Но больше всего у меня свербит от ужасного слова “воспитание”. Оно описывает, как вас растили родители – заботились и защищали в детстве (или не сумели этого сделать). Но, конечно, это лишь малая часть ненаследственного происхождения признаков. Как мы узнаем в этой главе, более корректный термин – “опыт”, который я использую в самом широком смысле. Не только социальный опыт, не только события, отложившиеся в памяти, а каждый фактор, повлиявший на вас, от момента оплодотворения яйцеклетки и до последнего вздоха. Этот опыт начинается еще до того, как эмбрион прикрепляется к матке, и включает в себя все – от того, чем питалась мать, когда носила вас в утробе, до притока гормонов стресса, которые выработались у вас в первый день на первой настоящей работе.
Есть еще один важный фактор, не являющийся ни наследственным, ни приобретенным опытом. Это случайная природа развития, в особенности касающаяся сборки мозга и его 500 трлн связей. Случайность развития – важный фактор проявления признаков, которые мы измеряем в близнецовых исследованиях, в части индивидуальной среды. Сборкой мозга в целом руководит геном, но этот процесс не однозначно определен на мельчайших уровнях анатомии и функций клеток. Геном – не детальный поклеточный чертеж для развития организма и мозга, а, скорее, примерный рецепт, записанный на обороте счета за электричество. Геном не говорит: “Эй, ты, нейрон № 2 345 763 с глутаматным рецептором! Отрасти аксон назад на 123 микрона, а потом резко сверни налево, в другое полушарие мозга”. Указания, скорее, напоминают что-то вроде: “Эй, вы, кучка нейронов с глутаматными рецепторами! Отрастите свои аксоны немного назад, а потом примерно половина из вас пусть сделает резкий поворот налево, к другому полушарию мозга. А остальные аксоны повернут направо”. Генетические инструкции для развития неконкретны. По мере развития однояйцевых близнецов у одного из них сделают левый поворот 40 % аксонов, а у другого – 60 %. Пример касается мозга, но тот же принцип относится ко всем органам. Именно по этой причине однояйцевые близнецы с одинаковой ДНК и почти идентичной средой в утробе рождаются с не совсем одинаковыми телами, отличаются мозгом и темпераментом. Это значит, что индивидуальность – не просто итог борьбы “природы” и “воспитания”, а скорее результат наследственности, взаимодействующей с опытом и прошедшей через фильтр случайности развития. Не так красиво звучит, зато правда. Теперь мы получили общее представление о молекулярных механизмах, с помощью которых взаимодействуют наследственность, опыт и случайность развития, делая нас уникальными. Позвольте мне о них рассказать.
Почти каждая клетка вашего тела содержит полный геном – все 19 000 генов плюс длинные участки ДНК между ними[41]. Но в каждой клетке лишь некоторое число этих генов активируется, чтобы запустить создание белка – процесс, называемый экспрессией гена. И если задуматься, это вполне объяснимо. Вы же не хотите, чтобы в клетках, формирующих волосяные луковицы у вас на голове, вдруг включились гены, производящие инсулин, а клетки поджелудочной железы отрастили волосы. В большинстве клеток нервной системы – нейронах, работающих с помощью электрических импульсов, – происходит экспрессия около 13 000 генов. Из них около 7000 выполняют общие клеточные функции, их экспрессия происходит и в большинстве других клеток организма. Экспрессия примерно 400 генов проходит в нейронах гораздо активнее, чем в других клетках. При этом некоторые специализированные гены активируются в разных тканях. Например, и нейроны, и клетки сердечной мышцы электрически активны, так что в них происходит экспрессия определенных генов, которые необходимы, чтобы генерировать электрическую активность.
Нетрудно подсчитать, что около 6000 генов в нейронах никогда не экспрессируются[42]. Есть несколько способов отключить гены, чтобы они не могли заниматься синтезом белков. При самом долговременном по всей длине гена в цепочке ДНК прикрепляются компактные химические соединения – метильные группы (– CH3)[43]. Они блокируют возможность считывать информацию с гена. Гены, экспрессия которых никогда не происходит в клетке того или иного типа, выключаются именно таким механизмом – метилированием ДНК.
В дополнение к генам, всегда молчащим в клетках определенного типа, есть и другие, которые могут быть как отключены, так и включены в нужное время. Например, в детстве включаются гены, связанные с ростом, – в мышцах, костях и хрящах, но они отключаются, как только ребенок перестает расти. Другие гены включаются и отключаются на более коротких временны́х промежутках. Многие гены в нейронах и других тканях включаются каждую ночь и отключаются днем (или наоборот), а еще больше генов активируются на несколько минут в ответ на ту или иную электрическую активность в нервной системе или повышение уровня гормонов.
Кратковременные циклы экспрессии генов контролируются разными механизмами. Один включает модификацию белков, называемых гистонами, вокруг которых закручиваются нити ДНК. Присоединение к гистону различных химических соединений позволяет ДНК развернуться, а это первый необходимый шаг для экспрессии гена. Другие химические группы могут предотвратить разворачивание ДНК и таким образом блокируют экспрессию гена. Еще один регулирующий механизм связан с белками под названием “факторы транскрипции”, которые связываются с участком ДНК рядом с началом гена и таким образом включают экспрессию гена. Во многих случаях для запуска процесса экспрессии и создания белка генам требуются несколько факторов транскрипции, работающих совместно[44]. Регуляция экспрессии генов с помощью факторов транскрипции или благодаря присоединению различных химических групп к ДНК или гистонам называется эпигенетикой. Самое главное здесь, что ни один из этих механизмов не может изменить основополагающую последовательность A, C, T и G. Вот почему это называется эпигенетикой, а не генетикой.
Экспрессия генов регулируется очень тонко. Гены можно включить и выключить в разных типах клеток, в разное время, в ответ на самые разные формы опыта, от гормональных флуктуаций при инфекции до электрической активности от органов чувств. Регуляция экспрессии генов – критическая точка, в которой гены взаимодействуют с опытом и формируют индивидуальность человека[45].
В декабре 1941 года японская императорская армия вторглась в тропики и быстро подавила сопротивление в колониальных анклавах Британской империи – Малайе и Бирме, в голландской Индонезии, французском Индокитае и американских Филиппинах, а также в королевстве Таиланд. Те дни были триумфом японских военных, победивших в том числе и прославленную британскую армию. Японцы быстро продвигались вперед, и к марту 1942 года уже подошли к границам Индии. Однако война в тропиках давалась им нелегко. У японских солдат обнаружилась одна серьезная проблема: многие из них были подвержены тепловым ударам и выбывали из строя. Когда военные врачи начали исследовать проблему, они выяснили, что солдаты с Хоккайдо, более холодного северного острова Японии, сильнее подвержены тепловым ударам, чем их товарищи с субтропического южного острова Кюсю. Причина состояла в том, что солдаты с севера меньше потели, меньше охлаждали организм путем испарения, и в жарком климате у них слишком сильно поднималась температура тела. Биопсия кожи солдат с севера и юга показала, что количество потовых желез у них одинаковое. Это эккриновые потовые железы, покрывающие бо́льшую часть тела, которые вырабатывают соленую воду, а не апокриновые потовые железы подмышек и паха, вырабатывающие маслянистый, содержащий белки пот, о которых мы ранее говорили в связи с геном сухой ушной серы ABCC11. При более детальном изучении доктора обнаружили, что у солдат-южан больше эккриновых потовых желез, к которым подходят нервные окончания, несущие активирующие потоотделение электрические сигналы от секции мозга, отвечающей за температурную регуляцию. Эти потовые железы очень важны для того, чтобы тело не перегревалось в жаркий день.
Классическое генетическое объяснение этого явления заключается в том, что за многие поколения у жителей Кюсю и Хоккайдо накопились генетические различия. Благодаря различиям в генах потовые железы лучше связаны с нервами и лучше приспособлены к жаркому климату, и родители на Кюсю передают эти гены своему потомству. Если это так, можно предположить, что дети, родившиеся на Хоккайдо в семьях выходцев с Кюсю, унаследуют типичные для Кюсю вариации генов и получат больше связанных с нервами потовых желез. И наоборот, родившиеся на Кюсю дети семей с Хоккайдо получат меньше таких потовых желез.
Как выяснилось, это объяснение совершенно неверно. Напротив, количество потовых желез с нервными окончаниями определяется температурой окружающей среды в первый год жизни и остается таким до конца жизни. Если вы родились в холодном месте и позже переедете в жаркое, вам не повезло, ведь у вас так и останется приспособленная для жизни в холоде, меньше потеющая кожа. Но если вы останетесь в тропиках и заведете там детей, они будут обладать улучшенной температурной регуляцией и более активными потовыми железами[46].
Потенциальное несоответствие между адаптацией к окружающей среде в раннем детстве и последующим опытом жизни в другой среде выглядит проблемой для людей, которые переезжают с одного места на другое, но в целом это преимущество. Генетические изменения в соответствии с условиями окружающей среды часто проходят медленно, за несколько поколений. Но адаптации на раннем этапе жизни могут появиться за одно поколение. Вы и ваш партнер, как люди с севера, можете быть подвержены тепловым ударам, если переедете в тропики, но ваш ребенок, носитель северных генов, будет потеть интенсивнее и лучше переносить жару. Возможно, именно такая пластичность развития за счет опыта позволила людям быстро мигрировать на большие расстояния. Например, после того как первые люди перешли по сухопутному мосту из Сибири на Аляску, они меньше чем за тысячу лет расселились по всему пути до конца Южной Америки, во всех климатических зонах.