Жизнь — случайность: важность генетического шума

Одним из первых это направление начал развивать Фрэнсис Гальтон — двоюродный брат Чарльза Дарвина. Он наблюдал за близнецами, пытаясь понять связь, существующую между «природой и воспитанием».

Но только ли эти две составляющие влияют на человека? Кажется, нет. Два близнеца, воспитывающиеся в одинаковых условиях, все равно не будут одинаковыми. У них будут разные отпечатки пальцев, разные родинки и веснушки. Тем более, будут отличаться умственные способности и склонность к психическим расстройствам.

Третий фактор, на который ученые раньше почти не обращали внимания — это биологический или генетический шум. В последние годы он становится одной из самых востребованных тем в молекулярной биологии.

Как результат, две генетически идентичные клетки развиваются по-разному. Одна может оставаться в состоянии покоя, а вторая быть активной. Или одна из них, к примеру, может производить вдвое больше соединений, чем вторая.

Шум выступает как серьезная проблема для научной работы. Как узнать законы развития растения или животного, если все, связанные с этим процессом, загрязнены? Исследователи из лаборатории Скотта Рифкина в Калифорнийском университете в Сан-Диего доказали, что при развитии в одной и той же среде одинаковых генетически измененных нематод, часть из них умирает, а часть вырастает без всяких проблем. В этом случае генетический шум означает разницу между жизнью и смерти.

Обычно влияние шума не так критично. Большая часть организмов старается защитить себя от него. Кроме того, иногда шум может играть позитивную роль. Клетки, организмы и популяции умеют использовать этот эффект удивительно изобретательными способами.

В глазах плодовой мухи есть клетки различных типов, которые отвечают за зрение. Разные грани глаза, которые формируются из клеток разных типов, соответствуют отдельным аспектам зрительного восприятия. Клетки глаза развиваются во многом случайно, под влиянием генетического шума, но этот процесс регулируется организмом. В итоге, муха получает нужное количество клеток каждого типа.

Шум также помогает защититься от неизвестности. Бактерии размножаются делением, поэтому особи в популяциях имеют высокую степень схожести. С эволюционной точки зрения это является проблемой. Изменение внешних условий может привести к гибели всех особей, поскольку все бактерии будут одинаково уязвимы.

В популяциях с большим разнообразием особей вероятность того, что выживет хотя бы несколько организмов, выше. Генетический шум создает именно это необходимое разнообразие между особями. Это похоже на то, как биржевой игрок делает ставки и на повышение и на понижение одновременно. В периоды изменения окружающей среды шум усиливается, увеличивая разнообразие и делая выживание популяции бактерий более вероятным.

К сожалению, эта устойчивость определенных видов бактерий является проблемой для людей. Именно шум позволяет небольшому количеству бактерий избегать воздействия антибиотиков и размножаться вновь. Раковые клетки тоже используют шум против нас. Благодаря нему часть зараженных клеток остается устойчивой к химиотерапии.

До сих пор популярной точкой зрения был генетический детерминизм. Считалось, что со временем генная инженерия позволит людям создавать себе детей на заказ: с нужными качествами и запланированными творческими склонностями. Последние исследования в области генетического шума позволяют сказать, что такого не будет никогда. Даже если мы будем полностью контролировать геном и внешние условия, шум все равно останется непредсказуемым.