"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.

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.

Что включает в себя ENCODE? С одной стороны, он подразумевает сравнение геномов, но с другой стороны, что еще важнее, он включает в себя то, что можно назвать чудовищным русским словом "транскриптомика" - то есть максимально полное исследование всех транскриптов генома, которое стало возможным благодаря современным технологиям секвенирования (определения последовательностей нуклеиновых кислот). В узком смысле это уже не геномика, а как бы то, что вы можете назвать системной биологией.

За словами "системная биология" обычно стоит идея о том, что нужно изучать организм, клетку или клетку с вирусом как некую систему в целом. Но как именно это сделать, никто на самом деле не понимает. Таким образом, реально под этот зонтик попадают широкомасштабные (high throughput) исследования чего-либо и комбинации таких исследований. Например, исследование полного транскриптома - всех матричных РНК в клетке. То, что стало частью проекта ENCODE. Или исследование протеома - всех существующих в клетке белков вместе со всеми их модификациями. Пока существующая Системная биология подразумевает не столько исследования каких-то биологических систем, сколько подробное описание их частей. Хотя, конечно, на основании полученных таким образом данных уже можно строить какие-то модели, но это другой вопрос.

Мне казалось, что термин "системная биология", в общем, был придуман для того, чтобы как-то назвать работы, в которых исследователи, например, пытаются моделировать работу единичной клетки.

Возможно. Скорее всего так и есть. Но если посмотреть в денежном эквиваленте, то реальность современной системной биологии заключается в том, что прямые попытки моделировать функционирование клеток, тканей, органов, чего угодно, поглощают лишь ничтожную долю денег. А львиная их доля идет на исследования, которые можно рассматривать только как подготовительные этапы для этого моделирования. Так что здесь имеет место некоторый дисбаланс, который, может быть, через какое-то время будет ликвидирован, когда такое моделирование работы клетки станет более реалистичным.

Этим летом "Лента.ру" писала про работу, в которой, по утверждению авторов, была создана самая подробная модель единичной клетки. В ней рассчитывались процессы на уровне отдельных генов и ферментов. Сейчас, в 2012 году, подобные модели - всего лишь игрушки или они имеют какое-то отношение к реальности?

Я не желаю никого обижать, но, с моей точки зрения, пока это - детский конструктор. Утверждается, что такие модели необходимы для понимания того, как это все работает. Но если вы не можете предсказуемым образом ими манипулировать, то это пустые слова. Чтобы научиться делать такие модели, все-таки должно пройти еще несколько лет.

Ведут ли к этому “храму” те конкретные подходы, которые используются в этой статье, я не знаю, это не совсем моя область. На сегодняшний день эти модели нереалистичны, и утверждать противоположное - все-таки некоторая спекуляция. Но, несомненно, что-то подобное делать надо.

Плюс таких работ в том, что они идут в направлении какой-то систематизации и формализации в биологии. Потому что сейчас идет просто шквал статей, количество данных все увеличивается, и что-то понять в них даже специалисту очень сложно. При этом вспоминается манифест Юрия Лазебника, в котором он показывает, что пока биологи используют тот описательный язык, на котором они сейчас разговаривают, невозможно не то что в клетке разобраться, но даже в устройстве радиомагнитолы.

Я с большим сочувствием отношусь к подобным вещам, даже пытаюсь что-то делать в этом направлении, но смотрю на это (несколько перефразируя Энштейна) так: да, нужно пытаться формализовать буквально все, что можно формализовать разумно, но не более того.

К тому же формализовать тоже можно по-разному. Мы ведь можем построить разумную физическую модель, а можем действовать по принципу "черного ящика". Это гораздо менее интересно, на мой взгляд.

Понятно. Давайте вернемся к геномике. Несколько лет назад исполнилось 150 лет книге Дарвина "О происхождении видов...", 50 лет завершению консолидации синтетической теории эволюции и 15 лет первому сравнению полных геномов. За это время, как я понимаю, теория эволюции очень сильно изменилась. В каком-то смысле, она как живой организм - полностью изменилась по частям, но в целом осталась неизменной. Что за эти 150 лет от теории Дарвина "отвалилось", а что все-таки осталось?

Дарвин был гениальным человеком именно потому, что ему удалось построить некую осмысленную конструкцию в виде воздушного замка. Фундамента у него не было никакого, и тем не менее он сумел понять, что в сущности самое главное и единственно важное в жизни - это "descent with modification", наследование с изменением.

В сущности, все дело в жизни заключается именно в том, что информация передается в поколениях с достаточной точностью. Я немножко модернизирую, но в сущности, именно это написано где-то в сердцевине дарвиновской книги.

Это означает, что основная информация об устройстве организма передается из поколения в поколение с достаточной точностью, так, что изменения не разрушают ее основу. В то же время, эти изменения происходят достаточно часто, чтобы на них могло действовать то, что Дарвин назвал естественным отбором. Важно подчеркнуть, что естественный отбор не есть какой-то особый феномен. Это нечто, что возникает из наследования с изменением совершенно автоматически. И Дарвину это было в целом понятно.

Хотя он и не знал того, на чем это было основано.

Я об этом и говорю, в этом его особая гениальность. Он совершенно не знал, на чем основана наследственность, он просто понимал, что иначе быть не может, и понимал это правильно. И этот принцип остался в основе понимания и никуда уйти не может, потому что он неизбежен. И, по видимому, является основной всякой жизни. Если когда-нибудь найдут другую жизнь, то в ее основе будет лежать то же самое.

Вообще, современную эволюционную биологию я представляю себе как суп из гвоздя: да, без гвоздя, конечно, никакого супа бы не было, но в основном там другое.

Просто мне казалось, что самое главное, что произошло с самой сердцевиной дарвиновского учения с тех пор, как появилась сравнительная геномика, - это перенос центра тяжести от адаптации к случайности. К тому, что авторы синтетической теории эволюции в 60-е совершенно отбросили.

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.

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?

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.

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.

Произошло это, заметьте, лишь однажды - вся клеточная жизнь имеет именно единое происхождение, и в особенности генетический код и система трансляций. Когда мы знаем, что нечто имеет единое происхождение, то, естественно, открывается окно для большой роли случайности. Возникло и возникло. Победителей не судят.

И тут мы подошли к вопросу, который я приберег для завершения. Я хочу спросить про то, за что вас и ругают и хвалят очень разные люди. Я имею ввиду увязку случайного происхождения жизни с антропным принципом. Интересно почитать отзывы на эту вашу статью, потому что как-то очень много креационистов возбудилось этой идеей.

На мой взгляд, здесь есть очень серьезное научное содержание и есть тоже довольно серьезный аспект социологии в науке. Их следует разделять.

С точки зрения научного содержания, я полагаю, что крайне неудачно названное положение, которое мы называем антропным принципом, действительно совершенно необходимо для понимания возникновения жизни. В том смысле, что совершенно очевидно, что явление это редкое. Для того, чтобы оно возникло, необходимо сочетание многих случайных обстоятельств. И это не зависит от того, на какой стадии мы можем провести границу между более-менее случайным сочетанием обстоятельств и собственно биологической эволюцией.

Эта граница может быть ниже, может быть выше, но она существует. На многие вопросы о том, почему окружающая нас часть мира уcтроена так, как она устроена, только так и можно ответить: потому что, если бы она была устроена иначе, некому было бы задавать эти вопросы. Это совершенно не означает, что в эволюции есть какие-то цели, что мы с вами как вид Homo sapiens имеем какое-то особое значение. Ничего подобного.

Факт состоит в том, что сложные системы возникли и возникнуть они могут далеко не во всех частях Вселенной. Поэтому на многие вопросы только и есть такой ответ: если бы история шла немножко по-другому, если бы параметры нашего уголка Вселенной были бы немножко другими, не было бы этого феномена, который называется жизнью. Просто не было бы и все. В этой части Вселенной.

Само по себе это представление в рамках ведущих современных космологических теорий кажется в высшей степени рациональным. Такое представление, разумеется, совершенно избавлено от всяких идей о каких-либо целях эволюции, идей о каком-либо особом значении Homo sapiens. Этого просто нет. И поэтому выражение "антропный принцип" крайне неудачно, и более серьезные люди, вообще говоря, предпочитают говорить о том, что называется "Observational Bias" (ошибка наблюдателя). Звучит намного менее сексуально, но...

Но по-русски перевода нет, видимо.

Этот перевод нелегок. Имеется ввиду, что то, что мы наблюдаем, ограничивает те варианты истории, которые могли к этому привести. Вот что здесь говорится, а вовсе не нечто эзотерическое. Ни в коем случае!

Что касается креационистов, то они люди хитрые, ловкие, но глупые, потому что они хватаются за все, что хоть как-то отклоняется от привычных научных объяснений. За все, что привлекает случайность каким-то содержательным образом, за все, что говорит, что некая сложность могла возникнуть спонтанно, за любые утверждения, которые кажутся им необычными. Они тут же говорят: "Ага! Это то, о чем мы всегда и говорили, а вы просто подсовываете под это какую-то рационалистическую основу, которой там нет. Просто все сделано Создателем, и вся история". По-старому это просто называлось передергиванием, жульничеством.

Но ведь они же основываются на ваших расчетах. На том, что возникновение жизни в данной конкретной наблюдаемой Вселенной имеет вероятность порядка 10-1018. То есть, по-простому, практически невозможно.

Это расчеты, что называется, на задней стороне конверта. Тем не менее, по десятку порядков величины они не такие уж, может быть, и плохие. Действительно, происхождение жизни исключительно маловероятно. Только эти критики забывают процитировать из той же статьи, что, согласно современным космологическим теориям, в бесконечной Вселенной оно в то же самое время и неизбежно. Несмотря на то, что в любой ее точке исключительно маловероятно.

Мы уже заранее знаем, что мы находимся в точке, где это произошло. Только в этом и состоит антропный принцип. На самом деле, в контексте представления о бесконечной Мультивселенной (то, что называется Multiverse) этот принцип становится абсолютно тривиальным.

Критики как раз гипотезу Мультивселенной отвергают как нефальсифицируемую и, следовательно, ненаучную.

Это очень сложный вопрос. Скажем так, вопрос о фальсифицируемости и ее необходимости - это очень сложный вопрос.

Но можно сказать простую вещь. Гипотеза мультивселенной придумана совершенно не за тем, чтобы объяснять возникновение жизни или возникновение человека. Она не имеет к этому ни малейшего отношения. Она выдвинута из сугубо рациональных физических соображений, для объяснения гетерогенности фонового космического реликтового излучения, за которое люди получили Нобелевскую премию, и других не менее серьезных данных. Именно для объяснения этих данных придуманы современные варианты этой гипотезы. Оппозиция этим идеям, несомненно, существует и в самой физике, но не болтунам на Amazon.com пытаться это опровергать.

Стоит ли вообще бороться с креационистами, клерикалами, с людьми, которые находятся в оппозиции к теории эволюции, или им бесполезно пытаться что-то объяснить? Вот ваш коллега, Михаил Гельфанд, пытается этим заниматься - в телепередачах участвует, например.

Я смотрю на это таким образом: как только они пытаются вторгаться в сферы науки или образования, то да, конечно, нужно их оттуда выбрасывать. Не следует бороться с религией, но с ее попытками вторгаться в широкие сферы общественного сознания, тем более в какую-либо науку, да, следует бороться.

При этом, на мой взгляд, не следует пытаться опровергать их аргументы - вы их все равно никогда не убедите. Скорее, нужно максимально разумно, интересно и рационально объяснять то, что мы можем понять, и указывать на то, что пока понять мы не в состоянии, но надеемся сделать это в будущем.

Многие считают, что сейчас с точки зрения влияния креационистов Россия в плохом смысле приближается к Америке и порой ее даже опережает. Если у нас в школе, условно говоря, вводятся курсы православия, то в Америке в Конгресс проходят люди, отрицающие эволюцию.

Да, в США это присутствует в больших масштабах. Но при этом нужно понимать, что у нас здесь сотни хороших университетов, а России их дай бог три. Есть некоторая разница. Интеграция науки в жизнь здесь больше, несмотря на все эти явления мракобесия, которые действительно видны на каждом шагу.

Источник: Lenta.ru

warandpeace