Генетическая сложность и взаимосвязанность показывают, что многие признаки гораздо сложнее, чем считалось ранее.

Я преподавал генетику человека на уровне колледжа и был разочарован, узнав, что в учебнике, которым я пользовался в течение десяти лет, вплоть до 2017 года,¹ неверно утверждалось старое, ныне опровергнутое мнение о том, что отдельные распространенные внешние особенности являются результатом экспрессии одного гена. Был исследован ряд заявленных примеров и установлено, что на проявление всех из них влияют несколько генов. Среди этих примеров были отобраны и обобщены десять. Это открытие подтверждает тот факт, что для появления новых признаков, даже кажущихся простыми, требуется целый набор генов, что значительно увеличивает сложность и снижает вероятность появления этих новых признаков путем случайных изменений генотипа, в соответствии с теорией эволюции.

Ученикам средней школы и студентам колледжей часто преподносят как истину в последней инстанции мысль о том, что многие распространенные человеческие внешние признаки являются примерами простой регуляции одного гена.² Это подтверждается распространенными утверждениями, вроде: «Двадцать тысяч лет спустя очередная мутация позволила волосам на нашей голове (в отличие от волос обезьяны или волос на теле человека) расти без ограничений – это так называемый "ген стрижки"».³ В учебнике по генетике, используемом в колледже, где я преподавал, помимо примеров, обсуждаемых ниже, учитывалась форма лица, кудрявость волос, размер и форма бровей, длина ресниц, способность сворачивать язык и тому подобное, итого, 27 примеров.¹ Исследование, проведенное для подготовки этой статьи, указывает на то, что многие черты, которые долгое время считались результатом одной мутации или экспрессии одного гена, оказались производной экспрессии группы генов.

Изучая влияние факторов, которые приводят к появлению специфических форм носа, ученые недавно обнаружили 14 различных лицевых признаков, проанализировав около 6000 фотографий. Два гена были связаны с формой ноздри (GLI3 и PAX1), один (RUNX2) влиял на форму переносицы, а ген DCHS2, как было обнаружено, влиял на то, насколько далеко нос выходит наружу, и на угол наклона кончика носа.⁴ Без сомнения, существуют и другие гены, влияющие на данные признаки. Макдональд писал: «Тот факт, что в учебниках и лабораторных материалах продолжают сохраняться эти мифы, является позором процесса образования в сфере биологии».⁵

Значение аргумента «один ген – один белок или признак» для эволюции можно легко объяснить на классическом примере часов Уильяма Пейли. Механические часы состоят из сотен частей, каждая из которых функционирует как часть взаимосвязанного устройства. Если какая-либо часть механизма будет удалена, то часы не будут работать должным образом или, скорее всего, не будут работать вовсе. Единственным исключением может являться весь механизм часов, который обычно удерживается четырьмя или шестью болтами, и, если один из них будет удален, то он все еще будет функционировать, но вибрации в том месте, где был удален винт, даже незначительные, могут вызвать небольшую погрешность, которая в конечном итоге может привести к износу и как следствие, менее точному определению времени, что приведёт, в конечном итоге, к поломке.

Точно так же, если большинство генетических функций контролируется несколькими генами, то мутация, даже если она улучшает какой-то аспект организма, скорее всего, окажет неблагоприятное воздействие на другие части живой системы, поскольку, как и в часах, все части организма взаимосвязаны друг с другом, равно как и с другими генами и даже группами генов.

Более того, сама концепция гена теперь размыта из-за неожиданной генетической сложности, проявившейся в том, что дифференциальный сплайсинг интронов может приводить к формированию множества разных белков в результате одной транскрипции гена.⁶ Классическое представление о том, что в геноме, якобы, гены-продуценты белков представляют собой отдельные сегменты ДНК, транскрибированные в одну мРНК и в одном направлении, теперь опровергнуто. В настоящее время признано, что несколько генов перекрывают друг друга, занимая одну полосу ДНК, которая производит несколько рабочих мРНК.⁷ По оценкам, 94% генов человека производят более одного продукта посредством альтернативного сплайсинга, производя белки с иногда совершенно разными функциями, несмотря на то, что они кодируются одним и тем же геном.⁸

Этот факт утешает тех, кто разочарован небольшим количеством генов в геноме человека: у людей примерно такое же количество генов, как у Caenorhabditis elegans, маленького прозрачного червя. В результате экспресии аналога человеческого гена DSCAM (Downs Syndrome Cell Adhesion Molecule) у плодовой мушки (Drosophila melanogaster), производится 95 альтернативных сплайсинговых экзонов и еще 38 000 изоформ.⁹ Для сравнения, весь геном плодовой мушки содержит всего 15016 генов. Этот факт позволяет нам возможность увидеть сложную взаимосвязь генома.

Профессор генетики Университета Делавэра John McDonald задокументировал 20 примеров, включая складывание рук, так называемую «спаржевую мочу» [после употребления спаржи моча может иметь резкий, характерный запах из-за серосодержащих соединений, образующихся при метаболизме аспарагусовой кислоты – прим. перев.], битурия [изменение окраски мочи после употребления свеклы или продуктов, содержащих свекольные пигменты бетацианы – прим. перев.], ямочки на щеках, кудрявость волос и длину пальцев ног, которые обычно используются как примеры истинности постулата «один ген – один признак» на уроках генетики в школах и в колледжах.¹⁰ Был проведен поиск соответствующей литературы по 10 наиболее распространённым примерам концепции «один ген – один признак», отобранным в соответствии с моим опытом преподавания генетики в колледже. Поиск показал, что 10 наиболее распространённых примеров этого мифа контролируются множеством генов.

Примеры опровержения идеи об одном контролирующем гене

Цвет глаз

Типичный пример – это генетическая регуляция цвета глаз, то есть, цвета радужной диафрагмы, которая регулирует количество света, попадающего в глаз. Она выполняет функцию защиты.¹¹ Например, люди с голубыми глазами часто имеют проблемы со зрением, поскольку отсутствие коричневого пигмента в радужке не полностью защищает сетчатку от неблагоприятного воздействия избыточного количества яркого света.¹² Цвет радужной оболочки в первую очередь зависит от соотношения эумеланина, который дает тёмно-коричневый цвет, и феомеланина, который дает красноватый цвет. Имеет значение так же и распределение меланина по оболочке глаза.¹³

Распространенные цветовые категории радужной оболочки – это голубой, зеленый, карий и коричневый. Более подробный анализ указывает на, по крайней мере, девять значений оттенка и насыщенности, а именно: (1) светло-голубой; (2) синий; (3) синий с коричневым ободком вокруг зрачка; (4) зеленый; (5) зеленый с коричневым кольцом вокруг зрачка; (6) слабый зеленый по краям и коричневый в центре; (7) коричневый с небольшим вкраплением зелёного по краям; (8) коричнвый; и (9) темно-карий.¹⁴ Очевидно, что эти более сложные сочетания требуют гораздо большего количества генетических данных, чем два обычных гена, что и было обнаружено в результате исследования. Кроме того, цвет глаз также может меняться, особенно в раннем детстве.¹⁵ Два основных гена, участвующих в формированиях цветовых вариаций – это гены HERC2 и OCA2, расположенные рядом друг с другом на 15 хромосоме, а также не менее 10 других генов и сложных взаимодействий между ними, влияющие на цвет глаз.¹³

Форма мочки уха

Распространенным упражнением на уроке генетики является изучение типов мочек ушей друг друга и определение количества сросшихся и свободных мочек. Сросшиеся мочки ушей сливаются с боковой стороной головы, а свободные мочки имеют свисающую часть. В большинстве своём у учеников распространены свободные мочки а не сросшиеся.

С точки зрения генетики Менделя, этот признак обусловлен доминантно-рецессивной дихотомией.¹⁶ Они утверждают, что признак свободной мочки является доминантным, а сросшийся – рецессивным, что предполагает, что комбинация генов, контролирующая эти черты, проста.¹⁷ На самом же деле, мочки ушей не делятся на две категории, а точки прикрепления меняются от верхних частей хряща до области за ухом.¹⁸

Данное наблюдение заставило биологов усомниться в этой упрощенной парадигме еще до появления современной геномики. Еще в 1937 году один анатом предположил, что прикрепление мочки уха может быть полигенным признаком.¹⁹ В одном из новых исследований генетики мочки уха были проанализированы последовательности ДНК и измерения мочки уха у 74 660 человек, включая людей европейского, латиноамериканского и азиатского происхождения. Связывая последовательности ДНК в геноме с моделью развития уха, исследователи идентифицировали 49 областей генов, связанных со способом прикрепления мочки уха. Они также изучили продукты экспрессии генов, активируемых во время развития уха, подтвердив, что различные гены были расположены на многих местах генома. Авторы статьи пришли к следующему выводу: «Эти гены дают представление о сложной биологии развития ушей».²⁰

Как и ожидалось, генетика, лежащая в основе этих вариаций, не проста, но она не является приоритетом для исследований, поскольку, насколько известно, вариации мочки уха не связаны с причинами каких-то заболеваний.²¹ Вывод таков, что это «миф … будто мочки ушей можно разделить на две четкие категории, свободную и сросшуюся, и что всего один ген с доминирующей аллелью свободной мочки контролирует этот признак».²² Современные методы исследования теперь подтвердили, что «даже понятие, определяющее ген, размыто совершенно невообразимой и неожиданной сложностью».²³

Цвет волос

Другим распространенным примером мифа об одном гене является идея о том, будто бы рыжий цвет волос обусловлен единственной рецессивной аллелью с красным цветом. Большинство исследований делят цвет волос на четыре отдельные категории: блонд, рыжий, шатен и брюнет. Как и цвет глаз, цвет волос определяется количеством эумеланина (тёмно-коричневый цвет) и феомеланина (красноватый цвет) в стержне волоса. Количество эумеланина варьируется от очень небольшого, делающего волосы светлыми, до относительно большого количества, при котором образуются чёрные как смоль волосы. Кроме того, у людей с высоким содержанием феомеланина волосы рыжие – от бледно-красного (так называемый «рыжевато-русый или венецианский блонд») до огненно-рыжего и красновато-коричневого.²⁴

Поскольку вариации уровня освещённости и различия в цветовых тонах могут влиять на восприятие зрителями цвета волос, T.E. Reed использовал рефлекторный спектрофотометр для измерения количества света на разных длинах волн, отражаемого волосами у людей, помеченных как рыжие.²⁵ Он не обнаружил свидетельств четкого разделения волос на две категории. Вместо этого были отмечены промежуточные цвета, которые нелегко было разделить на красный или не красный. Три наиболее распространенных полиморфизма аминокислот, связанных с рыжими волосами, – это R151C, R160W и D294H, что указывает на то, что в формирование других оттенков волос вовлечено гораздо больше генов.²⁶

Цвет кожи

Исследования в области генетики человека опровергли концепцию, в соответствии с которой цвет кожи контролируется лишь несколькими основными генами.²⁷ В несколько исследований были вовлечены люди с континента с самым большим количеством разнообразия цвета кожи в мире, а именно из Африки. Одно исследование показало, что шесть основных генов вносят только 30% общей изменчивости цвета кожи,²⁸ а множество других генов ответственны за остальные 70%. В другом исследовании ученые установили, что в общей сложности, есть 15 различных генов, которые вносят основной вклад в цвет кожи.²⁹

Палец автостопщика

«Большой палец автостопщика» – так называют способность сильно согнуть большой палец назад, чтобы образовать большой угол между двумя сегментами кости (рис. 1). Считается, что есть два типа больших пальцев: прямые, когда их нельзя согнуть назадРис.1 Палец автостопщика (доминантные), и «большие пальцы автостопщиков» (рецессивные), и этот признак контролируется одним геном с двумя аллелями. Эта идея была предложена Глассом и Кистлером³⁰ в 1953 году, и с тех пор учителя неоднократно повторяют это утверждение, которое можно было легко подтвердить в большом классе, полном учеников во время урока.

По крайней мере два исследования опровергли этот миф. Харрис и Джозеф³¹ использовали рентгеновские снимки 294 человек, чтобы точно измерить угол между первой и второй костями большого пальца. Их анализ показал непрерывное распределение вариаций и указал на то, что у большинства людей были промежуточные результаты, а не только два, как утверждает миф. В аналогичном исследовании с использованием транспортира, удерживаемого на внешней стороне большого пальца для измерения угла наклона, была получена обычная Гауссова кривая.³² Несмотря на то, что «большой палец автостопщика» часто используется для демонстрации менделевской генетики, полученные данные опровергают это утверждение: большие пальцы не делятся на две отдельные категории и этот признак не контролируется одним геном.

Вкус фенилтиокарбамида 

Небольшие количества соединений фенилтиокарбамида (PTC) или пропилтиоурацила (PTU), которыми были пропитаны полоски бумаги, пробовались студентами, чтобы определить, является ли вкус этого вещества горьким или наоборот, чувствуется вкус одной лишь бумаги (у тех, кто не чувствителен). Я использовал этот тест с сотнями учеников, преподавая самые разные естественные науки. Идея предложена химиком из компании «Дюпон» (Du Pont) А.Л. Фоксом, работавшим с фенилтиокарбамидом, когда его коллега пожаловался на горький вкус данного химического соединения.³³ Фокс настаивал на том, что это вещество безвкусно, поэтому он попросил своих коллег попробовать PTC, после чего обнаружил, что для некоторых людей он имеет неприятный запах и сильный горький вкус, другие же, как и сам доктор Фокс, сочли фенилтиокарбамид безвкусным.³⁴

Guo и Reed исследовали вопрос вкуса PTC, ссылаясь на 392 ссылки. Они пришли к выводу, что способ, который используется при тестировании, оказывает огромное влияние на результат.³⁵ В ранних исследованиях кристаллы PTC помещались непосредственно на язык, в то время как в других использовались растворы PTC или бумага, пропитанная PTC, которую затем высушивали.³⁶ Когда этот фактор учитывался, то оказалось, что одни и те же люди, при использовании одного способа оказывались чувствительными ко вкусу, но при использовании другого – нет.³⁷ Генетический анализ обнаружил связь с полиморфизмами в ДНК в 26 больших семьях генов, и и вариативность восприятия вкуса была связана с 7 хромосомой и вариациями в хромосоме 16, что указывает на вовлеченность нескольких генов.³⁸

Распространенным мифом является утверждение, что существуют только два типа людей – те, кто чувствуют вкус PTC, и те, кто нет. Миф заключается в том, что чувствительность вкуса контролируется одним геном, который доминирует над аллелью, отвечающую за отсутствие вкуса. Дело в том, что «по прошествии почти 70 лет причина этой изменчивости, по-видимому, из-за большого количества генетических факторов, остается загадкой».³⁹

Способность свернуть язык в трубочку

Рис.2 Пример скручивания языкаНекоторые люди могут легко свернуть язык в маленькую трубочку (рис. 2), а другие – нет. Это один из самых распространенных признаков, который преподаватели биологии используют для демонстрации основных генетических принципов, которые можно легко проверить. Этот признак был описан пионером в области генетики дрозофил, Альфредом Стертевантом, описавшим сворачивание языка как простой двухаллельный признак с доминантной аллелью, отвечающей за способность свернуть язык и рецессивной – за не способность свернуть.⁴⁰

В настоящее время установлено, что навык сворачивания языка в трубочку часто является не генетическим, а приобретённым. Тот факт, что некоторые люди могут научиться сворачивать язык после первой неудачной попытки, свидетельствует о том, что этот признак не является результатом простого генетического воздействия, как считалось ранее. Дополнительным доказательством того, что этот признак не является генетическим, является обнаружение того, что способность скрутить язык может быть разной у однояйцевых близнецов.⁴¹ Доля людей, которые способны сворачивать язык, колеблется от 65 до 81%, причём женщин, могущих это делать, немножко больше мужчин.⁴²

Многие овладели этим навыком частично. Некоторые люди могут лишь слегка согнуть кончики языка, потому их нельзя отнести ни к тем, кто умеет, ни к тем, кто не умеет.⁴³ Несмотря на то, что многочисленные исследования показали, что это умение является не генетическим, а в значительной степени приобретенным, закручивание языка в трубочку остаётся популярным тестом менделевской генетики.⁴⁴ Хотя миф о свертывании языка был развенчан.

Мыс вдовы

У некоторых людей есть выступающее V-образное место на передней границе лба и роста волос, называемое «мысом вдовы» (рис. 3). Говорят, что аллель «мыса вдовы» доминирует над аллелью «прямойРис.3 Выраженная V-образная точка в центре передней части линии роста волос, известная как «мыс вдовы» линии» роста волос. Основной проблемой, связанной с этим утверждением, является сложность определения того, у кого есть мыс вдовы, а у кого нет. Есть различные формы границы волос на лбу, потому обычно делается неточное суждение. Одно исследование, проведенное среди студентов-медиков, показало, что только 32 из 1039 человек, что составляет 3%, обладали «небольшим, но заметным» мысом вдовы.⁴⁵ Другое исследование с участием 360 женщин показало, что у 81% женщин был мыс вдовы.⁴⁶

Также следует учитывать проблематику возраста. Линия роста волос у многих мужчин и некоторых женщин со временем убывает, часто медленнее посередине, создавая мыс вдовы. Таким образом, довольно сложно отличить залысины от мыса вдовы у взрослых мужчин. Проблема примера мыса вдовы, используемого для иллюстрации основ генетики, заключается в мифе, будто она контролируется одним геном с двумя аллелями, но исследователи так и не смогли определить местонахождение этих генов. Макдональд заявляет, что он не знает, как возник миф, а также нет никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих его, несмотря на тщательный поиск в научной литературе.⁴⁷

Складывание рук

Большинство людей предпочитают складывать руки либо большим пальцем левой руки, либо большим пальцем правой руки сверху. Человеку, складывающему руки определенным образом, кажется очень неестественным другой способ. В одном исследовании примерно половина исследуемых людей имели большой палец правой руки сверху, а другая половина – большой палец левой руки сверху.⁴⁸ С момента проведения первого более века назад, не было найдено никаких ясных доказательств, подтверждающих, что эти черты соответствуют доминантно-рецессивному мифу.⁴⁹

Обзор почти 100 публикаций, в которых изучался способ складывания рук у людей по всему миру, показал, что большинство – от 40 до 75% предпочитают левый большой палец сверху, и только 1% составили те, кому все-равно.⁵⁰ В соответствии с одной гипотезой, левши, когда складывают руки, склонны класть большой палец левой руки сверху, а правши большой палец правой руки сверху.⁵¹ В соответствии с другой гипотезой, предпочтения, вероятно, выбираются каждым человеком в раннем детстве и подкрепляются в течение многих лет, до тех пор, пока другое положение станет неестественным. Нет доказательств того, что этот признак является генетическим.

Раздвоенный подбородок

Рис.4 Молодой человек с раздвоением подбородкаУ некоторых людей есть заметная ямочка или складка на передней части подбородка, называемая раздвоением подбородка (рис. 4). Утверждается, что этот признак контролируется одним геном с двумя аллелями: одна является доминантной и отвечает за раздвоение подбородка, а другая является рецессивной, определяющей гладкий подбородок. Немногочисленные доступные генетические данные не подтверждают это утверждение.⁵² Основная проблема состоит в том, что многие подбородки находятся между теми, что с раздвоением и гладкими. Подбородки бывают самых разных форм, включая круглые, с ямочками, вертикальные и с Y-образными бороздами.⁵³ Более того, с возрастом происходит значительное увеличение раздвоения подбородка; у около 5% мальчиков в возрасте от 6 до 10 лет есть раздвоение подбородка, в то время как уже у 10% мужчин после 35 лет наблюдается раздвоение подбородка. Это изменение с возрастом также свидетельствует против простой генетической модели. Прибавка и потеря веса также влияют на форму раздвоения подбородка.

Итоги

Чрезмерно упрощенная эволюционная парадигма, которую эволюционисты используют для оправдания своего мировоззрения, не подтверждается исследованиями генома человека, которые последовательно демонстрируют гораздо более высокие уровни сложности в создании этих и других признаков, чем предполагалось ранее. На самом деле, очень немногие признаки являются результатом пары генов, и по мере того, как становится доступным все больше генетической информации, увеличивается и количество различных генов, определяющих большинство признаков. На первый взгляд простые признаки оказываются очень сложными из-за взаимосвязи генетической сети, функционирующей в сложных динамических системах по всему геному.

Применив результаты этого обзора теории «один ген – один белок» к исследованию Гершони и Пьетроковски 2017 года, в котором было идентифицировано 6500 генов, вызывающих половой диморфизм человека (и, следовательно, у мужчин и женщин эти гены выражаются по-разному), результаты не являются неожиданными. Многие признаки, определяющие половой диморфизм, долгое время считавшиеся соответствующими правилу «один ген – один признак», на самом деле не следуют ему.⁵⁴ Следовательно, 20 основных признаков, которые, как считается, составляют половой диморфизм человека, на самом деле могут быть определены несколькими сотнями генов, а не двадцатью. Еще одним фактором является генетическая плейотропия, то есть ситуация, когда один ген влияет на два или более, а зачастую и на гораздо большее количество, казалось бы, не связанных между собой фенотипических признаков.⁵⁵