Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
26 июля 2016, вторник, 05:34
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

Лекции

Геномы и эволюция

Мы публикуем полную стенограмму лекции, прочитанной доктором биологических наук, кандидатом физико-математических наук, заведующим лабораторией, зам. директора по науке Института проблем передачи информации РАН, профессором Факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ  Михаилом Гельфандом  10 апреля 2008 года в клубе – литературном кафе Bilingua в рамках проекта «Публичные лекции «Полит.ру»». Лекция стала продолжением цикла (начало - выступление Кирилла Еськова "Палеонтология и макроэволюция"), призванного познакомить с современным состоянием естествознания.

Михаил Гельфанд - один из наиболее известных молодых российских ученых в сфере естествознания - как своей исследовательской работой, так и общественно-научной деятельностью. Научные интересы: сравнительная геномика, метагеномика, метаболическая реконструкция и функциональная аннотация генов и геномов, поиск регуляторных сигналов, эволюция метаболических путей и регуляторных систем, альтернативный сплайсинг, статистика последовательностей ДНК. Кандидат физико-математических наук (биофизика), Институт теоретической и экспериментальной Биофизики, Пущино "Предсказание сайтов сплайсинга и белок-кодирующих областей в ДНК высших эукариот" (1993), доктор биологических наук (молекулярная биология), ГосНИИ Генетики и селекции промышленных микроорганизмов, Москва. "Компьютерный анализ и предсказание функциональных особенностей последовательностей ДНК" (1998), профессор по специальности "Биоинформатика" (2007). М.Гельфанд - член редколлегии множества журналов в сфере молекулярной биологии и биоинформатики, лауреат научных премий, автор порядка двух сотен публикаций (список см. на официальной странице ученого)

См. также:

Текст лекции

Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)
Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)

Я так же, как Кирилл Юрьевич Еськов, начну с некоторой полемики, а потом уже буду говорить что-то более содержательное. Многие люди считают доблестью сказать, что они не верят в эволюционную теорию Дарвина. Это не хорошо и не плохо, но в этом высказывании каждое слово лукавое. Во-первых, слово «верю». Как это обычно произносят: «Вы верите в Дарвина, а я верю в Бога». Ну, и дальше начинается спор, чья вера круче. Однако когда это слово произносят ученые, это означает примерно следующее: «Я ознакомился с этой теорией, посмотрел, кто с ней спорит, какими фактами она опровергается, а какими подтверждается, и я с ней согласен». Так длинно никто не говорит, а говорят «я верю». И из-за этого возникает довольно неприятное терминологическое смещение, потому что спор сразу имеет опасность сместиться на какой-то эзотерический уровень, что и не поучительно, и толку от этого никакого нет

Потом, «эволюционная теория Дарвина». Все очень любят цепляться к слову «теория». Говорят: «У вас же теория, она же не доказана. Когда она будет не «теория», а «наука», тогда и приходите». На самом деле, теория Дарвина, это, во-первых, уже не совсем «Дарвина», и об этом я еще скажу, а, во-вторых, это исторический термин, точно так же, как была квантовая теория, а теперь это «квантовая физика», и про теорию уже и разговоров нет. И здесь ситуация такая же, просто слово «теория» осталось от прошлого.

И теперь про теорию Дарвина. На прошлой лекции этого цикла вышел замечательный человек, который раза три спрашивал Кирилла Юрьевича: «ну все-таки Дарвин же был неправ?» Со времен Дарвина (12.02.1809 – 19.04.1882) прошло 150 лет – как раз сейчас начнутся всякие юбилеи – и понятно, что 150 лет назад люди знали биологию хуже, чем сейчас, и что можно цепляться к мелочам и говорить «Вот, вы с этим Дарвином носитесь, а у него и это неправильно, и то тоже неправильно». Это, на самом деле, опять подмена понятий: спор идет не на том поле.

И, наконец, слово «эволюционная»: естественно, мы будем говорить про эволюцию, и я попробую потом про это поговорить подробнее. Про эволюцию можно говорить с совершенно разных позиций. Нормально это понимать так: живые существа могут меняться довольно сильно и, несмотря на обилие видов, они связаны непрерывной цепочкой изменений. Есть ортодоксы, как поп Сысоев, который просто повесил у себя на сайте анафему тем, кто учит теории Дарвина, смущая этим неокрепшие души. Есть более тонкие люди вроде дьякона Кураева, которые говорят, что нет, конечно, не нужно понимать Библию настолько буквально, «все строго за шесть календарных дней», и «сотворил человека из глины» тоже можно понимать метафорически: под глиной нужно понимать обезьяну, а под сотворением – превращение ее в человека. Примечательно, между собой эти два деятеля не спорят, и друг друга в полемике не упоминают, но зато Кураев, когда говорит про тех, кто понимает Библию буквально, предпочитает говорить о «протестантских креационистах». А дальше оба цитируют высказывания отцов церкви, и про каждое подробно выясняют, нужно понимать его буквально, и тогда анафема, или не буквально, и тогда можно говорить про эволюцию. Вот такие научные споры.

На этом я прекращу эту филиппику и расскажу о чем-нибудь более содержательном. Те основные идеи, которые сформулировал Чарльз Дарвин в книге «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) и Альфред Уоллес (Wallace, 1823-1913) в брошюре, которая я не помню, как называлась (ред. - "Вклад в теорию естественного отбора", 1870), это, во-первых, эволюция в собственно узком смысле, то, что виды могут переходить друг в друга и накапливать серьезные изменения, а, во-вторых, то, что эти изменения происходят под действием естественного отбора. И классический дарвинизм на этом, насколько я понимаю, и заканчивается. Есть альтернативные попытки объяснения эволюции: стремление живых существ к совершенству и т.д. Но они происходят оттого, что очень трудно себе представить психологически, что, накапливая такие маленькие изменения, можно дойти до изменений радикальных. Мне кажется, что это вызывается то ли недостатком, то ли избытком воображения, и еще тем, что жизненный опыт человека не позволяет ему думать и представлять себе большие отрезки времен, скажем, миллион лет. А кошка не превращается в собаку за 50 лет, и в этом нет ничего удивительного, или, точнее, общий предок кошки с собакой не превращается ни в кошку, ни в собаку за такое время. Если лучше сформулировать, то людям кажется, что таким случайным отбором и мелкими различиями нельзя достичь различий глобальных. Как оно так получается, я еще буду рассказывать.

А первая проблема дарвинизма, с которой он столкнулся, это то, что непонятно, на что и как этот отбор действует. Понятно, что, если у тебя длиннее ноги, то ты быстрее бегаешь, но неясно, как это может закрепиться в последующих поколениях. У Дарвина, по-видимому, никаких идей на этот счет не было. Есть замечательная легенда, что в бумагах Дарвина нашли нераспечатанное письмо от Менделя (Mendel, Gregor Johann) (1822-1884), т.е., от человека, который стал отцом современной генетики. Но, по всей видимости, хотя они действительно были почти современниками, это неправда, потому что, во-первых, не находили никакого письма, а во-вторых, из психологических соображений, потому что про Дарвина известно, что он к своей корреспонденции относился очень внимательно и на все письма отвечал. Но на самом деле очень хочется, чтобы было так, это же создает замечательную драматическую историю. Вся современная синтетическая теория эволюции и основана на соединении идей о естественном отборе и субстрате, на который отбор действует.

Одним из хорошо обоснованных возражений против Дарвина был так называемый «кошмар Дженкина» (1867), по имени человека, который его придумал. Он состоит в следующем: представим, что у кого-то из вас случайно появился какой-то новый, очень хороший признак. Дальше, у каждого живого существа по двое родителей, поэтому у следующего поколения будет уже только половинный признак, и т.д. – и это очень скоро размоется. Через несколько поколений отбору не на что будет действовать, и потомки этой особи будут неотличимы от всех остальных. И замечательная вещь, которая проистекла из понимания генетики, показала, что на самом деле происходит не так, что есть дискретные единицы наследственности – гены, пока про их физическую природу можно даже не говорить, и влияние отбора проявляется в том, что частота вариантов этого гена из поколения в поколение меняется. Если отбора нет, если ситуация нейтральна, то есть известная теорема, что при отсутствии отбора частота вариантов гена в одном и в другом поколении будет одинаковой. Это довольно простая выкладка, называется «закон Харди-Вайнберга» (1908). Если же отбор есть, то особи, обладающие благоприятным признаком, будут выживать чуть лучше и иметь чуть больше потомства, и тогда в следующем поколении частота соответствующего варианта будет чуть больше. И мутации, новые признаки появляются, действительно, случайно, и они могут уйти в небытие, что чаще всего и происходит, но иногда под действием отбора могут совсем вытеснить то, что было раньше, и тогда происходит полная смена варианта гена. Это не очень сложно, и в начале прошлого века это уже поняли.

Теперь мне на две минуты потребуется провести биологический ликбез (слайд 2). Нужно знать следующее: есть ДНК, это очень длинная молекула, она состоит из 4-х типов элементарных единиц (нуклеотидов), у человека ее длина 3 млрд., у бактерий – 3 млн. В ней бывают гены. Гены – это участки ДНК, которые кодируют белки. А белки – это то, что работает в клетках: ферменты, строительные материалы. Белок в первом приближении – это тоже линейная молекула, состоящая из мономеров (аминокислот), из другого стандартного алфавита. ДНК скручена в спираль, а белок тоже скручен в компактную глобулу, но это уже не очень существенно. И перед геномом есть участки ДНК, которые ничего не кодируют, а отвечают за регуляцию: когда будет экспрессироваться белок, а когда нет. Пока этого должно хватить.

С чем имеет дело современная эволюционная биология? Представим себе игру в испорченный телефон (слайд 3), только человек, который говорит, говорит не одному, а сразу двум. И вот в разные стороны происходит передача какого-то сообщения, и все время с искажениями, так, что к последним крайним особям этого ряда пришло совсем не то, с чего начали. И важно то, что то, что услышали двое соседних, которые услышали от одного и того же, отличается между собой не очень сильно, а то, что услышат два члена, далеко отстоящих друг от друга, очень отличается, потому что много актов передачи прошло. Теперь представим себе, что мы ничего этого не знаем, а просто смотрим на целый ряд разных сообщений – последовательностей белков. Некоторые из них похожи, кто-то больше, кто-то меньше (слайд 4). И вот, мы берем самых похожих и смотрим на то, какой у них мог бы быть общий предок (слайд 5). И вообще считаем, что он являются ближайшими родственниками друг друга. И дальше поднимаемся по это цепочке, всякий раз считая, что самые похожие белки – это те, которые происходят от общего предка (слайд 6). И, поднимаясь по этой цепочке, мы можем реконструировать их эволюционную историю и сказать, какие белки разошлись недавно, а какие давно.

Идея этого, как всегда, принадлежит Крику. А первые подсчеты такого сорта сделал Марголиаш в 1963 году. Он просто взял один конкретный белок у разных существ и посмотрел число различий в его последовательности в разных парах. Результаты оказались с одной стороны, ожидаемыми, с другой стороны, разумными. Белок состоит из 104 аминокислот. Число различий между лошадью и свиньей было 3, между лошадью и тунцом – 19, а лошадью и дрожжами – 44. И это примерно соответствует нашим преставлениям о том, как эти существа друг на друга похожи.

Первые попытки рисования деревьев (слайд 7) – это примерно тогда же Полинг (тот Полинг, который Лайнус Полинг) и Эмиль Цукеркандль. А вот эта картинка (слайд 8) – типичное дерево из современной статьи. Тут тоже взят один белок, и много разных существ, и это то, к чему все привыкли. Замечательно другое: Та процедура, о которой мы рассказывали, т.е., последовательное объединение, заодно реконструирует последовательности во внутренних узлах этого дерева. Сейчас есть наука, которая называется молекулярная палеонтология. Вот мы возьмем белок, и будем реконструировать его историю. А потом будем смотреть на его физические свойства и по этому будем пытаться реконструировать, как разные животные жили когда-то давно. Например, то, что я показываю (слайд 9), – это зрительный пигмент динозавров. Измерили его спектр поглощения, оказалось, что он очень хорошо поглощает в области красного спектра, а это характерно для существ, живущих в сумерках, и после этого стали, с некоторой долей юмора, обсуждать, что, по-видимому, динозавры охотились вечером. Сейчас этим занимаются все больше.

Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)
Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)

Теперь можно обсудить, какая польза в народном хозяйстве от этой деятельности. Я не сказал, что, когда мы рисуем филогенетические деревья, то считаем, что количество накопленных замен примерно равно прошедшему времени. Вот это дерево (слайд 10 слева) не похоже на другие: у него есть основной ствол и много коротеньких веточек. Это эволюция штаммов (разновидностей) вирусов гриппа. Он меняется очень быстро, поэтому это как раз то, что мы можем увидеть в реальном времени. Это дерево штаммов, циркулировавших с 1983 по 1998 гг. Видно, что если кто-то один оказывается удачливым, то он дальше становится источником для следующих поколений. Вот тут, например (показывает), сосуществовало какое-то время две основных линии, а потом одна все-таки исчезла.

А картинка с ВИЧ, то есть с вирусом СПИДа (слайд 10 справа). И это, наверно, первый случай, когда теория молекулярной эволюции применялась в судебной практике – не эволюцию судили, а эволюция была доказательством. Ситуация была такая: один дантист во Флориде заразил кучу своих пациентов СПИДом, и когда его судили, адвокат сказал: «Как же так, говорят, что он один всех заразил, а последовательности вирусов у всех разные». Дело в том, что ВИЧ меняется совсем быстро, и даже внутри одного человека живут популяции несколько различающихся вирусов. И тогда нарисовали это дерево и показали, что штаммы вируса, выделенные из дантиста, и штаммы, выделенные из пациентов, образуют плотную ветку, т.е., являются ближайшими родственниками друг другу. А порядок их ветвления соответствует записям в книжке дантиста, т.е., он их заражал в том порядке, в каком они записывались на прием.

И еще один пример пользы в народном хозяйстве, то есть, скорее, вреда – это устойчивость бактерий по отношению к лекарствам (слайд 11): мы пытаемся лечить что-то антибиотиками, бактерии приобретают устойчивость к ним, и антибиотики перестают действовать. Бывают разные механизмы, но один из них состоит в том, что белок, который разлагает антибиотик и делает его безвредным для бактерий, меняется, когда мы начинаем применять новые лекарства, которые он раньше разлагать не мог. То есть, начинают с природного антибиотика, выделенного из каких-нибудь существ, скажем, грибков или актиномицетов. Но природные антибиотики – это средства борьбы микроорганизмов друг с другом, и они боролись друг с другом гораздо дольше, чем мы пытаемся лечить свои болезни. Поэтому были и какие-то средства защиты от этого антибиотика, например, как в нашем случае, бактерии умели его разлагать. Тогда мы начинаем усовершенствовать антибиотик, и бактерии его сначала разлагать не могут. Но тогда белок, который его разрушал, тоже начинает меняться, чтобы разрушать теперь уже эти новые антибиотики. В природе такая же гонка вооружений происходит.

Здесь речь идет о конкретном белке, который дает устойчивость к антибиотику уже третьего поколения. Отличие его от исходного состоит в пяти позициях – это пять мутаций. Авторы статьи сделали следующее: они синтезировали все возможные промежуточные варианты исходного белка, с одной мутацией, двумя и так далее, и посмотрели, какие из них дают устойчивость. Тут существенно вот что: ясно, что трудно себе представить, что все пять мутаций произошли одновременно. Поэтому они должны были происходить последовательно, и каждая последующая мутация должна давать селективное преимущество по сравнению с предыдущей. Когда вы делаете точечные замены, каждый белок должен быть более эффективным, чем предыдущий, потому что, если он будет хуже, этот вариант никогда не закрепится, не заменит существующий. И оказалось, что есть только один путь, который удовлетворяет этому критерию.

Почему это важно для теории эволюции. Иногда говорят: «Как же вы хотите, чтобы у вас были изменения, у вас же промежуточные формы будут такими уродами, которые ни к чему не приспособлены и выживать не будут». Оказывается, что нет: этот пример показывает, что есть последовательность эволюционных событий, когда у промежуточных форм, каждый новый вариант лучше предыдущего.

А есть и второе частое возражение: «Смотрите, вот средняя длина белка примерно 300 аминокислот. Разных аминокислот – 20. Поэтому разных возможных белков – 20 в степени 300, очень много. Как же вы хотите, чтобы у вас случайно образовались современные белки, если перебором вы этого никогда не достигнете». Это тоже неправда, потому что перебор охватывает небольшое число позиций. Вам не нужно перебирать все, а достаточно поменять одну позицию, посмотреть, что было и что получилось, и, если стало лучше, то это стало новой нормой, и дальше меняется следующая позиция. Пример с лекарственной устойчивостью показывает, как это бывает.

Вообще, это все достижения последних лет, когда стало много последовательностей и стало возможно не просто махать руками, а что-то предъявлять в качестве доказательств. И это, по-моему, довольно красиво и довольно убедительно. Второе, что стало как следует ясно тоже в последнее время, – это что белки, помимо способа эволюционировать точечными изменениями, еще могут и обмениваться большими фрагментами (слайд 12). То, что нарисовано здесь одинаково – это родственные кусочки в белках. Эти белки делают примерно одно и то же, но эти кусочки составлены в них по-разному. То есть, когда вы хотите сделать большой разумный белок, вы можете, его, грубо говоря, отобрать по частям, и только потом эти части приблизить друг к другу. Например, у вас был белок, который умел хватать один субстрат, и другой, который умел хватать другой субстрат, и если вы сумеете сделать из них химеру, то она сможет хватать оба субстрата и, если повезет, катализировать реакцию между ними. И таких примеров – глобальных перестроек в белках – накоплено очень много. А такие перестройки уменьшают перебор до вполне обозримых величин и, стало быть, времен.

Откуда вообще берутся новые белки? Во-первых, как я сказал, за счет перетасовки частей старых. Во-вторых, гены могут дуплицироваться (слова «гены» и «белки» я употребляю через раз, имея в виду, что в первом приближении между ними есть взаимно однозначное соответствие; в геноме происходят изменения на уровне ДНК, а видим и изучаем мы их на уровне белка). Могут происходить дупликации, когда вместо одного гена стало два, сначала идентичных, а потом они расходятся и набирают разные функции. И эти функции могут быть очень интересными. Например, кристаллины, белки хрусталика глаза: это молодые белки, они могут быть очень специфичны для узких групп зверюшек. По происхождению это все ферменты, т.е., белки совсем другой функции, а здесь от них требуется, чтобы они давали прозрачный кристалл. Или, например, у рыб, которые живут в холодных морях, есть белки-антифризы. Они появились, потому что требуется, чтобы у них не образовывались хрусталики льда. Они тоже рекрутированы из белков совсем другого происхождения. Они похожи сейчас по строению, у них основное – это длинные периодические повторы, но по происхождению совершенно разные, это видно по последовательности. Смотрели на северную треску, и на антарктическую нототению, это совершенно разные таксоны, у которых конвергентно образовались белки с новой похожей функцией.

Еще стандартный вопрос: «Вот вы рисуете деревья, а откуда вы знаете, что они правильные?» Во-первых, можно смоделировать эволюцию, а потом посмотреть, воспроизводит ли ее наше дерево. Можно еще нарисовать дерево по одной половине белка и отдельно по другой, и хорошо бы, чтобы они были одинаковым, потому что эволюция для них происходил одновременно. Есть и другие способы, но, в любом случае, это можно проверить. Кроме того, можно смотреть не только на согласованность деревьев для левой и правой половин белка, но и согласованность деревьев для разных белков из одного и того же набора организмов. И оказывается, что они действительно похожи. И, кроме того, эти деревья согласуются со здравым смыслом, они похожи на те, которые строили палеонтологи и морфологи, до тех пор, пока они не начинали спорить друг с другом. Это дает повод думать, что те деревья, которые мы строим, адекватные, и с их помощью можно заполнять какие-то лакуны. А после этого начинается нормальная деятельность по сопоставлению молекулярных и морфологических данных. Палеонтологическая летопись при этом дает привязку по времени, потому что вы видите, когда появляются на этом дереве таксоны.

Вот замечательная картинка (слайд 13), которая ничему не служит, просто, видимо, это первое дерево, оно взято из записной книжки Дарвина.

Ну вот, а когда у вас есть достоверное молекулярные деревья с хорошим разрешением, то дальше можно вернуться назад, посмотреть на морфологические признаки и посмотреть, как эти морфологические, поведенческие, и всякие другие признаки, проявляются на дереве. И это очень большая, красивая и одна из последних областей, которыми люди много занимаются. Оказывается, что иногда молекулярные деревья вызывают переоценку таксономий. Когда таксономия не совпадает с морфологическим деревом, то часто оказывается, что есть и какие-то другие морфологические признаки, которые с деревом согласованы, но которые раньше считались не важным. То есть, это иногда дает довольно сильную переоценку морфологической картины.

Долгин. Может быть, какой-нибудь пример такого пересмотра?

Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)
Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)

Гельфанд. Пожалуйста. Есть южноамериканская птица тукан, с колоссальным клювом, примерно с саму птицу. Ее ближайшие родственники, с маленьким клювом – одни из Старого Света, а другие – южноамериканские. И думали, естественно, что те группы, которые с маленьким носом, – родные друг другу, а с большим – «двоюродные». Оказалось, что нет, что тукан родственен южноамериканской группе, у которой маленький нос, а африканские и азиатские – это отдельная группа. То есть, морфологический признак, размер клюва, тут не является определяющим. Даже ясно, почему – еще Дарвин на галапагосских вьюрках видел, что размер клюва – очень подвижный признак. Вот еще пример: секвенировали кусочки генома мамонта, и оказалось, что он является ближайшим родственником азиатскому слону, и двоюродным – африканскому, и еще, кроме того, оказалось, что африканских слонов два вида. Раньше на это не обращали внимания, хотя замечали, что внешний вид тех, кто живут  в саванне и тех, кто живут в пустыне, отличаются друг от друга. А оказалось, что это совершенно две разные популяции, которые не скрещиваются. Или, скажем, оказалось, что киты – ближайшие родственники гиппопотамов, потом и палеонтологи нашли промежуточные формы. Ну, про это еще в Книге Иова было написано, там Левиафан и Бегемот…

Теперь мы можем смотреть на совсем полные геномы. Геном – это вся ДНК, которая есть в данном живом существе. Я сначала расскажу байку. Был такой британский математик Карл Пирсон, от которого много чего осталось такого, чему учат в университетах. Его в какой-то момент призвали в армию, там направили в авиацию, а там, узнав, что он статистик, придумали ему правильную задачу. Чем хороши королевские вооруженные силы, так это тем, что там правильные задачи ставят правильным людям. Задача была такая: надо было броней укреплять самолеты, потому что были потери. И генералы решили, что в самолетах нужно посчитать дырки от пуль, и в тех местах, где их больше, ставить броню, потому что ясно же, что именно в эти места пули чаще попадают. Я не знаю, легенда это, или нет, но тогда Пирсон аккуратно спросил: «А в каких самолетах считают?» И когда ему объяснили, что в тех, которые возвращаются с задания, он сказал: «Нет, нужно укреплять те места, где дырок нет вообще. Потому что это означает, что если пуля в это место попала, то самолет до аэродрома не долетит».

В современной геномике используется та же идея. Все время идет постоянный процесс мутаций. И те участки, которые являются консервативными и не меняются, являются функционально важными. Когда стали на это смотреть, первое, что немедленно увидели, были гены, это естественно, а во-вторых, оказалось что консервативны регуляторные участки перед генами, и это сейчас отличный способ искать регуляторные участки.

И еще увидели, конечно, что геномы действительно очень похожи. Два человека отличаются в одной позиции на тысячу, а человек от шимпанзе в одной позиции на сто. То есть, 99% генома у нас с шимпанзе общие. На это есть казуистическое возражение от креационистов: «А что вы удивляетесь? Человека и шимпанзе делали из похожих деталей, вот они и похожи. Ну вот «Волгу» и «Газель» тоже делают из похожих деталей, вы же не удивляетесь, что они похожи».

Но, оказывается, мы видим множество следов эволюционных событий, потому что в геноме история очень хорошо записана. Когда есть одинаковые улучшения, скажем, новые гены, то это не очень хорошо, чтобы доказывать эволюцию: всегда можно сказать, что «из похожих деталей делали». А вот одинаковые ухудшения – это, по-видимому, разумно можно объяснить только тем, что они произошли у общего предка.

Например, ген одного из ферментов пути синтеза аскорбиновой кислоты. Он есть у большинства млекопитающих, но не функционален у приматов, поэтому мы должны аскорбиновую кислоту получать с пищей, это витамин С. То есть получается, что или сломался у общего предка приматов, или нам придется вообразить, что этот ген сломался одновременно и целенаправленно много раз у разных обезьян, что маловероятно. То есть, приходится признать, что все-таки существовал общий предок приматов. А после того, как ген перестал быть функционален, он постепенно разрушается, но, поскольку времени прошло не очень много, мы его остатки видим в геноме. И таких обломков генов мы видим очень много.

Второе, что мы видим, глядя на много геномов, это то, что они совершенно не оптимизированы под существующую жизнь. Есть много мутаций, которые чуть-чуть вредные, но при этом не настолько вредные, чтобы сразу же исчезнуть из популяции. Например, тот же дефект синтеза аскорбиновой кислоты у приматов. Пока вы живете в Африке и питаетесь фруктами, этот ген вам не очень важен. Но, если популяция расширяется и вы попадаете на север, то это становится важным фактором отбора. Светлана Александровна Боринская будет об этом говорить в следующий раз, а я приведу несколько другой пример. У взрослых приматов и вообще у млекопитающих взрослые особи не могут перерабатывать молочный сахар. Это понятно, зачем нужно было: чтобы не было конкуренции между старшими и младшими детьми за доступ к мамочке. Есть специальный регуляторный механизм, который выключает синтез этого фермента на каком-то году жизни. У многих людей сейчас этот механизм разрушен, там случилась точечная мутация, которая попортила регуляторный сайт. Наблюдение состоит в том, что у скотоводческих народов доля людей с таким вариантом гораздо больше, чем у земледельческих.

Еще один вопрос против, который могут задавать: «Посмотрите, какие все разные! Разве можно достичь такого разнообразия какими-то точечными мутациями в генах?» И ответ на это, который тоже становится ясен и подтверждаем сейчас – это то, что многие важные изменения происходят не в генах, а в регуляторных областях. У нас есть гены, которые отвечают за развитие организма. Они регулируют работу других генов. В онтогенезе, в происхождении отдельного организма, после того, как слились яйцеклетка и сперматозоид, есть очень большая программа развития, которая определяет, в каком порядке какие клетки делятся, где закладываются будущие органы, и так далее. И очень маленькими изменениями на этом уровне можно достичь очень больших изменений в морфологии. Вот еще пример: есть ген, который регулирует развитие передней конечности: какое время растет хрящ, прежде, чем окостеневает. Сделали вот что: взяли регуляторную область – не ген! – летучей мыши и пересадили обычной мыши. Больше не сделали ничего. Передние лапы стали на 15 % длиннее.

Я обещал рассказать, что, имея хорошее молекулярное дерево, мы можем интерпретировать какие-то глобальные изменения на уровне морфологии. Вот палочники, они бывают крылатые, бывают совсем бескрылые, а бывают с зародышами крыльев (слайд 14 слева). И когда это нарисовали на молекулярном дереве ( слайд 14 справа), то оказалось, что потери и приобретения крыльев на этом пути случались неоднократно, таксономию нужно пересмотреть, плюс было сделано предсказание, что сохранились они потому, что гены, которые участвуют в развитии крыла, еще для чего-то нужны. Потому что потерять сложный признак довольно легко, а вот сделать так, чтобы он вернулся – сложнее. Поэтому хочется думать, что эти гены отвечают и еще за что-то, и поэтому сохранились, а будут ли они работать еще и на развитие крыла, зависит от небольших изменений, которые могут происходить в обоих направлениях.

И еще одна история того же сорта. На Тихоокеанском побережье Америки был ледник, который отступал, и открывались ручьи, которые стекали в океан. В океане жили трехиглые колюшки, с шипами и плотной чешуей (слайд 15 слева). И в каждом ручье сейчас живет свой вид колюшек, которые без шипов и почти что голые (слайд 15 справа). Первое, что выяснили, это то, что ручьи заселялись независимо, но это естественно, они друг от друга географически отделены. А дальше оказалось, что различие «вооруженного» варианта и «голого» определяется одним геном, и в море голые особи встречаются тоже, только их мало, потому что в море много хищников, и там голой рыбке жить плохо. Когда стали заселяться ручьи, «победили» голые, потому что там быстрое течение, таскать на себе броню неудобно, а хищников, наоборот, нет. Самое поразительное, что эти изменения случились всего примерно за десять тысяч лет, а не за миллион, т.е., практически за обозримое время.

Дальше можно измерять скорость эволюции отдельных генов, и это важно, потому что показывает, как накапливаются изменения и как происходят преобразование. Когда стали рисовать деревья для разных семейств генов, то оказалось, что топологически они похожи, а вот длина веток разная. И был сделан вывод, что важные белки эволюционируют медленно, а всякие относительно маргинальные – быстрее, то есть, тут идет стабилизирующий отбор против изменений в важных белках. Они все равно происходят, но медленнее.

Есть, впрочем, и ситуации, когда полезно изменяться. Один пример я уже рассказал – это вирусы. Вирусы эволюционируют быстро, то есть новые варианты вирусов имеют преимущества перед старыми, потому что перед ними стоит страшный противник в виде иммунной системы, которая быстро научается распознавать вирусы. А после этого она глушит существующий вариант и он перестает размножаться в организме и распространяться в популяции. В этом и состоит функция иммунитета. Новый вариант вируса, к которому иммунитета нет, является заразным, вызывает эпидемии и так далее.

Второй такой же пример: похожие отношения у сперматозоидов и яйцеклеток, которые стремятся избежать того, чтобы их оплодотворили. И отбор на изменения в клетках зародышевого пути, точнее, в их рецепторах – это важный фактор видообразования: последовательности рецепторов быстро меняются, и если у вас популяции по каким-то причинам оказалась репродуктивно изолированные, например, Панамский перешеек вырос из океана, то довольно быстро виды по двум сторонам барьера расходятся, потому что сперматозоиды одних перестают узнавать яйцеклетки других. И это очень простой и очень быстрый механизм видообразования в классическом смысле.

И, перекидывая мостик к следующей лекции, которую будет рассказывать Света Боринская про эволюцию человека, очень интересно узнать, какие изменения происходили на пути обезьяна–человек. Через два года будет 150 лет от знаменитого спора (30 июня 1860 г.) оксфордского епископа Сэмьюэла Уилберфорса и Томаса Гексли (1825-1895) про теорию эволюции. У них состоялся диспут, хороших записей не сохранилось, поэтому толком, что там происходило, не известно. Мы знаем, что Гексли написал длинное письмо Дарвину, но оно не сохранилось. А самый известный анекдот такой: Когда Уилберфорс спросил Гексли, по какой линии он происходит от обезьяны, по отцовской или по материнской, тот пробормотал человеку, который сидел рядом и как раз это записал: «Сам Господь отдал его в мои руки», – и после этого порвал епископа, как Тузик грелку. Сказал он, в очень грубом пересказе, вот что: посмотрите, каков я по сравнению с обезьяной, и каков епископ по сравнению с Богом, и сравните тенденции. А когда год назад наш патриарх на каких-то посиделках в Кремле произнес почти дословно то же самое, что, мол, мы будем верить, что человек сотворен Богом, а кто хочет, пусть верит, что он произошел от обезьяны, он сорвал аплодисменты за то, что так ловко отбрил дарвинистов. Это к вопросу о состоянии умов в викторианской Англии и в современной России.

Итак, берем геномы человека, разных обезьян, нескольких более далеких родственников – мышей и крыс, например. Их можно сравнивать, и из этого вытекает то, много всяких изменений происходит именно в регуляторных областях гена. Это уже давно заметили, что человек – это просто не до конца оформившаяся обезьяна. Смотрят на дупликации генов в линии человека. И это гены, которые потенциально тоже повлияли на это превращение, это нововведения в человеке по сравнению с ближайшим родственником – шимпанзе. И интересно еще смотреть на те гены, которые менялись очень быстро, те, на которые был отбор на изменения. Банальный пример – это гены иммунной системы, но оказывается, что есть и другие гены, которые у человека эволюционируют быстрее, чем у других приматов. Один из них был уже известен – это ген, мутация которого у человека приводит к микроцефалии. То есть ген, который отвечает за размер мозга, у человека очень быстро эволюционировал. И еще проявились гены, которые оказались уже известны медицинским генетикам, потому что были как-то связаны с развитием нервной системы.

Все. Перед вопросами – рекламная пауза. Есть новая научная газета, называется «Троицкий вариант» (которую будут издавать разные научные люди), и вот ее пилотный номер. В редколлегии была дискуссия, продавать его «по-настоящему» или раздавать так, и решили раздавать, но я на всякий случай принес шляпу для пожертвований.

Долгин. И что же из этого всего следует?

Гельфанд. Первое и, пожалуй, то, что мы чувствуем на собственной шкуре – это то, что сейчас биология меняется с фантастической скоростью, мы себя чувствуем как внутри лавины, потому что поток данных такой, что это все интересно и замечательно, но немного страшно. Применительно к тому, что я рассказывал, многие эволюционные вопросы, которые еще недавно были до некоторой степени схоластическими – за счет чего накапливаются большие изменения структуры и функции, как они могут возникать от изменений в геноме, – сейчас можно измерить и показать.

Долгин. Т.е., иными словами, то, о чем рассказывал Кирилл Еськов – это было некоторым макроуровнем, показывающим, как сейчас рассматривают вообще эволюцию саму по себе с точки зрения организма в целом. То, что сказали вы – это доказательство уже через механизм.

Гельфанд. Да, Кирилл в начале лекции сказал, что будет говорить о том, что видно,

и отказался отвечать на вопросы о механизме, о чем как раз говорил я.

Долгин. Спасибо. Ваши взгляды совпадают? Не ваши с Кирилом, а взгляд с позиции макроэволюции и с позиции генетики.

Гельфанд. С одной стороны, это и есть то, что называется теория синтетической эволюции, а, с другой, возвращаясь к позиции Кирилла, он сказал, что он в эту сторону и смотреть не хочет.

Долгин. А вы?

Гельфанд. А мы смотрим и говорим, что какие-то морфологические изменения – как выросла длинная передняя лапа у летучей мыши – происходят за счет изменения какого-то регуляторного гена.

Долгин. Т.е., на ваш взгляд, вы сходитесь.

Обсуждение

Дунаевский, биофизик. Я перечислю несколько вопросов, а, может быть, вы решите, на какие из них отвечать. Что касается происхождения человека и деталей этого, видимо, отпадает, потому что будет обсуждаться отдельно. Следующий частично обсуждался, а я могу вам назвать кошмар Набокова, не помню, где это было о том, как же так сделала эволюция, что изгибы и витиеватости рисунка конкретной бабочки подстроились под один конкретный листик. А что такое бабочка? Там почти нет мозгов...

Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)
Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)

Гельфанд. Я пытался рассказать, что мозги здесь ни при чем. Бабочка не мозгами решала, что она должна быть похожа на листик. Я переформулирую сейчас это в ортодоксальных дарвинистских терминах: чем больше вы похожи на листик, тем меньше вероятность, что вас съест птица, тем вероятнее от вас останутся потомки. И это представить себе очень легко: лучше быть немного похожим, чем совсем не похожим, лучше быть хорошо похожим, чем чуть-чуть похожим, и так далее. Все такие примеры хорошо объясняются за счет постепенного улучшения подражания.

Дунаевский.  К этому вопросу примыкает тот, который вы тоже затронули: многие биологи испытывают недоумение перед скоростью эволюции: уж слишком быстро шел отбор по сравнению с вероятностью такого изменения.

Гельфанд. Ну, раз я это затронул, то любой гвоздь надо забивать по шляпку. Биологи, которые испытывали внутренний дискомфорт, это говорили, исходя из каких-то своих внутренних ощущений, а не из расчета или наблюдений. Вот я приводил пример про колюшек, циклиды в озере Виктория, Кирилл Еськов рассказывал про тлей, которых можно выращивать на разных растениях, это получаются разные популяции, и они довольно быстро перестают смешиваться. Это показывает, что эволюция, действительно, может происходить довольно быстро.

Дунаевский. Первые элементы биологической эволюции?

Гельфанд. Что вы имеете в виду?

Дунаевский. Живое из неживого.

Гельфанд. Эволюция в узком смысле  – биологическом – начинается в тот момент, когда появляются репликаторы, т.е., какие-то системы или конструкции, которые могут себя воспроизводить. Поэтому я специально не говорил про происхождение жизни, это скорее область химии, но вот что мы можем делать, так это, глядя на современные геномы, пытаться понять, как выглядел последний общий предок ныне живущих существ. Мы не знаем, что происходило до него, потому что нельзя проникнуть через это узкое горлышко, можно только с другой стороны, через химию, но мы можем попытаться понять, что общего у бактерий и у человека, и вот про этого предка (он называется LUCA – last universal common ancestor), оказывается, мы можем говорить интересные вещи: например, скорее всего, у него был РНКовый геном, а не ДНКовый; генетический код у него был такой же, потому что у нас и бактерий он одинаковый; весь аппарат синтеза белка был у него примерно такой же, как сейчас, там были рибосомы, транспортные РНК; кое-что можно говорить о его метаболизме; совершенно не исключено, что он не был клеткой, потому что клеточная мембрана, похоже, была изобретена два раза, у архей и у бактерий, двумя разными путями. Если это правда, то последний общий предок живых существ в нашем понимании живым существом не был, потому что он был некоторой лужей, в которой что-то плавало. А дальше уже можно доказывать что-то, махая руками.

Дунаевский. Да вы правы, скорее мой вопрос относился к химии: как из чего-то нереплицированного и не реплицирующегося возникли первые реплицирующиеся существа.

Гельфанд. Люди сейчас занимаются вот чем: химики пытаются делать самореплицирущееся РНК, которые могли бы себя воспроизводить. Сейчас есть много пропастей, которые непонятно чем заполнять, но я надеюсь и подозреваю, что с этим будет так же, как с эволюцией, про которую сто лет назад было совершенно непонятно, как доказывать эти механизмы и на что она опирается, а сейчас мы уже можем об этом говорить. С происхождением жизни можно надеяться, что произойдет то же самое. Пока же мы не можем себе представить, что происходило, пока эти молекулы плавали в бульоне и из них отбирались

Дунаевский. Ближайшие перспективе геномики и протеоники. Каждый из нас много видел и читал что-то про стволовые клетки, и т.д., но на нас валится лавина, и разговоры про какие-то вещи ведутся уже несколько десятков лет, а выхода в реальную медицину так и нет.

Гельфанд. Ну, во-первых, это вопрос не ко мне. Во-вторых, выход есть. Нужно понимать, что есть разница между обещаниями, которые давали организаторы проекта «Геном человека», чтобы получить под него деньги, и той реальностью, которую понимали они же. А примеры, конечно, есть, скажем, то, что называется индивидуальная фармакология: анализ эффективности разных лекарств у отдельного человека. Есть тонкая диагностика рака на разных стадиях по уровням экспрессии разных генов.

Дунаевский. А перспективы?

Гельфанд. Ну, это совсем не по теме.

Дунаевский. А еще какие-то опасности: генетического биотерроризма?

Гельфанд. Есть. Люди, которые говорят о генетическом терроризме, являются или идиотами, или жуликами.

Григорий Чудновский. Маленький вопрос: все, что вы говорили, имеет ли отношение к тому, что называется наносфера, я имею в виду, расстояние измерений – 10 в минус какой-то степени?

Гельфанд. Конечно, нано (смеется).

Чудновский. Второе: Пирсону нужно было бы показать те самолеты, которые не долетели до аэродрома, и тогда бы он сказал, где нужна броня?

Гельфанд. Ну, да.

Чудновский. И, наконец, вот что непонятно: те регулирующие механизмы, о которых вы говорили, это тоже набор генов или что-то совсем другое?

Гельфанд. Там довольно простая история. Есть ген, это участок ДНК, перед ним есть другой участок ДНК, с которым могут связаться другие белки – не тот белок, который закодирован в этом гене, а совсем другие белки-регуляторы. Они чувствую изменения внешних условий, и, в зависимости от них, садятся на регуяторный участок и либо включают работу гена, либо выключают.

Чудновский. Но у них генный уровень тот же?

Гельфанд. Да, они тоже закодированы в каком-то другом месте генома. Так же как милиционер – это такой же человек, как и вы, но он вами командует.

Чудновский. Да, понятно, т.е., основа у них одна. И последнее: если что-то воздействует на изменения: энергетические или какие-то еще условия, что окажется наиболее консервативно, устойчиво по отношению к воздействиям?

Гельфанд. Наиболее консервативны гистоны и белки рибосом. Гистоны – это белки, общие для всех, у кого в клетках есть ядро, и выполняют одну и ту же функцию: они держат вместе ДНК, обматывая их целиком. Как городок в табакерке: где-то глубоко сидит пружинка, которую не надо было трогать, потому что иначе все рассыплется. А рибосомы – основной механизм трансляции.

Лев Московкин («Московская правда»). Спасибо большое, замечательная лекция, но я кое с чем не согласен, а пока хотел кое-то спросить: как по молекулярным данным утверждается наличие именно видов, насколько много известно примеров альтернативного сплайсинга, что дает этот механизм и какова роль транспонируемых элементов в эволюции.

Гельфанд. Существование видов по молекулярным данным определяется следующим образом: вы можете, считая точечные замены, увидеть, что популяции не скрещиваются. Когда они скрещиваются, в каждом поколении происходит несколько рекомбинаций, перестановок материнских и отцовских хромосом, то есть, хромосома, которая пойдет к внуку, не является ни папиной, ни маминой, а наполовину той и другой. Это видно на молекулярном уровне, и, если вы смотрите на последовательности и такого не происходит, значит, популяции, из которых последовательности взяты, не скрещиваются очень давно, и, значит, можно говорить о видах.

Сплайсинг – это вот что. Когда я рисовал картину гена, а потом белка, я кучу всего «замел под ковер» и, в частности, существование матричных РНК. Белок не непосредственно синтезируется, глядя на ДНК, а сначала он транскрибируется в то, что называется матричные РНК, а потом уже транслируется в белок. И оказалось, что у существ, у которых есть ядро, с одного гена могут считаться несколько вариантов матричной РНК, точнее, считывается сначала один длинный, а потом уже из него вырезаются кусочки, а остаток склеивается в зрелую матричную РНК. Это как если бы взяли газету и ножницами вырезали из нее все рекламные объявления, и осталось то, что нужно. То, о чем спросили – этот процесс может пройти разными путями, и у вас с одного гена считаются разные матричные РНК, а с них будут транслироваться разные белки. Это называется альтернативным сплайсингом, и это довольно долго считалось экзотикой, а потом, когда стали приходить данные, выяснилось, что это бывает довольно часто. Вот тут сидит Андрей Александрович Миронов, и я, и некоторое количество наших учеников – мы пропагандируем идею о том, что это хороший способ пробовать разные функции, не теряя старые. Если вы меняете белок в ДНК, вырезая из него кусок или вставляя новый, то вы теряете старый вариант, и это рискованное мероприятие, потому что, скорее всего, это изменение будет фатальным. А если вы ген оставляете как был, а при этом делаете варианты белка на уровне альтернативного сплайсинга, то вы, тем самым, можете пробовать новые функции, не теряя старых. И если новый вариант оказался разумным, то дальше, на уровне тонких регуляторных подстроек, можно его частоту увеличить. Это одна из моделей того, как это может быть.

Мобильные элементы – замечательная вещь – таскают с собой кучу разной регуляции, становятся перед геном, и это довольно мощный механизм эволюции на уровне регуляции. А могут, наоборот, впрыгнуть внутрь гена и полностью его испортить.

Кирилл Еськов. Мы с вами поменялись местами,  в тот раз вы были на галерее, а я – тут.

Гельфанд. А теперь я хочу вернуть вам вопрос, который мне задавали: вы-то со мной согласны?

Еськов. Ну, те позиции, по которым я с вами согласен, обсуждать неинтересно. Есть разделение сначала на науку и не науку: вот креационизм - это не наука, остальное — наука. В пределах различных интерпретаций эволюции, ламаркизм, номогенез и всякие другие штуковины по сравнению с современной наукой –  это фактически разделение на метафизику и науку Нового времени. А дальше уже начинается собственно наука. Внутри нее тоже есть некоторые расхождения. Самые интересные дискуссии идут между сторонниками мейнстримной теорией эволюции – синтетической – и еще некоторыми, например, сторонниками теории эпигенеза.

Гельфанд. А что вы называете эпигенезом?

Еськов. Ну, Уоддингтон, Шмальгаузен, Шапошников. У синтетической теории эволюции есть несколько дырок. И вот по поводу одной из них я и хотел задать вопрос. Есть такая вещь, как парадокс темпов эволюции. В ряду прокариотов, эукариотов (грубо говоря: слон, мышь, таракан, растение, бактерия) исходя из популяционно-генетических механизмов, темпы эволюции должно быть самыми высокими там, где бактерия и минимальными там, где слон. И главное, что в селекции так и есть. А вот в природе ситуация обратная, и это медицинский факт. Время существования видов точно другое. Время полувымирания (по аналогии с полураспадом) фауны. Как это объясняют эпигенетики, я знаю хорошо, но как этот парадокс объясняется в рамках классической теории?

Гельфанд. Я не готов говорить за всю классическую теорию эволюции, но у меня ощущение, что никакого парадокса нет, потому что мы говорим сейчас немножко про разные вещи. Во-первых, различие оборотов в зависимости от времени жизни поколений, то, когда вы сравниваете, например, приматов и грызунов, что видно, что ветка, которая идет к грызунам от общих предков, в четыре раза длиннее той, что идет к приматам.

Еськов. В каком смысле – ветка?

Гельфанд. Ну, например, мы рисуем эволюционное дерево, состоящее из собаки, мыши и человека – собака является внешним таксоном – то ветка от общего предка к мыши будет вчетверо длиннее, чем у человека. Формально, у человека больше молекулярного сходства с собакой, хотя эволюционно ближе мышь.

Еськов. Вы считаете по количеству замен, по молекулярным часам?

Гельфанд. Не совсем по часам, раз длины веток разные, но по количеству замен. И это как раз соответствует представлениям о том, что поколения меняются быстрее. Второе: у нас возникает чисто зрительный эффект: мы понимаем, что мы внешне похожи на обезьяну, и понимаем, что мы не похожи на мышь, а двух дрозофил мы считаем практически одинаковыми.

Еськов. Нет, простите, я здесь вас прерву. Сейчас палеонтологами накоплено достаточное количество знаний. Среднее время существования крупных млекопитающих – меньше миллиона лет, мышей – примерно два-три миллиона, насекомых – примерно шесть-семь миллионов, и так далее. Это факт.

Гельфанд. Нет, я не спорю, я только не понимаю, каким образом время существования таксона связано со скоростями оборота и прочим. Если хорошо приспособленный таксон, то пускай он живет. А в чем состоит парадокс?

Еськов. Потому что из любой стандартной генетики, чем быстрее у вас оборот и чем быстрее вы отлавливаете мутации, тем быстрее должен быть темп эволюции.

Гельфанд. А размер популяции?

Еськов. Дальше начинаются игры в размер популяции, но это тоже снимается при этих расчетах. И вот как объяснять этот парадокс?

Гельфанд. Ну, мне сложно на это ответить, потому что я не чувствую парадокса.

Еськов. Дело в том, что в рамках синтетической теории эволюции вся эволюция сводится к вариациям аллельных частот в популяциях, которые сводятся к теориям отбора. Все остальное – это несущественная вещь, которая из нее следует. В эпигенетической системе же считается, что отбирается не ген, а организм, а вернее, эпигенетический ландшафт, т.е. совокупность перестраиваемых онтогенезов.

Гельфанд. Чем меньше размер популяции, тем быстрее накапливаются слабовредные мутации, которые отбор не замечает. Это недавно было показано, и это должно объяснять то, о чем Вы говорите – накапливаются слабовредные мутации, вид вымирает. (На самом деле, эта фраза не прозвучала, потому что, во-первых, ведущий прервал дискуссию, а во-вторых, я это сообразил только через три часа. Но она здесь нужна. – М.Г.)

Андрей. Я не специалист в данной области, но мне просто интересно. Мы строим деревья: на уровне белка, механизма, это понятно, а можно ли их строить дальше, как предсказание? Дело в том, что условия мы знаем, а что произойдет дальше? Ведутся ли такие работы?

Гельфанд. Хороших примеров я не придумаю сходу, но вот, например, в той статье, про которую я говорил, пытались спрогнозировать, какой из вирусов гриппа будет успешным в будущем. Такого сорта исследования ведутся.

Долгин. А насколько такой прогноз сбылся?

Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)
Михаил Гельфанд (фото Наташи Четвериковой)

Гельфанд. Я не знаю, не проверял. Прогнозировать большие перестройки невозможно, это ясно. И тот механизм, который действует – вот спрашивали про бабочку, у которой крылья – там происходят случайные изменения и какие-то и них очень быстро элиминируются, а какие-то остаются. И тут еще влияет то, про что я не говорил и, может быть, создал неправильное впечатление. На самом деле, большинство изменений нейтральны, они не хороши и не плохи, а просто ни на что не влияют. Это и дает нам возможность строить деревья, глядя в те области, в которых никакого отбора нет. И как их прогнозировать, если это вероятностный процесс? Ну, можно спрогнозировать, что, какой бы замечательный антибиотик вы ни придумали, найдется бактерия, которая будет к нему устойчива, и она довольно быстро распространится. Вот сейчас появился туберкулез с лекарственной устойчивостью, и он будет распространяться.

Константин Курбатов, журналист. Я начну с уточнения того, о чем только что спрашивали. Я правильно понимаю, что та область науки, которой вы занимаетесь, не может делать, как астрономы: они прогнозируют, что вот там должен находиться такой-то эффект, проверяют, и если он там есть, то гипотеза подтверждается, если нет, то не подтверждается.

Гельфанд. Нет, если я так сказал, то это было неточно. Тот сюжет, который я рассказывал про палочников, я «зажевал» из-за недостатка времени. Я напомню, в чем история. У палочников крылья появлялись и исчезали много раз, и это – опровержение того общего принципа, закона Долло, который говорит, что важный признак не может появиться, хотя исчезнуть может легко. И теперь предсказание состоит в том, что эти гены, которые заставляют крылья работать, нужны еще для чего-то. Потому что, как только ген перестает функционировать, он накапливает случайные изменения, и таким примеров мы видим очень много. А эти гены сохранились, и поэтому их довольно легко вернуть в исходное состояние. Второй пример, который могу рассказать: мы предсказываем функции белков, глядя на то, на какие белки они похожи, как регулируются кодирующие их гены – это делается из эволюционных соображений и таких сбывшихся предсказаний у нас уже довольно много.

Курбатов. Второй вопрос: я не совсем понял про скорость изменения: она все-таки зависит от окружающей среды, или она инвариантна, как атомные часы?

Гельфанд. Большинство изменений нейтральны, ну или почти нейтральны. И в этом смысле средняя скорость изменений по всему геному не зависит от внешней среды, и это было как раз сюрпризом, потому что в той статье Цукеркандля, которую я показывал, говорится, что он ожидал, что белки человека будут меньше походить на общего предка, чем белки лемура, потому что лемур меньше эволюционировал морфологически. И это оказалось в среднем не так, потому что оказалось, что морфологические изменения достаточно быстро отвечают на внешние воздействия, как в примере с колюшками, но это происходит за счет небольшого числа изменений, и на общем фоне нейтральной эволюции их не видно.

Курбатов. Я понял, т.е., когда мы смотрим сверху, с точки зрения морфологии, мы выхватываем из этого ряда наиболее видные и заметные изменения, и поэтому нам кажется, что скорость увеличилась. А средняя остается.

И третий вопрос, о социальной структуре: построение табунов или волчьих стай повторяется в разных регионах мира с разными животными, или, например, кошки в разных домах ведут себя одинаково, хотя у них разные родители. Как такой сложный, на наш взгляд, культурно-поведенческий аспект прогнозируется на уровне генома?

Гельфанд. Во-первых, есть какой-то генетический аспект поведения, а, во-вторых, кошки, конечно, в разных домах, но хозяева в этих домах ведут себя примерно одинаково и это поведение формируют. Уровень темперамента, действительно, заложен генетически, но вы спросите об этом у Светы Боринской, она любит рассказывать про эти истории. Думаю, мы скоро будем знать больше. Вот сейчас занимаются происхождением социальной структуры у насекомых. Она возникла как минимум два раза: у перепончатокрылых и у термитов, которые совершенно не родственники, и сейчас люди смотрят гены, которые экспрессируются по-разному у рабочих пчел, у маток и у трутней. Среди них будут те, которые определяют поведение. Я думаю, что у термитов механизм будет другой, потому что рабочие у них не только самки, но и самцы.

Алексей Оловников. Дарвин, человек невероятно проницательный, сказал, что для него самое трудное — это проблема с промежуточными формами. Он ведь говорил, что новые виды возникают за счет изменения прежних, т.е., мы должны ждать непрерывных переходов, которые должны быть запечатлены в эволюционной палеонтологии, а палеонтологи должны это находить. Поскольку при Дарвине еще не находили, то он и говорил, что эта область еще только развивается, а вот через сто лет все уже будет узнано. Прошло уже 150 лет, палеонтология развилась невероятно, и оказалось, то промежуточных форм между видами, на самом деле, не существует.

Гельфанд. На этот вопрос ответил Кирилл Юрьевич Еськов 2 недели назад, я могу только повторить. Он сказал, что в очень многих случаях зафиксированы достаточно гладкие  и продолжительные ряды промежуточных форм.

Оловников. Это скорее исключение, чем правило.

Гельфанд. Но это то исключение, которое правило подтверждает – у Дарвина таких рядов не было вообще, а теперь их все больше. Тут еще есть основания думать, что морфологическая эволюция идет рывками, про это на прошлой лекции подробно обсуждалось. Это одна сторона. Второй вопрос, который занимал Дарвина, это морфологические изменения, скажем, как произошел глаз – вроде как он может появиться только целиком, отдельные структуры не имеют смысла. Теперь, когда мы рисуем достаточно подробные филогенетические деревья и прослеживаем изменения вдоль этих деревьев, оказывается, что промежуточные формы достаточно легко реконструируются и каждый шаг, во-первых, достаточно мал, и, во-вторых, всегда более полезен, чем предыдущий. Дальше мы можем спорить, насколько убедительны эти картинки, но правда в том, что мы постепенно начинаем видеть эти промежуточные формы, и на уровне палеонтологии – это к Еськову, и на молекулярном.

Борис Штерн, физик. Допустим, мутации выключились, совсем. Насколько далеко может увести селекция?

Гельфанд. Как это выключились? Все механизмы стали работать без ошибок?

Штерн. Да.

Гельфанд. А на что тогда действует селекция?

Штерн. На имеющийся генетический материал. Собак отобрали, и настолько быстро, что там, по-видимости, никакие мутации роли не играли.

Гельфанд. Нет, играли. Там было меньше точечных мутаций, но были большие перестановки кусков генома, а это вещь, которая сильно влияет на регуляцию, потому что в ген попадает в другой контекст.

Штерн. Эти перестановки произошли спонтанно, и это не результат селекции?

Гельфанд. Перестановки происходят спонтанно все время, но если вы делаете селекцию на разнообразие, то вы искусственно повышаете скорость эволюции.

Долгин. Если я правильно понял, исходный вопрос звучал так: что произойдет со скоростью искусственного отбора, если отключить естественный?

Гельфанд. А, я это не так понял. На собак естественный отбор не очень действует, потому что они живут с человеком, и у домашних животных, как и у человека, он не очень виден на фоне искусственного. Но вот Еськов рассказывал про эксперимент Шапошникова на тлях, которые в течение одного эксперимента, хоть и длительного, перестают смешиваться, и дальше – вопрос темперамента, в какой момент вы захотите объявить это разными видами.

Андрей, студент. Тут говорили о кошмаре Набокова, но Набоков был студентом, и изучал крылья бабочек. А я хочу обсудить другой кошмар, который почему-то никто не обсуждает. Есть какое-то яйцекладущее животное – рептилия или земноводное, – что-то из чего, потом возникло живорождение, и этому животному нужно родить живого детеныша. Пропадает скорлупа, изменяется механизм поведения, и у матери, и у детеныша...

Гельфанд. Давайте я уже отвечу. Переход от откладывания яиц к живорождению переходил у разных существ много раз, и это вещь фантастически быстрая, например, если взять семейства рыб, то в одном семействе встречаются и яйцекладущие, и живородящие формы. Это не совсем честное живорождение, потому что икринка развивается просто внутри матери. Но на самом деле оно сопровождается вполне очевидными морфологическимии изменениями тоже, потому что икринка становится  более тонкой, там появляются специальные механизмы для вывода шлаков – т.е., некоторая протоплацента, – это вещи, которые происходят очень быстро. Не говоря уже о том, что переход проходил даже не между рыбами и млекопитающими, а внутри млекопитающих, потому что утконосы – это млекопитающие и они откладывают яйца.

Андрей, студент. Как на молекулярно-генетическом уровне объяснить, что происходят одновременно мутации и приспособительные действия, а они ведь обязаны происходить одновременно.

Гельфанд. То, что происходит – это небольшие изменения. То, что вас пугает – это как одновременно происходят два больших события. А они на самом деле, не очень большие. Яйцо задержалась в организме матери – можно ничего больше пока не делать, скажем, как у живородящих ящериц. Потом ясно, что раз яйцо защищено, то мы сделаем оболочку потоньше. Теперь можно питательные вещества не сразу все запасать, как в яйце, а чтобы они приходили из материнского организма, появляется что-то типа плаценты. Это и у млекопитающих, и у рыб происходит похожим образом. Теперь можно, чтобы зародыш развивался в организме матери долго – сравните сумчатых, у которых это происходит в сумке, а рожают они совершенно не готовое существо, и плацентарных. Это все маленькие шаги, на которые можно разложить то большое изменение, про которое вы говорите. И такие шаги делались в совершенно разных линиях – у рыб, у рептилий, у млекопитающих. А если делать маленькие шаги, то нет проблемы разойтись далеко, особенно если отбор какую-то локальную синхронность все-таки поддерживает, чтобы механизмы у матери и детеныша не слишком разбегались.

Лариса, географ. Очень общий вопрос: есть ли у эволюции направление?

Гельфанд. Нет.

Лариса. Т.е., вы считаете, что идет просто усложнение?..

Гельфанд. Нет.

Лариса. Можно ли чуть более развернуто?

Гельфанд. Нет.

Сергей. Сейчас в генной инженерии часто используют ретровирусы, которые способны переносить белки порядка тридцати дальтон. Вопрос: происходило ли это раньше, и находили ли следы этого от разных видов?

Гельфанд. Именно чтобы на ретровирусе принеслось?

Сергей. Нет, но чтобы были белки примерно идентичными, например, у насекомого и у человека.

Гельфанд. У насекомого и у человека примеров, пожалуй, не знаю, говорили, что есть пример переноса генов от рафлезии к хозяину, рафлезия – это такое растение, от которого практически остался только цветок, а все остальное у него посажено в то растение, на котором оно паразитирует. Там очень сильное взаимопроникновение, на уровне клеток, и говорят, что видели горизонтальный перенос генов. Что точно – находили очень большие куски бактериальных геномов в геноме дрозофил. У насекомых есть всякие внутриклеточные паразиты, которые, конечно, эволюционно уж совсем далеко, и большие куски генома этих внутриклеточных паразитов находили в геноме дрозофилы. На всякий случай, проверяли, что это не дефект сборки генома, а реальная вещь.

Сергей. Не митохондрия?

Гельфанд. Нет, вольбахия.

Долгин. Прошу прощения у всех, кто не смог задать вопросы или выступить, но наше время истекло. Продолжить диалог можно будет уже в рамках нашего формата «Задай вопрос» непосредственно на «Полит.ру». Михаил, ваше резюме.

Гельфанд. Спасибо за вопросы. Я хочу извиниться перед теми, кому я ответил более резко, чем следовало, но мне не хотелось вдаваться в философские рассуждения, а хотелось оставаться на уровне, когда возможны какие-то фактические выкладки.

Приложение

В виде приложения мы публикуем не вместившееся в регламент лекции выступление в том виде, в котором оно было прислано в редакцию.

Непроизнесенное из-за Долгинской цензуры в «Полит.ру» выступление Льва Московкина

Хочу отметить правило, подтвержденное якобы вопросами Кирилла Еськова: генетики хорошо понимают и принимают палеонтологию, палеонтологи генетику отторгают. Видимо, палеонтологам просто с генетиками не везло, они не несут ничего такого, что современная динамическая генетика не знает.

Самое главное, что остается после этих эволюционных лекций (что само по себе несомненная удача проекта): зачем тратить время на спор с клерикалами. Это им остро нужно, как и в дискуссии с антисемитами, они выигрывают, как только им хоть чем ответили, встали на один уровень. Но в Bilingua нет ни тех, ни других, потому что им тут ловить нечего. Вопрос в другом, и он несколько унижает наших замечательных харизматичных лекторов: им льстит то чувство самодостаточности, которое кажется неизбежным в споре с профанами.

Слишком это инфантильно. Потому что есть реальные возражения. Большинство изменений нейтральны, они крутятся в тех областях, которые не проявляются, сказал Гельфанд. Но это всего лишь теоретически так, потому что никто не проверял. Если проверить, думаю, будут сюрпризы.

Было в ответ на вопрос ведущего дано определение: геном - это вся ДНК. Типичное определение молекулярщиков, других они не слышат, для классического генетика вроде меня геном - это эволюционирующая система, коль скоро есть идея, кажется, Владимира Красилова, что не геном для нас, а мы для генома - геном программирует тело и клетку как местообитание и для проверки своей конструктивности, иначе получается хаотический рост HeLa без морфогенеза - вечная раковая жизнь.

Вообще, как и на прошлой лекции, надеюсь, Кирилл Еськов услышит, выявилась необходимость добиться устойчивости терминов, нам их обычно навязывают молекулярщики, они приватизировали слово ген, относят к генам то, что само по себе в фенотип не проявляется и т.д.

Гельфанд сказал "нет" в ответ на вопрос, есть ли у эволюции направление. Эволюцию направляет, условно говоря, структура хаоса, и странно, что, судя по всему, математик и носитель соответствующей фамилии этого, видимо, не знает. Можно и сослаться на антропный принцип в синергетике "будущее сегодня".

В цикле "Публичные лекции ”Полит.ру”" выступили:

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях, публичных лекциях и других мероприятиях!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.