html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

«Сложность — это болезнь»

Биолог Евгений Кунин и его «Логика случая»: что общего у генома с куполом Пантеона, зачем биологам книги по космологии и как случайно подсмотреть ножницы для ДНК у бактерий, которым нездоровится

 
Detailed_picture
© The District

Старательные популяризаторы любят непременно сообщить про ДНК, что это «цепочка букв». Часто для наглядности кусок цепочки — например, TAAGTTATTATTTAGTTAATACTTTTAA... — приводят рядом и поясняют: вроде абракадабра, но в ней (вы не поверите, подчеркивают старательные популяризаторы) зашифрованы человеческие качества нас с вами.

Геном человека расшифровали — в том смысле, что смогли записать его в виде такой цепочки длиной в три миллиарда знаков — в 2003 году, а черновую версию опубликовали в журнале Nature в 2001-м. Среди авторов этой работы — Евгений Кунин, американский исследователь, эмигрировавший из СССР еще в 1991-м. Сидя у себя в кабинете в городе Бетесда, штат Мэриленд, он между делом показывает пальцем на изображение двойной спирали ДНК под стеклом, составленное из портретов ученых: «Вот у меня есть грамота, которую выдали всем, кто участвовал». Это исследование потом процитируют в других научных работах как минимум 19 836 раз (статистику собирает Google Scholar), а всего на работы Кунина сослались в общей сложности 134 000 раз, и цифры растут дальше. Он — самый цитируемый из биологов, когда-либо работавших в России.

Кунину 60 лет, его только что избрали в Национальную академию наук США, но он меньше всего похож на академика, какими мы привыкли их себе представлять по фото с ежегодных сессий РАН. На официальном групповом снимке он позирует в джинсах и футболке с надписью «Рио» и ходит прыгающей походкой подростка.

Где другие видят буквы, Кунин видит кое-что посложнее. В его описании устройства ДНК встречаются «темная материя» (термин из космологии) и «подпорки-пандативы» (термин из теории крестово-купольной архитектуры), «гипотеза Красной Королевы» и «бюрократический потолок сложности». Это все можно было бы принять за лирику и попытку изъясняться повозвышеннее, если бы за каждым таким словосочетанием не стоял в каждом случае тот или иной строгий абстрактный принцип, для которого пока просто не успели придумать более приземленные метафоры.

Профессиональный интерес к буквам предполагает, что для всякого текста полезно выяснить историю его появления на свет, и ДНК не исключение. Ее история — это четыре миллиарда лет эволюции всего живого, когда фрагменты генетического текста перетасовывались, дублировались, портились при копировании, заимствовались людьми у вирусов и вирусами у бактерий, исчезали и появлялись: собственно, это эволюция и есть. Всю свою работу как биолога Кунин сводит к ответу на вопрос, что ею движет. «Разобраться в эволюции. Для меня других задач, в общем, нет», — говорит он без всякого пафоса.

Кунин руководит большой исследовательской группой в Национальных институтах здоровья США. Это государственное ведомство, которое тратит на медицинские и биологические исследования 30 миллиардов долларов в год (то есть около 180 годовых бюджетов МГУ), со штаб-квартирой в 20 минутах от центра Вашингтона: за это время вы как раз успеваете выехать на метро из города и оказаться в соседнем штате Мэриленд. Здесь есть Национальный институт старения и Национальный институт рака, Национальный институт наркологии и Национальный институт биомедицинских изображений и биоинженерии. Чтобы составить представление о масштабах: у Национальных институтов здоровья имеется своя отдельная радиостанция, которая рассказывает исключительно о транспортных проблемах на территории кампуса и на подъездах к нему.

Зачем эволюция медицинскому центру? Самый общий ответ на этот вопрос — любимая Куниным цитата из Теодосия Добжанского, классика генетики: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Любое знание, которое хотя бы косвенно использует представления о ДНК и мутациях, — то есть вообще все современное медицинское знание — опирается на теорию эволюции как на обязательный фундамент. Еще проще сказать, что и устойчивость бактерий к антибиотикам, и мутации, приводящие к раку, — непосредственные иллюстрации к тому, как эволюция работает.

Но это все старые и давно известные факты. Нет ли чего поновее? В 2015 году журнал Science назвал прорывом года систему CRISPR-Cas9, которую называют «молекулярными ножницами» для ДНК. Она позволяет точечно вырезать из генома дефектный кусок и так же точечно вставить новый фрагмент. «В ближайшее время — в течение не десятилетий, а именно считанных лет — это придет в больницы. Для начала будут лечить от болезней, которые связаны с мутациями в одном гене», — объясняет Кунин. Его называют одним из отцов метода, хотя сам он ни к какому медицинскому применению своего открытия не стремился: «Это, так сказать, побочный продукт. Конечно же, его никто не будет выбрасывать».

В 2006 году Кунин пытался разобраться, откуда в ДНК бактерий регулярно повторяющиеся группы букв — и почему участки ДНК между повторами напоминают ДНК вирусов, способных их заразить (бактерии, как и люди, болеют вирусными инфекциями). Решение, которое пришло ему в голову, было таким: эти куски ДНК — трофеи, помогающие опознать и уничтожить врага. Бактерия узнает вирус по запасенному заранее фрагменту его генома — и режет его ДНК на части ровно в том месте, где фрагмент обнаружился. Так у одноклеточных, которые не имеют наших средств борьбы с инфекцией — ни лимфоцитов, ни макрофагов, — был найден ни на что не похожий иммунитет, эволюционное приспособление для борьбы с инфекцией. Некоторое время спустя, в 2012-м, эту систему бактериальной самообороны приспособили для разрезания какой угодно ДНК, включая человеческую. И тогда ею занялись уже медики.

С помощью каких инструментов делают такие открытия? На просьбу устроить экскурсию по своей лаборатории Кунин неожиданно отвечает, что это будет зря потраченное время: «Вы же в своей жизни уже видели компьютеры, верно?» По аналогии с теоретической физикой, которая во времена атомной бомбы внезапно оказалась важнее экспериментальной, область науки Кунина называют теоретической биологией, но сам он предпочитает употреблять слово computational — «вычислительная».

«Очень большая часть биологии теперь computational, потому что у нас есть огромное количество всяких данных по сиквенсу генома, по экспрессии генов, по протеомике, по мутациям. Их можно анализировать при помощи алгоритмов и компьютерных программ, что мы и делаем. И именно эти данные являются материалом проверки всяких теоретических моделей». Сиквенс — это последовательность тех самых букв ДНК, экспрессия — то, как ДНК превращается в белок, а протеомика имеет дело с разнообразием самих белков. Одна-единственная клетка, таким образом, производит на свет как минимум четыре комплекта данных объемом в гигабайты.

Хотя Кунин окончил биофак МГУ и защитил кандидатскую по вирусологии, его научные статьи местами напоминают докторскую математика — там то и дело встречаются «скрытые марковские модели», «бутстреп» и «кластеризация». Или работу структурного лингвиста: те же «скрытые марковские модели» активнее всего используются при моделировании естественного языка. Анализ ДНК оказывается похож на анализ текста не только тем, что там и там — буквы.

Когда в 2011 году вышла на английском 500-страничная «Логика случая» Кунина, биологи в России не стали дожидаться, чтобы какое-нибудь издательство собралось напечатать ее в России. Волонтеры — их набралось около двух десятков — в «Живом журнале» договорились поделить главы между собой и сели за перевод. Кунину, для которого все это стало неожиданностью, оставалось убедиться, что его идеи переданы аккуратно. Через три года перевод вышел на бумаге гигантским для научного труда тиражом в 2500 экземпляров — столько читателей биофак МГУ не выпускает, наверное, и за десять лет. Сам автор отказывается считать свою работу научно-популярным текстом, адресованным людям, которым оригинальные научные статьи не по силам: «“Логика случая” — не вполне научпоп. Это в общем-то книга для тех, кто статьи в Nature читает, а часто и пишет. Но только по своей тематике».

Кроме продвинутых читателей сегодня у книги предполагались еще адресаты — которые, правда, прочитать ее не имеют возможности: те, кто 160 лет назад, после выхода «Происхождения видов» Дарвина, выдвинул самые дельные претензии к его теории. Дарвин в 1859 году ничего не знал про гены и мутации, шестеренки тех самых процессов изменчивости и отбора, которые он описал. Поэтому как минимум интересно возразить его критикам с высоты сегодняшнего знания. С другой стороны, про какие-нибудь вирусы он ничего не знал тоже, поэтому вопрос, как они могли появиться параллельно клеточной жизни, не заставлял его спать беспокойным сном. А современных биологов заставляет.

И вообще проблема происхождения жизни превращается в парадокс, только если вы кое-что знаете про биомолекулы. Ответить на вопрос «что было раньше — курица или яйцо?» позволяет владение теорией эволюции в объеме седьмого класса: раньше был динозавр. Но этот вопрос вас догоняет в новом качестве, когда дело доходит до более фундаментальных вещей. Дарвину было достаточно написать про «маленький теплый пруд», где из молекул попроще в химических реакциях получались молекулы посложнее и в конце концов получилось нечто живое. Мы теперь знаем: основа жизни — молекулы, умеющие копировать сами себя, они же репликаторы. Молекулам ДНК для этого нужен как минимум белок, из которого сделаны копировальные машины клетки. А белкам, чтобы появиться на свет, — ДНК и РНК. Что из них было раньше — копировальная машина или то, что копируют? Как вообще так получилось, что перед первым актом копирования в каком-нибудь «теплом пруду» встретились молекулы, непохожие химически, но при этом идеально подогнанные друг к другу?

До сих пор занятие этой проблемой могло проходить по разряду праздного любопытства, но тут астрономы начали сотнями открывать планеты в обитаемой зоне других звезд. Последняя такая новость — про целых семь потенциальных копий Земли в 40 световых годах от нас.

Есть ли там жизнь? Кунин сомневается: «С моей точки зрения — а эта точка зрения довольно непопулярная — ее там нет. На Земле она возникла, и, конечно, в бесконечной Вселенной она возникла бесконечное количество раз. Но разумно ожидать, что наши соседи от нас крайне далеко. Ни в каком смысле не в 40 световых годах». Почему так? Потому что для этого требуется слишком удачное стечение удачных обстоятельств. «Трудно придумать существенно другую химию. Мы знаем весьма хорошо распределение элементов во Вселенной, по крайней мере, в нашей части Вселенной. Мы знаем, чего от этого можно ждать, а чего нельзя. Неуглеродную жизнь с точки зрения химии представить себе исключительно трудно. Органическая химия — она, в общем, едина, что бы мы там ни искали. Конкретные аминокислоты, нуклеотиды и прочие вещи могут быть другими. Но, в общем, свобода не очень велика».

Как узнать пределы свободы, которую дает эволюция? Присматриваться к микробам. Дарвин строил свои выводы на наблюдениях за вьюрками и олушами Галапагосских островов, но для Кунина эти животные (а тем более случай человека и обезьяны) — слишком сложные и слишком неинтересные по сравнению с одноклеточными. У этих последних бешеная скорость смены поколений и невероятное давление отбора. Еще они могут позволить себе, например, запросто красть у других видов ДНК и встраивать в свою (это называется «горизонтальный перенос генов») — умение, которого многоклеточные вроде нас лишились. Чтобы выжить, микробам приходится экономить, в первую очередь, на ДНК и делать ее намного более эффективной, чем наша. Вместо того чтобы доводить до совершенства внутриклеточную химию, сложные организмы пошли по пути наименьшего сопротивления: не хватает функций — надо добавить еще клеток и дописать код. Предел такой неэкономной конструкции ДНК кладут только расходы по управлению ею. Генно-регуляторные сети начинают вести себя как раздутый административный аппарат и тратят все ресурсы системы на себя — это и есть упомянутый раньше «бюрократический потолок сложности».

«Бюрократический потолок» — пример того, как другие плоскости человеческого опыта подсказывают идеи для описания эволюции. Другой важный источник таких идей для Кунина — космология и статистическая физика. Та и другая тоже по-своему описывают рождение сложности из хаоса: здесь бесформенный пар превращается в правильные шестиконечные снежинки, там наполненный горячей плазмой после Большого взрыва космос порождает разбросанные по пространству спиральные галактики.

Эти аналогии лежат на поверхности, но Кунин идет дальше и рассуждает про эволюционные процессы в терминах температуры, энтропии и фазовых переходов. Например, уравнения статфизики начинают приобретать биологический смысл, если за так называемую свободную энергию принимать приспособленность вида, а за температуру — размер популяции. В этом смысле эволюция микробов — «горячий» процесс, а эволюция людей или слонов — «холодный»: по сравнению с кишечными палочками нас в популяции слишком мало, чтобы отбор отсеивал из ДНК все неэффективное. По сравнению с геномом вируса, утверждает Кунин, наш, человеческий, геном в итоге просто «плохо спроектирован». Или, как резюмировал его рассуждения один из переводчиков книги Георгий Любарский, «сложность — это болезнь генома, не вылеченная слишком слабым давлением отбора».

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с colta.ru

7

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • colta
          • взрыв
          • бомба
          • домен colta.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции