trim_c (trim_c) wrote,
trim_c
trim_c

Category:

Евгений Кунин: нам невроятно повезло. Потому что Жизнь - невероятное событие


Одним из двух лауреатов премии имени Георгия Гамова в 2018 году, наряду с физиком Андреем Линде из Стэнфордского университета, стал биолог Евгений Кунин, руководитель группы эволюционной геномики Национальной библиотеки медицины Национальных институтов здоровья США, выпускник биофака МГУ имени Ломоносова и один из самых влиятельных мировых ученых в сфере биомедицины. N + 1 поговорил с Евгением Куниным, автором книги «Логика случая», о вероятности возникновения жизни, росте роли теории в биологии и проникновении идей эволюции в другие, небиологические науки.

N + 1: Семь лет прошло с момента выхода вашей книги «Логика случая». С тех пор как-то изменилась ваша оценка вероятности появления жизни?

Евгений Кунин: Она, в принципе, не изменилась сколько-нибудь существенно. Если вы помните, там давались оценки, типа десять в минус тысячной степени. Я в курсе обнаружения экзопланет и воды в разных частях вселенной. Все это страшно интересно. Но все это снимает с этой цифры, ну, два, ну, три, ну четыре порядка, даже чтоб быть совершенно честным — пусть десять порядков. Это же принципиально не меняет ничего.

Из книги «Логика случая»

Общие предположения: в Н-области содержится 1022 звезд, у каждой десятой есть пригодная для жизни планета; то есть имеется 1021 таких планет (несомненно, это сильное преувеличение; в действительности большинство звезд не имеет планет вовсе, не говоря о пригодных для жизни). Каждая планета размером с Землю, у каждой имеется пригодный для обитания слой толщиною 10 км (106 см); отсюда объем этого слоя 4/3π[R3-(R-l)3] ≈ 5 × 1024 см3, где R — радиус планеты, l — толщина обитаемого слоя. Синтез РНК происходит в 1% объема обитаемого слоя — то есть в объеме 5 × 1022 см3 (опять сильное преувеличение — в действительности «фабрик РНК» будет очень мало). Положим концентрацию нуклеотидов в объеме V и скорость синтеза молекул РНК размера n (свободный параметр, зависящий от специфики модели революционной стадии, далее n-мер) за 1 молекулу/см3/сек (и снова сильное преувеличение для любой молекулы сколько-нибудь значительного размера; более того, не учтена обратная зависимость от n, которая должна быть достаточно сильной). Время после Большого взрыва в данной Н-области (как верхний предел) для всех планет 1010 лет ≈ 3 × 1017 секунд. Тогда количество уникальных n-меров, опробованных за время после Большого взрыва, будет:

S ≈ 5 × 1022 × 1021 × 3 × 1017 ≈ 1,5 × 1061

Предположим, что для начала биологической эволюции требуется уникальный n-мер. Количество возможных последовательностей, состоящих из n нуклеотидов, N = 4n ≈ 100,6n.

Можно ожидать, что уникальный n-мер возникнет в Н-области Е раз: Е = S/N = 1,5 × 1061/100,6n

и

n = log(Е × 1,5 × 1061)/0,6

Подставив Е = 1, получаем n ≈ 102 (нуклеотида). Заметим, что, так как величина n прямо пропорциональна логарифму S, оценка будет мало зависеть от начальных предположений о величине переменных; например, изменение S на порядок величины приведет к увеличению или уменышению n менее чем на 2 нуклеотида.

Можно представить себе рибозим-репликазу, состоящую из приблизительно ста нуклеотидов: таким образом, в принципе спонтанное появление таковой в конечной вселенной, состояшей из единственной Н-области, нельзя исключать в нашей «игрушечной» модели (и снова, скорость синтеза РНК, принятая здесь, намеренно сильна переоценена).

Для появления примитивной системы сопряженной репликации-трансляции, что в данном контексте рассматривастся как революционная стадия, требования гораздо жестче. Как минимум, необходимо спонтанное появление следующего:


  • Две рРНК, с общим размером не менее 1000 нуклеотидов.

  • Примерно 10 примитивных адаптеров по 30 нуклеотидов каждый, в целом около 300 нуклеотидов.

  • По менышей мере одна РНК, кодирующая репликазу, размером примерно 500 нуклеотидов (оценка снизу). В принятой модели, n = 1800, и в результате Е < 10-1018.

Другими словами, даже в нашей игрушечной модели, которая предполагает сильно преувеличенную скорость синтеза РНК, вероятность случайного зарождения системы трансляция — репликация в единственной Н-области будет Р < 10-1018. Очевидно, эта версия революционной стадии может рассматриваться только в контексте вселенной с бесконечным (или, по меньшей мере, очень большим) количеством Н-областей.

Модель, рассмотренная здесь, ни в коем случае не предполагалась реалистичной. Она только иллюстрирует разницу в требованиях, накладываемых на вероятность возникновения разных версий революционных систем, и следовательно, связь этой версии с разными космологическими моделями вселенной.

А как менялось ваше представление об эволюции вообще?

С одной стороны, оно изменилось весьма существенно, а с другой стороны, нет. В книге нет ничего такого, что я сейчас счел бы совершенно неправильным, однако если вдруг мне придется написать новый вариант такой книги, многое изменится. Чтобы не быть голословным, в том издании, которое существует, как-то совершенно не отражена роль эпигенетики. А это важное дело.

С другой стороны, мы постепенно продвигаемся в каком-то общефизическом, теоретическом понимании того, что такое сложность генома и как она возникает и эволюционирует. Так что об этом тоже хорошо бы поговорить подробнее. Но главная тема — вклад случая, — мне кажется, существенно не изменилась.

Из книги «Логика случая»


Согласно синтетической теории эволюции, эволюция жизни — это процесс активной адаптации популяций к изменяющимся условиям среды. Теперь стало очевидным, что, хотя подобная адаптация и является, несомненно, существеннейшим компонентом эволюционного процесса, в количественном отношении она не доминирует. И хотя я полностью сознаю, что любая попытка предложить широкое обобщающее определение приводит к чрезмерному упрощению, вместе с тем предлагаю следующее.

Эволюция жизни — это преимущественно стохастический процесс, основанный на исторической случайности, ограниченный прежде всего разнообразными условиями поддержания основ биологической организации и модулируемый механизмом адаптации.

Кроме эпигенетики, какие еще свежие открытия в этой сфере кажутся самыми значимыми?

Помимо эпигенетики, принципиально важной вещью является метагеномика. Метагеномика — это не менее важно, в том числе, и для человеческого здоровья, кстати. Это секвенирование ДНК или РНК непосредственно из некоторой среды. Под «средой» может пониматься не только окружающая среда, но, в том числе, скажем, и человеческий кишечник или ротовая полость.

Речь о микробиоме?

О микробиоме, да. Метагеномика это секвенирование, собственно, всей ДНК из этой среды. То есть не выращивание в чашках Петри или в колбах микроорганизмов, как это делалось раньше и много делается теперь, а просто секвенирование. Вы берете среду, выделяете всю ДНК, которая там есть, и секвенируете.

Современные методы позволяют это сделать еще не так хорошо, как мы хотим, но уже весьма и весьма прилично. А это раскрывает огромные перспективы, потому что из всех микробов, которые есть вокруг нас, не больше чем 1/10 процента способна расти в культуре — в чашке Петри. А с вирусами дело обстоит еще хуже — для еще меньшего числа мы знаем систему, чтобы их выращивать в лаборатории.

Поэтому это очень важно, это очень сильно меняет наши представления о разнообразии, во-первых, микробов, которые живут на Земле, и открывает уже перспективы полной характеристики этого разнообразия. Это могло бы показаться совершенной глупостью, маниловщиной десять лет назад, но теперь не так. На самом деле, можем дожить — особенно вы — до полной характеристики всех живых организмов, которые имеют место на нашей планете.

И, соответственно, это очень меняет представление об их эволюции и показывает, что всякие запреты, которые существуют, всякие корреляции между разными частями организмов, которые могут существовать вместе или не могут, далеко не абсолютны. И огромное количество всяких удивительных вещей обнаруживается благодаря прогрессу метагеномики.

Кроме нашего микробиома, какая еще среда вокруг человека, какие ее части представляют интерес для секвенирования?

Любая среда. Морская вода, почва, сточные воды, горячие источники, Антарктида — любая! И все это делают, все это реально уже делают. Так можно изучать эволюцию среды в целом. А можно изучать эволюцию жизни в этой среде, можно изучать эволюцию некоторых классов организмов, допустим, архей. И то, и другое плодотворно.

Эпигенетика, метагеномика. Что-то еще нового и важного?


Я бы остановился на этом. Для меня это два крайне важных, фундаментальных направления, получивших неожиданно большое развитие за последние семь лет. Способные сильно повлиять на будущую науку и жизнь (на самом деле они уже влияют).

А насколько вообще вы видите (и предвидите) интеграцию наук, взаимопроникновение методов?

Если мы говорим о 'sciences', по-русски это называется «естественные науки», то, конечно, интеграция есть. В самом знании есть и разграничения между химией и физикой, химией и биологией. А во многом — между физикой и биологией. Но они уже теряют свою значимость. Да что там говорить, сейчас большинство уважающих себя физических журналов печатает статьи по биологии — разумеется, с применением физических методов или физических понятий. Но посвященные биологическим вопросам.

В социологии — конечно. Экономика — это вообще математическая наука в огромной степени. Конечно, есть математические и физические модели в социологии. Больше того, есть такая чрезвычайно любопытная дисциплина, которая иногда называется клиодинамика — математическое моделирование истории. Наш соотечественник Петя Турчин придумал этот термин и занимается упрощенными, но совершенно реальными математическими моделями истории. И, по-моему, это ведет к интересным выводам. Но все равно мне кажется, что это все же идет по линии привнесения количественной методологии и количественного мышления в эти прежде не количественные области.

А как насчет вашей собственной сферы интересов — эволюционной биологии? Это ведь редкий пример, когда биологическая концепция пришла и успешно используется в целом ряде глубоко не биологических областей: лингвистика, материаловедение, физика. Каковы успехи эволюции вне биологии, и как вы видите ее перспективы?

Это чрезвычайно интересный и правильный вопрос. Действительно, то, что внес в науку, мышление, культуру Дарвин, имеет громадное значение.

Больцман в своих письмах называл Дарвина «великим физиком». Это очень парадоксально, потому что Дарвин очень плохо себя чувствовал, когда видел написанное на бумаге уравнение, но очень правильно, потому что эволюция абстрактна, но она обосновывает нам натуралистическое понимание мира. Она обосновывает, что все, что мы видим, могло произойти естественным путем. Нужно искать пути и механизмы, но принципиальная возможность была показана Дарвиным.

Уже на основе этого понимания развивалась и космология, где представление о начале всего уже не является бредом, а ведь оно было абсолютно бредовым для физиков XIX века. Для них Вселенная была равновесной и вечной. Она даже может быть и вечной, но никак не равновесной.

Так что понятие эволюции проникает всюду. Более того, Дарвин открыл не только это, он еще и показал механизм, которым эта эволюция может идти, механизм естественного отбора. Позднее стало понятно, что это свойство всех систем, обладающих способностью к репликации. И оказалось, что это свойство имеет большое значение, например, в 'computer science', действительно в методах химической эволюции и так далее.

Из книги «Логика случая»

Согласно гипотезе Красной Королевы, коэволюционирующие системы паразит—хозяин могут поддерживать стабильную эволюционную траекторию, лишь постоянно изменяясь в непрерывной гонке вооружений. Хозяева развивают новые защитные механизмы, и паразиты отвечают, развивая механизмы взлома защиты, а также новые механизмы для атаки, уклоняющиеся от защиты, и так до бесконечности, если рассматривать эволюцию жизни в целом, или до вымирания хозяина либо паразита в каждом конкретном случае. Математическое моделирование происхождения и эволюции репликаторных систем не только неизбежно ведет к возникновению паразитов, но и показывает, что паразиты движут эволюцию механизмов репликации.

В соответствии с законом Красной Королевы, вирусы никогда далеко не отставали от своих клеточных хозяев (кроме тех, что вымерли). Лучший известный тому пример — эукариотические вирусы с большими геномами, такие как поксвирусы или бакуловирусы: до половины генов у этих вирусов функционируют как устройства взлома защиты, действующие против всех уровней защиты хозяина. Основная стратегия взлома защиты, применяемая этими вирусами, проста и эффективна: вирус «крадет» ген, кодирующий компонент защиты хозяина. После мутирования в вирусном геноме белковый продукт этого гена превращается из эффектора в доминантно-негативный ингибитор соответствующей системы защиты. Более маленькие вирусы не могут позволить себе сравнимый ассортимент генов взлома защиты, но тем не менее несут гены белков-охранников, которые по большей части участвуют в агрессии, например протеазы, расщепляющие белковые факторы, необходимые для трансляции РНК хозяина, но не вирусных РНК. На другом, более фундаментальном уровне знаменательное проявление эффекта Красной Королевы — быстрая антигенная вариация у некоторых вирусов, например вируса гриппа и ВИЧ, которая позволяет этим вирусам обгонять в развитии иммунный ответ хозяина.


А что насчет добиологической эволюции? Может ли и она описываться теми же принципами?

Вообще, очень трудно говорить о добиологической эволюции — это противоречивая тема, по которой нет четкости. Хорошее это использование понятия или плохое? Я и сам не уверен, откровенно говоря.

Конечно, существует модель возникновения каких-то протометаболических сетей, каких-то устойчивых механизмов реакций до возникновения собственно биологических систем. Мне хочется думать, что собственно биологические системы — это системы с репликаторами. Значит, то, что было до этого, — это добиологическое. Возможна ли там некая репликация этих сетей и реакций? Возможно, это и правда некий аналог эволюции, я не знаю. Я не являюсь настоящим специалистом в этой области.

Из книги «Логика случая»


Решающим в изучении происхождения жизни является вопрос о том, как начался цикл Дарвина—Эйгена, то есть как именно была достигнута наименьшая сложность, необходимая для приемлемой репликации. Даже в простейших современных системах, таких как РНК-вирусы, точность репликации в которых составляет всего 10-3 (то есть в среднем одна ошибка на 1000 нуклеотидов), и вироидах, реплицирующихся с наименьшей известной на сегодня среди всех репликонов точностью (около 10 -2), репликация катализируется сложными белковыми полимеразами. Сами эти полимеразы (репликазы) синтезируются в результате трансляции соответствующих мРНК при посредстве чрезвычайно сложного рибосомного аппарата. Отсюда следует драматический парадокс происхождения жизни: для достижения минимальной начальной сложности, необходимой для того, чтобы биологическая система начала движение по Дарвину— Эйгену, эта система должна обладать гораздо большей начальной сложностью. В рамках обычного эволюционного мышления невозможно даже представить решения этой головоломки, поскольку это мышление относится исключительно к системам, уже находящимся на спирали. Таким образом, решение непременно окажется неординарным.


То есть это некий зазор между эволюцией Вселенной и эволюцией биологической?

Да. Зазор, безусловно, есть. И к нему применим термин «эволюция». Но тут, понимаете, еще вот какое дело (это есть и в моей книге про логику случая). Проблемы возникновения жизни ведь прямо связаны с проблемами космологии, хотя за это утверждение меня и критикуют. И вот в каком смысле.

Инфляционная космология и понятие Мультивселенной значительно меняют наше представление о вероятности возникновения чего бы то ни было. В бесконечной Мультивселенной с бесконечным количеством вот этих самых индивидуальных пузырьковых вселенных бесконечное число раз возникает любая конфигурация частиц — это теорема, элементарно доказываемая вещь. Таким образом, пусть мы и не привыкли к этим масштабам, но, например, спонтанное возникновение клетки больше не является невозможным.

Другое дело, что мы должны максимально снижать планку, объяснять спонтанным возникновением только то, что нельзя объяснить иначе. Но считаться с вероятностью сугубо случайного возникновения достаточно сложных объектов в этой модели мира необходимо.

Смотрите, мы должны уточнить сейчас, что работаем в модели мира, допускающей существование Мультивселенной. Я сейчас не высказываю никаких суждений об истинности этой модели, хотя она является лучшей из существующих. Так вот, если принять эту модель мира, то, я считаю, все наши представления о том, что возможно, а что невозможно, что вероятно, а что нет, меняются.</span>


Александра Борисова для сайта N+1

Книга «Логика случая» Евгения Кунина стала по существу первой и крайне важной попыткой объединить новые и новейшие открытия в генетике, теории эволюции, экологии, теории и динаимке популяций, популяционной генетике - в некую единую новую всеохватывающую теорию эволюции, призванную заменить "синтетическую теорию эволюции", причем многим эволюционистам попытка кажется вполне удачной.

Но как видно из вышесказанного Кунин считает возникновение жизни крайне маловероятным событием. А то, что мы его наблюдаем, - есть по Кунину следствие того, что в мире, где существует бесконечно много различных вселенных, любое принципиально возможное событие будет реализовано бесконечное число раз, как бы малой ни была его вероятность. И мы как раз те редкие счастливчики которые вытянули счастливый билет - один на 10 в степени минус единица - а за ней сотни нулей.

Такова вероятность случайного возникновения той минимальной сложности (порог Дарвина -Эйгена), с которого начинает работать эффективный эволюционный механизм. Разумеется я абсолютный дилетант в проблеме, но мне кажется, что существуют механизмы добиологической эволюции(конкуренции химических автокаталитических циклов), которые позволяют повысить вероятности на многие порядки.

И я даже питаю надежду, что мы вскорости узнаем, так ли это (полеты к Марсу, Энцеладу, Титану. Европе). А основанием служит невероятная проблема: жизнь от одноклеточной к первым многоклеточным добиралась (со всем уже готовым механизмом эволюции) около двух миллиардов лет, зато из неживого первых одноклточных слепилда без механизма за 200-300 миллионов лет - в семь раз быстрее!

Если верить в механизмы Кунина - такое решительно невозможно. Значит работали другие механизмы, которых мы пока еще не понимаем.

Tags: n+1, жизнь, эволюция
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 13 comments