Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

Влияние питания на здоровье и продолжительность жизни млекопитающих поистине трудно переоценить. Как мы уже видели в предыдущей главе, длительное ограничение потребления калорий способно продлить жизнь мышей приблизительно на одну треть[261]. Из главы 6 мы также узнали, что на наше здоровье и долголетие существенное влияние может оказывать рацион наших родителей и их родителей. Это совершенно удивительные открытия, однако сама природа предлагает нам еще более поразительный пример влияния питания на долголетие. Только представьте себе, если сможете, что при определенном режиме питания немногие избранные представители некоего вида имеют продолжительность жизни, в двадцать раз превышающую сроки существования большинства их сородичей. В двадцать раз! Если бы это было доступно людям, то по сей день британский трон занимала бы королева Елизавета I и продолжала бы править страной еще не менее 400 лет.

Увы, человечество лишено такой возможности, но ею успешно пользуется один весьма широко распространенный вид. Он нам прекрасно знаком, поскольку мы встречаемся с ним каждую весну и лето. Мы пользуемся результатами его трудов, когда изготавливаем свечи и мебельную политуру, и мы с удовольствием употребляем в пищу его щедрые дары на протяжении всей человеческой истории. Это медоносная пчела.

Медоносная пчела, или Apis mellifera, поистине удивительное создание. Она являет собой яркий пример общественного насекомого. Пчелы живут колониями, которые могут насчитывать десятки тысяч индивидуумов. Подавляющее большинство из них — рабочие. Это стерильные самки, выполняющие самый широкий круг специализированных обязанностей, включающих сбор пыльцы, строительство жилищ и заботу о новорожденных. Есть среди них небольшое количество самцов, которые, если повезет, кроме спаривания, ничем иным практически и не занимаются. А еще у них есть своя королева — матка.

При формировании новой колонии девственная матка покидает улей в сопровождении целого роя рабочих пчел. Она спаривается с несколькими самцами, а затем обустраивается для создания новой колонии. Матка откладывает тысячи яиц, и большинство пчел, вылупившихся из них, становятся новыми рабочими. Из нескольких яиц вылупятся новые матки и начнут цикл формирования своей колонии с самого начала.

Поскольку матка, основавшая колонию, спаривалась несколько раз, не все пчелы в ее колонии будут генетически идентичными друг другу, так как у некоторых из них будут разные отцы. Однако в каждой колонии насчитываются группы из тысяч и тысяч генетически идентичных пчел. И эта генетическая идентичность распространяется не только на рабочих пчел. Новые матки также генетически идентичны тысячам рабочих пчел в колонии. Мы могли бы назвать их сестрами, но этим термином мы не опишем их достаточно полно. На самом деле, все они клоны.

Однако новая матка и ее клоновые сестры из среды рабочих разительно отличаются друг от друга, как по физической форме, так и по роду деятельности. Матка размерами может дважды превышать рабочую пчелу. После так называемого брачного полета, когда она впервые покидает колонию и спаривается, матка практически никогда больше не оставляет улей. Всю жизнь она проводит во тьме его замкнутого пространства, откладывая в летние месяцы до 2000 яиц в день. У нее нет жала, нет восковых желез, нет пыльцовых корзиночек (нет никакого смысла обзаводиться сумкой, если вы никогда не выходите из дома). Продолжительность жизни рабочих пчел обычно измеряется неделями, тогда как матки живут несколько лет[262].

Рабочие пчелы, с другой стороны, способны на многое, что недоступно маткам. Главная их обязанность заключается в сборе пищи, а затем и в информировании остальных членов колонии о том, где эта пища находится. Эти сообщения они доносят до соплеменников с помощью знаменитого «виляющего танца». Матка всю жизнь проводит в сумрачной роскоши улья, но приглашения на танцпол не получает никогда.

Итак, колония медоносных плеч насчитывает тысячи индивидуумов, которые генетически идентичны друг другу, но некоторые из них резко отличаются от остальных с точки зрения физиологии и поведения. И все эти различия являются следствием того, как питаются личинки пчел. Образ питания личинки на ранних стадиях ее развития полностью определяет, кем в будущем — рабочей пчелой или маткой — станет эта личинка.

Сценарий ДНК у медоносных пчел постоянный, но конечные результаты его варьируются. Эти результаты определяются определенным событием на раннем этапе развития (образом кормления), которое устанавливает фенотип, сохраняющийся на протяжении всей оставшейся жизни. В основе такого развития событий, как нетрудно догадаться, лежит эпигенетика, и в последние годы ученые начинают проникать в суть молекулярных явлений, обеспечивающих этот процесс.

Будущая судьба медоносных пчел решается по истечении третьего дня их жизни, когда они еще представляют собой совершенно неподвижные и беспомощные личинки. До окончания третьего дня все личинки медоносных пчел получают одинаковую пищу. Ею является особая субстанция, называемая маточным молочком, которую производят специализированные группы рабочих пчел. Эти юные рабочие, известные как пчелы-кормилицы, выделяют маточное молочко из расположенных на их головах желез. Маточное молочко — чрезвычайно питательный корм. Оно представляет собой концентрированную смесь множества разнообразных компонентов, в число которых входят важнейшие аминокислоты, редкие жиры, особые белки, витамины и другие питательные вещества, которые пока еще не полностью определены.

Когда личинкам исполняется три дня от роду, пчелы-кормилицы перестают кормить подавляющее большинство из них маточным молочком. Большая часть личинок переводится на новую диету, состоящую из пыльцы и нектара. Эту пищу получают те личинки, которым предстоит стать рабочими пчелами.

Но по причинам, которым никто не может найти убедительного объяснения, нескольким избранным личинкам пчелы-кормилицы продолжают давать маточное молочко. Нам неизвестно, как и по каким критериям отбираются эти личинки. Генетически они абсолютно идентичны тем личинкам, которые переводятся на менее изысканную диету. Но эта небольшая группа личинок, продолжающая получать маточное молочко, разовьется в маток и будет питаться той же самой субстанцией до скончания своих дней. Кормление маточным молочком является необходимым требованием для развития у маток зрелых яйцеклеток. У рабочих самок яйцеклетки так до конца и не развиваются, что и является одной из главных причин их бесплодия. Маточное молочко, кроме того, препятствует развитию у маток тех органов, которыми они никогда не будут пользоваться, таких, например, как пыльцевые корзиночки.

Мы понимаем действие некоторых механизмов, лежащих в основе этого процесса. У личинок пчел есть орган, выполняющий некоторые из функций, присущих нашей печени. Если личинка получает маточное молочко постоянно, этот орган обрабатывает комплексный источник пищи и активирует выработку инсулина. Это очень похоже на производство гормонов у млекопитающих, с помощью которых контролируется уровень сахара в крови. У медоносных пчел активация выработки инсулина повышает производство другого гормона, который называется ювенильным гормоном. Ювенильный гормон, в свою очередь, активирует другие реакции. Одни из них стимулируют рост и развитие тканей, таких как созревающие яйцеклетки. Другие останавливают формирование органов, которые не потребуются матке[263].