Познакомьтесь с собой. Как гены, микробы и нейроны делают нас теми, кто мы есть

Как выразилась Леди Гага, мы «рождены такими», мы зажаты в определенных ограничениях, которые начинаются на генетическом уровне. И, как мы вскоре увидим, ДНК – всего лишь одно звено на поводке, который тянет нас по жизни.

Представьте, что мы сделали вашу копию, используя тот же метод, которым ученые создали овечку Долли. Вставив вашу ДНК в какую-нибудь яйцеклетку с удаленной собственной ДНК, мы могли бы имплантировать нового вас какой-нибудь суррогатной матери. Через сорок недель у нее появится ребенок, который будет выглядеть в точности, как вы. Он будет расти – и при этом всегда оказываться вашей точной копией. Но встает вопрос на миллион долларов: до какой степени ваш клон будет вести себя так, как вы?

Секвенирование генома человека было гигантским шагом на пути понимания того, как мы функционируем, однако оно дает лишь грубый набросок вашего портрета. Последовательность вашей ДНК читается не как обычный роман, а больше напоминает книгу типа «Выбери себе приключение»[15], в которой среда определяет то, как будет разворачиваться повествование. В вашей ДНК много различных потенциальных версий вас. Человек, которого вы видите в зеркале, всего лишь одна из них, воплотившаяся под воздействием уникальных обстоятельств, что влияли на вас с момента зачатия.

Окружающая среда диктует, будет ли годным то или иное изменение в вашей ДНК. Если бы я родился 50 тысяч лет назад, я бы вряд ли прожил очень долго. Дело не только в том, что я ненавижу устраивать ночевки на природе, а моей силы хватает разве что открыть пакет с чипсами, но и в том, что в силу близорукости из меня получился бы весьма убогий охотник-собиратель, который оказался бы легкой добычей для львов, тигров и медведей. Естественный отбор тысячелетиями исключал людей с плохим зрением из генофонда. Однако с изобретением очков люди вроде меня снова оказались в игре[16].

Окружающая среда может оказать прямой эффект на ваши гены. Случайные генетические мутации могут возникнуть, например, при сильном воздействии солнца или при попадании в чан с отработанным ядерным топливом. Радиация и некоторые химические вещества называются мутагенами, поскольку они могут повредить ДНК, что часто приводит к бешенству клеток – раку. Количество потенциальных мутагенов соперничает с количеством альбомов, проданных Тейлор Свифт[17]. Некоторые из самых известных: ультрафиолетовое излучение, табак, алкоголь, асбест, уголь, выхлопные газы, загрязнение воздуха и обработанное мясо[18]. Количество повреждений ДНК в ваших клетках определяется масштабами воздействия и генетической предрасположенностью.

Окружающая среда может явным образом изменять функции генов, повреждая ДНК, однако это не единственный способ повлиять на их работу. Чтобы лучше понять дальнейшее, полезно представить гены как клавиши фортепиано. Если будете стучать по ним наугад, звуки будут похожи на музыку из фильма ужасов. Чтобы получилась красивая мелодия, нужно нажимать нужные клавиши в нужное время. Точно так же должны работать и гены. Если бы они играли одновременно, вы походили бы на Фредди Крюгера.

Каждая клетка вашего организма содержит одинаковый набор генов, так почему одни из них – клетки мозга, а другие – клетки задницы? В клетках вашего мозга происходит только экспрессия[19] генов клеток мозга. В ДНК в клетках мозга есть и гены для клеток задницы, но они не экспрессируются (возможно, за исключением случаев, когда у вашей бывшей или вашего бывшего вместо головы задница). Белки – факторы транскрипции — контролируют экспрессию гена путем связывания с участком ДНК, который находится в начале последовательности нуклеотидов и именуется промотором. Факторы транскрипции определяют, включен или выключен тот или иной ген, действуя, соответственно, как активаторы или репрессоры. Когда вы были эмбрионом, вы состояли из стволовых клеток и они потенциально могли стать в вашем организме клетками любого типа. Судьбу эмбриональных стволовых клеток в значительной степени определяли факторы транскрипции. В стволовых клетках, которые стали вашим мозгом, имелись факторы транскрипции, активировавшие гены мозга. В стволовых клетках, которые стали вашей задницей, имелись факторы транскрипции, активировавшие гены задницы.

На активность факторов транскрипции влияет множество причин, например гормоны. Гормоны, которые производятся вашей эндокринной системой, управляют развитием, половым влечением, настроением, обменом веществ и так далее. Многие вещества в окружающей среде действуют как эндокринные дизрапторы (иначе – эндокринные разрушители, эндокринные деструкторы), то есть вмешиваются в деятельность гормонов и, соответственно, нарушают экспрессию генов. В результате эндокринные дизрапторы могут вызвать репродуктивные, неврологические, иммунные проблемы и дефекты развития. К эндокринным дизрапторам относятся некоторые лекарственные препараты, некоторые пестициды, а также содержащийся в пластмассах бисфенол А. Как и в случае мутагенов, степень воздействия какого-то дизраптора на активность генов определяется его количеством. Пока еще нет единого мнения о предельно допустимых значениях, однако это вопрос важный: эндокринные дизрапторы есть повсюду (в частности, во многих предметах, которыми пользуются беременные/кормящие женщины и дети). Кроме того, негативное воздействие эндокринных дизрапторов на детей может сказываться в течение нескольких поколений. Одно исследование 2018 года показало, что воздействие на женщину диэтилстилбестрола (ДЭС), относящегося к этому классу веществ, повышает риск появления синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) у ее внуков.

Факторы транскрипции играют центральную роль в регулировании активности генов, однако они работают неизолированно. Когда ученые более детально изучили ДНК, стало очевидно, что это неоднородная молекула. Некоторые ее участки плотно свернуты и компактны, некоторые – расслаблены и открыты. Экспрессия генов в уплотненной ДНК идет не так активно, как у генов открытых фрагментов. Клетки могут контролировать доступ фактора транскрипции к генам в ДНК двумя основными методами. Первый – это метилирование ДНК: к нуклеотидам, составляющим ген, присоединяется метильная группа CH3. Когда по гену разбросаны метильные группы, его становится труднее читать – словно кто-то замазал во фразе некоторые буквы. Таким образом метилированный ген переходит в положение «выключено» или заглушается. Второй механизм задействует группу белков, называемых гистонами, – они образуют «катушки», вокруг которых накручивается ДНК. На гистоны воздействуют многочисленные химические модификации, а это влияет на экспрессию связанного с ними гена. Вкупе с факторами транскрипции эти процессы обеспечивают невероятную гибкость в экспрессии генов, позволяя тонкую настройку, а не просто «включение» и «выключение». Правильнее будет представлять себе экспрессию не как выключатель лампочки, а как регулятор силы ее света.

Процессы, которые влияют на экспрессию гена без изменения самой последовательности ДНК, называются эпигенетическими, что означает «за пределами гена»[20]. Эпигенетические модификации (также именуемые эпигенетическими метками) позволяют среде отправить вашим генам текстовое сообщение, которое меняет не только их работу у вас, но и их возможную работу у ваших детей и внуков. Как заметил знаменитый ботаник Лютер Бёрбанк, «наследственность – не что иное, как сохраненная среда». Физические вещества, с которыми вы сталкиваетесь в среде, могут вызывать эпигенетические изменения в вашей ДНК: теперь экспрессироваться будут не те гены. Это может оказаться существенной выгодой для вас и ваших детей, поскольку быстрые изменения в экспрессии генов позволяют быстро приспосабливаться к условиям окружающей среды.

Примечательно, что на экспрессию генов посредством эпигенетики влияют не только физические вещества, но и определенное поведение, например плохое обращение с детьми, издевательства, зависимость и стресс. Такие негативные события могут повредить нашу ДНК, а в некоторых случаях эти «шрамы» передаются нашим детям. Мы рассмотрим несколько соответствующих примеров в последующих главах, а пока укажем на один, подчеркивающий важность эпигенетики для нашего поведения. Хорошо известно, что низкое социально-экономическое положение коррелирует с увеличением заболеваний во взрослом возрасте: дети, выросшие в бедности, гораздо чаще сталкиваются с проблемами со здоровьем, когда вырастают. Конечно, тут сказываются внешние причины, однако крайне важными могут быть также и стартовые различия. В работе 2012 года генетик Моше Шиф из Университета Макгилла в Канаде продемонстрировал, что у взрослых, сталкивавшихся в детстве с экономическими проблемами, и у тех, кто вырос в обеспеченных семьях, метилируются разные группы. Аналогичные различия в метилировании ДНК наблюдались у обезьян, появившихся у родителей низкого ранга и у родителей с высоким статусом.

Эти и многие другие исследования, которые мы обсудим, заставляют предположить, что наша ДНК изначально загружена эпигенетическими метками, полученными в раннем детстве или даже в утробе; в последнем случае это именуется пренатальным[21]программированием (программирование плода). Можем ли мы рождаться запрограммированными на поведение, соответствующее – по мнению генов – нашему положению в социальной иерархии? Могут ли гены, которые у бедной молодежи метилируются иначе, объяснить проблемы со здоровьем и поведением в более позднем возрасте? Что в итоге образует порочный круг? Мы пока не знаем ответа на эти провокационные вопросы, однако подобные исследования предполагают, что дети из малообеспеченных семей страдают не только от неблагоприятных социальных условий, но и от неблагоприятных биологических последствий.

На наше поведение могут воздействовать также эпигенетические метки, добавленные на ранних стадиях жизни к белкам-гистонам. Эпигенетика может даже диктовать карьерные решения, особенно если мы – муравьи в лаборатории биолога Шелли Бергер из Пенсильванского университета. Члены муравьиной колонии выполняют специализированные задачи: более крупные муравьи – солдаты – защищают колонию, мелкие работают фуражирами и находят пищу. Можно решить, что крупные муравьи записывались в армию, а мелкие учились собирать еду у опытных соплеменников, но это не так.

Поскольку такому поведению никто не учит, Бергер с коллегами выдвинула гипотезу, что на жизненный выбор муравьев влияют эпигенетические механизмы. Чтобы проверить это предположение, она ввела в мозг детенышей муравьев препарат, который изменял гистоны, взаимодействующие с ДНК. Во-первых, удивляет уже то, что можно ввести что-то в мозг муравья. Во-вторых, изменив гистоны, Бергер смогла перепрограммировать поведение муравьев, превратив солдата в фуражира (фуражиры, получившие препарат, собирали пищи даже больше обычного). Другими словами, этот эпигенетический препарат изменил судьбу муравьев-солдат, не меняя их генов.

Эпигенетические исследования подчеркивают тесное взаимодействие между нашими генами и средой и говорят, что судьба необязательно определяется генами. Да, мы не можем сказать, какие гены были задействованы при рождении, но, возможно, способны изменить среду таким образом, чтобы это влияло на экспрессию генов подобно тому, как опытный игрок в покер может блефовать, чтобы выиграть с плохими картами.

Ученые недавно установили, что на наш организм воздействует более 21 тысячи генов нашей ДНК. И нужно еще учесть, что на нас и внутри нас живут триллионы микроорганизмов – бактерий, грибков, вирусов и паразитов, которые добавляют к нашей генетической экосистеме миллионы дополнительных генов. Совокупность таких микроорганизмов называется микробиотой[22] (или микрофлора), а совокупность их генов – микробиомом.

Такое известие может испугать вас, однако подавляющее большинство этих крошечных безбилетных пассажиров пришли в наш организм с миром и несут пользу. Например, бактерии в кишечнике помогают переваривать пищу и вырабатывать витамины. А некоторые производящие серу[23] бактерии способны очистить комнату, когда вам нужно побыть в одиночестве. «Дружественные» бактерии, которые не вызывают никаких заболеваний, помогают также держать под контролем «недружественные» патогенные бактерии.

За создание микробиоты в нашем организме мы должны благодарить своих матерей. Первыми собственными бактериями мы покрываемся, когда проходим по родовым путям. Затем мать продолжает делиться своими бактериями в процессе грудного вскармливания. Поэтому микробиота отчасти наследуется – некоторые виды передаются от матери к ребенку. Мы продолжаем приобретать микробы в течение всей жизни, собирая их из еды, воды, воздуха, с дверных ручек, при взаимодействии с другими людьми и с животными. У различных людей типы бактерий в кишечнике различаются в зависимости от рациона, географического положения, стандартов гигиены, болезней и возраста.

Вероятно, вы замечали, что каждый дом пахнет немного по-разному. Иногда это связано с приготовлением пищи, домашними животными, курением, плесенью или мальчишками-подростками, однако запах зависит и от микробиомов его жителей. Исследователи обнаружили, что люди окружены «микробным облаком», подобно грязнуле Пиг-Пену из комикса «Мелочь пузатая». Куда бы ни отправились, вы оставляете кусочки своей микробиоты, подобные микроскопическим хлебным крошкам.

Может оказаться, что в не столь отдаленном будущем полиция, вооружившись этой информацией, сможет использовать микробиоту для определения людей подобно тому, как сейчас применяются отпечатки пальцев и ДНК. Микробное облако, вероятно, вносит свой вклад и в то, почему собаки могут легко нас выслеживать, и в то, почему комары одних людей кусают чаще, чем других. Отходы жизнедеятельности бактерий, живущих на нашей коже, создают запах, который распространяется в воздухе при движении. Животные с острым обонянием могут ощутить аромат этих соединений и следовать за ними к источнику. В седьмой главе мы узнаем, что микробное облако может влиять и на то, с кем у нас будет бурный роман.

Эти микроорганизмы крошечные, однако, как предупреждал нас магистр Йода, не нужно судить о вещах по размеру. В нашем кишечнике обитает около 10 тысяч видов бактерий, добавляющих нам лишних восемь миллионов генов. Их совокупная масса может достигать полутора килограммов, так что микробиота весит столько же, сколько наш мозг. Кстати, если вы худеете, это хорошая новость. Не стесняйтесь применить это новое знание, встав сегодня вечером на весы: вычтите из своей массы полтора килограмма бактерий. (Не благодарите!) А вот еще фактик, которым вы можете озадачить гостей на следующей вечеринке: бактерий у вас больше, чем клеток в теле. Это означает, что бактериального в нас больше, чем человеческого. И если в нас и на нас живет столько других существ, то в какой степени именно они правят бал и командуют парадом?

За последние годы микробиом получил огромное внимание прессы. Кажется, что микроскопические создания в нашем теле воздействуют абсолютно на все – от аппетита до залечивания ран. Кроме выработки витаминов и прочих полезных пищевых соединений, бактерии в кишечнике являются главным источником нейромедиаторов – биохимических веществ, влияющих на наш мозг. Некоторые ученые предполагают, что посредством нейромедиаторов наши бактерии могут воздействовать на наше настроение, личные качества и темперамент.

Когда исследователи выращивают мышей, лишенных микробиоты, у животных проявляются странные нейрологические проблемы – они не реагируют на стресс адекватным образом. Такие исследования обнаружили ось «кишечник – мозг», своеобразную линию биохимической связи между этими системами органов. Такая ось существует и у людей, поскольку ученые установили сильную корреляцию между проблемами кишечника и проблемами психического здоровья. Например, тревожные и депрессивные расстройства четко связаны с синдромом раздраженного кишечника и язвенным колитом. Кроме того, у многих людей есть паразиты, которые не убивают: они могут бездействовать в мозге до конца жизни. Как мы еще увидим, ученые установили корреляцию между наличием одного конкретного паразита у трех миллиардов человек с определенными видами поведения.

Из-за генов, привнесенных в наше тело, наши жильцы-микробы оказываются еще одной скрытой силой, которая дергает за ниточки нашего поведения так, что мы об этом не подозреваем.

В фильме «Звездные войны» Шив Палпатин (император) стал господином Дарта Вейдера после того, как склонил его на темную сторону. Однако в конце концов Дарт Вейдер уничтожил императора. Это классический рассказ о том, как слуга убивает своего хозяина. Подобная судьба может ожидать и гены, которые были бесспорными хозяевами Земли почти четыре миллиарда лет.

Примерно 600 миллионов лет назад гены сконструировали первый нейрон (нервная клетка) у древних организмов (возможно, они напоминали современных медуз или червей). Спустя много лет эти нейроны соединились, сформировав мозг, который дал дополнительное преимущество удачливым «машинам для выживания». Со временем, увеличивая число нейронов и количество связей между ними, мозг становился все больше и все быстрее работал. Не только у человека, но и у некоторых животных он стал достаточно мощным, чтобы дать самоосознание (включая приматов, слонов, дельфинов, касаток и сорок). Эволюционный путь, развивший наш мозг, был дорогой из желтого кирпича, и в результате мы пришли к открытию, что ДНК и есть волшебник, который находится за ширмой.

Наш мозг дает чувство собственного «я», которое заставляет современного Homo sapiens ощущать себя Решителем всех проблем; как следствие, возникает искушение считать, что это освобождает нас от тирании генов. Неизбежным ограничением этой искушающей идеи является тот факт, что наш мыслительный орган построен по генетическому плану, заложенному в ДНК: мозг – это орган наших генов, созданный нашими генами и для наших генов. Как мы увидим, не все мозги созданы равными и не мы выбирали тот, который оказался между нашими ушами.

Стал ли мозг, несмотря на исходные генетические ограничения, достаточно сложным, чтобы жить собственной жизнью, чтобы думать самостоятельно? Наш мозг содержит невероятные 100 миллиардов нейронов – в тысячу раз больше, чем число подписчиков в Твиттере у певицы Кэти Перри. Более того, у одного нейрона в среднем может быть 10 тысяч отростков, соединяющихся с другими нейронами, а это позволяет им всем общаться друг с другом с помощью биохимических сигналов. В человеческом мозге более 100 триллионов нейронных связей, а это означает, что их в тысячу раз больше, чем число звезд в нашей Галактике[24].

Как и у прочих животных, бо́льшая часть физических действий нашего тела (например, сердцебиение, дыхание, пищеварение и потение) выполняется на автопилоте, под контролем самой древней части мозга. Наверху этой автоматизированной системы, как завитки на верхушке рожка мороженого, находится кора головного мозга, та его часть, которая думает о погоде, фондовом рынке, о том, что только что произошло в научно-фантастическом сериале «Очень странные дела», и о том, следует ли вам принимать запрос на добавление в друзья от бывшего (или бывшей).

Эта масштабная беседа нейронов переносит внешний мир к нам в голову; здесь обсуждается, как нам на него реагировать. А интрига закручивается. Будучи центром управления весьма социального биологического вида, наш мозг работает в окружении бесчисленного количества других мозгов, колоссального коллективного разума, оперирующего информацией прошлого и будущего. И какова будет наша реакция теперь, когда коллективные мозги осознали эгоистичную игру ДНК?

Скоро у нас появятся возможности придать новый вид нашему создателю – мозгу. Мы разрабатываем способы редактирования генов, управления эпигенетическими метками, перестройки микробиомов и видоизменения мозга – той деятельности, которая делает нас соавторами жизни, а не просто пассивными живыми механизмами. В перспективе наше умение создавать самовоспроизводящиеся машины с помощью искусственного интеллекта может вообще отменить потребность в генах. А что, если мы объединим биологическую жизнь с механической? А может, мы просто промежуточные ступеньки во Вселенной, предназначенной для андроидов? Если мы не будем осторожны, то можем разделить судьбу Дарта Вейдера: победить свою дезоксирибонуклеиновую госпожу, но при этом получить смертельные ранения.

Наука узнала многое о том, кто мы и почему делаем то, что делаем. Однако инструкция гораздо сложнее, чем мы когда-либо представляли. Несмотря на наш интеллект, юмор и любовь к искусству, мы должны признать суть того, чем являемся, – «машины для выживания», построенной с помощью ДНК, которая существует под воздействием многочисленных скрытых сил, находящихся вне нашего контроля. В последующих главах рассмотрим поближе, насколько сильно или слабо мы в реальности управляем своими действиями и как можно использовать эти знания, чтобы улучшить себя и других людей в этом мире.