Суп из гвоздя.
Ведущий эволюционист рассказал о Мультивселенной и антропном принципе
Один из ведущих мировых специалистов по происхождению жизни и самый цитируемый биолог российского происхождения Евгений Кунин опубликовал книгу, в которой утверждает, что генетический код возник случайно, а объяснение возникновения жизни невозможно без привлечения антропного принципа. Научные работы Кунина не раз попадали в рубрику "Прогресс", поэтому "Лента.ру" решила поговорить с ним об эволюции, случайности и Мультивселенной.
"Лента.ру": Вы занимаетесь сравнительной геномикой. Поясните, пожалуйста, что это за область науки и чем она отличается от биоинформатики и системной биологии?
Евгений Кунин: Это действительно очень разные сферы научной деятельности. Если их представить в виде кругов диаграммы Венна, то они будут существенно между собой пересекаться, но и иметь существенные уникальные части.
Что такое сравнительная геномика? В более-менее узком смысле это, разумеется, сравнение структуры геномов и обнаружение в них консервативных и вариабельных участков. Она подразумевает попытки сделать выводы из их устройства и организации, анализ уровня консервативности и расчет скорости эволюции, который они претерпевают, и так далее и тому подобное. На следующем этапе это ведет к реконструкции процесса эволюции и пониманию того, как все произошло.
Евгений Кунин. Фото с личной страницы Вконтакте.Что такое биоинформатика? Я это слово ужасно не люблю, но против течения не пойдешь. Биоинформатика - это не область науки как таковая, а некая совокупность компьютерных методов и алгоритмов, которые используются для обработки, грубо говоря, любых биологических данных. Если я буду, скажем, обрабатывать биологическую литературу, извлекать из нее какие-то ключевые слова и проводить кластеризацию статей, то это тоже в некотором смысле будет считаться биоинформатикой. Исследование каких-нибудь электронных микрофотографий и их сравнение, изобретение алгоритмов для хранения больших объемов информации - это тоже биоинформатика, это все необходимо. Но это ни в коем случае не сравнительная геномика и не системная биология.
Биоинформатика это не область науки как таковой, это совокупность методов и подходов.
А что такое системная биология? Что-то наподобие проекта ENCODE?
Вообще говоря, что такое системная биология, не знает никто. Оглядываясь назад, кажется, что такого термина, наверное, лучше было бы вообще не придумывать. Но его придумали, и он уже укоренился.
[Spoiler (click to open)]
????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
Я думаю, что другая вещь, которая является не менее важной для понимания эволюции, состоит в следующем. Мы, биологи, открыли мир микробов, в том числе вирусов. Дарвин о них в каком-либо содержательном смысле не знал. Он знал, что что-то такое есть, но совершенно не учитывал этот мир в своей картине эволюции. Точно так же, как и авторы синтетической теории эволюции.
И это открытие мира микробов повлияло на теорию эволюции крайне радикально. Во-первых, мы теперь знаем, что эти организмы эволюционируют существенно иным путем. Не полностью иным, наследование с изменением, конечно же здесь тоже присутствует. Но у них совершенно иная динамика эволюции. И второе - ими абсолютно нельзя пренебрегать, рассматривая эволюцию каких-либо организмов. Это тоже исключительно важное понимание, которого совершенно не было ни у Дарвина, ни у каких-либо авторов синтетической теории эволюции.
Все эти замечательные люди свои модели и принципы применяли только к животным и растениям, а это очень маленькая часть биологического разнообразия.
То есть и представление о древе жизни, как его понимал Дарвин, теперь очень сильно изменилось?
Конечно же, абсолютно изменилось. И более того, в математическом смысле оно перестало быть каким-либо древом. В математике древо - это все-таки двоично разветвляющийся граф, ну или хотя бы направленный ациклический граф, - то есть несколько его ветвей могут выходить буквально из одной математической точки.
Антропоцентричное древо жизни Геккеля.Но мы ведь теперь понимаем, и я думаю, что это оспаривать не стоит, что ядерные организмы возникли в результате симбиоза двух клеток. И таким образом, выражаясь языком теории графов, в нашем дереве возникает цикл, а значит это никакое не древо. Более того, этот симбиоз был не единственным, как вы тоже отлично знаете. Растения, например, стали растениями в результате приобретения хлоропласта. Зачем далеко ходить? Практически все насекомые несут в себе внутриклеточные симбиотические бактерии, во многих случаях они являются совершенно необходимыми для существования этих организмов. Все представление о топологии этого "дерева" изменилось.
То есть вы хотите сказать, что и для растений с животными теперь картина тоже изменилась?
Давайте я просто скажу вам банальную вещь. Геном млекопитающих приблизительно на 2/3 состоит из остатков вирусных геномов. А геном растений, например кукурузы, на все 90 процентов. Не учитывать этот факт и при этом рассматривать их эволюцию, мягко говоря, означает рассматривать ее неполнo.
Что же теперь должно быть на соответствующей страничке "Происхождения жизни" вместо этой знаменитой картинки?
Это должна быть некая сеть обмена генами, геномами, слияния геномов и так далее, из которой местами действительно вырастают древовидные образования.
Нет ли такой границы в этой картине, где можно было бы сказать: вот здесь кончается сеть и начинается дерево? Или такая постановка вопроса бессмысленна?
Да нет, осмысленна. Просто таких мест много, и они расположены в разных частях живого. Например, я сомневаюсь, что можно построить осмысленное однозначно разрешенное дерево всех ядерных организмов. Можно, конечно, построить древо жизни для некоторых растений или животных, но необходимо понимать, что это все-таки терминальные ветви.
Точно так же можно строить деревья эволюции гриппа за последние сто лет. Все это очень хорошо отражает эволюцию, но когда мы уходим глубже, например, пытаемся построить дерево эволюции всех бактерий, это уже мало осмысленно.
Я так понимаю, в практическом плане это выглядит так: если строить дерево например, сначала по последовательности рибосомальной РНК, мы получаем одну топологию эволюционного дерева. Если по другой последовательности (тоже очень важной, например, последовательности аминоацил-тРНК-синтетазы), то получается совершенно иная топология. Получается, что невозможно поймать "корень" этого дерева, получается, что на каком-то этапе существовал целый пул генов, которыми все совершенно свободно обменивались.
Вы все хорошо говорите, я бы только не стал употреблять слова "совершенно", так как при совершенно свободном обмене вообще нельзя говорить об организмах. Пул генов действительно существовал и существует до сих пор. Он разделен барьерами, которые в разной степени проницаемы для разных генов.
Но если нельзя найти этот корень, просто по причине того, что его не было, - это ведь не означает, что с помощью сравнительной геномики нельзя заглянуть в историю жизни на глубину, где существовал этот пул? Понятно, что это гораздо глубже, чем любые палеонтологические данные.
Вообще, имеются ведь всякие трансформированные породы и следы жизни возрастом порядка трех миллиардов лет. Так что какие-то аспекты того, что происходило в те времена, можно увидеть и в палеонтологической летописи. Очень сложно увидеть непосредственно организмы и нельзя рассмотреть, какими они были изнутри, но какие-то следы найти можно.
Что касается сравнительной геномики, то заглянуть она действительно может очень далеко. А именно - глубже общего предка всех существующих организмов. Вопрос в том, что она там может увидеть?
Что же она может увидеть, если говорить про LUCA, последнего общего предка? Насколько хорошо мы его знаем? Я так понимаю, достаточно неплохо?
Сетевая история жизни в иллюстрации Ford Doolittle. Нажмите, чтобы увеличить. Изображение American Association for the Advancement of ScienceКак вам сказать? Вот и неплохо, и плохо. В каком-то смысле неплохо: мы можем делать весьма точные утверждения относительно того, что в нем было. В нем была система трансляции, которая очень слабо отличалась от современной. В нем были некоторые метаболические процессы, не стоит перечислять их в точности, но некоторые метаболические пути в нем явно существовали. В нем в какой-то форме, хотя тут уже очень непонятно, в какой, существовали какие-то мембраны.
Был ли он фотосинтезирующим?
Нет, конечно, нет. Этот процесс возник давно, но заметно позже. И не один раз.
Интереснее другое. Когда мы с вами начинаем говорить об этом самом LUCA как об организме, как о чем-то таком, что можно взять и вырастить в виде колонии на чашке Петри, как принято в эксперименте, нужно быть очень осторожным, такого могло никогда не быть. Этот LUCA вполне мог быть неким сообществом микроорганизмов, которые возникли из некоей более простой стадии уже как сообщество. Это вполне разумный взгляд на вещи.
Если с помощью сравнительной геномики мы уходим все глубже и глубже в историю жизни, начинаем сопоставлять все более сложными методами последовательности, анализируем уже не последовательности нуклеотидов, а какие-то общие белковые фолды, то мы подходим к одной из самых сложных проблем в биологии вообще.
Я имею в виду вопрос происхождения белков. Как так получилось, что для работы самых примитивных систем синтеза белка необходимо существование самих белков, причем принадлежащих к разным эволюционным семьям - то есть уже прошедшим длительный процесс эволюции?
Вопрос понятен: курица требует яйца, а яйцо требует курицы. Короткий ответ: мы об этом не имеем понятия. Это действительно гигантская проблема и парадокс в настоящем смысле этого слова.
Конечно же, мы не можем не думать о вещах, о которых не имеем понятия, но которые нам бесконечно важны и интересны. И не строить какие-то модели, сколь бы спекулятивными они ни были. Двигаясь по этой зыбкой почве, можно сказать следующее.
То, что возникло на самой первой стадии жизни или какой-то преджизни, - это мир РНК, где никаких белков не было или уж, во всяком случае, никакие белки ничем не кодировались, а были только молекулы РНК, которые худо-бедно выполняли все функции. Они не только воспроизводились, реплицировались, но и катализировали все реакции, которые для этого необходимы. Одна РНК реплицировала другую. Я сейчас не полезу в достаточно сложную химию этого дела, но логически это почти что единственная возможность.
Если допустить это, то дальше мы начинаем думать о том, а как же в это дело могли вписаться некие белки? Ответ нам дан: они вписались в это дело самым серьезным образом, и очень рано по масштабам эволюции. Как такое могло произойти?
Аминокислоты и даже пептиды, то есть аминокислоты, соединенные в маленькие цепочки, довольно легко образуются абиогенным путем, без участия живых организмов, и они обладают некоторыми довольно "хорошими" свойствами - они могут помогать реакциям, которые катализируют так называемые рибозимы - каталитические РНК. И эта идея развивается примерно по такому пути: эволюция шла путем привлечения (сначала без всякого кодирования) аминокислот, потом пептидов или одновременно и аминокислот, и пептидов в этот мир РНК. И возникло то, что может служить аналогом транспортной РНК, то есть РНК-овых молекул, которые связывались с аминокислотами и выполняли некоторые каталитические функции лучше, чем другие, которые не связывались. Как-то так.
Структура большой субъединицы рибосомы. Коричневым покрашена РНК, синим - белки. Видно, что центральную роль в структуре выполняет РНК, а белки являются только "украшением". Изображение Yikrazuul
На мой взгляд, существование мира РНК имеет достаточно солидную поддержку в самой структуре рибосомы.
Да, безусловно, это один из главных аргументов, но есть и другие. Вообще, тот факт, что синтез белка в каждой клетке выполняет фактически РНК, а белки в этом процессе выполняют лишь вспомогательную роль, это весомый аргумент в поддержку РНК-мира. Но есть другие.
Вот вы упоминали такие белки, аминоацил-тРНК-синтетазы, которые присоединяют определенные аминокислоты к определенным транспортным РНК. Другими словами, они обеспечивают работу генетического кода, само кодирование. Эти белки - общие для любого живого организма. Но если на секунду углубиться в детали, то там есть два базовых неродственных семейства, одно из которых отвечает за одни десять аминокислот, а другое за другие. Все они уже, насколько мы знаем, присутствовали в этом самом LUCA.
Теперь, если мы построим некое эволюционное дерево для центральных доменов этих ферментов, мы увидим, что специализации этих самых аминоацил-тРНК-синтетаз предшествовала длительная эволюция самих белков. То есть сначала прошла очень серьезная эволюция этих белков, и только потом они стали, собственно, основой генетического кода. Это говорит о том, что эволюция белков происходила еще до того, как система их синтеза стала такой, какой мы ее знаем сейчас. И основана она была на РНК.
Теперь самое интересное - как от этого перейти, собственно, к возникновению генетического кода? Многие, и мы в том числе, пытались строить некие схемы того, как это могло произойти. Они подразумевают существование некого большого РНК-фермента, который в какой-то момент переключается на синтез белка, а некоторые другие РНК становятся матричными РНК.
Ни одна из этих моделей не кажется мне убедительной. Мы знаем, что синтез белка как-то возник, но убедительной последовательности этапов у нас нет.
В связи с этим, конечно, возникают идеи, к которым я, например, вынужден относиться серьезно. Идеи о том, что достаточно сложные системы (разумеется, не все элементы сразу) могли возникнуть сугубо случайно.
беседовал Александр Ершов
Текст сокращен, полный по ссылке Lenta.ru: Прогресс: Суп из гвоздя