Помоги проекту - поделись книгой:
«В каждом из нас примерно сотня битых генов»
Об эволюции, медицине, псевдонауке, прошлом и будущем человечества
Михаил Гельфанд — биоинформатик, доктор биологических наук, профессор. Вице‑президент по биомедицинским исследованиям Сколтеха и заведующий лабораторией в Институте проблем передачи информации имени Харкевича. Читает лекции про эволюцию, борется с гомеопатами, заблуждениями вокруг ГМО и прочей псевдонаукой.
Лайфхакер поговорил с Михаилом Гельфандом о прошлом и будущем человечества. Мы выяснили, почему жизненно важно изучать эволюцию, к чему приводит легкомысленный прием антибиотиков и какие псевдонаучные заблуждения наиболее опасны.
— 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?
Если роль естественного отбора снизилась, то эволюционировать мы можем только в сторону генетической деградации. По этому поводу есть мрачные точки зрения. Выдающийся эволюционист Алексей Симонович Кондрашов считает, что примерно через 10 поколений начнется генетический коллапс. Накопятся вредные мутации, которые отбор не вычищает, и каждый человек станет носителем большого количества слабовредных мутаций. В общем, народ станет дохленький и глупый.
Когда мы говорим «снижение отбора» — это, с одной стороны, снижение отбора потому, что среда становится более комфортной, а с другой — сохранение генетических вариантов, которые раньше людей обрекали на немедленную смерть.
В каждом из нас примерно сотни битых генов, которые не работают. У всех они разные, и, поскольку система очень сложная, она не ломается целиком, если какие‑то элементы из нее выбить. Когда мы говорим про генетический коллапс, речь о том, какое количество винтиков можно попортить прежде, чем паровоз перестанет ехать совсем.
Если у кого‑то слишком много плохих вариантов генов, он становится чуть более медленным, чуть менее умным, и рано или поздно его съедает тигр. Те, у кого было меньше плохих вариантов генов, от тигра убегали. Тем самым, плохие варианты их популяции вымывались.
Мутации происходят все время, при каждом клеточном делении, и сдвигают распределение в сторону увеличения частоты плохих вариантов. А отбор распределение возвращает на место, убирая особи со слишком большим, по случайным причинам, скоплением плохих вариантов. Имеется равновесие.
Но если отбор ослабляется, то равновесие съезжает и увеличивается общий средний уровень дефектных вариантов генов в популяции.
Медицина становится лучше, ослабляется отбор из‑за слабовредных мутаций. Человек болен, но он принимает лекарства и доживает до старости со своим диабетом. И слава богу, потому что альтернатива этому — фашизм Речь про евгенику — набор убеждений и практик, которые направлены на улучшение генетического качества человеческой популяции. Евгеника рассматривается как теоретическая основа преступлений нацизма. Но проблема остается, и человечеству надо ее обдумывать.
Направление отбора тоже меняется: у охотников был отбор на то, чтобы быстро бегать, а у современного человека отбор на физические качества меньше, но зато усилился отбор на соображалку.
Мы ищем новую точку равновесия между мутациями, медициной, образованием и количеством детей. К счастью, генетический коллапс даже нашим внукам не грозит. Алексей Кондрашов на этот вопрос отвечает так: не волнуйтесь, глобальное потепление убьет нас гораздо раньше.
— Почему важно изучать эволюцию в контексте медицины?
Сначала наглядный пример, а потом интересный. Почему так много людей с избыточным весом? Почему эволюция не сделала так, чтобы все люди были стройными? Ведь известно, что избыточный вес связан с болезнями.
Сотни тысяч лет, когда формировался современный человек, отбор шел на то, чтобы жир запасать. Если привалило счастье и есть целая антилопа, то ее надо сожрать сейчас, а лишнее запасти в виде жира. Соответственно, варианты генов, которые этому способствовали, были хорошими с точки зрения отбора и закреплялись.
У меня была аспирантка, которой все остальные страшно завидовали, потому что она ела много и вкусно и оставалась при этом стройной. 10 тысяч лет назад это был очень плохой набор генов, потому что носитель такого варианта, скорее всего, помер бы с голоду, а сейчас это вроде как отлично.
Современного человека бессмысленно уговаривать не есть, у него вся система эволюционно заточена на то, чтобы сожрать побольше. А когда «Макдональдс» за каждым углом, то это кирдык. Направление отбора изменилось, и теперь должна увеличиваться частота вариантов генов, которые способствуют не запасанию, а сжиганию излишков.
Теперь не наглядный пример, но очень важный. Если мы хотим лечить рак, полезно понимать, что это абсолютно эволюционный процесс. Опухоль не однородна, а состоит из большого количества клонов. Химиотерапия на одни клоны действует, на другие — нет. Клоны соревнуются друг с другом в приспособленности.
Клон, устойчивый к химиотерапии, может быть задавлен в начале, потому что не выдерживает соревнования — устойчивость не дается бесплатно. Но когда вы убираете конкурентов, приспособленный клон размножается, и ба‑бах — опухоль рецидивировала и стала лекарственно‑устойчивой. Это эволюция клонов, а мы для них внешняя среда, от которой они получают питание.
Есть статьи в хороших научных журналах, где говорится, что врачей нужно учить теории эволюции, иначе они будут плохими специалистами. Например, понимание эволюции очень полезно для разработки стратегии лечения.
Сейчас хорошо лечат ВИЧ. Продолжительность жизни у больного и здорового человека сопоставима. Когда только начинали, было не так, потому что человеку давали лекарство и через некоторое время вирус приспосабливался. Сейчас этого не происходит, потому что лечат комбинациями из нескольких препаратов. Приспособиться к одному препарату можно за счет одной точечной мутации, но невозможно одновременно приспособиться сразу к нескольким препаратам с разным механизмом действия.
Идея, что рак и вирусные болезни нужно лечить не одним препаратом, а коктейлями, абсолютно эволюционная.
— Выработка бактериями устойчивости к антибиотикам — это тоже такой пример?
Антибиотикорезистентность абсолютно эволюционная история. Почти 75 лет назад это уже понимал микробиолог Александр Флеминг, который открыл пенициллин. В своей нобелевской лекции он предупреждал, что антибиотики нужно правильно применять, чтобы устойчивость к ним не распространялась.
Человечество с антибиотиками обошлось абсолютно бездарно из‑за того, что никто не думал про эволюцию. Мы могли бы еще долго избегать современной ситуации с устойчивостью к антибиотикам. Это пример цивилизационной катастрофы, потому что ситуация со многими болезнями довольно мрачная. Например, для 10 % случаев туберкулеза нет хорошего лечения.
Вот что бывает, если про эволюцию не думать. С раком и ВИЧ — пример хороший: люди думают, и получается лучше. А с антибиотиками — пример плохой, когда люди не думали и творили безобразие.
— Есть ли подвижки в борьбе с устойчивостью к антибиотикам?
Какие могут быть подвижки? Разве что новые антибиотики делать. Но это трудно, потому что мы нашли все, что лежало на поверхности.
Разработка антибиотиков страшно невыгодна фармацевтическим компаниям. Виагру или статины человек будет всю жизнь пить, а антибиотики принимают курсами. Нет нужды год пить антибиотики. А еще из‑за появления устойчивых штаммов антибиотик живет 10–15 лет, потом нужно искать новый. Получается, затраты на разработку колоссальные, а время, когда антибиотик приносит прибыль, небольшое.
Из 10 тысяч веществ, которые пробуют в начале, в клинические испытания попадают несколько десятков, а до аптеки добирается одно. Это страшная воронка. Представление об ужасных жадных фармацевтах основано на том, что им надо отбить стоимость исследований девяти тысяч лекарств, не дошедших до стадии собственно лекарства, чтобы дальше заниматься разработкой новых лекарств.
Понятия не имею, как решить эту проблему. Это хороший вопрос для межгосударственной политики, потому что проблема общечеловеческого уровня. Не может быть такого чуда, что в одних странах бактерии устойчивы, а на нашем чудесном острове все антибиотики работают.
— То есть перспективы не очень?
Антибиотики работать перестают, генетический груз Накопление плохих мутаций у особей популяции, уменьшающих ее приспособленность к среде обитания. и плотность популяции растет. Дальше случается хорошая эпидемия, и мы возвращаемся на уровень каменного века, где все человечество — это несколько десятков тысяч особей. И мы радостно начинаем эволюционировать снова.
— Побороть ВИЧ, устойчивость к антибиотикам, рак — это взять под контроль эволюцию? Можно ли ее вообще взять под контроль?
Можно ли взять под контроль закон всемирного тяготения? Конечно же, нельзя, но с другой стороны, можно придумать самолет. С эволюцией то же самое: ее взять под контроль невозможно, но можно делать прибамбасы, которые взаимодействуют с эволюцией в нужном нам направлении.
Приходит эпидемия, как в Средние века, — например, чума. У нас начинается эволюция: эпидемия выкосила всех слабых и носителей плохих вариантов генов. Но если у вас есть чудо‑доктор с чудо‑антибиотиком, то вы вмешались в эволюцию. Внесли новый фактор отбора. Теперь, с одной стороны, заразиться патогеном уже не так смертельно опасно, а с другой стороны, у патогена появляется новый фактор отбора и ему нужно приспосабливаться к антибиотику. Вы изменили ход эволюции.
— Почему вы решили не только сидеть в закрытом кабинете и заниматься исследованиями, но и популяризировать науку?
С одной стороны, это была случайность. Я время от времени посещал цикл лекций «Полит. ру» об истории, экономике и социологии. Мне все время было обидно, что там биологии нет. В какой‑то момент я сказал: давайте сделаем цикл лекций по эволюционной биологии. Дальше как‑то оно и пошло.
С другой стороны, прикольно рассказывать что‑то интересное людям, которым интересно про это послушать. Это вполне достойное и приятное занятие.
У популяризации науки есть две стороны. Благостная, когда мы рассказываем, как все интересно и полезно. Это все любят. А вторая сторона, к сожалению, стала очень актуальной — она, наоборот, оборонительная. Чуть что — когтями по морде.
Сейчас со всех сторон идет колоссальный накат мракобесия. Если послушать, что говорят про науку высшие лица государства, то уши в трубочку сворачиваются. Это же транслируется и в значительной степени генерируется в СМИ.
Этот же накат идет от церкви. Есть чудесное высказывание Выступление митрополита Омского и Таврического Владимира на XXVIII Международных Рождественских образовательных чтениях «ВЕЛИКАЯ ПОБЕДА: НАСЛЕДИЕ И НАСЛЕДНИКИ» омского митрополита Владимира: «Нет „православной математики“ или „православной биологии“ — хотя и при преподавании этих предметов желательно, чтобы учитель был человеком верующим».
Я знаю чудесных православных эволюционных биологов, но не надо, чтобы мне дедушка с бородой объяснял, что, конечно, ты можешь заниматься биологией, но лучше бы ты православным был при этом. Я сам дедушка с бородой.
Мне неуютно, когда школьник после лекции подходит и спрашивает, как объяснить учительнице биологии, что ГМО‑помидоры — это безопасно. Или когда антивакцинаторы бегают по улице. А еще есть люди, которые на этом деньги зарабатывают, — например, производители гомеопатических препаратов.
Поделиться книгой: