Что читать: «Логика случая: о природе и происхождении биологической эволюции»

Сохранить в закладки
11608
1
Сохранить в закладки

Математик Борис Миркин рекомендует: выдающийся труд по эволюционной биологии

Автор, Е.В. Кунин, — специалист мирового уровня, активнейший и зачастую лидирующий участник исследований геномной эволюции, руководитель международной команды специалистов в Национальном центре биотехнологической информации США — одном из форпостов Института здоровья США — организации, призванной осуществлять передовые теоретические и прикладные исследования в области биомедицины. О степени влиятельности автора можно судить по уровню цитируемости его работ — порядка 115 000 ссылок по данным Google Академии.

Как человек, знакомый с трудами Е. В. Кунина не понаслышке, я ожидал узнать из книги о каких-то новых результатах по вопросам биологической эволюции. Однако книга превзошла самые смелые ожидания. Многие из представленных результатов можно смело отнести к открытиям. Я увидел пока скрытые за строительными лесами контуры нового здания биологии как теоретической науки. Ведь, что ни говори, до сего дня биология прежде всего наука описательная: увидели ежа — описали; увидели левиафана — описали; изобрели микроскоп, увидели холерный вибрион — описали; изобрели секвенирование, увидели белок цитохромоксидазу — описали.

Первый серьезный успех на пути к формированию теоретического знания в биологии — концепция Дарвина об эволюционном происхождении древа видов животных, построенного по их сходству, через механизм дивергенции видов с закреплением полезных для выживания мутаций. Книга как раз и посвящена изложению современных и новейших представлений об этом предмете в рамках научного метода.

Книга принадлежит к синтетическому жанру, который начинает складываться на наших глазах. Нечто среднее между популярным изложением и академически полным сводом знаний по предмету. Такой я считаю, например, книгу Д. Канемана «Думай медленно… решай быстро», посвященную изложению революционных взглядов на природу рациональности и иррациональности человеческих решений (Нобелевская премия по экономике 2002 года). Да и труд Дарвина «Происхождение видов», по-моему, тоже принадлежит к этому жанру.

К сожалению, Кунин сделал сильный перекос в сторону академичности, конечно же, в благих целях полноты изложения.

В данной рецензии я, конечно, не могу следовать структуре книги как не соответствующей ни уровню моей подготовки, ни структуре моих интересов. Я пойду путем, который бы выбрал для написания более популярной книги. Просто сформулирую два вопроса из тех, что возникали у меня в процессе анализа экспериментальных данных генетики, геномики и протеомики. А затем расскажу, как на эти вопросы следует отвечать в свете гипотез, сформулированных и обоснованных в данной работе.

Первый вопрос. В 2001 году мой коллега в колледже Биркбек Лондонского университета профессор Тревор Феннер и я предложили метод восстановления историй индивидуальных генов на эволюционном дереве, исходя из принципа простоты. Этот метод был применен к 3000 генных семейств, реконструированных группой Кунина, относительно эволюционного дерева 26 организмов, среди которых 25 были прокариоты и только один (дрожжи) — эукариот. При этом оказалось, что чрезвычайно велика роль так называемого горизонтального переноса, когда ген не наследуется от «родительского» организма, а как бы возникает заново, точнее, переносится из другой ветви дерева. Такое может случиться, например, между двумя бактериями через геном организма-хозяина, в котором они паразитируют. Сейчас важность горизонтального переноса генов в эволюции микробов более или менее общепринята, а тогда была предметом острых дебатов.

Возникает вопрос: как определить, от какой ветви дерева и, более точно, от какого конкретно предкового организма поступил конкретный горизонтально перенесенный ген?

Ответ на этот вопрос важен не только для теоретического анализа, но и с совершенно практической точки зрения, например для выработки плана лечения больного СПИДом. Я сформулировал математический метод получения ответа на этот вопрос, по логике восходящий к дарвиновской концепции эволюционного процесса как последовательного приобретения все более сложных признаков. Более полутора лет я разрабатывал и дорабатывал разные варианты метода и реализующие их вычислительные программы, чтобы справиться с материалом, к тому времени значительно увеличившимся, — все тщетно. Получаемые мною предковые геномы относительно хорошо понятых семейств организмов (молочные бактерии и пр.) абсолютно не соответствовали другим данным. В конце концов я бросил это дело. В чем же причина неудачи: моя неспособность или природа вещей?

Книга мою неудачу оправдывает. Оказывается, дарвиновская концепция развития слишком наивна, а древо жизни — абстракция. Согласно этой концепции, все существующие виды произошли из некоего единого прародительского организма путем последовательной дивергенции (расхождения), каждый раз усложняясь за счет нового адаптивного преимущества. Что придает ясный смысл понятию прогресса: каждый следующий вид сложнее и лучше.

Оказывается, каждое слово в этих формулировках неверно или неправильно, включая и идею прогресса в направлении эволюции. Например, эволюция вовсе не обязательно идет в сторону наибольшей приспособленности (адаптивности) организмов. Значительно чаще закрепляются так называемые нейтральные, а то и просто вредные мутации. Более того, горизонтальный перенос генов, по Кунину, — это основной механизм эволюции у прокариот. Он играет роль механизма порождения случайных изменений; у эукариот эту роль играют помехи в процессах репликации и транскрипции генетического материала. Вообще, материалом эволюции у прокариот являются скорее отдельные гены, нежели содержащие их геномы.

Эту точку зрения в свое время отобразил Р. Докинз в книге «Эгоистичный ген». При этом понятие древа жизни и дивергенции видов с накоплением адаптивных изменений практически теряет свой традиционный, простой смысл дерева видов. Вместе с тем это понятие остается осмысленным в некотором новом, пока не совсем понятном статистическом формате благодаря операции репликации, универсальной для всех организмов.

Второй вопрос. В начале геномной эры стало известно, что ДНК, имеющаяся в геномах эукариот, избыточна, иногда даже существенно. Более 90% ее длины не кодирует никаких протеинов. Этот избыточный материал называется интроны. У прокариот, напротив, интроны составляют ничтожную долю генома. Какова роль интронов в геноме? Никто не знал, в чем тут дело. Мне, например, казалось, что интронный материал может иметь регулирующую функцию; представлялось ожидаемым, что регулирующие инструкции могут занимать значительно больше места, чем инструкции по исполнению. Оказывается, это не так.

По Кунину, интроны — следствие неадаптивного характера эволюции сложных организмов. Оказывается, отбор действует не только для закрепления адаптивных мутаций, но и для отбраковки вредных мутаций. При этом, если эффективная численность популяции невысока, отбор не может противостоять вредным мутациям — они закрепляются и накапливаются, образуя интронное вещество. Если же эффективная численность достаточно велика, то отбор успевает произвести отбраковку, и интроны не возникают. Именно этим объясняется отсутствие сколь-нибудь значительного интронного материала у прокариот. Не совсем понятно, почему у сложных организмов невысока эффективная численность популяции — может, дело в нехватке какого-либо ресурса, например экологического пространства, а может, сам этот параметр не более чем жертва круга определений. Тем не менее, возможно, говорит автор — и приводит убедительные аргументы «за», — наличие большого количества генного «мусора» в геномах эукариот является фактором возникновения сложных биологических систем, таких как человеческий глаз, в которых одновременно и согласованно действуют несколько различных процессов и механизмов, что плохо ложится в наивные представления о последовательном приобретении полезных признаков.

Кунин предлагает реалистичные объяснения и для более широкого круга вопросов.

Впечатляет синтез идей Дарвина, Ламарка и случайного генного дрейфа для описания механизмов эволюции на внутриклеточном уровне в зависимости от давления среды и размера популяции. Все знакомы с примером ламарковского объяснения: «Жираф имеет длинную шею, потому что его предки все время старались дотянуться до самых высоких веток», убедительно опровергаемым дарвиновским объяснением: «Жираф имеет длинную шею, потому что те из предковых жирафов, что были выше, имели больше шансов на выживание». Однако на внутриклеточном уровне такие механизмы, как, скажем, система антивирусной защиты (иммунитета) и сам горизонтальный перенос генов, убедительно интерпретируются как ламарковские. Вирусы, обычно даже не рассматриваемые как биологические сущности, оказываются формами доклеточной организации биологической праматерии, эволюционирующими параллельно и во взаимодействии с клеточными формами. Очень интересна глава, описывающая историю развития эволюционных представлений в предгеномную эпоху: достижения Дарвина, популяционная генетика, генетический дрейф, различные формы отбора.

Некоторые сомнения вызывает название книги. С одной стороны, автору удалось убедительно проиллюстрировать основополагающую роль случая в эволюционных процессах. С другой стороны, название охватывает и широкий класс небиологических природных явлений, которые порождаются логикой случая. В связи с этим вспоминается нашумевшее лет 10–15 назад известие о том, что в маленьких по размеру школах доля отличников выше, чем в больших, заставившее многих родителей подумать о переводе детей в такую школу. Оказалось, что это всего-навсего работа случая, уменьшающего относительную долю редких сочетаний при увеличении выборки, так что, например, и доля двоечников в малых школах тоже выше.

В целом можно заключить, что Е. В. Кунин написал замечательную книгу, хотя и трудноватую для чтения. Он возвестил urbi et orbi о новом этапе в осмыслении биологической эволюции и убедительно обрисовал контуры нарождающейся теории. Ну, а то, что не всякий может прочесть изречения пророка, оправдаем привычным способом: в науке «нет отдельной дороги» для тех, у кого нет времени или иного ресурса, необходимого для понимания.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration