Читаем «В каждом из нас примерно сотня битых генов» онлайн бесплатно

Об эволюции, медицине, псевдонауке, прошлом и будущем человечества

— Как вы стали ученым?

Не знаю, это само собой получилось. Стать пожарным мне не хотелось ни в один момент времени.

Вся моя семья в той или иной степени связана с наукой. Родители и бабушка с дедушкой по отцовской линии были математиками. Другой дед был хирургом, а бабушка — чиновником, но для меня это не воспринималось как карьера: нет детей, которые хотят быть начальниками отделов. Ну и другие занятия для меня, насколько помню, вообще не существовали.

— Вы одновременно доктор биологических наук и кандидат физико-математических наук. Как так получилось?

В старшей школе я относительно успешно ходил в лингвистический кружок и участвовал в олимпиадах. Мне хотелось заниматься лингвистикой, но старшие родственники уговорили поступить на механико‑математический факультет. Впоследствии это оказалось абсолютно разумно. После мехмата можно заниматься чем угодно, а после филфака — только чем‑то одним. Кроме того, для лингвистики математическое образование вполне годится.

Когда я поступил на мехмат, довольно быстро стало ясно, что хорошего математика из меня не получится. Мне очень повезло, потому что ровно тогда, когда я окончил учебу и уже сознательно решил, что математикой заниматься не хочу, возникла биоинформатика — молодая и свежая наука, которую надо было не учить, а просто делать. А биологию я учил на ходу, читая статьи и пытаясь их понять.

С защитой кандидатской степени были проблемы. Новая наука — это хорошо, но защищать диссертацию по ней довольно сложно, потому что нет диссертационного совета, который согласился бы это выслушать. Долгое время я ходил с готовой диссертацией и искал этот совет — он оказался физико‑математическим по специальности «биофизика». А докторскую я защитил в совете, который присуждал степени по молекулярной биологии. Биоинформатики как ВАКовской ВАК — центральный орган в области присуждения ученых степеней и званий в РФ. специальности тогда не было.

— Зачем нужна биоинформатика? Что она изучает?

Биоинформатика ничего не изучает, это набор инструментов для того, чтобы заниматься биологией. Впрочем, это не совсем правда, и ниже я объясню, в чем дело.

Есть классические задачи молекулярной биологии. Что делает белок? Как регулируется работа гена? Этими вопросами молекулярная биология занималась с момента ее возникновения. Биоинформатика эту работу существенно облегчает. Если ученый ставит задачу выяснить функцию белка, то придется много всего проверять. А биоинформатик на основе своих исследований дает не очень большой набор гипотез, которые остается только проверить.

Классическая молекулярная биология была бедна данными. Аспирант все свое время изучает три белка, на каждом ставит много тонких опытов — и данных мало, они на вес золота. Развитие технологий, появление новых экспериментальных техник привело к тому, что биология стала наукой, богатой данными. А с ними работать на бумаге просто физически и концептуально невозможно.

В результате в биологии произошло изменение точки зрения. Раньше ученые изучали работу одного гена или белка, и в этом была опасность: даже если мы будем понимать, как работают все белки по отдельности, то все равно не поймем, как работает клетка. Мы исследуем все винтики и шестеренки и все равно не узнаем, почему автомобиль едет.

А теперь оказалось, что на самом деле мы можем смотреть на работу клетки в целом и задавать вопросы не про отдельные гены, а про то, как связана работа всех генов.

Так появилась системная биология, в которой биоинформатика уже не дополнительный удобный набор приемов, а интегральная составная часть. Уже никакой четкой линии не проведешь, где собственно биология, а где биоинформатика.

Теперь вернемся к началу. Я сказал, что биоинформатика — набор приемов, и вы увидели каких. Но есть еще и тру‑научная, настоящая биоинформатика, которая называется молекулярной эволюцией.

Мы все время опираемся на очень глубокие эволюционные соображения, когда что‑то предсказываем. Например, есть два похожих белка. Самое простое — предположить, что они делают одно и то же, но часто у похожих белков немного разные функции. И чтобы такие случаи замечать и описывать, надо хорошо понимать, как устроена эволюция.

Интересно сравнивать геномы человека и мыши — белки у нас примерно одни и те же. А внешне мы все-таки разные существа. Так получается потому, что похожие белки работают немного по‑разному и, главное, в разные моменты эмбрионального развития. Поэтому системная биология особенно интересна, когда становится эволюционной. Про это много говорили, но по‑настоящему этот процесс только начинается, потому что данных для эволюционных сравнений все-таки не настолько много.

— То есть биоинформатика и эволюция очень плотно связаны между собой?

Невозможно понимать биологию, не думая про эволюцию.

Чтобы заниматься сравнительной эволюционной биологией, нужно изучать десятки видов. Ученые уже неплохо сравнивают бактерии, но с крупными существами все сложнее. Есть отдельные модельные Модельные организмы используются в качестве моделей для изучения тех или иных свойств, процессов или явлений живой природы. организмы, и их слишком мало, чтобы судить, как все развивалось.

Чтобы понимать, почему человек отличается от мышки, поздно смотреть на взрослых индивидов. Нужно изучать, как их клетки дифференцировались после оплодотворения, как возникали ткани.

Тут есть существенное различие. Развитие происходит у нас на глазах, можно хоть каждые два часа мучить мышат и смотреть, что с ними происходит. Там все запрограммировано: оплодотворенная клетка мыши уже знает, что из нее вырастет мышь. Вы никакими силами не сможете из оплодотворенной яйцеклетки мыши вырастить крысу, не говоря уже о человеке.

А в эволюции такой фиксированной программы нет. Мы можем только отъезжать назад и смотреть, что происходило и какие закономерности этим управляют. На основе этих закономерностей можно прогнозировать, но не конкретно.

У меня любят спрашивать, каким будет человек через 3 000 лет. А вы мне скажите, как он будет жить через столько лет, тогда я объясню, как эволюционно он к этому приспособится.

Все это страшно интересно. Это уже настоящая, тру‑научная биоинформатика. Все, что связано с эволюцией: и с чисто описательной точки зрения, когда мы просто реконструируем прошлое, и с функциональной, когда мы пытаемся понять внутреннюю логику и механизмы.

Сейчас мы по большому счету занимаемся эволюцией последовательности: как меняются белки и ДНК. А будем заниматься эволюцией функций и эволюцией целых функциональных систем. Тогда будет счастье.

— А есть что‑то, что за последние годы сильно изменилось в нашем понимании теории эволюции? Какие‑то сдвиги произошли?

В глубинных основах — нет. По большому счету Чарльз Дарвин уже все понимал. Разве что вырос уровень детализации знаний и относительная важность разных процессов оказалась не совсем такой, как он думал.

Сильно поменялись представления, кто кому родственник. Есть картинка из старых учебников биологии: изначально были бактерии, потом они усложнились, получились одноклеточные, амебы и инфузории, потом появились многоклеточные, а эти уже разделились на животных и растения. Так вот, это полная ерунда.

Действительно, прокариоты (которые без ядра) были раньше эукариот, но они разделялись на две большие независимые группы: бактерии и археи. В результате симбиоза бактерий и архей появились клетки с ядрами. То есть мы результат этого симбиоза, потомки химеры бактерии и археи. Это довольно долго было гипотезой, но сейчас даже известно, кто является нашим ближайшим архейным родственником.

А многоклеточность на самом деле появилась несколько раз. Многоклеточность растений и многоклеточность животных — это две абсолютно независимые истории. Картина их происхождения — вещь безумно фундаментальная, и удивительно, что это событие не уникально. Это то, чего себе никто не мог представить до возникновения молекулярных методов. И похожих историй помельче бесконечное количество.

Из частных вещей, но для нас крайне интересных, — эволюция человека. В антропологии было много вопросов, которые считались вечными, но молекулярными методами они разрешились.

Опять же, когда я учился в школе, все было просто: вначале появились обезьяны, потом обезьянолюди (питекантропы), австралопитеки, неандертальцы, а в конце уже и мы. Позже классическими антропологическими методами все-таки выяснили, что неандертальцы не наши непосредственные предки, а сестринская линия.

Полмиллиона лет наши предки жили в Африке, а неандертальцы — в Европе и Азии. А потом наши предки пришли из Африки и обнаружили неандертальцев, после чего последние исчезли. Вот что там происходило? Ясно, что кроманьонцы и неандертальцы друг с другом конкурировали: вытесняли или просто убивали. Но они спаривались? У антропологов и археологов были страшные разборки по этому поводу.

Находили кости, которые вроде бы похожи по одним свойствам на неандертальца, а по другим — на современного человека. Когда у нас была линейная модель, то все думали, что это просто промежуточное звено. Но теперь смешанная кость по идее должна быть результатом гибридизации. Это действительно общие признаки или просто крайний вариант нормы кого‑то одного?

А потом мы прочитали геном неандертальца, изучили последовательности ДНК, и оказалось, что каждый из нас (кроме африканцев) — результат гибридизации с неандертальцем. У нас 1–2 % фрагментов ДНК неандертальского происхождения.

Непонятно, считать ли нас с неандертальцами отдельными видами. Это как раз та стадия, когда уже не один вид, но еще не два. В теории эволюции это ни на что особо не влияет, ведь всем известно, что близкие виды легко гибридизуются. А для истории человечества это довольно важно.

А потом оказалось, что есть третья ветвь человечества — чудесные денисовцы Денисовский человек — вымерший подвид или вид людей. Известен по фрагментарному материалу из Денисовой пещеры в Солонешенском районе Алтайского края РФ, а также недавно найденной челюсти из Тибета, и они гибридизировались с нами и неандертальцами, при том что нас разделяют сотни тысяч лет эволюции.

Идея, что по Евразии ходили три независимые ветви человечества, а мы являемся представителями одной, но при этом в геноме у нас остались следы от других, заставляет слезть с табуретки. Это интересно с точки зрения понимания своего места в окружающей действительности.

А наши предки, которые остались в Африке, неандертальцев никогда не видели и с ними не гибридизированы. Если кто‑то гордится, что он представитель европеоидной расы, то гордится он на самом деле тем, что его прабабушку изнасиловал неандерталец.

— Есть ли какая‑то особенность у людей, у которых в геноме есть 2 % генов неандертальцев? Влияют ли эти 2 % на нас?

Отдельные примеры есть. В некоторых случаях наша светлая кожа связана с неандертальскими вариантами генов. У тибетцев есть денисовский вариант генов, поэтому они могут жить на большой высоте и не страдать от закупорки капилляров.

Некоторые варианты генов иммунной системы у нас неандертальские. По‑видимому, это связано с тем, что они дают приспособления к местным патогенам, которые были в Европе.

Но нет такого, чтобы глобально люди с неандертальскими фрагментами генома отличались от людей без этих фрагментов. Два процента есть у всех, но у всех они разные.

Сначала это была статистическая оценка, но теперь вы реально можете предъявить два процента неандертальских генов. Есть методы, чтобы это сделать. Если выписать мой геном, то можно маркером пометить неандертальские места. А дальше берем тысячу человек, раскрашиваем у каждого эти места, соединяем вместе и реконструируем геном неандертальца, который это сотворил.

— Это был именно самец?

Представить себе обмен женами очень трудно, зато можно предположить, что неандерталец мог напасть в лесу на несчастную кроманьонку и сделать непотребство. Вряд ли женщина после этого оказалась в неандертальском племени, так что дети остались с ней среди кроманьонцев. И постепенно неандертальский геном размывался по всему племени. Бывает и наоборот. У алтайского неандертальца есть несколько процентов кроманьонских вариантов, то есть, в той истории участвовали неандерталка и кроманьонец.

Гибридизации происходили довольно часто. Когда я говорю, что мы накладываем друг на друга неандертальские фрагменты, на самом деле мы реконструируем не одного неандертальского дедушку, а химеру из большого количества разных неандертальских дедушек.

— А что в итоге случилось с другими видами? Они стали частью Homo sapiens?

Они в каком‑то смысле стали частью, но очень небольшой. Не так, что два вида слились совсем, как у бабочек, у которых геномы сливаются 50/50 в результате гибридизации двух видов. Не знаю, мы их как‑то вытеснили, подавили, убили, съели.

— Какими путями мы можем сейчас эволюционировать, когда роль естественного отбора снизилась?