Золото Дарвина: третий эволюционный синтез
Евгений Викторович Кунин (eugene_koonin) - признанный эксперт в эволюционной и вычислительной биологии. О нем и его книге сегодня услышала от mzelnikov, который сказал, что в биологии, оказывается, произошел настоящий переворот, сравнимый с открытиями ХХ века в ядерной физике.
Оригинал взят у ivanov_petrov в Золото Дарвина: третий эволюционный синтез
Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. Е. Кунин. 2014.
Это пересказ. За пересказ ответственность не на авторе, в расхождениях с текстом виноват я. Лучше воспринимать этот текст как палец, указывающий на книгу. Благодарить за книгу, помимо автора, надо переводчиков, которые сделали перевод из энтузиазма, очень быстро и качественно. Перечислю только тех, кто согласился на публикацию имени (было еще несколько человек, которые не захотели, чтобы их фамилии упоминались). Всего команда переводчиков составляла 18 человек. Так что особенная благодарность: П. Аверину, В. Анисимову, О. Гадасиной, А. Грызлову, К. Муратовой, А. Надирян, А. Нестеровой, А. Самородову, Д. Тулинову, Э. Шумову, А. Черкасовой, Г. Янусу и еще нескольким А. Неизвестным.
Введение. (о том, как автор услышал о золоте старого Дарвина и решил отправиться в далекое путешествие, чтобы его добыть)
Задает общую рамку - это предварительная формулировка нового синтеза эволюционной теории. Попытка вызвана революцией в области сравнительной геномики и падением метафоры дерева жизни. Сначала "эволюция" понималась как попытка понять закономерности процесса, вроде факторов и движущих сил. Потом - как последовательность форм, как генеалогия, дерево жизни. Теперь стало ясно, что и это понимание недостаточно. Внешний ориентир для современной эволюционистики - достижения современной космологии, попытки увязать эволюцию космоса с тем, что мы знаем об эволюции жизни.
Глава 1. (о том, как было спрятано золото Дарвина и о драконе, стерегущем путь к нему)
Образ истории эволюционистики от Дарвина до СТЭ. Оценка уникальности работы Дарвина, а также указания, что следует считать устаревшим и опровергнутым. Проблемы теории Дарвина: возраст Земли; кошмар Дженкина - слитная наследственность; эволюция сложных органов (непредставимо по частям); загадка макроэволюции - отличается ли от эволюции в популяциях. Рассказ о возникновении генетики, теории популяций, введение понятия очищающего (=отрицательного, = стабилизирующего) отбора - помимо "обычного" движущего (=позитивного) отбора. Постулаты СТЭ: * ненаправленные случайности; * эволюция как фиксация редких выгодных изменений - сходство с невидимой рукой по А. Смиту; * градуализм - изменение очень медленное, постепенное; * униформизм - изменения следует толковать как результат действия уже известных факторов; * макроэволюция - лишь эпифеномен микроэволюции; * адекватное представление эволюции - дерево (древесное мышление); * все разнообразие произошло от общего предка. Описанный Дарвином механизм - машина для создания отрицательной энтропии, вырабатывает порядок из беспорядка. Разнообразие форм жизни возникает из случайностей.
Глава 2. (о том, как на пути герою встретился вероятностный дракон и как шло сражение с этим вероятностным драконом)
Рассказана история второй половины ХХ в., постулаты СТЭ исследовались генетическими методами. Открытие ковариантной редупликации и создание модели структуры ДНК: вся дарвинова теория выводится из механизма репликации. Ковариантная редупликация (копирования с ошибками), отбор и случайный дрейф неизбежно приводят к эволюции. Автор считает, что эту идею (подверженной ошибкам репликации) впервые сформулировал в 1976 г. Р. Докинз, в чем и состоит основное достижение этого исследователя. Ошибки репликации наследуются - в этом отличие от репликации кристаллов <тем самым наследование структуры у кристаллов = жизнь>. Рассказ об истории молекулярной филогенетики и ее методах, например: наибольшей экономии, наибольшего правдоподобия. Метод экономии основан на принципе наименьшего действия, наиболее вероятным считается эволюционный сценарий с меньшим числом событий. Метод правдоподобия - статистический подход, сравнивает эволюцию признака с имеющимися данными о дереве эволюции. Важнейший этап - нейтральная теория молекулярной эволюции (Kimura, 1983), идея случайности, ведущей эволюцию независимо от отбора. Прежние представления о функциональности генома приводили к заключению, что все гены функциональны. Новые открытия эгоистичных генов, мусорной ДНК, мобильных элементов - основная масса генетического материала нефункциональна. Путь нейтральной эволюции: дупликация генов, приобретение почти-близнецами разных функций, в результате усложнение и рост разнообразия. Опровержение градуализма: верна теория прерывистого равновесия (Гулд). Фактическая основа: дупликацию целого гена и приобретение им новых функций малыми событиями не назовешь. Сужение значения адаптаций в эволюции, признание экзаптаций: деталь возникает по конструктивным причинам, побочно используется для некой функции, со временем побочная функция становится основной. Идеи канализации развития (Уоддингтон) получают новое освещение в связи с развитием геномики: важность метафоры морфогенетического ландшафта, по сути - рельефа устойчивости системы.
Глава 3. (о том, как для борьбы с драконом герой отправился в молекулярный мир и что из этого вышло, а также о том, что в этом мире вероятностный дракон всесилен)
Описание "четвертой генетической революции" - развитие сравнительной геномики, в 1995 г. Крейг Вентер публикует первые полные геномы. Примерно на треть генный состав одинаков вообще у всех существ; гены "бессмертны", поэтому значительная часть любого генома - древние гены. Высокая наследуемость генов делает сравнительную геномику чрезвычайно важным методом исследования эволюции, геномика особенно хорошо видит самые древние и общие черты. Гены ведут себя подобно атомам: довольно устойчивы в эволюции, но их расположение, порядок, взаимные связи очень изменчивы, гены (мета)стабильны, архитектура их взаимодействий изменчива. Различие геномов прокариот и эукариот: у прокариот строгая упорядоченность и экономная архитектура; у высших организмов, эукариот - геномы устроены хаотично, в них много лишних элементов. Прокариоты (бактерии) занимают горные гребни на ландшафте устойчивости; эукариоты описываются как жители плато этого ландшафта. Сложные эукариоты появились в результате неэффективного отбора. Сравнительная геномика, сопоставляя полные наборы генов и расшифровывая их функции, неизбежно приходит к идее "минимального организма". При этом выясняется, что нет универсального генетического ядра жизни - в разных ветвях большие части утрачены. Необходима реконструкция минимального набора функций и способов реализации. Фрактальность генетической вселенной: компактное ядро генов, которые есть (почти) у всех, таких убиквистов 10%; оболочка консервативных генов; разреженное облако редко встречающихся оригинальных генов (10-30%). На любом уровне исследований повторяется структура ядра, мощной оболочки и окружающего облака разнообразия.
Глава 4. (о том, как герой был съеден и усвоен вероятностным драконом в молекулярном мире, а также о том, как вероятностный дракон невероятно красив, но изнутри)
Эволюция генома как следствие из статистической физики. Геном как молекулярный газ со случайными взаимодействиями. Поиски (статистических) эволюционных универсалий и измеримых переменных. Выделение высокостатусных генов - меняются очень медленно, взаимодействуют со множеством других генов, и низкостатусных - меняются быстро, мало с кем взаимодействуют. Высокоэкспрессивные гены эволюционируют медленно. Теория: эволюция белков (т.е. внешнего фенотипа) определяется химическими свойствами укладки белка в большей мере, чем биологическими функциями белка. Главный фактор отбора - на устойчивость белка. Из физических принципов укладки белка вытекает и универсальный закон распределения скоростей эволюции: гены, отвечающие за белок, почти неизменны, а быстро эволюируют те, что на белке мало сказываются. Биологические функции белка в этой картине глубоко вторичны. Чем ген важнее (его выключение убийственно), тем медленнее его эволюция. Ошибки в работе высокостатусных генов могут компенсироваться быстро эволюционирующими регуляторными генами. Нейтральные сети оказываются руководящей метафорой в изучении эволюции. Биологические сети похожи на интернет: многосвязные ("важные") узлы окружены облаками малосвязных узлов. Каждый ген вносит вклад в разные биологические функции, не ген = функция, а скорее геном = совокупность всех функций. Для разговора о функциональности генов удобна модель ящика с инструментами. Гены-регуляторы требуют громоздкого управления, усложняют сеть, это - "бюрократическая" нагрузка на функцию. Гипотеза бюрократического потолка как верхней границы сложности. Видимо, верхняя граница достигнута - отсутствие роста числа генов у млекопитающих. Все эти универсалии эволюции - ее эмергентные свойства, следствие того, что биол. система состоит из множества устойчивых слабо взаимодействующих элементов. При этом понятие отбора оказывается ненужным для описания самых важных закономерностей эволюции. Общие закономерности эволюции на молекулярном уровне описываются стохастическими процессами.
Глава 5. (о том, как вероятностный дракон устроен в своем царстве, как он мудр и широко распространен, а золото где-то глубже)
Применение этих теорий к описанию мира прокариот. Прежняя биология рассказывала истории только о высших организмах. Но с 1977 г., когда Карл Вёзе стал исследовать филогенез молекул РНК, стал набирать силу иной взгяд, который видит мир прокариот как важнейшую составляющую живого на планете. Эволюция прокариот существенно отличается от моделей, предлагаемых СТЭ. Описание геномного простанства-времени прокариот: фрактальность, ядро и периферия, оперонная структура, системы генной регуляции, сети передачи сигналов у прокариот. Горизонтальный перенос генов (ГПГ) как важнейший процесс эволюции прокариот. ГПГ делает невозможной метафору дерева. Эволюция покариот представляет многосвязную сеть. Кроме дивергенции, крайне важными оказываются слияния ветвей. ГПГ глобален, идет и между царствами, и на всех иных уровнях. Роль ГПГ: восстановление утраченного разнообразия. Случайный дрейф выбивает важные гены из популяций, а вездесущий ГПГ приносит гены, среди которых есть и необходимые. Можно сказать, что мир прокариот предстает принциально иначе, чем привычный мир эукариот: целостностью является мир прокариот в целом, активно взаимодействующий в своих частях с помощью ГПГ, вселенная генов прокариот поддерживается связностью, а отдельные "виды" живут благодаря притоку генов из "вселенной". При этом важно подчеркнуть еще одну сеть - связей между генами и функциями; редко ген выполняет одну, обычно влияет на многие в той или иной стени, и каждая функция поддерживается множеством генов. Это - "генная среда", а не набор однозначных изолированных связей. Прокариоты - это мир живого, определяемый режимом ГПГ, это общий мобильный геном, проявляющийся в тех или иных эфемерных "организмиках".
Глава 6. (о царстве дракона, его распределенной вероятностной сущности и фундаментальном способе (не)существования, хотя золото где-то глубже)
История метафоры дерева жизни (Геккель). Филогенетические деревья как руководящая метафора эволюции. Фундаментальность метафоры дерева вытекает из репликации ДНК: древовидный процесс репликации. Осложнение идеального дерева рекомбинациями. Эволюция единственного гена также имеет вид сети. Деревья нельзя убрать из теории эволюции и нельзя ими ограничиться. Предложена метафора леса жизни - совокупность филогенетических деревьев всех генов. Рассмотрены новые методы формального анализа "лесов" - выделение (почти)универсальных деревьев, хорошо описывающих разнообразие, невырожденных, связанных с прочими деревьями. Особая ядерная роль этих деревьев в разнообразии, это как бы "средние" деревья. Разбор двух концепций: большой биологический взрыв; сжатый кладогенез. Сжатый - быстрая эволюция, но все же однозначно-древовидная. Взрыв - из сети сплетения образуются отчетливые ветви. Это - деление моделей и методов, они оцениваются вероятностно, мы не можем знать "истинной картины", но можем оценить вероятность разных возможных картин. Деревья сосуществуют с ГПГ.
Глава 7. (о том, как вероятностный дракон рассказывает усвоенному герою страшные сказки о происхождении героя, а герой героически их принимает, ведь вероятностный дракон лжет правдой)
Дан сценарий происхождения эукариот, учитывающий и объясняющий их загадочные отличия от прокариот. В результате симбиогенеза древняя бактерия была поглощена археей, встроена внутрь нее. Ретросказание: разделение на хищников и жертв возникло сразу с появлением первых клеток, эта игра началась с первых бактерий. Фундаментальный факт: не наблюдается эукариот без митохондрий. Поиск предков: "той" археи и "той" бактерии. Кажется, однако, что этот предок сочетал черты всех, самых разных архей: это были как бы "все" археи, сложные предковые формы, они пока не найдены. Реконструкция предка эукариот: все основные структуры клетки у него уже были, он появился весь и сразу, а не по частям. Результат симбиогенеза: огромное количество бактериальных генов, которые реплицируются в этой внутренней бактерии, теперь бомбардируют геном археи, встраиваются в него и нарушают работу. Возникает храповик: бактериальные гены идут к незащищенной ДНК хозяина, а ДНК хозяина не могут пройти к ДНК симбионта: оно защищено бактериальной=митохондриальной мембраной. Гены перемещаются от симбионта к хозяину, при этом симбионт теряет гены и происходит редукция симбионта. Так симбионт "растворяется" в хозяине. В качестве адаптаций к этому прессингу бактериальной ДНК, идущему изнутри, были сделаны важнейшие особенности эукариот: образовалась стенка ядра (не пропускать эту ДНК), поры в мембране и пр. И все же очень много бактериального ДНК оказалось встроено в геном той "археи", бессмысленно перемешано и является мусором: это интроны, наличие которых и отличает геном эукариот. Тогда возникает сплайсинг - редакция текста ДНК еще до построения белка, чтобы вырезать бессмысленные куски кода. В качестве адаптации прекращен ГПГ, эукариоты ушли от этого важнейшего механизма для защиты сбалансированности генома - и им пришлось изобрести половой процесс для увеличения разнообразия, поскольку ГПГ играет эту роль в мире прокариот. Вредные мутации убьют изолированную популяцию, ее спасает ГПГ, приносящий "правильные" гены, или - половой процесс.
Глава 8. (о том, какие сказки рассказывал дракон находящемуся в нем герою о происхождении героя, и как герой узнал, что он - болезнь драконова живота и по всем законам вероятности не мог быть ничем иным, при этом золото где-то глубже)
Изложена общая теория эволюции генома - это случайный, нейтральный процесс. Сложность возникает, потому что может возникать, это не запрещено фундаментальными законами. Соотношение понятий сложности и энтропии. С ростом сложности генома растет энтропия, т.е. геномы прокариот упорядочены, а геномы эукариот более случайны. У прокариот информация плотно упакована, ее плотность высока, у эукариот информация упакована рыхло. Высказана неадаптивная теория эволюции. Дело сводится к размеру популяции, у прокариот популяции чудовищно огромны, и поэтому у них очень сильный очищающий отбор. Потому из популяции быстро выносит все отклонения. А у эукариот популяции маленькие и потому эффективность отбора невелика, и потому очищающий отбор у эукариот не может очистить их геном от свалки, остается множество ненужных, неадаптивных деталей, которые иногда частично используются эволюцией. Сложность растет не благодаря отбору, который бы ее "подтягивал и выращивал", а вопреки: потому что у эукариот отбор слабый и сквозь пальцы у него прошмыгнула сложная жизнь. Ретросказание: эвол. линия эукариот никогда не проходила через бутылочное горлышко высокой численности популяции и мощного отбора, а то бы нас не было, мы - результат неприспособленности. Сложность - это болезнь генома, не вылеченная слишком слабым отбором.
Глава 9. (о странствии героя с описанием кишечника дракона, о действующих в разных областях процессах, от глотки до самой толстой кишки)
Определения трех режимов эволюции. * Ламарковский - где факторы среды влияют на направление мутаций, * дарвиновский - где случайные мутации отбираются факторами среды, и * райтовский, где есть только случайность - случайные мутации случайно фиксируются, отчего и возникает сложная организация. Поскольку привычно считать ламарковские механизмы вымыслом, приводятся описания механизмов ламарковских процессов на молекулярном уровне. Это процессы в системе иммунитета, а также еще несколько механизмов эпигенетического наследования, это ГПГ и стресс-индуцированный мутагенез. Гипотеза обратного потока информации от фенотипа к генотипу через обратную транскрипцию и ДНК-транспозицию. В целом это "боковые" механизмы: важным является защита прямого пути передачи информации (отбор против дестабилизации генома), но все же бывают изощренности, обходящие запрет. Дарвинов режим работает при слабом давлении среды, при сильном начинаются ламарковские процессы. От давления среды (стресса) зависит частота мутирования и факторы укладки белков, то есть точность трансляции. Борьба с энтропией как важное направление эволюции. Роль шума в биологических системах, шум несет разнообразие, которое частично усваивается системами. Сама эволюция эволюционирует, может предвидеть исторически-типичные ситуации. Это особый вид эволюционного предвидения. В целом плоскость "давление среды" (= ордината) и "размер популяции х отбор" (= абсцисса) поделена на три области - у оси ординат райтовский режим, у оси абсцисс дарвиновский, а при высоких значениях на обеих осях - расширяется в центре графика ламарковский сектор. Когда отбор очень силен и все мутации неблагоприятны, сочетание фенотипических мутаций может спасти организм. Так достигаются труднодоступные точки на рельефе устойчивости.
Глава 10. (о странствии героя, который находит еще более глубокие отделы, где жизнь непрерывно переходит в смерть и обратно, хотя по сути ничего не меняется, ведь золото где-то глубже)
Новый взгляд на мир вирусов, с 2000 г. революция в вирусологии, связанная с открытием гигантских вирусов, подобных клеткам, а также с пониманием удивительной распространенности вирусов, вирусы - важнейшая составляющая жизни. Вирусы - внутриклеточные паразиты/симбионты, кодирующие свое воспроизводство, но не кодирующие систему трансляции белка. Это живые "эгоистические гены", воплощение метафоры. Описывается разнообразие вирусов, сложность их генома и геномной архитектуры. Среди вирусных частиц особенно много т.н. агентов переноса генов (АПГ), то есть мир вирусов - это тот материальный субстрат, который служит основой ГПГ, заставляя всю вселенную прокариот существовать в связном состоянии, насыщая все среды свободно блуждающими генами. В биосфере, оказывается, доминируют АПГ, это самые распространенные биологические объекты. Это - генетическая среда, океан генов, который окружает все живые организмы, проникает в них и перестраивает. Изучение происхождения вирусов показывает, что там нельзя отыскать монофилию, не было никакого общего предкового вируса. У вирусов есть гены, унесенные у клеточных форм жизни. Но есть и специфические для вирусов гены, их собственные, причем общие самым разным группам вирусов. Расшифровывая их отношения, удается понять, что это - древние гены мира вирусов, предшествующие эволюции жизни. По крайней мере, это гены, которые были у доклеточных форм жизни. Этот мир доклеточной жизни рисуется как гигантская сеть взаимодействующих через ГПГ генов, и в этой сети нельзя вычленить стволы. Это генетическая сеть, в которой конкретные сочетания элементов порождали разные вирусы, тут же распадавшиеся, чтобы стать другими. Вирусы не происходят из клеток, они происходят из доклеточного мира независимых репликаторов. "Эгоистические гены" сначала существовали сами по себе, а потом стали постепенно обзаводиться "телами", хоть и не все - остались еще наследники того мира "неодетых в тела" генов, потомками которых и являются вирусы. В этой сети неизбежно возникли паразитические отношения; подверженная ошибкам репликация > разделение на генотип и фенотип > генный паразитизм. Так что с появлением репликации начинается генный паразитизм, все репликаторы делятся на факультативных хозяев и факультативных паразитов, затем идет специализация - одни становятся клетками (облигатными хозяевами), другие вирусами - облигатными паразитами. Многие особенности молекулярных машин в клетках говорят о давней (вечной) гонке вооружений хозяев и паразитов - хозяева совершенствовали защиту от вторжения, паразиты - средства проникновения.
Глава 11. (о том, как, пройдя насквозь, обнаруживается чудо, которое на фоне прочего не удивляет: золото близко, но его нечем взять)
Появляется новый герой - LUCA, последний общий предок всего живого. К происхождению жизни подходим "сверху", выделяя общие черты всех существующих организмов и реконструируя общего предка. Вычленяется набор универсально распространенных молекул (РНК в рибосомах, системы трансляции с РНК, ферменты). У этого общего предка не было клеточной формы жизни, поэтому многих черт отследить нельзя. Множество РНК было объединено ГПГ в особенный мир репликантов: гипотеза мира РНК. Жизнь началась как первичный вирусный мир; то, что тогда существовало, мы бы назвали вирусами, только тогда не было клеток, на которых они могли бы паразитировать. Переход к отбору ансамблей элементов, компартментализация. Это сопровождалось сокращением ГПГ - то есть мир "всеобщего свободного обмена" всего на всё постепенно перестраивался в мир хоть чем-то ограниченный и частично не меняющийся. В целом это был мир эгоистичных генов, с огромными популяциями, очень жестким отбором и потому быстрой эволюцией. Формулируется принцип omnis virus e virus. Поскольку вирусы сейчас вне клеток не размножаются, можно говорить о преодолении униформизма: при обсуждении сценариев развития жизни неизбежно приходим к уникальным событиям, аналогов которым не было и сейчас нет.
Глава 12. (о том, как вновь появляется старый Дарвин, который тогда, надо полагать, был молодым, и как он скрыл сокровище в глубине вероятностей, да так, что пришедший к нему уже не имеет, чем взять)
Проблема происхождения жизни. Определение: любой репликатор является формой жизни. Важно в этом определении - непрямой вывод о ковариантной редупликации, т.е. о связи генотип-фенотип, когда появляется представление об ошибках репликации, об эффективности репликации и отборе. Эта обратная связь замкнута на устойчивость репликантов и гонит их к более устойчивому состоянию. Происхождение жизни - вопрос, выходящий на (пред)биологическую химию и геофизику. Рассказ о цикле Дарвина-Эйгена: порог Эйгена определяет, будет идти стабильное наследование или система вымрет, зависит от соотношения частоты ошибок репликации и информационной емкости системы. Утверждается, что стремление к устойчивости будет гнать систему выше по сложности и эффективности наследования. Увеличение точности репликации делает систему эффективнее, поэтому ее потомки могут по этой спирали пройти еще оборот. Чтобы начался этот "цикл", надо обладать пороговой сложностью. Нужно чудо, и решение тут не может быть тривиальным. Выясняется, что должна была иметь место эволюция белковых молекул, они очень разнообразны, и эта эволюция должна пройти вся целиком до возникновения системы трансляции. Выход - в идее мира РНК, когда обходились в трансляции без белка, это делали РНК, хуже, но приемлемо. Тем самым без чуда можно обойтись: решается парадокс взаимозависимых РНК и белка, решается тем, что один из компонентов системы оказывается универсалом, может выполнять все функции. Трудности теории мира РНК: в экспериментах подтверждается плохо. Удалось оценить величину "ступени Эйгена": в экспериментах в лаборатории получен продукт, работающий всего на порядок хуже, чем то, что по расчетам надо для запуска "цикла Эйгена". Следующая проблема - происхождение генетического кода, видимо, это "застывшая случайность". Вопрос о происхождении трансляции: с чего это на РНК стали делать белки в соответствии с кодом. Ответ: экзаптация, видимо, делалось для иной функции. Кажется, белки были в мире РНК ферментами-катализаторами, и небольшие их цепочки сращивались при соединении склеенных с ними РНК. Процесс катализа из мгновенного соединился-отошел - стал долговременным и приобрел новые, строительные функции: субстрат стал "выстраивать стенку" из катализатора. Оценка и обзор гипотез показывают: и самые лучшие гипотезы все же нехороши. У нас только слабые косвенные свидетельства, прочных обоснований не получено. Нет вероятных сценариев возникновения жизни. Слабый антропный принцип: во всем множестве возможных миров мы наблюдаем тот, в котором есть мы, потому что произошло невероятное событие нашего возникновения (сильный антропный - телеология и ненаучен). Рассказ о новых физических теориях Вселенной: инфляционные теории. Вероятность осуществления в мультиверсе любого сценария, не запрещенного законами сохранения, равна единице. Это соображение и встраивается в объяснительную ткань для того, чтобы сказать, как возникла жизнь. Абиогенно, т.е. случайно, произошел отбор наиболее устойчивых РНК, порог Эйгена был преодолен, завертелся цикл Дарвина-Эйгена по поводу отбора точных эффективных репликантов. Тут же пристроилась самособравшаяся случайно система трансляции с полимеразами и другие необходимые блоки, прошла эволюция надежности генетического кода. Модель мультивселенной и антропного принципа гарантирует достижение любого уровня сложности. Не следует утруждать антропный принцип без необходимости, то есть он мог бы случайно произвести и сразу готового человека, но вероятнее все же, когда - с биологической эволюцией, тем более что, по счастью, мы ее неплохо знаем.
Глава 13. (о том, как, пройдя насквозь, можно выйти с той стороны, и кто при этом меняется: вероятностный герой)
Определение: эволюция жизни - это преимущественно стохастический процесс, основанный на исторической случайности, ограниченный прежде всего разнообразными условиями поддержания основ биологической организации и модулируемый механизмом адаптации. Сейчас новое состояние эволюционной теории - в рамках науки постмодерна. Большинство принципов предшествующего этапа (СТЭ) не отрицается, но отрицается их исключительность: и обратное им тоже верно, то есть СТЭ не отброшена, а существенно дополнена. Все, связанное с отбором, переместилось с главного места на положение "модификатора", все, связанное с адаптацией, потеряло исключительную роль, главное место в теории заняли случайность и устойчивость. Наука является "постмодерном" в том смысле, что нет глобальной всё объясняющей теории, говорящей альтернативам "все вы ложь" - теперь ранее несочетаемые теории все нашли свое место, они, как в паззле, сочетаются, у каждой своя область применимости. Взаимодействия "кусков теорий" сложные - например, считается, что случайные процессы в нейтральной эволюции приводят в действие неадаптивную эволюцию сложных признаков, которые выглядят, как адаптации. То есть результат случайности можно уверенно объяснять как адаптации, настораживает лишь легкость этого процесса. С другой стороны, наиболее важные группы адаптаций - те, что обеспечивают целостность клетки, точность репликации и контроль повреждений. Кое-что в прежней эволюционной теории вымерло радикально - если адаптационизм ограничен, то градуализм отвергнут (ГПГ и другие механизмы непостепенны). Отвергнута исключительность древесного мышления, растет сила метафоры сети, хотя и древесный аспект сохраняется. Неожиданно оказывается, что довольно простые математические модели из области статистической физики плодотворны при изучении эволюции, биологическая эволюция становится подразделом статистической физики. Объяснение: эволюционная геномика имеет дело с автономным множеством слабо взаимодействующих объектов. Разумеется, у таких объектов наблюдаются в поведении существенные сходства с газом. Принципы статистической физики применимы к молекулам и ансамблям молекул - и, конечно, к генам. Чем больше ансамбль генов, тем точнее предсказания эволюционной геномики, а вот малые ансамбли плохо предсказуемы. Вопрос о воспроизводимости эволюции: мы ее вряд ли сможем воспроизвести. Эволюция пойдет не так - потому что "такой" она стала случайно. Обсуждаются ограничения: главная причина ограничений - эпистаз, взаимодействие между "автономными" агентами - например, между генами. Эпистаз - важнейший фактор поддержания целостности (слово это чуть не впервые появляется в конце книги). Силы ограничений со стороны эпистатических взаимодействий мы не знаем, может быть, они так сильны, что процесс эволюции окажется детерминированным (по Уоддингтону). Еще одна линия поправок - об отношении генотиипа и фенотипа. Принято считать, что генотип определяет фенотип, но это утверждение требует многих оговорок, это чрезмерное упрощение. Далее о фенотипических мутациях, а также то, что гены не имеют локального влияния - в смысле, это неизоморфно, не отображение одного элемента в один, а многих во многие. Связь генома с фенотипом принципиально недетерминирована. Эта "слитная наследственность" ограничивает эволюцию. По генотипу не удается судить о фенотипе. Фенотипические последствия генома нетривиальны. Сердцевина фенотипа - антиэнтропийные устройства, уменьшающие уровень ошибок ("генотипа") при передаче информации. Ответ о причине сложности - организмы так сложно устроены, потому что они могут. Нет фундаментальных запретов, отчего бы они не могли быть сложными. Постсовременная теория эволюции - сложная система дополнительных взглядов, опирающаяся на модели, заимствованные из статистической физики и популяционной генетики, а также на реконструкции фактического эволюционного прошлого.
Приложение 1. (о том, как выглядят звезды на той стороне, поскольку герой еще способен их видеть)
Описание науки постмодерна. Отказ от позитивного формулирования собственной цельной теории, на этом месте только критика прежних нарративов. Согласие на принципиально нецелостный конгломерат взглядов. Наука не может уподобиться философам и все отрицать, в науке есть нарративы (=парадигмы), но в эвол. биологии не будет единой теории, объявляющей альтернативы ложью, а будет переплетение подходов разного уровня абстракции. Описание эволюции само имеет очень высокую сложность, сопротивляется любому обобщению. Идеалом является статистическая физика, но есть осознание: полной теории такого типа в биологии не может быть. Могут быть частные теории для разных аспектов эволюции, связанные нетривиально. Эвол. биология остается "исторической наукой", многое решил случай, имеется уникальная история, и ее не описать общими законами. И задача науки - узнать как можно больше о каждом уникальном историческом собатии. Диалектика ситуации в том, что эволюционные объяснения являются упрощенными "мифами", но все же язык этих "мифов" лучше подходит для формулировки и проверки гипотез, стимулирующих дальнейшее исследование. И потому нельзя отказаться от этих мифов. Эволюционные объяснения, все эти ответы на "почему" - это семантические приспособления, для упрощения нашего мышления об эволюции. Отдельный раздел о природе науки. Зачем наука? Для пользы? Это поверхностный ответ. Для понимания реальности? а что это значит? Наука не говорит о мире ничего прямо - она говорит только о совместимости разных наблюдений с моделями. Так мыслят физики, Хокинг и Млодинов (2010): модельно-зависимое мышление. Ученые придумывают модели, сравнивают по предсказательной силе, а больше ничего в познании и нет. Автор возражает против модельно-зависимого реализма. Смысл: не все одинаково полезны. Модельно-зависимый реализм говорит: всё равно все - мифы, так какая разница, можно лишь менять на те, что сильнее по предсказательной силе. Все концепции одинаковы, различаясь лишь по измеримому показателю - предсказательной силе. Возражение автора: не все одинаковы. Все же некоторые "лучше" других. Призывает к большей доле реализма, потому что скептицизм в таких больших дозах разъедает науку. Считает, что мы изучаем эволюцию не только ради конкретных предсказаний, но и чтобы иметь картину реальности, чтобы иметь понимание истории жизни.
Приложение 2. (о том, как герой думает, что добыл себе золото Дарвина под вероятностными звездами невероятного мира)
Излагаются физические теории, появившиеся с 2000-х годов по поводу теории инфляции. Мультиверс, концепция бесконечного количества подобных вселенных (Виленкин). Мир многих миров, где есть решительно все, что фундаментально не запрещено, и в этом мире выстраиваются теории о вероятности того, что всё равно есть. Эта точка зрения считается фундаментальной для исследования эволюции, базовой картиной мира, в котором происходит данное исследование.
Оригинал взят у ivanov_petrov в Золото Дарвина: третий эволюционный синтез
Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. Е. Кунин. 2014.
Это пересказ. За пересказ ответственность не на авторе, в расхождениях с текстом виноват я. Лучше воспринимать этот текст как палец, указывающий на книгу. Благодарить за книгу, помимо автора, надо переводчиков, которые сделали перевод из энтузиазма, очень быстро и качественно. Перечислю только тех, кто согласился на публикацию имени (было еще несколько человек, которые не захотели, чтобы их фамилии упоминались). Всего команда переводчиков составляла 18 человек. Так что особенная благодарность: П. Аверину, В. Анисимову, О. Гадасиной, А. Грызлову, К. Муратовой, А. Надирян, А. Нестеровой, А. Самородову, Д. Тулинову, Э. Шумову, А. Черкасовой, Г. Янусу и еще нескольким А. Неизвестным.
Введение. (о том, как автор услышал о золоте старого Дарвина и решил отправиться в далекое путешествие, чтобы его добыть)
Задает общую рамку - это предварительная формулировка нового синтеза эволюционной теории. Попытка вызвана революцией в области сравнительной геномики и падением метафоры дерева жизни. Сначала "эволюция" понималась как попытка понять закономерности процесса, вроде факторов и движущих сил. Потом - как последовательность форм, как генеалогия, дерево жизни. Теперь стало ясно, что и это понимание недостаточно. Внешний ориентир для современной эволюционистики - достижения современной космологии, попытки увязать эволюцию космоса с тем, что мы знаем об эволюции жизни.
Глава 1. (о том, как было спрятано золото Дарвина и о драконе, стерегущем путь к нему)
Образ истории эволюционистики от Дарвина до СТЭ. Оценка уникальности работы Дарвина, а также указания, что следует считать устаревшим и опровергнутым. Проблемы теории Дарвина: возраст Земли; кошмар Дженкина - слитная наследственность; эволюция сложных органов (непредставимо по частям); загадка макроэволюции - отличается ли от эволюции в популяциях. Рассказ о возникновении генетики, теории популяций, введение понятия очищающего (=отрицательного, = стабилизирующего) отбора - помимо "обычного" движущего (=позитивного) отбора. Постулаты СТЭ: * ненаправленные случайности; * эволюция как фиксация редких выгодных изменений - сходство с невидимой рукой по А. Смиту; * градуализм - изменение очень медленное, постепенное; * униформизм - изменения следует толковать как результат действия уже известных факторов; * макроэволюция - лишь эпифеномен микроэволюции; * адекватное представление эволюции - дерево (древесное мышление); * все разнообразие произошло от общего предка. Описанный Дарвином механизм - машина для создания отрицательной энтропии, вырабатывает порядок из беспорядка. Разнообразие форм жизни возникает из случайностей.
Глава 2. (о том, как на пути герою встретился вероятностный дракон и как шло сражение с этим вероятностным драконом)
Рассказана история второй половины ХХ в., постулаты СТЭ исследовались генетическими методами. Открытие ковариантной редупликации и создание модели структуры ДНК: вся дарвинова теория выводится из механизма репликации. Ковариантная редупликация (копирования с ошибками), отбор и случайный дрейф неизбежно приводят к эволюции. Автор считает, что эту идею (подверженной ошибкам репликации) впервые сформулировал в 1976 г. Р. Докинз, в чем и состоит основное достижение этого исследователя. Ошибки репликации наследуются - в этом отличие от репликации кристаллов <тем самым наследование структуры у кристаллов = жизнь>. Рассказ об истории молекулярной филогенетики и ее методах, например: наибольшей экономии, наибольшего правдоподобия. Метод экономии основан на принципе наименьшего действия, наиболее вероятным считается эволюционный сценарий с меньшим числом событий. Метод правдоподобия - статистический подход, сравнивает эволюцию признака с имеющимися данными о дереве эволюции. Важнейший этап - нейтральная теория молекулярной эволюции (Kimura, 1983), идея случайности, ведущей эволюцию независимо от отбора. Прежние представления о функциональности генома приводили к заключению, что все гены функциональны. Новые открытия эгоистичных генов, мусорной ДНК, мобильных элементов - основная масса генетического материала нефункциональна. Путь нейтральной эволюции: дупликация генов, приобретение почти-близнецами разных функций, в результате усложнение и рост разнообразия. Опровержение градуализма: верна теория прерывистого равновесия (Гулд). Фактическая основа: дупликацию целого гена и приобретение им новых функций малыми событиями не назовешь. Сужение значения адаптаций в эволюции, признание экзаптаций: деталь возникает по конструктивным причинам, побочно используется для некой функции, со временем побочная функция становится основной. Идеи канализации развития (Уоддингтон) получают новое освещение в связи с развитием геномики: важность метафоры морфогенетического ландшафта, по сути - рельефа устойчивости системы.
Глава 3. (о том, как для борьбы с драконом герой отправился в молекулярный мир и что из этого вышло, а также о том, что в этом мире вероятностный дракон всесилен)
Описание "четвертой генетической революции" - развитие сравнительной геномики, в 1995 г. Крейг Вентер публикует первые полные геномы. Примерно на треть генный состав одинаков вообще у всех существ; гены "бессмертны", поэтому значительная часть любого генома - древние гены. Высокая наследуемость генов делает сравнительную геномику чрезвычайно важным методом исследования эволюции, геномика особенно хорошо видит самые древние и общие черты. Гены ведут себя подобно атомам: довольно устойчивы в эволюции, но их расположение, порядок, взаимные связи очень изменчивы, гены (мета)стабильны, архитектура их взаимодействий изменчива. Различие геномов прокариот и эукариот: у прокариот строгая упорядоченность и экономная архитектура; у высших организмов, эукариот - геномы устроены хаотично, в них много лишних элементов. Прокариоты (бактерии) занимают горные гребни на ландшафте устойчивости; эукариоты описываются как жители плато этого ландшафта. Сложные эукариоты появились в результате неэффективного отбора. Сравнительная геномика, сопоставляя полные наборы генов и расшифровывая их функции, неизбежно приходит к идее "минимального организма". При этом выясняется, что нет универсального генетического ядра жизни - в разных ветвях большие части утрачены. Необходима реконструкция минимального набора функций и способов реализации. Фрактальность генетической вселенной: компактное ядро генов, которые есть (почти) у всех, таких убиквистов 10%; оболочка консервативных генов; разреженное облако редко встречающихся оригинальных генов (10-30%). На любом уровне исследований повторяется структура ядра, мощной оболочки и окружающего облака разнообразия.
Глава 4. (о том, как герой был съеден и усвоен вероятностным драконом в молекулярном мире, а также о том, как вероятностный дракон невероятно красив, но изнутри)
Эволюция генома как следствие из статистической физики. Геном как молекулярный газ со случайными взаимодействиями. Поиски (статистических) эволюционных универсалий и измеримых переменных. Выделение высокостатусных генов - меняются очень медленно, взаимодействуют со множеством других генов, и низкостатусных - меняются быстро, мало с кем взаимодействуют. Высокоэкспрессивные гены эволюционируют медленно. Теория: эволюция белков (т.е. внешнего фенотипа) определяется химическими свойствами укладки белка в большей мере, чем биологическими функциями белка. Главный фактор отбора - на устойчивость белка. Из физических принципов укладки белка вытекает и универсальный закон распределения скоростей эволюции: гены, отвечающие за белок, почти неизменны, а быстро эволюируют те, что на белке мало сказываются. Биологические функции белка в этой картине глубоко вторичны. Чем ген важнее (его выключение убийственно), тем медленнее его эволюция. Ошибки в работе высокостатусных генов могут компенсироваться быстро эволюционирующими регуляторными генами. Нейтральные сети оказываются руководящей метафорой в изучении эволюции. Биологические сети похожи на интернет: многосвязные ("важные") узлы окружены облаками малосвязных узлов. Каждый ген вносит вклад в разные биологические функции, не ген = функция, а скорее геном = совокупность всех функций. Для разговора о функциональности генов удобна модель ящика с инструментами. Гены-регуляторы требуют громоздкого управления, усложняют сеть, это - "бюрократическая" нагрузка на функцию. Гипотеза бюрократического потолка как верхней границы сложности. Видимо, верхняя граница достигнута - отсутствие роста числа генов у млекопитающих. Все эти универсалии эволюции - ее эмергентные свойства, следствие того, что биол. система состоит из множества устойчивых слабо взаимодействующих элементов. При этом понятие отбора оказывается ненужным для описания самых важных закономерностей эволюции. Общие закономерности эволюции на молекулярном уровне описываются стохастическими процессами.
Глава 5. (о том, как вероятностный дракон устроен в своем царстве, как он мудр и широко распространен, а золото где-то глубже)
Применение этих теорий к описанию мира прокариот. Прежняя биология рассказывала истории только о высших организмах. Но с 1977 г., когда Карл Вёзе стал исследовать филогенез молекул РНК, стал набирать силу иной взгяд, который видит мир прокариот как важнейшую составляющую живого на планете. Эволюция прокариот существенно отличается от моделей, предлагаемых СТЭ. Описание геномного простанства-времени прокариот: фрактальность, ядро и периферия, оперонная структура, системы генной регуляции, сети передачи сигналов у прокариот. Горизонтальный перенос генов (ГПГ) как важнейший процесс эволюции прокариот. ГПГ делает невозможной метафору дерева. Эволюция покариот представляет многосвязную сеть. Кроме дивергенции, крайне важными оказываются слияния ветвей. ГПГ глобален, идет и между царствами, и на всех иных уровнях. Роль ГПГ: восстановление утраченного разнообразия. Случайный дрейф выбивает важные гены из популяций, а вездесущий ГПГ приносит гены, среди которых есть и необходимые. Можно сказать, что мир прокариот предстает принциально иначе, чем привычный мир эукариот: целостностью является мир прокариот в целом, активно взаимодействующий в своих частях с помощью ГПГ, вселенная генов прокариот поддерживается связностью, а отдельные "виды" живут благодаря притоку генов из "вселенной". При этом важно подчеркнуть еще одну сеть - связей между генами и функциями; редко ген выполняет одну, обычно влияет на многие в той или иной стени, и каждая функция поддерживается множеством генов. Это - "генная среда", а не набор однозначных изолированных связей. Прокариоты - это мир живого, определяемый режимом ГПГ, это общий мобильный геном, проявляющийся в тех или иных эфемерных "организмиках".
Глава 6. (о царстве дракона, его распределенной вероятностной сущности и фундаментальном способе (не)существования, хотя золото где-то глубже)
История метафоры дерева жизни (Геккель). Филогенетические деревья как руководящая метафора эволюции. Фундаментальность метафоры дерева вытекает из репликации ДНК: древовидный процесс репликации. Осложнение идеального дерева рекомбинациями. Эволюция единственного гена также имеет вид сети. Деревья нельзя убрать из теории эволюции и нельзя ими ограничиться. Предложена метафора леса жизни - совокупность филогенетических деревьев всех генов. Рассмотрены новые методы формального анализа "лесов" - выделение (почти)универсальных деревьев, хорошо описывающих разнообразие, невырожденных, связанных с прочими деревьями. Особая ядерная роль этих деревьев в разнообразии, это как бы "средние" деревья. Разбор двух концепций: большой биологический взрыв; сжатый кладогенез. Сжатый - быстрая эволюция, но все же однозначно-древовидная. Взрыв - из сети сплетения образуются отчетливые ветви. Это - деление моделей и методов, они оцениваются вероятностно, мы не можем знать "истинной картины", но можем оценить вероятность разных возможных картин. Деревья сосуществуют с ГПГ.
Глава 7. (о том, как вероятностный дракон рассказывает усвоенному герою страшные сказки о происхождении героя, а герой героически их принимает, ведь вероятностный дракон лжет правдой)
Дан сценарий происхождения эукариот, учитывающий и объясняющий их загадочные отличия от прокариот. В результате симбиогенеза древняя бактерия была поглощена археей, встроена внутрь нее. Ретросказание: разделение на хищников и жертв возникло сразу с появлением первых клеток, эта игра началась с первых бактерий. Фундаментальный факт: не наблюдается эукариот без митохондрий. Поиск предков: "той" археи и "той" бактерии. Кажется, однако, что этот предок сочетал черты всех, самых разных архей: это были как бы "все" археи, сложные предковые формы, они пока не найдены. Реконструкция предка эукариот: все основные структуры клетки у него уже были, он появился весь и сразу, а не по частям. Результат симбиогенеза: огромное количество бактериальных генов, которые реплицируются в этой внутренней бактерии, теперь бомбардируют геном археи, встраиваются в него и нарушают работу. Возникает храповик: бактериальные гены идут к незащищенной ДНК хозяина, а ДНК хозяина не могут пройти к ДНК симбионта: оно защищено бактериальной=митохондриальной мембраной. Гены перемещаются от симбионта к хозяину, при этом симбионт теряет гены и происходит редукция симбионта. Так симбионт "растворяется" в хозяине. В качестве адаптаций к этому прессингу бактериальной ДНК, идущему изнутри, были сделаны важнейшие особенности эукариот: образовалась стенка ядра (не пропускать эту ДНК), поры в мембране и пр. И все же очень много бактериального ДНК оказалось встроено в геном той "археи", бессмысленно перемешано и является мусором: это интроны, наличие которых и отличает геном эукариот. Тогда возникает сплайсинг - редакция текста ДНК еще до построения белка, чтобы вырезать бессмысленные куски кода. В качестве адаптации прекращен ГПГ, эукариоты ушли от этого важнейшего механизма для защиты сбалансированности генома - и им пришлось изобрести половой процесс для увеличения разнообразия, поскольку ГПГ играет эту роль в мире прокариот. Вредные мутации убьют изолированную популяцию, ее спасает ГПГ, приносящий "правильные" гены, или - половой процесс.
Глава 8. (о том, какие сказки рассказывал дракон находящемуся в нем герою о происхождении героя, и как герой узнал, что он - болезнь драконова живота и по всем законам вероятности не мог быть ничем иным, при этом золото где-то глубже)
Изложена общая теория эволюции генома - это случайный, нейтральный процесс. Сложность возникает, потому что может возникать, это не запрещено фундаментальными законами. Соотношение понятий сложности и энтропии. С ростом сложности генома растет энтропия, т.е. геномы прокариот упорядочены, а геномы эукариот более случайны. У прокариот информация плотно упакована, ее плотность высока, у эукариот информация упакована рыхло. Высказана неадаптивная теория эволюции. Дело сводится к размеру популяции, у прокариот популяции чудовищно огромны, и поэтому у них очень сильный очищающий отбор. Потому из популяции быстро выносит все отклонения. А у эукариот популяции маленькие и потому эффективность отбора невелика, и потому очищающий отбор у эукариот не может очистить их геном от свалки, остается множество ненужных, неадаптивных деталей, которые иногда частично используются эволюцией. Сложность растет не благодаря отбору, который бы ее "подтягивал и выращивал", а вопреки: потому что у эукариот отбор слабый и сквозь пальцы у него прошмыгнула сложная жизнь. Ретросказание: эвол. линия эукариот никогда не проходила через бутылочное горлышко высокой численности популяции и мощного отбора, а то бы нас не было, мы - результат неприспособленности. Сложность - это болезнь генома, не вылеченная слишком слабым отбором.
Глава 9. (о странствии героя с описанием кишечника дракона, о действующих в разных областях процессах, от глотки до самой толстой кишки)
Определения трех режимов эволюции. * Ламарковский - где факторы среды влияют на направление мутаций, * дарвиновский - где случайные мутации отбираются факторами среды, и * райтовский, где есть только случайность - случайные мутации случайно фиксируются, отчего и возникает сложная организация. Поскольку привычно считать ламарковские механизмы вымыслом, приводятся описания механизмов ламарковских процессов на молекулярном уровне. Это процессы в системе иммунитета, а также еще несколько механизмов эпигенетического наследования, это ГПГ и стресс-индуцированный мутагенез. Гипотеза обратного потока информации от фенотипа к генотипу через обратную транскрипцию и ДНК-транспозицию. В целом это "боковые" механизмы: важным является защита прямого пути передачи информации (отбор против дестабилизации генома), но все же бывают изощренности, обходящие запрет. Дарвинов режим работает при слабом давлении среды, при сильном начинаются ламарковские процессы. От давления среды (стресса) зависит частота мутирования и факторы укладки белков, то есть точность трансляции. Борьба с энтропией как важное направление эволюции. Роль шума в биологических системах, шум несет разнообразие, которое частично усваивается системами. Сама эволюция эволюционирует, может предвидеть исторически-типичные ситуации. Это особый вид эволюционного предвидения. В целом плоскость "давление среды" (= ордината) и "размер популяции х отбор" (= абсцисса) поделена на три области - у оси ординат райтовский режим, у оси абсцисс дарвиновский, а при высоких значениях на обеих осях - расширяется в центре графика ламарковский сектор. Когда отбор очень силен и все мутации неблагоприятны, сочетание фенотипических мутаций может спасти организм. Так достигаются труднодоступные точки на рельефе устойчивости.
Глава 10. (о странствии героя, который находит еще более глубокие отделы, где жизнь непрерывно переходит в смерть и обратно, хотя по сути ничего не меняется, ведь золото где-то глубже)
Новый взгляд на мир вирусов, с 2000 г. революция в вирусологии, связанная с открытием гигантских вирусов, подобных клеткам, а также с пониманием удивительной распространенности вирусов, вирусы - важнейшая составляющая жизни. Вирусы - внутриклеточные паразиты/симбионты, кодирующие свое воспроизводство, но не кодирующие систему трансляции белка. Это живые "эгоистические гены", воплощение метафоры. Описывается разнообразие вирусов, сложность их генома и геномной архитектуры. Среди вирусных частиц особенно много т.н. агентов переноса генов (АПГ), то есть мир вирусов - это тот материальный субстрат, который служит основой ГПГ, заставляя всю вселенную прокариот существовать в связном состоянии, насыщая все среды свободно блуждающими генами. В биосфере, оказывается, доминируют АПГ, это самые распространенные биологические объекты. Это - генетическая среда, океан генов, который окружает все живые организмы, проникает в них и перестраивает. Изучение происхождения вирусов показывает, что там нельзя отыскать монофилию, не было никакого общего предкового вируса. У вирусов есть гены, унесенные у клеточных форм жизни. Но есть и специфические для вирусов гены, их собственные, причем общие самым разным группам вирусов. Расшифровывая их отношения, удается понять, что это - древние гены мира вирусов, предшествующие эволюции жизни. По крайней мере, это гены, которые были у доклеточных форм жизни. Этот мир доклеточной жизни рисуется как гигантская сеть взаимодействующих через ГПГ генов, и в этой сети нельзя вычленить стволы. Это генетическая сеть, в которой конкретные сочетания элементов порождали разные вирусы, тут же распадавшиеся, чтобы стать другими. Вирусы не происходят из клеток, они происходят из доклеточного мира независимых репликаторов. "Эгоистические гены" сначала существовали сами по себе, а потом стали постепенно обзаводиться "телами", хоть и не все - остались еще наследники того мира "неодетых в тела" генов, потомками которых и являются вирусы. В этой сети неизбежно возникли паразитические отношения; подверженная ошибкам репликация > разделение на генотип и фенотип > генный паразитизм. Так что с появлением репликации начинается генный паразитизм, все репликаторы делятся на факультативных хозяев и факультативных паразитов, затем идет специализация - одни становятся клетками (облигатными хозяевами), другие вирусами - облигатными паразитами. Многие особенности молекулярных машин в клетках говорят о давней (вечной) гонке вооружений хозяев и паразитов - хозяева совершенствовали защиту от вторжения, паразиты - средства проникновения.
Глава 11. (о том, как, пройдя насквозь, обнаруживается чудо, которое на фоне прочего не удивляет: золото близко, но его нечем взять)
Появляется новый герой - LUCA, последний общий предок всего живого. К происхождению жизни подходим "сверху", выделяя общие черты всех существующих организмов и реконструируя общего предка. Вычленяется набор универсально распространенных молекул (РНК в рибосомах, системы трансляции с РНК, ферменты). У этого общего предка не было клеточной формы жизни, поэтому многих черт отследить нельзя. Множество РНК было объединено ГПГ в особенный мир репликантов: гипотеза мира РНК. Жизнь началась как первичный вирусный мир; то, что тогда существовало, мы бы назвали вирусами, только тогда не было клеток, на которых они могли бы паразитировать. Переход к отбору ансамблей элементов, компартментализация. Это сопровождалось сокращением ГПГ - то есть мир "всеобщего свободного обмена" всего на всё постепенно перестраивался в мир хоть чем-то ограниченный и частично не меняющийся. В целом это был мир эгоистичных генов, с огромными популяциями, очень жестким отбором и потому быстрой эволюцией. Формулируется принцип omnis virus e virus. Поскольку вирусы сейчас вне клеток не размножаются, можно говорить о преодолении униформизма: при обсуждении сценариев развития жизни неизбежно приходим к уникальным событиям, аналогов которым не было и сейчас нет.
Глава 12. (о том, как вновь появляется старый Дарвин, который тогда, надо полагать, был молодым, и как он скрыл сокровище в глубине вероятностей, да так, что пришедший к нему уже не имеет, чем взять)
Проблема происхождения жизни. Определение: любой репликатор является формой жизни. Важно в этом определении - непрямой вывод о ковариантной редупликации, т.е. о связи генотип-фенотип, когда появляется представление об ошибках репликации, об эффективности репликации и отборе. Эта обратная связь замкнута на устойчивость репликантов и гонит их к более устойчивому состоянию. Происхождение жизни - вопрос, выходящий на (пред)биологическую химию и геофизику. Рассказ о цикле Дарвина-Эйгена: порог Эйгена определяет, будет идти стабильное наследование или система вымрет, зависит от соотношения частоты ошибок репликации и информационной емкости системы. Утверждается, что стремление к устойчивости будет гнать систему выше по сложности и эффективности наследования. Увеличение точности репликации делает систему эффективнее, поэтому ее потомки могут по этой спирали пройти еще оборот. Чтобы начался этот "цикл", надо обладать пороговой сложностью. Нужно чудо, и решение тут не может быть тривиальным. Выясняется, что должна была иметь место эволюция белковых молекул, они очень разнообразны, и эта эволюция должна пройти вся целиком до возникновения системы трансляции. Выход - в идее мира РНК, когда обходились в трансляции без белка, это делали РНК, хуже, но приемлемо. Тем самым без чуда можно обойтись: решается парадокс взаимозависимых РНК и белка, решается тем, что один из компонентов системы оказывается универсалом, может выполнять все функции. Трудности теории мира РНК: в экспериментах подтверждается плохо. Удалось оценить величину "ступени Эйгена": в экспериментах в лаборатории получен продукт, работающий всего на порядок хуже, чем то, что по расчетам надо для запуска "цикла Эйгена". Следующая проблема - происхождение генетического кода, видимо, это "застывшая случайность". Вопрос о происхождении трансляции: с чего это на РНК стали делать белки в соответствии с кодом. Ответ: экзаптация, видимо, делалось для иной функции. Кажется, белки были в мире РНК ферментами-катализаторами, и небольшие их цепочки сращивались при соединении склеенных с ними РНК. Процесс катализа из мгновенного соединился-отошел - стал долговременным и приобрел новые, строительные функции: субстрат стал "выстраивать стенку" из катализатора. Оценка и обзор гипотез показывают: и самые лучшие гипотезы все же нехороши. У нас только слабые косвенные свидетельства, прочных обоснований не получено. Нет вероятных сценариев возникновения жизни. Слабый антропный принцип: во всем множестве возможных миров мы наблюдаем тот, в котором есть мы, потому что произошло невероятное событие нашего возникновения (сильный антропный - телеология и ненаучен). Рассказ о новых физических теориях Вселенной: инфляционные теории. Вероятность осуществления в мультиверсе любого сценария, не запрещенного законами сохранения, равна единице. Это соображение и встраивается в объяснительную ткань для того, чтобы сказать, как возникла жизнь. Абиогенно, т.е. случайно, произошел отбор наиболее устойчивых РНК, порог Эйгена был преодолен, завертелся цикл Дарвина-Эйгена по поводу отбора точных эффективных репликантов. Тут же пристроилась самособравшаяся случайно система трансляции с полимеразами и другие необходимые блоки, прошла эволюция надежности генетического кода. Модель мультивселенной и антропного принципа гарантирует достижение любого уровня сложности. Не следует утруждать антропный принцип без необходимости, то есть он мог бы случайно произвести и сразу готового человека, но вероятнее все же, когда - с биологической эволюцией, тем более что, по счастью, мы ее неплохо знаем.
Глава 13. (о том, как, пройдя насквозь, можно выйти с той стороны, и кто при этом меняется: вероятностный герой)
Определение: эволюция жизни - это преимущественно стохастический процесс, основанный на исторической случайности, ограниченный прежде всего разнообразными условиями поддержания основ биологической организации и модулируемый механизмом адаптации. Сейчас новое состояние эволюционной теории - в рамках науки постмодерна. Большинство принципов предшествующего этапа (СТЭ) не отрицается, но отрицается их исключительность: и обратное им тоже верно, то есть СТЭ не отброшена, а существенно дополнена. Все, связанное с отбором, переместилось с главного места на положение "модификатора", все, связанное с адаптацией, потеряло исключительную роль, главное место в теории заняли случайность и устойчивость. Наука является "постмодерном" в том смысле, что нет глобальной всё объясняющей теории, говорящей альтернативам "все вы ложь" - теперь ранее несочетаемые теории все нашли свое место, они, как в паззле, сочетаются, у каждой своя область применимости. Взаимодействия "кусков теорий" сложные - например, считается, что случайные процессы в нейтральной эволюции приводят в действие неадаптивную эволюцию сложных признаков, которые выглядят, как адаптации. То есть результат случайности можно уверенно объяснять как адаптации, настораживает лишь легкость этого процесса. С другой стороны, наиболее важные группы адаптаций - те, что обеспечивают целостность клетки, точность репликации и контроль повреждений. Кое-что в прежней эволюционной теории вымерло радикально - если адаптационизм ограничен, то градуализм отвергнут (ГПГ и другие механизмы непостепенны). Отвергнута исключительность древесного мышления, растет сила метафоры сети, хотя и древесный аспект сохраняется. Неожиданно оказывается, что довольно простые математические модели из области статистической физики плодотворны при изучении эволюции, биологическая эволюция становится подразделом статистической физики. Объяснение: эволюционная геномика имеет дело с автономным множеством слабо взаимодействующих объектов. Разумеется, у таких объектов наблюдаются в поведении существенные сходства с газом. Принципы статистической физики применимы к молекулам и ансамблям молекул - и, конечно, к генам. Чем больше ансамбль генов, тем точнее предсказания эволюционной геномики, а вот малые ансамбли плохо предсказуемы. Вопрос о воспроизводимости эволюции: мы ее вряд ли сможем воспроизвести. Эволюция пойдет не так - потому что "такой" она стала случайно. Обсуждаются ограничения: главная причина ограничений - эпистаз, взаимодействие между "автономными" агентами - например, между генами. Эпистаз - важнейший фактор поддержания целостности (слово это чуть не впервые появляется в конце книги). Силы ограничений со стороны эпистатических взаимодействий мы не знаем, может быть, они так сильны, что процесс эволюции окажется детерминированным (по Уоддингтону). Еще одна линия поправок - об отношении генотиипа и фенотипа. Принято считать, что генотип определяет фенотип, но это утверждение требует многих оговорок, это чрезмерное упрощение. Далее о фенотипических мутациях, а также то, что гены не имеют локального влияния - в смысле, это неизоморфно, не отображение одного элемента в один, а многих во многие. Связь генома с фенотипом принципиально недетерминирована. Эта "слитная наследственность" ограничивает эволюцию. По генотипу не удается судить о фенотипе. Фенотипические последствия генома нетривиальны. Сердцевина фенотипа - антиэнтропийные устройства, уменьшающие уровень ошибок ("генотипа") при передаче информации. Ответ о причине сложности - организмы так сложно устроены, потому что они могут. Нет фундаментальных запретов, отчего бы они не могли быть сложными. Постсовременная теория эволюции - сложная система дополнительных взглядов, опирающаяся на модели, заимствованные из статистической физики и популяционной генетики, а также на реконструкции фактического эволюционного прошлого.
Приложение 1. (о том, как выглядят звезды на той стороне, поскольку герой еще способен их видеть)
Описание науки постмодерна. Отказ от позитивного формулирования собственной цельной теории, на этом месте только критика прежних нарративов. Согласие на принципиально нецелостный конгломерат взглядов. Наука не может уподобиться философам и все отрицать, в науке есть нарративы (=парадигмы), но в эвол. биологии не будет единой теории, объявляющей альтернативы ложью, а будет переплетение подходов разного уровня абстракции. Описание эволюции само имеет очень высокую сложность, сопротивляется любому обобщению. Идеалом является статистическая физика, но есть осознание: полной теории такого типа в биологии не может быть. Могут быть частные теории для разных аспектов эволюции, связанные нетривиально. Эвол. биология остается "исторической наукой", многое решил случай, имеется уникальная история, и ее не описать общими законами. И задача науки - узнать как можно больше о каждом уникальном историческом собатии. Диалектика ситуации в том, что эволюционные объяснения являются упрощенными "мифами", но все же язык этих "мифов" лучше подходит для формулировки и проверки гипотез, стимулирующих дальнейшее исследование. И потому нельзя отказаться от этих мифов. Эволюционные объяснения, все эти ответы на "почему" - это семантические приспособления, для упрощения нашего мышления об эволюции. Отдельный раздел о природе науки. Зачем наука? Для пользы? Это поверхностный ответ. Для понимания реальности? а что это значит? Наука не говорит о мире ничего прямо - она говорит только о совместимости разных наблюдений с моделями. Так мыслят физики, Хокинг и Млодинов (2010): модельно-зависимое мышление. Ученые придумывают модели, сравнивают по предсказательной силе, а больше ничего в познании и нет. Автор возражает против модельно-зависимого реализма. Смысл: не все одинаково полезны. Модельно-зависимый реализм говорит: всё равно все - мифы, так какая разница, можно лишь менять на те, что сильнее по предсказательной силе. Все концепции одинаковы, различаясь лишь по измеримому показателю - предсказательной силе. Возражение автора: не все одинаковы. Все же некоторые "лучше" других. Призывает к большей доле реализма, потому что скептицизм в таких больших дозах разъедает науку. Считает, что мы изучаем эволюцию не только ради конкретных предсказаний, но и чтобы иметь картину реальности, чтобы иметь понимание истории жизни.
Приложение 2. (о том, как герой думает, что добыл себе золото Дарвина под вероятностными звездами невероятного мира)
Излагаются физические теории, появившиеся с 2000-х годов по поводу теории инфляции. Мультиверс, концепция бесконечного количества подобных вселенных (Виленкин). Мир многих миров, где есть решительно все, что фундаментально не запрещено, и в этом мире выстраиваются теории о вероятности того, что всё равно есть. Эта точка зрения считается фундаментальной для исследования эволюции, базовой картиной мира, в котором происходит данное исследование.