной вероятностью. Вряд ли они целенаправленно подращивали для себя будущих защитников или покладистых самок для спаривания — усыновление было выгодно лишь самим детенышам-сиротам и не давало никаких выгод взрослым альтруистам. По-видимому, воспитание сирот, забота о них приносит пользу всей популяции, увеличивая ее потенциальную численность.
Появление столь очевидного альтруизма ученые связывают с условиями жизни конкретной популяции. Все группы шимпанзе, в которых зафиксированы случаи усыновления, обитают в крайне опасном окружении. В отличие от других районов, с с этими группами соседствует внушительная популяция леопардов — наиболее опасных для шимпанзе хищников. Только кооперативное поведение — слаженные действия во благо стада — позволяют шимпанзе защищаться от этих свирепых врагов. В таких условиях и происходит становление альтруистического поведения. В других популяциях, где пресс хищников невелик, а также в неволе, подвиги становятся необязательными, альтруистическое поведение — вредным.
В человеческих обществах, между прочим, альтруистическое поведение тоже характерно для групп, живущих в окружении врагов и постоянно участвующих во внешних конфликтах. Таким образом, ясно видятся аналогии в становлении альтруистического поведения у шимпанзе и в человеческих группах. В связи с этим ученые предлагают пересмотреть не только методику изучения альтруизма у животных, содержащихся в неволе, но и по-новому оценить взаимоотношения в коллективах животных.
Источник: Christophe Boesch, Camille Bolé, Nadin Eckhardt, Hedwige Boesch. Altruism in Forest Chimpanzees: The Case of Adoption // PLoS ONE, 27 January, 2010.
См. также: А. В. Марков. Эволюция кооперации и альтруизма: от бактерий до человека — расширенная версия доклада на IV Международной конференции «Биология: от молекулы до биосферы», 15.12.2009 (обзорная статья о становлении альтруизма у животных).
Елена Наймарк
11.02.10 | Этология, Психология, Елена Наймарк | Комментарии (1)
Взрослый самец шимпанзе колет орехи для своей маленькой приемной дочки. Фото из обсуждаемой статьи в PlosOne
Немецкие ученые в течение 30 лет вели наблюдения за группами шимпанзе в естественной среде. Они установили, что в природе шимпанзе нередко берут на воспитание детенышей-сирот, потерявших мать. Такой поступок связан с исключительными личными затратами и рисками; он не приносит приемным родителям никакой пользы. Это проявление настоящего альтруизма, какого в условиях неволи ученым зафиксировать не удавалось. Альтруистическое поведение у шимпанзе, как и в человеческих обществах, формируется при наличии мощного внешнего врага и межгрупповых конфликтов.
Альтруизм — это бескорыстная помощь другим, не предполагающая награды. С точки зрения здравого, «экономического» смысла альтруизм вреден: индивидуум затрачивает силы, не получая ничего взамен. Тем не менее, вопреки логике, альтруистическое поведение существует. Это означает, что наш здравый смысл не учитывает каких-то важных преимуществ альтруистического поведения, за счет которых оно могло появиться в ходе эволюционного развития. Эволюционисты разработали модели, в которых альтруистическое поведение оказывается выгодным и поддерживается отбором. Эти модели базируются на двух невзаимоисключающих механизмах — родственном отборе и реципрокной (взаимной) пользе.
Родственный отбор подразумевает, что особи, совершая дорогостоящие альтруистические поступки, обеспечивают репродуктивный успех своим родственникам — носителям тех же генов, в число которых входят и гены альтруистического поведения. Чем ближе родственники, на которых направлен альтруистический акт, тем больше шансов на сохранение и передачу потомству своих генов. Таким способом происходит становление и закрепление альтруистического поведения.
При реципрокном альтруизме совершающий добрые поступки ожидает возвратной пользы в будущем, то есть это поведение по принципу «ты мне — я тебе». Этот тип взаимоотношений в коллективах разных животных чрезвычайно распространен. Он практикуется, естественно, и в человеческих обществах и на нем основаны многие экономические модели. Однако в современном мире (в обществах европейского типа) реципрокный альтруизм зачастую не признается настоящим и трактуется в негативном смысле как фарисейство — настоящий альтруизм совершается от всего сердца и без ожидания награды. Подобная благотворительность, направленная не на родственников и не ожидающая будущих выгод, считается исключительным свойством человеческого сознания и человеческого общества. Эксперименты, проводимые на животных, в подавляющем большинстве случаев подтверждают эту человеческую уникальность.
Однако новые данные, полученные группой исследователей из Института эволюционной антропологии Макса Планка (Лейпциг, Германия) и из Швейцарского центра научных исследований (Абиджан, Кот-д’Ивуар) под руководством Кристофа Беша (Сhristophe Boesch), свидетельствуют о существовании высокой морали и среди животных.
Группа Кристофа Беша в течение почти трех десятилетий проводит наблюдения за несколькими популяциями лесных шимпанзе в их естественной обстановке в национальном парке Берега Слоновой Кости. За это время ученые обнаружили, что в этих популяциях практикуются оригинальные технологии добывания орехов и обучение молодежи этим технологиям, а также что шимпанзе умеют планировать свои отношения с членами стада. Кроме того, удалось подтвердить наличие превосходной пространственной памяти у шимпанзе. Последняя статья приматологов в журнале PLoS ONE доказывает наличие у шимпанзе такого чистого проявления альтруизма, как усыновление.
Взять на воспитание осиротевшего малыша — это достаточно дорогостоящее предприятие; даже в человеческих обществах находится не много сердобольных граждан, берущих на себя такую ответственность и такие затраты. А уж в животном мире и подавно. Ведь родителям-шимпанзе приходится не только кормить приемыша, но и таскать его на себе или, рискуя жизнью, ждать уставшего малыша, пока всё стадо уже ушло вперед; нужно защищать его от внешних опасностей и делить с ним свое спальное место, ограждать от нападок сородичей, а такое частенько случается не только в детских человеческих коллективах, но и среди обезьян.
Обычно все эти затраты и риски берет на себя мать. Ее родительское участие продолжается три–пять лет, пока детеныш не станет совсем взрослым. Редко случается, что отец шимпанзенка принимает на себя долю всех этих трудностей. Его родительский вклад ограничивается лишь более частыми играми со своим ребенком, чем с другими малышами такого же возраста. Поэтому, когда у шимпанзенка умирает мать, он чаще всего тоже не выживает или очень сильно отстает в развитии — слишком трудна и опасна жизнь для неокрепших членов стада. Шимпанзенок-сирота может нормально вырасти только в случае усыновления. В условиях неволи случаи усыновления неизвестны. Но в природе, как показали наблюдения, такое случается.
За 27 лет ученые зарегистрировали 36 малышей-сирот, из которых были усыновлены 18. Примерно половина усыновленных детенышей (10 из 18) выжила. Среди приемышей было примерно одинаковое число девочек и мальчиков. Удивительно, что приемными родителями становились не только самки, но и самцы (тех и других было примерно поровну), хотя отцовская забота у шимпанзе редкость. Причем, как показали генетические тесты и наблюдения, среди самцов-усыновителей был только один настоящий отец осиротевшего детеныша, остальные сердобольные самцы были подросшими братьями, друзьями погибших матерей или случайными членами группы.
Самец во время долгого вояжа несет на спине уставшего приемного детеныша. Фото из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
Так, например, пятимесячного Момо взял друг умершей матери, то же произошло и с двумя другими осиротевшими шимпанзятами. Четырех малышей опекали совсем не связанные с матерью взрослые обезьяны. Приемные родители показывали чудеса заботы. Ученые наблюдали, как приемный отец расколол за 2 часа около 200 орехов, из которых 80% отдал своему приемному сыну; другой самец много месяцев таскал на спине приемную дочку, не бросая ее в отчаянных встречах с соседним враждебным стадом. Немало трудностей пришлось пережить и Улиссу, среднеранговому самцу, дважды бравшего себе воспитанников. Самцы-конкуренты постоянно третировали его несчастных воспитанников, чтобы таким образом сводить с ним счеты. Ему приходилось вступать в драки, защищая приемных детенышей. Ему удавалось выдерживать конфликты в первый раз полтора года, во второй раз три месяца; потом он всё же бросал сирот. Поистине, за этими обезьяньими историями просматриваются настоящие трагедии с «человеческими» слезами!
Из-за того что многие приемные родители не были никак генетически связаны с сиротами, нельзя считать, что альтруизм у шимпанзе развился в результате родственного отбора — тогда сиротам старались бы помогать их близкие родичи. В действительности присутствие родственников не увеличивало вероятность усыновления. Трудно себе представить и реципрокную пользу от рискованной и дорогостоящей заботы о брошенных детенышах, поскольку самцы брали себе сирот обоего пола с равной вероятностью. Вряд ли они целенаправленно подращивали для себя будущих защитников или покладистых самок для спаривания — усыновление было выгодно лишь самим детенышам-сиротам и не давало никаких выгод взрослым альтруистам. По-видимому, воспитание сирот, забота о них приносит пользу всей популяции, увеличивая ее потенциальную численность.
Появление столь очевидного альтруизма ученые связывают с условиями жизни конкретной популяции. Все группы шимпанзе, в которых зафиксированы случаи усыновления, обитают в крайне опасном окружении. В отличие от других районов, с с этими группами соседствует внушительная популяция леопардов — наиболее опасных для шимпанзе хищников. Только кооперативное поведение — слаженные действия во благо стада — позволяют шимпанзе защищаться от этих свирепых врагов. В таких условиях и происходит становление альтруистического поведения. В других популяциях, где пресс хищников невелик, а также в неволе, подвиги становятся необязательными, альтруистическое поведение — вредным.
В человеческих обществах, между прочим, альтруистическое поведение тоже характерно для групп, живущих в окружении врагов и постоянно участвующих во внешних конфликтах. Таким образом, ясно видятся аналогии в становлении альтруистического поведения у шимпанзе и в человеческих группах. В связи с этим ученые предлагают пересмотреть не только методику изучения альтруизма у животных, содержащихся в неволе, но и по-новому оценить взаимоотношения в коллективах животных.
Источник: Christophe Boesch, Camille Bolé, Nadin Eckhardt, Hedwige Boesch. Altruism in Forest Chimpanzees: The Case of Adoption // PLoS ONE, 27 January, 2010.
См. также: А. В. Марков. Эволюция кооперации и альтруизма: от бактерий до человека — расширенная версия доклада на IV Международной конференции «Биология: от молекулы до биосферы», 15.12.2009 (обзорная статья о становлении альтруизма у животных).
Елена Наймарк
Гонка вооружений — двигатель эволюции
01.03.2010
Схема строения бактериофага (слева) и электронная микрофотография фага Т4. Изображения с сайтов www.thenakedscientists.com и www.scienceclarified.com
Эксперименты с вирусами Ф2 и их жертвами, бактериями Pseudomonas fluorescens, подтвердили классические представления, согласно которым эволюционная «гонка вооружений» резко ускоряет накопление генетических различий и способствует дивергенции (расхождению) эволюционирующих линий. Вирусы, вынужденные приспосабливаться к эволюции своих жертв, накапливали мутации быстрее и становились более разнообразными по сравнению с теми вирусами, которым исследователи позволили из поколения в поколение паразитировать на генетически идентичных (не эволюционирующих) бактериях.
Эволюционные «гонки вооружений» (evolutionary arms race), по-видимому, являются одним из самых мощных двигателей эволюции. Если бы среда обитания организмов оставалась строго постоянной, естественный отбор, скорее всего, привел бы их строение и физиологию к некому локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или вовсе прекратиться. Но среда обитания не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важнейшие параметры среды зависят от других живых организмов. Эволюция постоянно подстегивается положительными обратными связями, потому что изменения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, и так далее, до бесконечности. «Гонка вооружений» может идти как между разными видами (например, когда газели и гепард! ы «соревнуются» друг с другом в скорости бега), так и внутри вида (той же газели, чтобы выжить, не так важно обогнать гепарда, как хотя бы одну другую газель), или, например, между самцами и самками (см.: П. Н. Петров. Самцы жуков-плавунцов насильники и убийцы; Sexual conflict).
Эти соображения легли в основу широко известной «гипотезы Черной королевы» (Red Queen’s hypothesis), о которой мы рассказывали в заметке Современные паразиты опаснее прошлых и будущих («Элементы», 12.12.2007). Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность (эффективность размножения) на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).
Всё это кажется достаточно простым и очевидным, но получить прямое экспериментальное подтверждение этих моделей не так-то просто, потому что эволюция, как известно, процесс медленный. Впрочем, биологи уже наловчились ставить красивые эксперименты по «эволюции в пробирке», используя для этого модельные объекты с быстрой сменой поколений, такие как бактерии, вирусы, дрожжи, насекомые или круглые черви.
В новой статье, опубликованной на сайте журнала Nature, британские биологи сообщили о новом экспериментальном подтверждении теоретических представлений, согласно которым антагонистическая сопряженная эволюция паразитов и их хозяев ускоряет эволюционные изменения и способствует росту генетического разнообразия (что, в свою очередь, является важнейшей предпосылкой для видообразования). В качестве модельной системы «паразит–хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Ф2. С этой системой удобно работать, потому что вирусов и зараженных ими бактерий можно в любой момент разделить: бактерий можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных химических препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.
Ранее авторы уже установили, что в этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al. Experimental coevolution with bacteria and phage: the Pseudomonas fluorescens–Ф2 model system // Infect. Genet. Evol. 2007. V. 7. P. 547–552). До сих пор эти изменения анализировались только на уровне фенотипа (по способности вирусов заражать тех или иных бактерий и по способности бактерий защищаться). Оставались неизвестными молекулярные механизмы адаптации и скорость изменений на уровне ДНК (скорость молекулярной эволюции).
В эксперименте использовались бактерии, которые изначально были генетически идентичными, и исходно одинаковые вирусы. Всего было создано 12 подопытных популяций, каждая из которых изначально содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (E) и «коэволюция» (C).
В популяциях группы E было позволено эволюционировать только вирусам, а бактерий при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) заменяли исходными, «наивными» микробами. В группе C экспериментаторы позволяли эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Эволюционный эксперимент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы (прочтены) геномы вирусов в каждой из 12 подопытных популяций. Эти геномы затем сравнивались с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).
Оказалось, что у вирусов из группы C в ходе эксперимента закрепилось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы E (в среднем 11 мутаций). Чем «появление» мутации отличается от ее «закрепления», см. в заметке Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений («Элементы», 02.11.2009). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет накопление изменений на уровне ДНК (молекулярную эволюцию).
Популяции из группы C не только накопили больше отличий от исходного вируса. Они и друг от друга стали отличаться намного сильнее, чем популяции из группы E. Иными словами, вирусы из группы C значительно ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, действительно способствует генетической дивергенции и, в конечном счете, видообразованию.
Соответствует ли генетическая дивергенция фагов из шести популяций группы C дивергенции по фенотипу, то есть по способности заражать тех или иных бактерий? В поисках ответа авторы пытались заразить этими вирусами каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших вместе с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что шесть вирусных популяций различаются по своей способности заражать тех или иных бактерий, то есть имеют разные «спектры инфекционности». При этом чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционности. Характерно, что ни один из вирусов группы E не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы C. Получается, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от подобных вирусов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали от них в эволюционно! й гонке.
Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом (ref) и популяциями из групп C и E. Видно, что популяции C сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции E. Параллельное независимое закрепление ряда мутаций в разных популяциях привело к тому, что на этой схеме 12 ветвей, соответствующих 12 экспериментальным популяциям, не расходятся в виде звездочки от своего общего предка (ref), что в точности отражало бы их эволюционную историю, а образуют древовидную фигуру. Это, между прочим, лишний раз подчеркивает низкую достоверность эволюционных реконструкций, основанных на небольшом числе адаптивных признаков. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы из группы C накопили больше мутаций, чем вирусы из группы E (таких генов было выявлено четыре), участвуют в прикреплении фага к бактериальной клетке. От успешности этой процедуры зависит, сумеет ли фаг заразить бактерию. По-видимому, именно эти четыре гена являются для вирусов теми «вооружениями», на которые они делают ставку в «гонке».
Еще один интересный результат состоит в том, что в шести популяциях группы E многие эволюционные изменения оказались одинаковыми, то есть под действием одинаковых факторов отбора в разных популяциях закрепились одни и те же мутации. В популяциях группы C доля таких параллелизмов была ниже (см.: Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006).
Данная работа интересна прежде всего как хороший пример прямого экспериментального подтверждения теоретических моделей, давно уже ставших общепринятыми, но до сих пор опиравшихся в основном на косвенные данные.
Источник: Paterson S. et al. Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution // Nature. 2010. Advance online publication 24 February 2010.
См. также об эволюционной гонке вооружений:
1) Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007.
2) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
3) Муравьи стараются не пахнуть как гусеницы, пахнущие как муравьи, «Элементы», 10.01.2008.
4) Неядовитые змеи вырабатывают устойчивость к смертоносному яду тритонов, «Элементы», 21.03.2008.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
01.03.2010
Схема строения бактериофага (слева) и электронная микрофотография фага Т4. Изображения с сайтов www.thenakedscientists.com и www.scienceclarified.com
Эксперименты с вирусами Ф2 и их жертвами, бактериями Pseudomonas fluorescens, подтвердили классические представления, согласно которым эволюционная «гонка вооружений» резко ускоряет накопление генетических различий и способствует дивергенции (расхождению) эволюционирующих линий. Вирусы, вынужденные приспосабливаться к эволюции своих жертв, накапливали мутации быстрее и становились более разнообразными по сравнению с теми вирусами, которым исследователи позволили из поколения в поколение паразитировать на генетически идентичных (не эволюционирующих) бактериях.
Эволюционные «гонки вооружений» (evolutionary arms race), по-видимому, являются одним из самых мощных двигателей эволюции. Если бы среда обитания организмов оставалась строго постоянной, естественный отбор, скорее всего, привел бы их строение и физиологию к некому локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или вовсе прекратиться. Но среда обитания не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важнейшие параметры среды зависят от других живых организмов. Эволюция постоянно подстегивается положительными обратными связями, потому что изменения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, и так далее, до бесконечности. «Гонка вооружений» может идти как между разными видами (например, когда газели и гепард! ы «соревнуются» друг с другом в скорости бега), так и внутри вида (той же газели, чтобы выжить, не так важно обогнать гепарда, как хотя бы одну другую газель), или, например, между самцами и самками (см.: П. Н. Петров. Самцы жуков-плавунцов насильники и убийцы; Sexual conflict).
Эти соображения легли в основу широко известной «гипотезы Черной королевы» (Red Queen’s hypothesis), о которой мы рассказывали в заметке Современные паразиты опаснее прошлых и будущих («Элементы», 12.12.2007). Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность (эффективность размножения) на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).
Всё это кажется достаточно простым и очевидным, но получить прямое экспериментальное подтверждение этих моделей не так-то просто, потому что эволюция, как известно, процесс медленный. Впрочем, биологи уже наловчились ставить красивые эксперименты по «эволюции в пробирке», используя для этого модельные объекты с быстрой сменой поколений, такие как бактерии, вирусы, дрожжи, насекомые или круглые черви.
В новой статье, опубликованной на сайте журнала Nature, британские биологи сообщили о новом экспериментальном подтверждении теоретических представлений, согласно которым антагонистическая сопряженная эволюция паразитов и их хозяев ускоряет эволюционные изменения и способствует росту генетического разнообразия (что, в свою очередь, является важнейшей предпосылкой для видообразования). В качестве модельной системы «паразит–хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Ф2. С этой системой удобно работать, потому что вирусов и зараженных ими бактерий можно в любой момент разделить: бактерий можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных химических препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.
Ранее авторы уже установили, что в этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al. Experimental coevolution with bacteria and phage: the Pseudomonas fluorescens–Ф2 model system // Infect. Genet. Evol. 2007. V. 7. P. 547–552). До сих пор эти изменения анализировались только на уровне фенотипа (по способности вирусов заражать тех или иных бактерий и по способности бактерий защищаться). Оставались неизвестными молекулярные механизмы адаптации и скорость изменений на уровне ДНК (скорость молекулярной эволюции).
В эксперименте использовались бактерии, которые изначально были генетически идентичными, и исходно одинаковые вирусы. Всего было создано 12 подопытных популяций, каждая из которых изначально содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (E) и «коэволюция» (C).
В популяциях группы E было позволено эволюционировать только вирусам, а бактерий при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) заменяли исходными, «наивными» микробами. В группе C экспериментаторы позволяли эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Эволюционный эксперимент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы (прочтены) геномы вирусов в каждой из 12 подопытных популяций. Эти геномы затем сравнивались с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).
Оказалось, что у вирусов из группы C в ходе эксперимента закрепилось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы E (в среднем 11 мутаций). Чем «появление» мутации отличается от ее «закрепления», см. в заметке Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений («Элементы», 02.11.2009). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет накопление изменений на уровне ДНК (молекулярную эволюцию).
Популяции из группы C не только накопили больше отличий от исходного вируса. Они и друг от друга стали отличаться намного сильнее, чем популяции из группы E. Иными словами, вирусы из группы C значительно ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, действительно способствует генетической дивергенции и, в конечном счете, видообразованию.
Соответствует ли генетическая дивергенция фагов из шести популяций группы C дивергенции по фенотипу, то есть по способности заражать тех или иных бактерий? В поисках ответа авторы пытались заразить этими вирусами каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших вместе с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что шесть вирусных популяций различаются по своей способности заражать тех или иных бактерий, то есть имеют разные «спектры инфекционности». При этом чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционности. Характерно, что ни один из вирусов группы E не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы C. Получается, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от подобных вирусов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали от них в эволюционно! й гонке.
Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом (ref) и популяциями из групп C и E. Видно, что популяции C сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции E. Параллельное независимое закрепление ряда мутаций в разных популяциях привело к тому, что на этой схеме 12 ветвей, соответствующих 12 экспериментальным популяциям, не расходятся в виде звездочки от своего общего предка (ref), что в точности отражало бы их эволюционную историю, а образуют древовидную фигуру. Это, между прочим, лишний раз подчеркивает низкую достоверность эволюционных реконструкций, основанных на небольшом числе адаптивных признаков. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы из группы C накопили больше мутаций, чем вирусы из группы E (таких генов было выявлено четыре), участвуют в прикреплении фага к бактериальной клетке. От успешности этой процедуры зависит, сумеет ли фаг заразить бактерию. По-видимому, именно эти четыре гена являются для вирусов теми «вооружениями», на которые они делают ставку в «гонке».
Еще один интересный результат состоит в том, что в шести популяциях группы E многие эволюционные изменения оказались одинаковыми, то есть под действием одинаковых факторов отбора в разных популяциях закрепились одни и те же мутации. В популяциях группы C доля таких параллелизмов была ниже (см.: Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006).
Данная работа интересна прежде всего как хороший пример прямого экспериментального подтверждения теоретических моделей, давно уже ставших общепринятыми, но до сих пор опиравшихся в основном на косвенные данные.
Источник: Paterson S. et al. Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution // Nature. 2010. Advance online publication 24 February 2010.
См. также об эволюционной гонке вооружений:
1) Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007.
2) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
3) Муравьи стараются не пахнуть как гусеницы, пахнущие как муравьи, «Элементы», 10.01.2008.
4) Неядовитые змеи вырабатывают устойчивость к смертоносному яду тритонов, «Элементы», 21.03.2008.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
среда, 28 июля 2010 г.
ПОЧЕМУ ОДНИ ЛЮДИ С ГОДАМИ СТАНОВЯТСЯ ТОЛСТЫМИ, А ДРУГИЕ - НЕТ: МНЕНИЕ ПСИХОЛОГА
Татьяна БАТЕНЁВА
На главную страницу
Темы дня:
• Сюрпризы инфракрасной астрономии
• Ученые пролили свет на необъяснимые свойства воды
• Ученые выясили, в чем заключаются лечебные свойства чеснока
• Профессор психиатрии определил основную функцию сна
• Cозданным для советской лунной программы двигателям нашли применение
• Загадочная "цивилизация Караля": первый город Нового Света
• История создания последней отечественной автоматической станции, побывавшей на Луне
begun Дать объявление
Лучшие туры в Австрию
Туры и путевки в Австрию. Вена, Зальцбург, экскурсии по городам Европы
www.votpusk.ru
Все объявления
Российский психолог Валерия Долгих выяснила, почему одни люди с годами становятся толстыми, а другие - нет. Ее открытия могут стать импульсом к созданию совершенно новых методов лечения ожирения.
Начни с себя
Рано или поздно этот вопрос встает почти перед каждым. Почему, ну почему невозможно сохранить стройную фигуру, как в юности? Откуда берутся эти лишние килограммы, эти складки на боках, эти расплывшиеся очертания? Вроде и ем, как обычно, и фитнесом занимаюсь - а все без толку!
Психологу Валерии Долгих всего 30 лет. Молодой специалист еще несколько лет назад, после окончания университета, начала замечать, что набирает вес, хотя с детства отличалась стройностью. Валерия начала анализировать, как изменились ее пищевые предпочтения, режим дня, как и когда она ест. Стала наблюдать и за своими друзьями и знакомыми. А потом как истинный профессионал решила: почему бы всерьез не сравнить отношение к еде, восприятие своего тела, пищевые пристрастия тех, кто постоянно держит нормальный вес, и тех, кто явно страдает его избытком?
С их согласия Валерия сформировала две группы испытуемых, в которые вошли ее друзья, знакомые, посетители фитнес-центра, в котором она вела консультации, - всего 60 человек в возрасте от 22 до 30 лет. 60% добровольцев были молодыми специалистами, 20% - студентами, по 10% - руководителями среднего и высшего звена и предпринимателями. У половины из них по нормативам Всемирной организации здравоохранения вес был в норме, вторая - отличалась либо излишним весом, либо даже ожирением. Методами исследования были структурированное интервью и наблюдение.
- Мне приходилось наблюдать своих подопечных и в ситуациях обеда или ужина в ресторане, дома, на импровизированных праздниках в офисе, когда кто-то приносит тортик и предлагает что-то отметить, - рассказала "Неделе" Валерия. - Оказалось, во всех этих ситуациях испытуемые двух групп ведут себя совершенно по-разному.
Получилось интересное исследование, аналогов которому мы не нашли даже в международных медицинских журналах, посвященных проблемам ожирения. Его опубликовал журнал "Вопросы психологии". Что же сумела выяснить Валерия Долгих?
На выбор - 10 секунд
Наблюдение и интервью Валерия проводила в течение года, потом еще два года занял анализ полученных данных. Первым значимым открытием оказалось то, что толстые и стройные по-разному выбирают еду. У людей с избыточным весом процесс выбора пищи занимал не больше 10 секунд. Стройные тратили на него не меньше минуты, а часто и больше.
При этом для первых этот процесс был почти автоматическим (поесть после прихода домой, при просмотре телевизора и т.д.), у них присутствовало четкое убеждение, что это "нужно". Они эмоционально воспринимали продукт, который видели в рекламе, обращали внимание на красивый внешний вид пищи. Многие черпали в еде дополнительные психологические ресурсы - она помогала им успокоиться, избавиться от негативных эмоций. Нередко они ели не потому, что были голодны, а на случай, если невозможно будет поесть позже... Вторые же ели только тогда, когда чувствовали голод.
Больше не могу
Вторым важным отличием оказалось в том, когда именно толстые и стройные решали, что уже наелись. Люди с нормальным весом определяли состояние сытости как отсутствие всяких ощущений в желудке либо как ощущение легкого голода. Для людей с избыточным весом понятие "я наелся" означало появление тяжести в желудке, а ее отсутствие воспринималось как дискомфорт ("как будто и не ел").
При достижении сытости люди с нормальным весом сразу же прекращали есть, иначе это, по их определениям, приводило "к неприятным ощущениям тяжести, сонливости, брожения в желудочно-кишечном тракте, тошноты". Люди с лишним весом продолжали есть до появления той самой тяжести в желудке.
Сам процесс питания у испытуемых тоже протекал по-разному. Полные люди за столом часто были погружены в какие-то посторонние мысли либо акцентировали свое внимание только на вкусовых ощущениях. Испытуемые из второй группы были сконцентрированы на комплексе вкусовых ощущений и ощущений в собственном желудке. Вероятно, предполагает Валерия, именно это позволяло им более тонко реагировать на момент, когда стоит завершить трапезу.
Кто на кухне фаворит?
По-разному относятся стройные и толстяки ко всевозможным вкусовым добавкам, соусам, приправам. Люди с нормальной массой тела обнаружили неприятие вкусовых добавок с резким вкусом или употребляли их в небольших количествах. Причиной, по их мнению, было то, что все эти вкусовые добавки заглушают естественный вкус продуктов.
У испытуемых с лишним весом было заметно явное снижение чувствительности к вкусовым ощущениям. Они часто включали в рацион продукты с острым вкусом - кетчуп, майонез и т.п. По-видимому, компенсировать сниженную чувствительность к вкусовым ощущениям они пытались, усиливая разнообразными добавками вкус потребляемой пищи. Снижение чувствительности исследовательница заметила у них и в отношении самих себя.
Так, изменение собственного веса они замечали далеко не сразу - только после того, как он увеличивался более чем на 10 кг. "Стройняшки" же замечали увеличение собственного веса даже на 1-2 кг и связывали с этим ощущение тяжести при движении, повышение утомляемости, описывали это чувство словами "как будто что-то мешает".
Мама плохому не научит
Особенно интересовали Валерию Долгих различия в установках, которые, как правило, формируются еще в раннем детстве и определяют наше пищевое поведение. Например, люди с нормальным весом считали лишний вес показателем плохого здоровья и неприемлемым для себя. Более того, они даже затруднялись представить себя в образе толстяка или толстушки.
Зато люди из группы испытуемых с лишним весом воспринимали такую особенность как необходимость. И вспоминали, что в детстве часто слышали от родных фразы типа: "Хорошего человека должно быть много", "Что ты такой худенький, не заболел?" и т.д. В семьях представителей этой группы стереотип красоты человека был связан с полнотой: "Женская краса - грудь да коса", "Что это у тебя такие ножки худенькие?"
Валерия также выявила, что у многих из них в жизни был период, когда они считали худобу и особенности своей конституции (маленькая грудь, тонкие ноги, узкий таз) большим недостатком и воспринимали увеличение веса как способ исправить этот недостаток. То есть в детстве у людей из этой группы сформировалось позитивное отношение к полноте. Более того, в раннем детстве они были невзыскательны в пище: ели все, что предлагали родители. Люди с нормальным весом, напротив, ели только то, что им нравилось, и отстояли свое право отказываться от еды, которой им не хотелось.
Анализ выявил также и различия в отношении к своему телу. Полные люди воспринимали свое тело как "пустоту", "мешок", "полость", то есть нечто безжизненное. А стройные - как "цветок", "растение", то есть как живой организм, который нуждается в уходе и заботе.
Какая такая конституция
Самым важным в работе Валерии Долгих являются выводы. Она смогла убедительно доказать: основной причиной лишнего веса у большинства людей является вовсе не физиология, а психологические установки.
- Это позволяет с большим скепсисом относиться к популярным аргументам оправдания лишнего веса типа - "это особенности моей конституции", "у меня слишком медленный обмен веществ" и тому подобным, - считает Валерия Долгих. - И доказать таким людям, что у них есть все возможности для управления собственным весом.
Современные исследования проблемы ожирения можно разделить на два направления: генетики ищут "ген ожирения", психологи исследуют причины нарушения пищевого поведения. Но есть и связи между этими двумя направлениями. Например, известно, что у родителей с лишним весом часто и дети становятся такими. Какого влияния здесь больше: генов или воспитания? Валерия считает, что причина в установках, которые закладываются в детстве на примере родителей. Поэтому и путь к нормализации веса лежит через осмысление и преобразование этих установок.
Причина сидит в голове
На основе результатов исследования Долгих разработала программу по нормализации веса и апробировала ее в пилотной группе. Достигнуты неплохие результаты. Она планирует создать собственную методику, особенность которой будет заключаться в естественном снижении веса, без жестких диет и запредельных физических нагрузок.
Для нас же важно не только то, что российская исследовательница предложила совершенно новый подход к решению проблемы века. Ведь это первая научная работа по сравнительному анализу установок и особенностей самовосприятия людей с нормальным и лишним весом.
Но помимо этого, пользуясь ее методом, мы можем теперь и сами проанализировать свой "роман с едой", собственное отношение к себе и сделать выводы. Может, и не надо считать калории и истязать себя йогой? А просто поменять что-то в голове?
Татьяна БАТЕНЁВА
На главную страницу
Темы дня:
• Сюрпризы инфракрасной астрономии
• Ученые пролили свет на необъяснимые свойства воды
• Ученые выясили, в чем заключаются лечебные свойства чеснока
• Профессор психиатрии определил основную функцию сна
• Cозданным для советской лунной программы двигателям нашли применение
• Загадочная "цивилизация Караля": первый город Нового Света
• История создания последней отечественной автоматической станции, побывавшей на Луне
begun Дать объявление
Лучшие туры в Австрию
Туры и путевки в Австрию. Вена, Зальцбург, экскурсии по городам Европы
www.votpusk.ru
Все объявления
Российский психолог Валерия Долгих выяснила, почему одни люди с годами становятся толстыми, а другие - нет. Ее открытия могут стать импульсом к созданию совершенно новых методов лечения ожирения.
Начни с себя
Рано или поздно этот вопрос встает почти перед каждым. Почему, ну почему невозможно сохранить стройную фигуру, как в юности? Откуда берутся эти лишние килограммы, эти складки на боках, эти расплывшиеся очертания? Вроде и ем, как обычно, и фитнесом занимаюсь - а все без толку!
Психологу Валерии Долгих всего 30 лет. Молодой специалист еще несколько лет назад, после окончания университета, начала замечать, что набирает вес, хотя с детства отличалась стройностью. Валерия начала анализировать, как изменились ее пищевые предпочтения, режим дня, как и когда она ест. Стала наблюдать и за своими друзьями и знакомыми. А потом как истинный профессионал решила: почему бы всерьез не сравнить отношение к еде, восприятие своего тела, пищевые пристрастия тех, кто постоянно держит нормальный вес, и тех, кто явно страдает его избытком?
С их согласия Валерия сформировала две группы испытуемых, в которые вошли ее друзья, знакомые, посетители фитнес-центра, в котором она вела консультации, - всего 60 человек в возрасте от 22 до 30 лет. 60% добровольцев были молодыми специалистами, 20% - студентами, по 10% - руководителями среднего и высшего звена и предпринимателями. У половины из них по нормативам Всемирной организации здравоохранения вес был в норме, вторая - отличалась либо излишним весом, либо даже ожирением. Методами исследования были структурированное интервью и наблюдение.
- Мне приходилось наблюдать своих подопечных и в ситуациях обеда или ужина в ресторане, дома, на импровизированных праздниках в офисе, когда кто-то приносит тортик и предлагает что-то отметить, - рассказала "Неделе" Валерия. - Оказалось, во всех этих ситуациях испытуемые двух групп ведут себя совершенно по-разному.
Получилось интересное исследование, аналогов которому мы не нашли даже в международных медицинских журналах, посвященных проблемам ожирения. Его опубликовал журнал "Вопросы психологии". Что же сумела выяснить Валерия Долгих?
На выбор - 10 секунд
Наблюдение и интервью Валерия проводила в течение года, потом еще два года занял анализ полученных данных. Первым значимым открытием оказалось то, что толстые и стройные по-разному выбирают еду. У людей с избыточным весом процесс выбора пищи занимал не больше 10 секунд. Стройные тратили на него не меньше минуты, а часто и больше.
При этом для первых этот процесс был почти автоматическим (поесть после прихода домой, при просмотре телевизора и т.д.), у них присутствовало четкое убеждение, что это "нужно". Они эмоционально воспринимали продукт, который видели в рекламе, обращали внимание на красивый внешний вид пищи. Многие черпали в еде дополнительные психологические ресурсы - она помогала им успокоиться, избавиться от негативных эмоций. Нередко они ели не потому, что были голодны, а на случай, если невозможно будет поесть позже... Вторые же ели только тогда, когда чувствовали голод.
Больше не могу
Вторым важным отличием оказалось в том, когда именно толстые и стройные решали, что уже наелись. Люди с нормальным весом определяли состояние сытости как отсутствие всяких ощущений в желудке либо как ощущение легкого голода. Для людей с избыточным весом понятие "я наелся" означало появление тяжести в желудке, а ее отсутствие воспринималось как дискомфорт ("как будто и не ел").
При достижении сытости люди с нормальным весом сразу же прекращали есть, иначе это, по их определениям, приводило "к неприятным ощущениям тяжести, сонливости, брожения в желудочно-кишечном тракте, тошноты". Люди с лишним весом продолжали есть до появления той самой тяжести в желудке.
Сам процесс питания у испытуемых тоже протекал по-разному. Полные люди за столом часто были погружены в какие-то посторонние мысли либо акцентировали свое внимание только на вкусовых ощущениях. Испытуемые из второй группы были сконцентрированы на комплексе вкусовых ощущений и ощущений в собственном желудке. Вероятно, предполагает Валерия, именно это позволяло им более тонко реагировать на момент, когда стоит завершить трапезу.
Кто на кухне фаворит?
По-разному относятся стройные и толстяки ко всевозможным вкусовым добавкам, соусам, приправам. Люди с нормальной массой тела обнаружили неприятие вкусовых добавок с резким вкусом или употребляли их в небольших количествах. Причиной, по их мнению, было то, что все эти вкусовые добавки заглушают естественный вкус продуктов.
У испытуемых с лишним весом было заметно явное снижение чувствительности к вкусовым ощущениям. Они часто включали в рацион продукты с острым вкусом - кетчуп, майонез и т.п. По-видимому, компенсировать сниженную чувствительность к вкусовым ощущениям они пытались, усиливая разнообразными добавками вкус потребляемой пищи. Снижение чувствительности исследовательница заметила у них и в отношении самих себя.
Так, изменение собственного веса они замечали далеко не сразу - только после того, как он увеличивался более чем на 10 кг. "Стройняшки" же замечали увеличение собственного веса даже на 1-2 кг и связывали с этим ощущение тяжести при движении, повышение утомляемости, описывали это чувство словами "как будто что-то мешает".
Мама плохому не научит
Особенно интересовали Валерию Долгих различия в установках, которые, как правило, формируются еще в раннем детстве и определяют наше пищевое поведение. Например, люди с нормальным весом считали лишний вес показателем плохого здоровья и неприемлемым для себя. Более того, они даже затруднялись представить себя в образе толстяка или толстушки.
Зато люди из группы испытуемых с лишним весом воспринимали такую особенность как необходимость. И вспоминали, что в детстве часто слышали от родных фразы типа: "Хорошего человека должно быть много", "Что ты такой худенький, не заболел?" и т.д. В семьях представителей этой группы стереотип красоты человека был связан с полнотой: "Женская краса - грудь да коса", "Что это у тебя такие ножки худенькие?"
Валерия также выявила, что у многих из них в жизни был период, когда они считали худобу и особенности своей конституции (маленькая грудь, тонкие ноги, узкий таз) большим недостатком и воспринимали увеличение веса как способ исправить этот недостаток. То есть в детстве у людей из этой группы сформировалось позитивное отношение к полноте. Более того, в раннем детстве они были невзыскательны в пище: ели все, что предлагали родители. Люди с нормальным весом, напротив, ели только то, что им нравилось, и отстояли свое право отказываться от еды, которой им не хотелось.
Анализ выявил также и различия в отношении к своему телу. Полные люди воспринимали свое тело как "пустоту", "мешок", "полость", то есть нечто безжизненное. А стройные - как "цветок", "растение", то есть как живой организм, который нуждается в уходе и заботе.
Какая такая конституция
Самым важным в работе Валерии Долгих являются выводы. Она смогла убедительно доказать: основной причиной лишнего веса у большинства людей является вовсе не физиология, а психологические установки.
- Это позволяет с большим скепсисом относиться к популярным аргументам оправдания лишнего веса типа - "это особенности моей конституции", "у меня слишком медленный обмен веществ" и тому подобным, - считает Валерия Долгих. - И доказать таким людям, что у них есть все возможности для управления собственным весом.
Современные исследования проблемы ожирения можно разделить на два направления: генетики ищут "ген ожирения", психологи исследуют причины нарушения пищевого поведения. Но есть и связи между этими двумя направлениями. Например, известно, что у родителей с лишним весом часто и дети становятся такими. Какого влияния здесь больше: генов или воспитания? Валерия считает, что причина в установках, которые закладываются в детстве на примере родителей. Поэтому и путь к нормализации веса лежит через осмысление и преобразование этих установок.
Причина сидит в голове
На основе результатов исследования Долгих разработала программу по нормализации веса и апробировала ее в пилотной группе. Достигнуты неплохие результаты. Она планирует создать собственную методику, особенность которой будет заключаться в естественном снижении веса, без жестких диет и запредельных физических нагрузок.
Для нас же важно не только то, что российская исследовательница предложила совершенно новый подход к решению проблемы века. Ведь это первая научная работа по сравнительному анализу установок и особенностей самовосприятия людей с нормальным и лишним весом.
Но помимо этого, пользуясь ее методом, мы можем теперь и сами проанализировать свой "роман с едой", собственное отношение к себе и сделать выводы. Может, и не надо считать калории и истязать себя йогой? А просто поменять что-то в голове?
Подписаться на:
Сообщения (Atom)