Бухаем как дышим

Аудиоверсия этой статьи:

Маленькие, совсем, казалось бы, незначительные перемены приводят иногда к масштабным последствиям. После рассказа Рэя Брэдбери «И грянул гром» такие случаи принято называть «эффектом бабочки» — бабочка, мол, крылышками бяк-бяк-бяк, а через тысячу лет из-за этого бяка исчезает целая цивилизация. Мы в нашей рубрике однажды уже писали о том, как, возможно, приобретение одного крохотного гена одной малюсенькой микробиной (археей) вызвало на нашей планете катастрофу, предопределившую отчасти и облик современности. Биология вообще богата такими историями; а вот и еще две из той же серии.

Первая история — про то, как люди научились усваивать алкоголь. Для начала немного теории. Что происходит с алкоголем внутри человека? Сперва он циркулирует в крови и приятно веселит. Потом особый фермент, алкогольдегидрогеназа (ADH), превращает его в уксусный альдегид. Именно благодаря ADH утром после пьянки у человека изо рта пахнет... да, именно ацетальдегидом. Потом другой фермент, альдегиддегидрогеназа (ALDH), превращает вонючий альдегид в столь же вонючий уксус, который зато быстро выводится из организма.

Если у вас много ADH и ALDH, вы легко и свободно пьете водку, потом искрометно веселитесь и засыпаете сном младенца. Если много ADH, а с ALDH какие-то проблемы — готовьтесь к мучительному похмелью. Если же проблемы как раз с ADH (как, говорят, бывает у некоторых популяций в Восточной Азии) — вот тут алкоголь из вас никуда не выводится, а так и болтается в крови, неодолимо подталкивая вас к краю экзистенциальной пропасти. Собственно, не будь у нас ADH — мы бы, наверное, и не пили. Любые продукты брожения вызывали бы интоксикацию, и не только водка, а даже и перезрелые фрукты.

Алкогольдегидрогеназа есть у разных организмов, в том числе у всех млекопитающих. Даже не одна, а по несколько разных. Но вот только у большинства зверей все они очень неохотно расщепляют этанол (другие спирты — пожалуйста, да что толку от других спиртов). Ученые из Калифорнии взялись выяснить, откуда же у нас, людей, взялась та самая волшебная  алкогольдегидрогеназа «четвертого класса» (ADH4), которая  позволяет нам так вольготно бухать не во вред здоровью. А выяснив, опубликовали статью в PNAS.

Обнаружилось, что заветная мутация — одна-единственная замена нуклеотида в гене, приведшая к замене одной-единственной аминокислоты в белке, — произошла уже после того, как от нашей эволюционной ветви отделились орангутаны, но до расставания с гориллами и шимпанзе. Как ученые это выяснили? Весьма трудоемким способом: сначала они восстановили всю историю того, как менялась последовательность гена в череде наших предков, а потом смоделировали все эти исчезнувшие в пучине времени белки и посмотрели, могли ли они переваривать этиловый спирт. Все улики указали на аминокислоту в позиции 294: именно благодаря ей наш фермент и приобрел 10 миллионов лет назад волшебную способность усваивать текилу, водку, пиво и вино.

Как же так, спросит смышленый читатель, ведь 10 миллионов лет назад текилы еще не было? И правда. Мутация (как это обычно бывает у мутаций) возникла без всяких дальних планов на беспробудную пьянку у потомков той древней гоминиды. Мутации вообще спонтанны и случаются просто так. Но вот последующий естественный отбор вполне мог поддержать ее распространение. Именно в тот период, говорят, наши предки пытались выходить из леса и осваивать открытые пространства. Способность перерабатывать этанол помогла им питаться подгнившими плодами, упавшими с деревьев (вместо того чтобы лазать по веткам и жрать фрукты недозрелыми). То есть мутация оказалась полезной. Кто же знал, что десять миллионов лет спустя эти генетические задатки приведут к повсеместному пьянству среди Homo sapiens, которое мы можем порой наблюдать в наши дни.

Так в эволюции небольшие изменения, послужившие какой-то одной цели, со временем оказываются использованными для решения совершенно других, порой несравненно более масштабных, задач. Биологи называют это «преадаптацией». Итак, мутация в 294-й аминокислоте алкогольдегидрогеназы 4 — преадаптация к пьянству у человека разумного. А произойди вы от орангутанов — ничего такого бы у вас и не было.

Другая работа генетиков приоткрывает завесу тайны над значительно более ранним этапом нашей эволюции: тем судьбоносным днем, когда наш предок выполз из водной стихии и решил жить на суше. И речь в ней о совсем другом белке, который называется «аквапорин».

За эти белки Питер Эгр получил в 2003 году Нобелевку: уж больно они полезные. Что они умеют делать? Очень простую и важную работу: сидеть в клеточной мембране и пропускать через нее воду (а всякие заряженные ионы — не пропускать). Аквапорины у нас есть в разных клетках, но самое важное дело они делают в почках. А что делают почки? Некоторые ошибочно думают, что почки выводят из организма воду: попил воды, и она отправляется в почки, а потом и в писсуар. На самом деле все наоборот: почки экономят воду, стараясь выводить ее как можно меньше. Для этого они концентрируют то самое, что потом отправляется в писсуар, чтобы там было как можно больше отходов метаболизма, а воды как раз поменьше. Вода нам самим нужна, вода — это жизнь (вы наверняка иногда вспоминаете об этом по утрам после вечернего приема алкоголя, ставшего возможным благодаря ферментам ADH и ALDH из первой части статьи — это потому, что произведенные адьдегиддегидрогеназой ацетаты организму пришлось растворять в воде, и эту воду теперь приходится восполнять из крана, колодца, а то и из остывшего утюга с пароувлажнителем).

Так вот, пока наши предки жили в воде, такой проблемы у них не было, воды было сколько угодно. Проблема возникла при попытке жить на суше. Дышать воздухом — пустяки, это умеют даже некоторые рыбы. А вот экономить воду — непростая задача даже для лягушки, ей важно быть все время мокрой.

Экономить воду как раз и помогают аквапорины, и научились они этому далеко не сразу. Группа ученых из Европы и США построили филогенетическое дерево аквапоринов (то есть какой от какого произошел) из разных морских и земных тварей: задача непростая, поскольку белок этот представлен аж семнадцатью разными классами, и не у каждой твари есть представители каждого класса. Так вот, оказалось, что самый важный в этой истории аквапорин — «второго класса», aqp2 — приобрел свои волшебные водосберегающие свойства у древней кистеперой рыбы. Дело было так: древний ген, присутствовавший еще у миноги, удвоился, и один из дочерних генов, освободившись от части функций, приобрел возможность изменяться. Из него-то и получился тот самый aqp2, благодаря которому мы можем жить на суше.

Когда это было? Больше 500 миллионов лет назад. Вновь наш пытливый читатель скажет, что в такие давние времена на суше еще никто не жил, даже и не пытался. Это опять пример «преадаптации», как и с пьянкой: ген сперва эволюционировал в сторону водосбережения по своим случайным причинам, но оказался полезен лишь 150 миллионов лет спустя. Но полезен он оказался не всем: у нас с вами, например, он есть, а вот все лучеперые рыбы (то есть обычные рыбы: дорада, сибас, форель охлажденная и мороженая) его в ходе эволюции утратили.

Вот какие истории разворачивались в доисторическом прошлом: маленькие события, никем тогда не замеченные (ну подумаешь, у рыбы ген удвоился!), постепенно привели к вот тому самому, что мы все тут сейчас наблюдаем.

Наверняка и сейчас тоже что-то такое происходит (и я не имею в виду крах российской финансовой системы), что когда-нибудь даст начало новому миру. Но мы с вами останемся в старом мире и вряд ли сможем проанализировать, что именно тут сейчас произошло такого важного. Зато мы можем восхищаться капризами слепой природы, предопределившими нашу нынешнюю жизнь сотни или десятки миллионов лет назад. У кистеперых рыб, между прочим, даже и такой возможности не было.