В неодарвиновской теории мутации являются уникальными биологическими событиями, которые обеспечивают двигатель естественных вариаций для всего разнообразия жизни. Однако последние открытия показывают, что мутации – это чисто физический результат универсального механического повреждения, которое вмешивается во все молекулярные механизмы.

Жизненные механизмы исправления, предотвращения и ремонта ошибок сами подвергаются таким же повреждениям и разрушаются. Следствием этого является то, что вся многоклеточная жизнь на Земле подвергается неумолимому разрушению генома.

Уровень мутаций настолько высок, что они четко проявляются в течение жизни одного поколения людей, и страдают все особи, так что естественный отбор бессилен их отобрать. Эффекты в основном настолько малы, что естественный отбор все равно не может их «увидеть», даже если бы он мог удалить их носителей.

Наши репродуктивные клетки не обладают иммунитетом, как считалось ранее, а так же подвержены повреждениям, как и клетки нашего тела. Независимо от того, кто проводит расчеты, креационисты или эволюционисты, где-то от нескольких тысяч до нескольких миллионов мутаций достаточно, чтобы привести человеческую линию к вымиранию, и это, вероятно, произойдет в течение времени от десятков до сотен тысяч лет.

Эти цифры намного меньше предполагаемых эволюционных временных масштабов.

Мутации разрушают

С тех пор как Хьюго де Врис открыл мутации в 1890-х годах, им отводится центральная роль в эволюционной теории.

Де Врис был настолько очарован этой темой, что разработал антидарвиновскую сальтационную теорию эволюции посредством одних только мутаций.¹ Но по мере накопления новых знаний выяснилось, что мутации с большим эффектом повсеместно смертельны, поэтому только мутации с малым эффектом могут достоверно считаться ценными для эволюции, и сальтационная теория де Вриса сошла на нет.

Когда в 1930-х и 1940-х годах возник неодарвиновский синтез, было заявлено, что мутации обеспечивают естественные вариации, на основе которых естественный отбор производит все новые формы жизни.

Однако, прямо противореча центральной роли мутаций в разнообразии жизни, мы видим все больше экспериментальных доказательств того, что мутации уничтожают жизнь. В медицинских кругах мутации повсеместно считаются пагубными. Они являются основной причиной старения,^{2 3} рака,^{4 5} и инфекционных заболеваний.⁶

Даже среди апологетов эволюции, которые ищут примеры полезных мутаций, лучшее, что они могут сделать, это привести примеры повреждающих мутаций, которые имеют полезные побочные эффекты (например, серповидно-клеточная анемия,⁷ делеция 32-й базовой пары в хромосоме человека, которая придает устойчивость к ВИЧ гомозиготам и задерживает начало СПИДа у гетерозигот,⁸ мутация CCR5-delta32,⁹ меланизм животных¹⁰ и супрессия тазовых позвонков колюшки¹¹).

Такие результаты совсем не удивительны в свете открытия, что ДНК подвергается до миллиона событий повреждения и восстановления на клетку в день.¹²

Физика мутаций

Неодарвиновская теория представляет мутации как уникальные биологические события, которые являются «двигателем» биологической изменчивости. Однако теперь, когда мы можем видеть, как жизнь работает в молекулярных деталях, становится очевидно, что мутации не являются уникальными биологическими событиями – это чисто физические события.

Жизнь протекает благодаря постоянному (часто молниеносному) движению молекулярных механизмов в клетках. Клетки полностью заполнены твердыми и жидкими веществами – в них нет свободного пространства.

Молекулярные машины, архитектура и внутренние структуры клетки состоят из длинных цепей органических полимеров (например, белков, ДНК, РНК, углеводов, липидов), а жидкость в основном представляет собой воду. Все формы движения подчиняются законам движения, однако последствия такого простого физического явления почти повсеместно игнорируются в биологии.

Первый закон Ньютона гласит, что физическое тело будет оставаться в состоянии покоя или продолжать двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила. Подумайте только о молекуле сообщения, которая передается из одной части клетки в другую.

Поскольку клетка полна других молекул, и в ней нет пустого пространства, молекула сообщения вскоре столкнется с другими молекулами и либо замедлится, либо остановится совсем. Это и есть универсальная проблема, известная как трение.

Трение может возникать по многим причинам, но грубо его можно разделить на два типа: один называется рассеканием, а другой – скольжением. Рассекание включает в себя физическое смещение материалов для облегчения движения объекта, в то время как скольжение возникает из-за нарушения адгезионных взаимодействий между соседними поверхностями.¹³

Молекулярные механизмы в клетках во многом обязаны своей структурой водородным связям, но они довольно слабые и легко разрываются. Например, большинство белков представляют собой длинные, прочно связанные цепи аминокислот, но эти длинные цепи свернуты в трехмерные компоненты механизма, а трехмерные структуры удерживаются вместе водородными связями.¹⁴

Когда такие структуры подвергаются механическому воздействию, передача импульса может деформировать или разорвать водородные связи и серьезно повредить функцию молекулы.

Внутренняя часть клетки по плотности и вязкости напоминает йогурт (рис. 1). Сушеные фрукты (темного цвета), добавленные в йогурт при изготовлении, отчетливо заметны в общей массе. Фрукты не продолжали диспергироваться в йогурте. Они были полностью остановлены первоначальным трением. Это похоже на то, что происходит в клетке – любое движение быстро гасится силами трения всех видов, приходящими со всех сторон.

Как клетки справляются с этим трением? По крайней мере, пятью различными способами.Рис. 2 Прозрачная упаковка фруктового йогурта иллюстрирует, как трение в вязкой жидкости остановило движение, инициированное смешиванием фруктов (темный цвет) с йогуртом (белый цвет).

Во-первых, по всей клетке имеются моторные белки, которые прикрепляются к подвижным молекулам и переносят их по волокнам и канальцам, составляющим цитоскелет клетки. Во-вторых, эти моторные белки постоянно подзаряжаются после фрикционных столкновений за счет энергии, поступающей в виде молекул АТФ.

В-третьих, к подвижным молекулам прикреплены «адресные метки», чтобы обеспечить их доставку в нужное место назначения (эффекты трения постоянно отклоняют подвижные молекулы от их курса). В-четвертых, тонкие пленки воды покрывают все молекулярные компоненты клеток и обеспечивают как защитный слой, так и смазку, которая снижает частоту и тяжесть фрикционных столкновений.

В-пятых, существует широкий спектр механизмов поддержания и восстановления, доступных для устранения повреждений, вызванных трением.

Проблема трения и ущерб, который возникает в результате трения, в клетках на порядки больше, чем в больших механических системах. Биомолекулы – это очень острые объекты с чрезвычайно шероховатыми и сильно слипающимися поверхностями. Их нельзя изготовить и отточить до гладкости, которой мы добиваемся в компонентах автомобильных двигателей, таких как поршни и маховики, и нельзя вставить шарикоподшипники для уменьшения площади контакта, как это делается в колесных осях.

В качестве биологического примера рассмотрим роторный двигатель, который приводит в движение бактериальный жгутик. Основные изнашиваемые поверхности находятся на роторе (прикрепленном к жгутику) и статоре (корпус ротора, прикрепленный к клеточной стенке). Статор состоит из 22 молекул, расположенных в 11 парах. Скорость износа настолько велика, что среднее время пребывания молекулы статора в статоре составляет всего около 30 секунд.¹⁵ Система обслуживания клетки держит в резерве около 200 молекул статора, чтобы справиться с такой огромной скоростью оборотов.

Поиск подходящих смазочных материалов для преодоления трения является одной из основных задач нанотехнологической промышленности. Для количественной оценки потенциальных смазочных материалов была разработана специальная техника под названием «микроскопия силы трения».¹⁶

Это показывает, что законы физики, действующие среди вязких компонентов клетки, предсказывают и объясняют высокую скорость молекулярных повреждений, которые мы наблюдаем в ДНК.

От 50% до 80% ДНК в клетке постоянно получает информацию, необходимую для повседневного метаболизма. Эта консультация требует многочисленных шагов, каждый из которых включает физическую деформацию ДНК – перемещение внутри ядра, наматывание и разматывание структур хроматина, разворачивание двойной спирали, связывание и развязывание механизмов транскрипции, повторное наматывание двойной спирали, повторное наматывание структур хроматина и перемещение внутри ядра.

Каждый шаг движения обеспечивается разрядами АТФ и неизбежно вызывает механические повреждения компонентов. Хотя большая часть этих повреждений восстанавливается, механизмы восстановления не являются на 100% совершенными, поскольку они сами подвергаются механическим повреждениям.¹⁷

Мутации быстро разрушают

Согласно неодарвиновской теории, естественный отбор должен стоять на страже наших геномов, поскольку он отсеивает нежелательные пагубные мутации и отдает предпочтение полезным. Это не так, считает эксперт по генетике профессор Джон Сэнфорд.¹⁸

Естественный отбор может отсеять только те мутации, которые оказывают значительное негативное влияние на приспособленность (количество производимого потомства). Но на такую «пригодность» влияет огромное количество факторов, и подавляющее большинство мутаций имеют слишком малый эффект, чтобы естественный отбор мог их обнаружить и удалить.

Более того, если средняя частота мутаций на человека в поколение составляет около 1 или более, то каждый человек является мутантом, и никакой отбор не сможет остановить вырождение всей популяции. Как выяснилось, частота мутаций в человеческой популяции намного больше 1. По оценкам Сэнфорда, их не менее 100, возможно, около 300, а может быть, и больше.

Вся многоклеточная жизнь страдает

Два недавних обзора литературы по мутациям не только подтверждают утверждения Сэнфорда, но и распространяют их на всю многоклеточную жизнь.

В обзоре, посвященном распределению эффектов приспособленности (fitness effects – DFE) мутаций,¹⁹ авторы не могут привести ни одного примера полезных для человека мутаций. В своих расчетах, касающихся скорости пагубных мутаций (MD) и нейтральных мутаций (MN), они используют равенства MD = 1 - MN и MN = 1 - MD, которые подразумевают, что скорость полезных мутаций равна нулю. Они приводят несколько ненулевых значений скорости полезных мутаций у некоторых экспериментальных организмов, но уточняют эти результаты, отмечая вмешательство других переменных.

В обзоре вариаций скорости мутаций у эукариот,²⁰ авторы признают, что все многоклеточные организмы подвергаются неумолимому разрушению генома в результате мутаций, поскольку естественный отбор не может устранить повреждения.²¹ Во вставке 2 и таблице 1 перечислены скорости пагубных мутаций для широкого круга многоклеточных организмов, и отмечается, что все они занижены, за исключением, возможно, плодовой мушки Drosophila melanogaster со значением 1,2. Значение, указанное для человека, составляет «~3».

Таким образом, вся многоклеточная жизнь на Земле переживает неумолимый распад генома. Из-за того, что скорость пагубных мутаций так высока, эффекты наиболее индивидуальных мутаций так малы, нет компенсаторных полезных мутаций, а естественный отбор неэффективен в устранении повреждений.

У неодарвинистского джаггернаута отвалились колеса!

Сколько времени осталось до вымирания?

Как долго сможет выживать многоклеточная жизнь в условиях всеобщей генетической деградации? Это очень важный вопрос, и я попытаюсь ответить на него, используя несколько различных доказательств.

Старение человека и рак

Недавно мы обнаружили, что у рака и старения есть общая биология – и то, и другое является результатом накопления молекулярных повреждений в клетках.²² Это подтверждает изложенные выше аргументы о том, что по чисто физическим причинам молекулярные механизмы подвергаются чрезвычайно высокой степени повреждениям, что четко прослеживается в течение жизни одного человека.

Каждая клетка имеет встроенные часы времени, чтобы ограничить эти повреждения и свести к минимуму вероятность ее превращения в раковую. При каждом делении клетки каждая теломера (колпачки на обоих концах хромосомы, удерживающие двойную спираль от распутывания) укорачивается на небольшую величину, пока не достигнет предела Хейфлика (Hayflick Limit), обнаруженного в 1965 году и составляющего чуть более 50 делений клетки. Затем клетки перестают делиться, разбираются на части и их части перерабатываются.

Добавление фермента теломеразы позволяет обойти проблему укорочения теломер, но в этом случае клетка подвергается большему риску стать раковой из-за накопления повреждений в других частях клетки. Общий баланс между защитой от повреждений и необходимостью долголетия определяет приспособленность (репродуктивный успех) и продолжительность жизни.²³

Нормальной реакцией организма на растущие повреждения генома является уничтожение поврежденных клеток посредством запрограммированного старения (одним из элементов которого являются теломерные часы с их пределом Хейфлика). Но клетки становятся злокачественными (раковыми), когда мутация отключает сам механизм старения, что позволяет поврежденным клеткам пролиферировать без ограничений.²² Предел Хейфлика, составляющий около 50 клеточных делений для человека, кажется, обеспечивает оптимальный баланс.

Пятьдесят человеческих поколений по 20 лет каждое дают нам всего 1 000 лет в качестве временной шкалы, в течение которой человеческая линия начнет испытывать значительную мутационную нагрузку в своем геноме. Это тревожно быстро по сравнению с предполагаемой эволюционной шкалой времени в миллионы и миллиарды лет.

Репродуктивные клетки

С тех пор как Август Вейсман в 1893 году опубликовал книгу «Зародышевая плазма: теория наследственности» (The Germ-Plasm: A Theory of Heredity),²⁴ было доказано, что между клетками тела (сомой) и клетками зародышевой линии (зародышевой плазмой)Рис. 3 Схематическое изображение продолжительности жизни человека (-), мужской фертильности (∙∙∙∙) и риска аномалий плода с возрастом матери (---). Несмотря на защитный лимит Хейфлика на деление клеток и продолжительность жизни, у человека накапливаются очень значительные молекулярные повреждения даже в самые продуктивные годы жизни. Мутации наносят еще больший ущерб, чем предполагает предел Хейфлика и связанные с ним показатели заболеваемости раком. существует дискретное разделение.

Считалось, что клетки зародышевой линии более защищены от мутаций, чем другие клетки тела. Однако недавно была обнаружена еще одна причина старения: наши стволовые клетки стареют в результате наследственного повреждения ДНК и дегенерации их поддерживающих ниш (специальных «гнезд» в большинстве органов и тканей тела, где стволовые клетки растут, питаются и защищаются).

Механизм укорачивания теломер, предназначенный для снижения заболеваемости раком, похоже, также вызывает нежелательный побочный эффект – снижение репликативной способности некоторых типов стволовых клеток с возрастом. Это снижение способности к регенерации привело к появлению «гипотезы стволовых клеток» для дегенеративных состояний, связанных с возрастом человека.²⁵

Проблемы с фертильностью у человека позволяют предположить, что снижение нишевой защиты стволовых клеток распространяется и на наши гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды). У мужчин фертильность, измеряемая количеством сперматозоидов, энергичностью спермы и шансами на зачатие, начинает значительно снижаться к 40-му году, а частота некоторых врожденных дефектов, связанных с отцовством, быстро возрастает с 30-и лет (рисунок 2).²⁶ У женщин вероятность врожденных дефектов быстро возрастает примерно после 35 лет, особенно из-за хромосомных аномалий (рисунок 2).

Таким образом, в середине наиболее продуктивной части нашей жизни наш организм демонстрирует явные признаки ухудшения состояния за счет накопления молекулярных повреждений в наших геномах.

Действительно ли клетки зародышевой линии получают меньше повреждений?

Когда было открыто, что ДНК является носителем наследственности, теория зародышевой плазмы Вайсмана породила «гипотезу бессмертной нити».

Считалось, что когда ДНК эмбриональной стволовой клетки реплицируется, «старая» нить остается в самообновляющейся «материнской» стволовой клетке, а вновь созданная дочерняя нить проходит путь дифференциации в клетку тела. Таким образом, «старая» нить остается свободной от ошибок, поскольку она не подвергалась ошибкам копирования, и таким образом становится фактически бессмертной.

Однако группа исследователей из Мемориального института Говарда Хьюза недавно проверила эту теорию на стволовых клетках, вырабатывающих кровь, и обнаружила, что они разделяют свои хромосомы случайным образом.²⁷ То есть «гипотеза бессмертных нитей» неверна.

Если стволовые клетки не получают такого преференциального отношения, то разумно заключить, что клетки зародышевой линии также подвержены тем же молекулярным повреждениям, что и соматические клетки. Это подтверждается наблюдением, что человеческая фертильность подвергается повреждениям задолго до того, как возрастные заболевания берут верх.

Длительности жизни одного поколения достаточно, чтобы даже в наших репродуктивных клетках проявились очень значительные мутационные повреждения.

Дилемма Холдейна

Серьезные противоречия, которые эти результаты представляют для неодарвиновской теории, подтверждают то, что стало известно как дилемма Холдейна.

Дж. Б. С. Холдейн был одним из архитекторов неодарвинизма, пионером его применения в популяционной биологии. Он понял, что естественному отбору потребуется много времени, чтобы закрепить выгодную мутацию в популяции – закрепление происходит, когда каждый член популяции имеет две копии аллеля, унаследовав его от матери и отца.

Холдейн подсчитал, что для позвоночных животных в среднем потребуется около 300 поколений, когда селективное преимущество составляет 10%.

У человека с 20-летним периодом поколений и примерно 6 миллионами лет, прошедших с момента последнего общего предка с шимпанзе, могло закрепиться только около 1 000 таких выгодных мутаций. Холдейн считал, что замены около 1 000 аллелей было бы достаточно для создания нового вида, но этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые различия между нами и нашими ближайшими предполагаемыми родственниками.

Измеренная разница между геномами человека и шимпанзе составляет около 125 миллионов нуклеотидов, которые, как считается, возникли в результате около 40 миллионов мутаций.²⁸ Если только 1000 из этих мутаций могли пройти естественный отбор для создания нового (человеческого) вида, это означает, что остальные 39 999 000 мутаций были пагубными, что полностью соответствует обзорам, показывающим, что подавляющее большинство мутаций пагубны. Следовательно, мы должны были выродится из обезьян, что является абсурдным выводом.

Согласно теории облегченной вариативности Киршнера и Герхарта²⁹, жизнь состоит из двух основных компонентов – сохраненных основных процессов (структура и механизмы клеток) и модульных регуляторных процессов (сигнальные цепи и переключатели, которые управляют механизмами и обеспечивают встроенный источник естественной вариативности). Поэтому 40 миллионов «мутационных» различий между людьми и шимпанзе гораздо разумнее объяснить как 40 миллионов модульных различий между дизайном шимпанзе и дизайном человека.

Количественные оценки времени до вымирания человека

Существует несколько различных способов оценить время, которое потребуется для того, чтобы неустанно накапливающиеся мутации привели наш вид к вымиранию.

Биномиальные оценки

Некоторые очень грубые оценки могут быть получены из биномиального распределения, которое может предсказать вероятность накопления нескольких мутаций в существенном генетическом функциональном модуле. Биномиальная модель мутирующего генома может состоять в том, что ДНК клетки разделена на N функциональных модулей, из которых Ne являются основными; то есть, линия не сможет воспроизвестись, если какой-либо из основных модулей будет отключен. Для любого данного мутационного события p = 1/N - вероятность «попадания», q - вероятность «промаха», и pq = 1.

Каково вероятное значение N? Мы можем получить две оценки, исходя из того, что существует около 25 000 генов, плюс открытие, сделанное в отчете пилотного исследования проекта ENCODE, что практически весь геном человека функционален.³⁰

Согласно первой оценке, среднестатистический белок содержит несколько сотен аминокислот, а каждая аминокислота требует три нуклеотида кода, поэтому среднестатистический ген будет занимать около 1 000 нуклеотидов пространства экзона (экзон – это часть гена, кодирующая белок). Во всем геноме человека около 3 миллиардов нуклеотидов, поэтому если мы предположим, что среднестатистический белок представляет собой среднестатистическую функциональную единицу, то N = 3 миллиона.

Вторая оценка получена из отчета ENCODE: регионы генов производят в среднем 5 транскриптов РНК на нуклеотид, а нетранслируемые регионы – в среднем 7 транскриптов РНК на нуклеотид. В нетранслируемых областях примерно в 33 раза больше нуклеотидов, чем в генных областях.

Если предположить, что размер транскриптов в каждом регионе примерно одинаков, тогда существует 25 000 x 5 = 125 000 генных транскриптов и 25 000 x 33 x 7 = 5 775 000 нетранслируемых транскриптов, что в сумме составляет N = 5 900 000. Таким образом, наши две оценки N составляют от 3 до 6 миллионов в круглых цифрах.

Каково вероятное значение Ne? Эксперименты с мышами показывают, что 85% генов могут быть выбиты по одному за раз без летального исхода.³¹ Это связано с надежностью и устойчивостью к сбоям через запасные процессы, встроенные в геномные конструкции. Это также означает, что отключение любого из оставшихся 15% генов приведет к летальному исходу.

Однако происходят множественные мутации, поэтому вероятное значение Ne при воздействии множественных мутаций будет гораздо выше, чем 15%. Максимально возможное значение – 100%.

В исследовании 2 823 метаболических путей человека, 96% при нарушении в результате мутации вызывали заболевания,³² поэтому если взять среднее значение между этим значением и минимальными 15%, то получится, что около 60% функциональных единиц являются необходимыми.

Сколько случайных мутаций требуется в среднем, чтобы вывести из строя важный функциональный модуль? В редких случаях одной мутации достаточно, чтобы лишить человека способности к размножению.

Модель двух мутаций распространена в раке. При исследовании сетей клеточной сигнализации эта модель обычно приводят к нокауту: (I) система запрограммированной смерти для борьбы с поврежденными (раковыми) клетками, и (II) нормальный контроль над пролиферацией клеток – таким образом, поврежденные раковые клетки могут размножаться без ограничений.

Также было обнаружено, что доля генов, связанных с раком, увеличивается с ростом числа связей между генами. Когда здоровый ген связан с более чем 6 мутировавшими генами, ~80% всех генов в сети становятся раковыми. Экстраполируя это, можно сделать вывод, что когда нормальный ген связан примерно с 10 мутировавшими генами, вся сеть становится раковой.³³

Почти 70% известных человеческих генов могут быть возбудителями рака, если они мутировали.³⁴ Рак может возникнуть в результате всего одной мутации в стволовой клетке или нескольких мутаций в соматических клетках.³⁵

Минимально возможное значение 1, как известно, встречается редко, поэтому более частое возникновение модели с двумя мутациями делает его разумным минимальным значением. Но для того, чтобы вся сеть стала дисфункциональной, может потребоваться, чтобы 10 модулей получили по две мутации.

Максимальное число попаданий, необходимое для выведения из строя одного модуля, может составлять 100 или более, но если среднестатистический функциональный модуль содержит только 1000 нуклеотидов, то эта цифра, составляющая 10% от общего числа, кажется довольно большой. Возможно, более вероятным средним значением является 10 случайных мутаций на функциональный модуль.

Чтобы обеспечить некоторый контекст для этих оценок, недавняя работа показывает, что система восстановления повреждений в контрольной точке клеточного цикла активируется, когда в клетке, находящейся в процессе деления, накапливается от 10 до 20 разрывов двух нитей.³⁶

То есть, жизнь будет терпеть только от 10 до 20 разрывов ДНК на клетку, прежде чем она начнет восстановительные работы, в то время как мы рассматриваем сценарии, в которых на клетку приходятся тысячи и миллионы повреждений. Наши цифры явно растут в той области, где механизмы восстановления клетки работают на пределе своих возможностей.

Какова же тогда вероятность накопления либо 2 мутаций в 10 модулях, либо 10 мутаций в одном модуле в любом из 15% или 60% из 3-6 миллионов функциональных модулей?

Биномиальное распределение в Microsoft Excel было использовано для следующих расчетов, при этом было сделано дополнительное предположение, что вероятность того, что модуль является критическим, должна превышать 50%, чтобы вымирание в следующем поколении было более вероятным, чем наоборот.

Предполагая 60%-ную необходимость, необходимо вывести из строя только один функциональный модуль, чтобы вероятность его существенного статуса превысила 50%. Для модели с двумя мутациями требуется от 6 000 до 12 000 мутаций, чтобы отключить десять из 3-6 миллионов функциональных модулей. Для 10-мутационной модели для выведения из строя одного функционального модуля требуется от 3 до 6 миллионов мутаций.

Если предположить, что необходимость составляет 15%, то необходимо отключить четыре модуля, чтобы вероятность того, что хотя бы один из них существенен, превысила 50%. Для модели с двумя мутациями требуется от 250 000 до 500 000 мутаций, чтобы вывести из строя десять модулей с четырьмя мутациями в каждом из 3-6 миллионов функциональных модулей. Для модели с 10 мутациями требуется от 3,7 до 7,5 миллионов мутаций, чтобы вывести из строя четыре функциональных модуля.

Если каждая особь производит 100 новых мутаций каждое поколение (при условии, что время генерации составляет 20 лет) и эти мутации распределяются между 3-6 миллионами функциональных модулей по всему геному, то среднее время до вымирания составляет:

1,200 - 2,400 лет для модели «2 мутации в 10 модулях» и 60% необходимости

50 000 - 100 000 лет для модели «2 мутации в 10 модулях» и 15% необходимости

600 000 - 1 200 000 лет для модели с 10 мутациями и 60% необходимости

от 740 000 до 1 500 000 лет для модели с 10 мутациями и 15% необходимости.

Отсекающий отбор

Эволюционный генетик доктор Джеймс Кроу утверждал, что человек, вероятно, защищен «отсекающим отбором».²⁶ Сокращение происходит, когда естественный отбор преимущественно удаляет особей с наибольшей мутационной нагрузкой.

Генетик растений Джон Сэнфорд проверил утверждения Кроу на практике, разработав компьютерную симуляцию сокращения. Его предположения были следующими: 100 особей в популяции, 100 мутаций на особь в поколение, 4 потомка на особь женского пола, 25% негенетических случайных смертей в поколение и 50% отбора против наиболее мутантных потомков в поколение.

Сэнфорд предположил, что средняя потеря приспособленности на мутацию составляет 1 к 10 000. Его вид вымер всего за 300 поколений. При времени жизни поколения в 20 лет это соответствует 6 000 лет.³⁷

Предположения Сэнфорда несколько нереалистичны, но есть и другие пути решения проблемы. Мутации – это чистые случайные события, которые, следуя распределению Пуассона (Poisson distribution), ведет себя как нормальная кривая, когда среднее ожидаемое значение больше примерно 30.³⁸

В распределении Пуассона дисперсия равна среднему ожидаемому значению, а стандартное отклонение – квадратному корню из дисперсии. Когда среднее ожидаемое значение равно 100, стандартное отклонение будет равно 10. Нормальная кривая теперь говорит нам следующее:

Половина людей будет страдать от 100 мутаций или больше, а половина людей – от 100 мутаций или меньше.

Около 84% людей будут страдать от 110 мутаций или меньше, поэтому оставшиеся 16% людей будут страдать от 110 и более мутаций. В качестве альтернативы, около 16% людей будут страдать от 90 или менее мутаций.

Около 97,7% населения будут испытывать 120 мутаций или меньше, а оставшиеся 2,3% будут испытывать 120 мутаций или больше. Или же 2,3% будут страдать от 80 или меньше.

Около 99,9% населения будет испытывать 130 мутаций или меньше, а оставшиеся 0,1% будут испытывать 130 или более мутаций. Альтернативно, 0,1% будет иметь 70 или меньше мутаций.Таблица 1 Расчетное число поколений и лет до вымирания для популяций различных размеров, когда приспособленность снижается на 1,5% в каждом поколении.

Если мы удалим самых мутантных – тех, у кого более 130 мутаций на человека в поколение, – то мы удалим только 0,1% населения, и это практически ничего не изменит. Если мы удалим наиболее мутантные 50% населения, это также не решит проблему по двум причинам.

Во-первых, подавляющее большинство оставшихся людей по-прежнему страдают от 70 до 100 мутаций на человека в поколение, что намного выше значения 1, которое обеспечивает неумолимый упадок. Во-вторых, удаление половины популяции каждое поколение привело бы к ее вымиранию через несколько десятков поколений.

Синергетический эпистаз и размер популяции

Ни одна из вышеприведенных моделей не включает эффект синергетического эпистаза (если один ген мутировал, его влияние смягчается благодаря скоординированной активности других генов) или размера популяции. Мы можем включить их, используя оценку Кроу, согласно которой приспособленность человеческой расы в настоящее время деградирует со скоростью от 1 до 2% в поколение.

Если мы используем среднее значение 1,5%, то только 98,5% следующего поколения будут производить репродуктивно жизнеспособное потомство. В следующем поколении после этого будет только 98,5% выживших, способных произвести репродуктивно жизнеспособное потомство, и так далее.

Для любого данного стабильного размера популяции N, размер следующего поколения, способного произвести репродуктивно жизнеспособное потомство, будет равен 98,5% от N, а для любого данного количества поколений G, количество выживших, способных произвести репродуктивно жизнеспособное потомство, будет равно (98,5%)G от N.

В таблице 1 показано приблизительное число поколений, после которого популяция вырождается до вымирания (остается только одна особь, поэтому размножение не может продолжаться). Ни одна популяция не может выдержать постоянную потерю жизнеспособности в 1,5%.

Приведенная выше модель предполагает, что с самого начала в каждом поколении будет происходить потеря 1,5% пригодности. Однако биномиальное моделирование, проведенное ранее, показало, что особи могут переносить от нескольких тысяч до нескольких миллионов мутаций, прежде чем повреждения критически нарушат их способность к размножению. Это означает, что синергетический эпистаз является реальным явлением – жизнь устойчива перед лицом мутационного нападения. Вместо немедленной потери 1,5% в каждом поколении, популяция в целом будет оставаться здоровой в течение гораздо более длительного времени, прежде чем ущерб станет очевидным.

Однако скорость накопления мутаций останется прежней, потому что причина остается прежней – механическое повреждение. Это означает, что большинство людей будут внешне здоровы, но затем приблизятся к порогу дисфункции за гораздо более короткий период времени, что приведет к катастрофе популяции, а не к ее медленному сокращению.

В любом случае, однако, временные масштабы будут примерно одинаковыми, потому что скорость накопления повреждений остается примерно одинаковой.

Итоги

Мутации не являются уникальными биологическими событиями, которые обеспечивают двигатель естественных вариаций для естественного отбора, который работает над ними и производит все разнообразие жизни.

Мутации – это чисто физический результат всепроникающего механического повреждения, которое сопровождает все молекулярные механизмы. Как следствие, вся многоклеточная жизнь на Земле переживает неумолимый распад генома, потому что скорость пагубных мутаций весьма высока, эффекты отдельных мутаций весьма малы, нет компенсаторных полезных мутаций и естественный отбор неэффективен в устранении повреждений.

Ущерб настолько велик, что становится очевидным в течение одной человеческой жизни. Наши репродуктивные клетки не обладают иммунитетом, как считалось ранее, а также подвержены механическим повреждениям, как и клетки нашего тела.

Достаточно от нескольких тысяч до нескольких миллионов мутаций, чтобы человеческая линия вымерла, и это, скорее всего, произойдет за время от десятков до сотен тысяч лет. Это намного меньше, чем предполагаемые сроки эволюции. Подобно ржавчине, разъедающей сталь моста, мутации разъедают наши геномы, и мы ничего не можем сделать, чтобы остановить их.

Двигатель эволюции, если его правильно понять, становится концом эволюции.