Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Сноски из книги

Перевод заглавия этого введения представил серьезные трудности. В английском оригинале было towards a postmodern synthesis. Это конечно же игра слов: с одной стороны, postmodern означает просто «после Modern Synthesis» (то, что в русской литературе обычно называется синтетической теорией эволюции, СТЭ), а с другой – «постмодернистский». Как это передать по-русски, совершенно не очевидно. Хуже того, этот нехитрый каламбур неоднократно обыгрывается в дальнейших главах. Никакого способа справиться с этой трудностью, кроме написания этого примечания, ни переводчикам, ни автору в голову не пришло (примеч. авт. к русскому изданию здесь и далее курсивом).

Во многом эти представления опираются на публикации крупнейшего современного эволюциониста Форда Дулитла, которые цитируются в соответствующих главах.

По иронии судьбы, magnum opus Ламарка «Философия зоологии» был напечатан в год рождения Дарвина.

Удивительно точное и глубокое описание непосредственного воздействия и публичного признания книги Дарвина можно найти в романе Джона Фаулза «Любовница французского лейтенанта».

Естественно, сам Дарвин не использовал термин «дарвинизм»; этот не очень удачный и едва ли дальновидный неологизм введен последователем и защитником Дарвина, Томасом Генри Гексли, в отзыве на «Происхождение…» (Huxley, T. H. 1860. Darwin on the origin of Species. Westminster Review: 541–570). Это слово имеет некоторый оттенок догматичности, если не псевдонаучности, по созвучию с другими хорошо известными «-измами», например марксизмом, или фрейдизмом, или даже лысенкоизмом (по-русски – лысенковщиной; о лысенковщине см. гл. 9). Естественно, что никто не говорит о ньютонизме или эйнштейнизме, а слово «менделизм» (обычно в составе сложных слов «менделизм-вейсманизм» или «менделизм-морганизм») употреблялось исключительно в негативном контексте антинаучно мыслящими последователями Лысенко в Советском Союзе. Тем не менее термин, предложенный Гексли, твердо прижился и даже привлекает своей емкостью. В этой книге я использую его исключительно для описания «первой синтетической теории эволюции», которая была разработана Дарвином в «Происхождении…», а затем усовершенствована в последующих работах Гексли, Уоллеса, Вейсмана, Геккеля и других ранних последователей Дарвина.

Выражение «неупрощаемая сложность» было придумано Майклом Бихи, одним из основных сторонников антиэволюционной гипотезы разумного замысла (РЗ), в его (печально) известной книге «Черный ящик Дарвина» (Behe, M. J. 2006. Darwin’s Black Box: The Biochemical Challenge to Evolution. New York: Free Press). Для Бихи и других сторонников РЗ «неупрощаемость» сложных биологических структур является будто бы подтверждением (даже доказательством) неизбежности РЗ. Конечно же РЗ – это злостная чушь, но термин «неупрощаемая сложность» вполне выразителен, хотя эволюционные биологи предпочли бы говорить о «видимой» или «кажущейся» неупрощаемости сложных структур.

Посетитель музея Менделя в Брно имеет возможность рассматривать экземпляр немецкого перевода «Происхождения видов…», густо испещренный пометками Менделя. Автор был там уже после публикации английского оригинала этой книги и остался под сильным впечатлением.

Сэр Рональд Фишер был настоящим гением. (Fisher Box, J. 1978. R. A. Fisher: The Life of a Scientist. New York: Wiley.) Он был фактическим основателем не только популяционной генетики, но и, во многом, современной статистики и ввел математическое определение информации задолго до Клода Шеннона. В эту книгу мы включили также другие примеры его замечательных научных предвидений. В то же время сэр Рональд посвятил большую часть своей карьеры делу евгеники, области исследования, которая в настоящее время рассматривается как псевдонаука и граничит с преступлением. Следует избегать суждения о великих умах даже относительно недавнего прошлого по сегодняшним меркам.

В русской литературе используется термин «синтетическая теория эволюции» (СТЭ), который и употребляется далее в этой книге.

Это уже сделано во многих различного уровня учебниках и монографиях, как обзорных, так и глубоко специализированных. Взвешенное, умеренно специализированное представление данной темы можно найти в издании D. L. Hartl and A. G. Clark (2006). Principles of Population Genetics, Sunderland, MA: Sinauer Associates.

В принципе если адаптивный ландшафт строится для гена, то число измерений будет равняться количеству нуклеотидных сайтов. Взаимодействие между сайтами (эпистаз) уменьшает размерность.

Формально теорема Фишера не запрещает всё нисходящее движение, потому что она касается только той части адаптивных изменений, которые обусловлены отбором. Фишер, однако, считал, что на практике большинство, если не все популяции слишком велики, чтобы то явление, которое Райт обозначил как дрейф, могло иметь какое-либо влияние на них. Это было предметом ожесточенных споров между Фишером и Райтом. Окончательным победителем оказался, конечно, Райт.

Эта знаменитая фраза Добржанского является названием его эссе, опубликованного в журнале «Американский учитель биологии» (Dobzhansky, T. 1973. Nothing in biology makes sense except in the light of evolution // The American Biology Teacher 35: 125–129). В целом это поразительный текст. Хотя большая часть эссе удивительно ясно объясняет идею эволюции, заключительные абзацы посвящены выразительной пропаганде совместимости эволюции и христианства, и трудно избавиться от впечатления, что именно это и было главной целью автора. Добржанский, как истинный прихожанин Русской православной церкви, верил, что Бог осуществил свой план сотворения мира как развертывающийся сценарий эволюции жизни. Более того, Добржанский изобретательно клеймит отрицание эволюции как кощунство, так как данная позиция подразумевает, что Бог – мошенник, который намеренно вводит человечество в заблуждение, предоставляя многочисленные доказательства эволюции. Я подозреваю, что не каждый, кто цитирует это изречение Добржанского в дискуссиях о преподавании эволюции, действительно читал это эссе.

Иногда та же самая аббревиатура расшифровывается как Last Universal Common Ancestor (последний универсальный общий предок). Однако представляется полезным подчеркнуть, что речь идет именно об общем предке всех клеточных форм жизни. Мы вернемся к этой теме в главе об эволюции вирусов.

Сами по себе эти принципы описываются в элементарных учебниках, но рассматриваемый здесь информационно-теоретический подход уже не так тривиален, так что я счел необходимым явно перечислить эти принципы.

Этот принцип может быть подвергнут достаточно обоснованному сомнению в свете открытия разнообразных явлений эпигенетической наследственности (в гл. 9 мы коснемся этих явлений, хотя и слишком кратко). В данной формулировке вся эпигенетика спрятана в слове «косвенно», но автор отдает себе отчет в спорности такого подхода.

Чаргафф не оценил вовремя исключительной важности своего открытия, и тот факт, что двум высокомерным молодым людям, не знавшим химии, удалось открыть тайну жизни, которой он, эксперт-химик, не понял, исполнил Чаргаффа горечи до конца его долгой жизни, вдохновляя его едкие, чтобы не сказать язвительные, книги. (Chargaff E. Heraclitean Fire: Sketches from a Life Before Nature. New York: Rockefeller University Press, 1978.)

Строго говоря, это верно лишь для идеализированных систем репликаторов, размножающихся без ограничений, то есть экспоненциально. Именно такие системы рассматривал Дарвин вслед за Мальтусом. В более реалистических системах с ограниченным (параболическим) размножением наблюдается «выживание всех», а не только наиболее приспособленных, и для селекции и дрейфа необходимы дополнительные условия, такие как компартментализация (Szathmary E. The origin of replicators and reproducers. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2006 Oct 29;361(1474):1761-76).

Не совсем ясно, кто первым сформулировал принцип, который я здесь называю ПОР. Говорится о том, что в 1930-х годах эти идеи высказывали выдающиеся русские генетики Николай Константинович Кольцов и Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (Шноль С. Э. Герои, злодеи, конформисты российской науки. 2-е изд., дополненное. М.: Крон-пресс, 2001), но я ничего не знаю об их формальной публикации. Эрвин Шредингер приближается к этой идее в знаменитой книге (Шредингер Э. Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки / Пер. с англ. 2-е изд. Ижевск: РХД, 2002), но все же не приходит к конкретной формулировке. В англоязычной литературе Ричард Докинз четко формулирует идею в 1976 году в ставшем классикой «Эгоистичном гене» (Докинз Р. Эгоистичный ген / Пер. с англ. М.: Мир, 1993). С другой, абстрактной точки зрения, теория самовоспроизводящихся автоматов, не привязанных ни к какому физическому воплощению, была разработана великим математиком Джоном фон Нейманом (Нейман Дж. фон. Теория самовоспроизводящихся автоматов / Пер. с англ. М.: Мир, 1971).

Известная русская поговорка «Не до жиру, быть бы живу» выражает ту же идею упрощенно, но достаточно точно.

Здесь уместно сказать несколько слов о метафоре в биологии, тем более что метафора «эгоистичного гена» была отмечена как особенно часто вводящая в заблуждение (Ball, 2011). Вне всякого сомнения, использовать и в особенности интерпретировать эту метафору следует с великой осторожностью, и даже легкого намека на очеловечивание генного «эгоизма» следует избегать всеми силами. Тем не менее я думаю, что метафоры необходимы для развития науки, и покуда научные результаты представляются посредством естественного языка (а не только математических выражений), метафоры неизбежны. Кроме того, хорошая метафора – краткая, запоминающаяся и запечатлевшая важные общие тенденции в широком поле наблюдения – способна сильно подтолкнуть свежее мышление и исследование. Я, например, считаю «эгоистичный ген», «мусорную ДНК» и «адаптивный ландшафт» прекрасными метафорами.

Во времена, когда еще не было полных геномных последовательностей, предвидение динамического генома было, вероятно, лучше всего представлено в исчерпывающей монографии выдающегося российского генетика Романа Бениаминовича Хесина (Хесин Р. Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984). Эта пророческая книга была издана незадолго до безвременной кончины Хесина и стала легендарной среди русских биологов. К сожалению, она, по-видимому, не оказала большого влияния за пределами России.

Коли уж мы обратили внимание на причастность сэра Рональд Фишера к евгенике, было бы несправедливо не упомянуть, что еще один патриарх популяционной генетики, Дж. Б. С. Холдейн, был многолетним членом Британской коммунистической партии и, вероятно, из партийной лояльности в течение многих лет поддерживал лысенковскую лженауку (или, по крайней мере, оставлял за ней презумпцию научности). Холдейн был ученым не меньших масштабов, чем Фишер, одним из последних великих универсалов в истории науки (Dronamraju K. R. Haldane and Modern Biology. Johns Hopkins University Press, 1968). Ему принадлежат не только многочисленные важные результаты в математической генетике (в том числе теория генетического груза), но и большой вклад в область кинетики ферментативных реакций и – вероятно, важнее всего – множество удивительно пророческих идей о разнообразнейших предметах, которые можно найти в его книгах и статьях (мы вернемся к некоторым из них в гл. 10). Холдейном также написаны сотни блестящих популярных очерков обо всех аспектах науки, многие из которых опубликованы в коммунистической газете «Дейли уоркер». В 1950 году Холдейн вышел из коммунистической партии, осознав степень разрушений, причиненных советской генетике Лысенко и его шайкой. Холдейн может послужить ярким примером того, что даже величайшие ученые не должны рассматриваться в отрыве от исторического контекста.

Эмиль Цукеркандль указал мне, что в его совместных с Лайнусом Полингом ранних работах по молекулярной эволюции проводится явное различие между гомологами, эволюционировавшими вертикальным путем, и теми, которые эволюционировали путем дупликации, хотя не вводилось никаких специальных терминов для обозначения этих разных классов гомологов. У каждого открытия или концептуального прорыва свои предшественники.

«Сказки просто так» – прекрасный сборник детских сказок Редьярда Киплинга (Киплинг Р. Сказки просто так / Пер. с англ. К. Чуковского и Л. Хавкиной. М.: Росмэн-Пресс, 2011). В них происхождение некоторых особенностей морфологии животных, таких как хобот слона и панцирь броненосца, возводится к различным своеобразным случаям. Киплинг, кажется, уже осознавал ошибочность панадаптационизма, хотя его выводы не всегда совпадали с выводами Гулда и Левонтина.

Здесь стоит сказать несколько слов о Карле Вёзе, создателе молекулярной филогенетики и первооткрывателе архей, который скончался уже после публикации оригинала этой книги, 30 декабря 2012 года, на 85-м году жизни (Goldenfeld N., Pace NR. Retrospective. Carl R. Woese (1928–2012) // Science. 2013 Feb 8;339(6120):661). Конечно, и при его жизни у коллег не было никаких сомнений в том, что он был крупнейшим ученым, подлинным революционером в микробиологии и эволюционной биологии. Однако, по точному выражению Анны Ахматовой, «когда человек умирает, изменяются его портреты». По крайней мере, для автора этой книги теперь очевидно, что в последней трети XX века Вёзе не было равных среди биологов. Его вклад в науку исключительно велик и разнообразен, и конечно же ни в коей мере не сводится к открытию архей. В этой книге его имя упоминается чаще, чем любое другое: во-первых, в связи с его пионерскими исследованиями по эволюции генетического кода, выполненными еще в 60-х годах прошлого века, затем, разумеется, при обсуждении молекулярной филогении и трех доменов клеточной жизни и, наконец, в контексте его глубоких концептуальных работ рубежа двух тысячелетий.

Я охотно признаю свое пристрастие к вирусам. Будучи второкурсником МГУ, я выбрал кафедру вирусологии в качестве специализации. Этот выбор был отчасти продиктован посторонними соображениями, такими как очевидный интерес к реальной науке и либеральная атмосфера на этой кафедре, в отличие от некоторых других. Это было важно в то время, и не было ошибкой. Но более фундаментальным побуждением было мое увлечение разнообразием генетических механизмов и организации генома вирусов, что приводит к идее о том, что вирусы могут иметь непосредственное значение для понимания ранних этапов эволюции жизни. Я все еще думаю, что эта идея совершенно верна, как обсуждается в гл. 10 и 11. Все эксперименты, которые я когда-либо провел, относились к области вирусологии; эта работа, хоть сама по себе и несущественная, была чрезвычайно поучительна для всех моих последующих исследований в области вычислительной биологии. Вероятно, еще важнее, что мои первые вылазки в сравнительную геномику, совпавшие по времени с рождением всей этой области исследования, были связаны с вирусными геномами. Эти небольшие геномы были идеальной стартовой площадкой: даже с тогдашними примитивными средствами вычислительной техники (и, конечно, со всем рвением новичка) в общем-то можно было проследить эволюцию каждой аминокислоты в вирусных белках.

Много хуже, чем Фишер или Холдейн, Мережковский публично выступал с чрезвычайно отвратительными взглядами явно фашистского толка. Тем не менее его работы по эндосимбиозу являют собою поразительный пример образцового исследования и по сей день (W. Martin and K. V. Kowallik. Annotated English Translation of Mereschkowsky’s 1905 Paper ‘?ber Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche‘ // European Journal of Psychology 34 [1999]: 287–296.)

Обратите здесь внимание на сходство с адаптивным ландшафтом Райта. Насколько я знаю, это две независимые сошедшиеся вместе идеи.

Это нехитрое предсказание, разумеется, подтверждается: экспоненциальный, а возможно, даже более быстрый рост числа геномных последовательностей продолжается.

По-видимому, термин «геном» был впервые использован немецким ботаником Гансом Винклером в 1920 г. (M. Ridley. Genome. New York: Harper Perennial, 2006).

Типичный элемент американских квартир и домов, буквально поразивший воображение автора во время первого визита в США в 1991 году, а теперь, кажется, постепенно выходящий из моды.

Когда, сравнивая первые секвенированные бактериальные геномы, мы с Аркадием Мушегяном обнаружили, что порядок генов сохраняется столь слабо, это настолько нас поразило, что мы назвали краткую статью, описывающую это наблюдение, «Бактериальная эволюция не сохраняет порядка генов» (A. R. Mushegian and E. V. Koonin. Gene Order Is Not Conserved in Bacterial Evolution // Trends in Genetics 12 (1996a): 289–290). С точностью фактов, описанных в статье, кажется, все в порядке, но, если бы мне пришлось публиковать ее сегодня, я бы постарался отыскать для нее более точное и осторожное название. Однако то название, которое мы дали статье, зафиксировало наше удивление контрастом между сохранностью генных последовательностей и изменчивостью порядка генов.

Разумеется, если биосфера выживает.

Статья, описывающая геном M. genitalium, называется «Минимальный набор генов бактерии Mycoplasma genitalium» (C. M. Fraser, J. D. Gocayne, O. White, M. D. Adams, R. A. Clayton, R. D. Fleischmann, C. J. Bult, A. R. Kerlavage, G. Sutton, J. M. Kelley et al. The Minimal Gene Complement of Mycoplasma genitalium // Science 270 (1995): 397–403). Однако, хоть и имея столь малое число генов, этот организм весьма специализирован и потому не может полагаться действительно «минимальным».

Уже после публикации оригинала этой книги такая модель в первом приближении была разработана (Lobkovsky AE, Wolf YI, Koonin EV. Gene frequency distributions reject a neutral model of genome evolution // Genome Biol Evol. 2013;5(1):233-42). Эта модель указывает на необходимость неравномерного распределения силы отбора, действующей на отдельные гены, для формирования характерной трехкомпонентной структуры генной вселенной.

Эволюция выбора кодонов – сложная и интересная проблема, которую мы здесь не можем рассмотреть сколько-нибудь детально (см.: Plotkin JB, Kudla G. Synonymous but not the same: the causes and consequences of codon bias Nat Rev Genet. 2011 Jan;12(1):32–42). Отметим лишь, что, как правило, оптимальный кодон соответствует наиболее высоко экспрессируемой тРНК для данной кодонной серии.

В простейших моделях процесс укладки белка имитируется посредством подгонки модельной последовательности на ортогональной решетке. В более реалистичных (или, вернее, менее нереалистичных) моделях от решетки отказываются в пользу свободной укладки модельной полимерной цепи. Эта техника более приближена к реальному процессу укладки белка, но и требует больше вычислительных ресурсов. По ряду соображений точность решеточной модели показалась слишком низкой для обсуждаемого здесь вопроса, поэтому мы использовали безрешеточную модель.

Это предположение хорошо согласуется с результатами более ранней работы того же Джорджа Занга, в которой показано, что «мгновенная» скорость эволюции (то есть скорость, измеренная путем сравнения ортологов из близких видов) гораздо лучше коррелирует с эффектом нокаута (важностью гена), чем скорость, измеренная на более протяженных эволюционных интервалах (Zhang J, He X. Significant impact of protein dispensability on the instantaneous rate of protein evolution. Mol Biol Evol. 2005 Apr;22(4):1147-55). С другой стороны, конечно же не следует забывать, что предложенная гипотеза имеет статистический характер и не относится к группе наиболее важных генов (например, гены рибосомных белков остаются незаменимыми на протяжении всей эволюционной истории).

Возможно также рождение нового гена из некодирующей последовательности, особенно в больших геномах многоклеточных организмов.

Многие читатели вспомнят теорию шести рукопожатий. Еще более знакомая иллюстрация встречается в журналах, бесплатно предоставляемых во время рейса большинством авиалиний. В следующий раз во время перелета взгляните на неизменно печатаемую на тыльной стороне журнала сеть авиатрасс – это прекрасный пример масштабно-инвариантной сети, с авиационными хабами в Атланте, Чикаго или Денвере. И конечно, Интернет – это тоже масштабно-инвариантная сеть. Увлекательное, и достаточно точное теоретически, рассмотрение сетей во всех сферах жизни можно найти в популярных книгах Альберта-Ласло Барабаши, одного из пионеров сетевой биологии (Linked. The New Science of Networks. New York: Perseus Press, 2002), и Дункана Ваттса (Six Degrees: The Science of a Connected Age. New York: W.W. Norton & Co., 2004).

Точнее, конечно, будет сказать, что каждый ген вносит вклад в разные биологические функции, поскольку все гены обладают той или иной степенью плейотропии.

У каждого важного открытия есть свои предшественники – нужно только повнимательнее поискать. Я думаю, это один из «универсальных законов» истории науки. Похоже на то, что «закон Ван Нимвегена» был впервые описан в статье о геноме синегнойной палочки, но без акцента на нем и без сколько-нибудь серьезного анализа (C. K. Stover, X. Q. Pham, A. L. Erwin, S. D. Mizoguchi, P. Warrener, M. J. Hickey, F. S. Brinkman, W. O. Hufnagle, D. J. Kowalik, M. Lagrou, R. L. Garber, L. Goltry, E. Tolentino, S. Westbrock-Wadman, Y. Yuan, L. L. Brody, S. N. Coulter, K. R. Folger, A. Kas, K. Larbig, R. Lim, K. Smith, D. Spencer, G. K. Wong, Z. Wu, I. T. Paulsen, J. Reizer, M. H. Saier, R. E. Hancock, S. Lory, and M. V. Olson. Complete Genome Sequence of Pseudomonas Aeruginosa PAO1, an Opportunistic Pathogen // Nature 406 (2000): 959–964).

По-видимому, многие из этих универсалий, во всяком случае те, которые математически представляются характерными функциями распределения, можно вывести из единого, чрезвычайно общего физического принципа, известного как принцип максимальной энтропии или принцип минимального производства информации (Jaynes, T. Probability Theory: The Logic of Science. Cambridge Univ Press, 2003). Вкратце и упрощая, можно сформулировать этот принцип так: любая макроскопическая величина, определяемая совокупностью многочисленных микроскопических процессов, принимает, с учетом необходимых ограничений, распределение с максимальной энтропией (то есть такое распределение, для получения которого требуется минимальная информация). Легко понять, что принцип максимальной энтропии тесно связан со вторым началом термодинамики. Применение этого принципа к биологической эволюции – глубокая и интересная тема, которую здесь, конечно, не раскрыть. Чрезвычайно содержательное обсуждение этих вопросов можно найти в статье Стивена Франка, с которой автор, к сожалению, познакомился уже после публикации оригинала этой книги (Frank SA. The common patterns of nature // J Evol Biol. 2009 Aug;22(8):1563-85).

Здесь надо вновь сделать упор на принцип максимальной энтропии.

К этому списку хочется добавить уже упомянутую статью Франка (Frank SA. The common patterns of nature. J Evol Biol. 2009 Aug;22(8):1563-85), которая представляет собой достаточно простое, удивительно четкое и интересное обсуждение универсальных распределений и принципа максимальной энтропии, а также статью автора этой книги, в которой обсуждается природа законов эволюционной геномики (Koonin EV. Are there laws of genome evolution? // PLoS Comput Biol. 2011 Aug;7(8):e1002173).

В действительности, хотя Дарвин не обсуждал микробов в печати, некоторые из его писем показывают значительный интерес к этой теме и ее понимание (M. A. O’Malley, What Did Darwin Say About Microbes, and How Did Microbiology Respond? Trends in Microbiology 17 [2009]: 341–347).

По всей вероятности, это предвзятый взгляд, но для меня волнение, вызванное прочтением этих первых геномов, буквально ни с чем не сравнимо.

Бимодальное распределение какой-либо величины редко встречается в природе, его появление указывает, что наблюдается нечто интересное.

Здесь непереводимая игра слов: по-английски такие гены называют ORFans. Это обозначение происходит, с одной стороны, от ORF, Open Reading Frame (открытая рамка считывания), a с другой стороны, от Orphans (сироты – то есть гены, у которых нет известных родственников).

Так в оригинале. Теперь автору представляется, что здесь было бы точнее сказать «еще не так давно были».

Первая публикация геномной последовательности гипертермофильной бактерии Aquifex aeolicus не смогла выявить дополнительные «архейные» гены, и в действительности даже однозначно заявляла об их отсутствии (G. Deckert, P. V. Warren, T. Gaasterland, W. G. Young, A. L. Lenox, D. E. Graham, R. Overbeek, M. A. Snead, M. Keller, M. Aujay, R. Huber, R. A. Feldman, J. M. Short, G. J. Olsen, and R. V. Swanson. The Complete Genome of the Hyperthermophilic Bacterium Aquifex Aeolicus // Nature 392 [1998]: 353–358). Идея о возможном обмене генами между археями и бактериями гипертермофилами определенно приходила авторам в голову. Единственная причина, по которой он не был обнаружен, заключалась в том, что геном Aquifex довольно маленький, но авторы не нормализовали число «архейных» генов к общему числу генов (или размеру генома). Как только подобная нормализация была сделана, она сразу же выявила поразительное преобладание «архейных» генов в сравнении с геномами мезофильных бактерий (L. Aravind, R. L. Tatusov, Y. I. Wolf, D. R. Walker and E. V. Koonin. Evidence for Massive Gene Exchange Between Archaeal and Bacterial Hyperthermophiles // Trends in Genetics 14 [1998]: 442–444).

А также и для разных функциональных групп генов.

Это представление несколько упрощенное, так как существенную роль играет и гомологичная рекомбинация. Однако основной вывод о необходимости замены мутантных генов интактными копиями не подлежит сомнению.

Это означает, что у прокариот трансляция начинается до завершения транскрипции, непосредственно на растущей молекуле мРНК. У эукариот такое сопряжение невозможно, так как транскрипция и трансляция пространственно разобщены ядерной мембраной (см. гл. 7). Любопытно, что в нашей заметке на эту тему мы с Биллом Мартином несколько поторопились, заявив, что сопряжение транскрипции и трансляции является определяющим признаком прокариот. Как выяснилось, в то время соответствующие экспериментальные данные об археях отсутствовали. Вообще говоря, такая неаккуратность в научной публикации никак не заслуживает поощрения. В этот раз, однако, все закончилось хорошо, поскольку наша заметка стимулировала эксперименты, которые убедительно продемонстрировали существование сопряжения у архей (French SL, Santangelo TJ, Beyer AL, Reeve JN. // Transcription and translation are coupled in Archaea. Mol Biol Evol. 2007 Apr;24(4):893-5).

К этому выводу следует отнестись с долей скепсиса: вполне вероятно, мы недооцениваем частоту и значение такого использования мобильных элементов.

Мы здесь пользуемся терминами «листья» и «вершины» в математическом, а не в биологическом смысле.

Эта глава преднамеренно кратка, и в ней без лишних отступлений описываются последние исследования, которые, на мой взгляд, отражают текущее состояние проблемы ДЖ. Интересный исторический обзор можно найти в книге Саппа, также включающей в себя обсуждение современного состояния «древесного мышления» (J. Sapp, The New Foundations of Evolution: On the Tree of Life Oxford. Oxford University Press, 2009). Еще более подробную панораму современного взгляда на ДЖ можно найти в двух сериях статей, написанных биологами совместно с философами (O’Malley, M. A., ed. (2010) Special Issue: The Tree of Life. Biology and Philosophy; Ragan, M. A., J. O. McInerney, and J. A. Lake, eds. (2009) Theme Issue: The Network of Life: Genome Beginnings and Evolution. Phil Trans R Soc B).

В оригинале NUTs (Nearly Universal Trees), весьма многозначное сокращение… Предоставляем читателям самим в этом разобраться.

Очевидная аналогия с космологической моделью Большого взрыва – моделью начала нашей Вселенной. В главе 12 и приложении II мы касаемся интерпретации Большого взрыва в современных космологических моделях.

Подчеркивая, таким образом, роль эндосимбиоза как эволюционного события, приводящего к возникновению принципиально новых групп организмов.

С тех пор как была написана эта глава, такое экспериментальное исследование было опубликовано – формирование филаментов архейными гомологами актина полностью подтвердилось (Ettema TJ, Lindes AC, Bernander R. An actin-based cytoskeleton in archaea // Mol Microbiol. 2011 May;80(4):1052-61).

То есть сплайсинг при помощи обратной транскриптазы, кодируемой другим интроном.

У архей этот белок участвует в процессинге малых РНК.

Уже после публикации английского оригинала этой книги на страницах солидных журналов разгорелись довольно жаркие дебаты о природе сходства внутриклеточной организации «ядерных» бактерий и эукариот (Devos DP, Reynaud EG. Evolution. Intermediate steps. Science. 2010 Nov 26;330(6008):1187-8; McInerney JO, Martin WF, Koonin EV, Allen JF, Galperin MY, Lane N, Archibald JM, Embley TM. Planctomycetes and eukaryotes: a case of analogy not homology // Bioessays. 2011 Nov;33(11):810-7; Reynaud EG, Devos DP. Transitional forms between the three domains of life and evolutionary implications // Proc Biol Sci. 2011 Nov 22;278(1723):3321-8; Devos DP. Regarding the presence of membrane coat proteins in bacteria: confusion? What confusion? Bioessays. 2012 Jan;34(1):38-9). Во второй из цитируемых статей мы с коллегами приводим ряд конкретных аргументов в пользу того, что это сходство представляет собой аналогию (то есть результат независимой эволюции внешне сходных черт), а никак не гомологию (то есть происхождение от общего предка). Мне эти аргументы и теперь кажутся вполне убедительными.

Лауреат Нобелевской премии по химии (вместе с Фредом Сэнгером) за разработку одного из двух первых эффективных методов секвенирования ДНК.

Сокращенные наименования видов: Aureococcus anophagefferens (Aano), Aedes aegypti (Aaeg), Agaricus bisporus (Abis), Anopheles gambiae (Agam), Allomyces macrogynus ATCC 38327 (Amac), Apis mellifera (Amel), Aspergillus nidulans FGSC A4 (Anid), Acyrthosiphon pisum (Apis), Arabidopsis thaliana (Atha), Babesia bovis (Bbov), Batrachochytrium dendrobatidis (Bden), Branchiostoma floridae (Bflo), Botryotinia fuckeliana B05.10 (Bfuc), Brugia malayi (Bmal), Bombyx mori (Bmor), Coccomyxa sp. C-169 (C169), Chlorella sp. NC64a (C64a), Caenorhabditis briggsae (Cbri), Caenorhabditis elegans (Cele), Coprinopsis cinerea okayama7#130 (Ccin), Cochliobolus heterostrophus C5 (Chet), Coccidioides immitis RS (Cimm), Ciona intestinalis (Cint), Cryptococcus neoformansvar. neoformans (Cneo), Chlamydomonas reinhardtii (Crei), Capitella teleta (Ctel), Capsaspora owczarzaki ATCC 30864 (Cowc), Dictyostelium discoideum (Ddis), Dictyostelium purpureum (Dpur), Drosophila melanogaster (Dmel), Drosophila mojavenis (Dmoj), Daphnia pulex (Dpul), Danio rerio (Drer), Entamoeba dispar (Edis), Entamoeba histolytica (Ehis), Emiliania huxleyi (Ehux), Fragilariopsiscylindrus (Fcyl), Phanerochaete chrysosporium (Fchr), Phaeodactylum tricornutum (Ftri), Gallus gallus (Ggal), Gibberella zeae PH-1 (Gzea), Hydra magnipapillata (Hmag), Helobdella robusta (Hrob), Homo sapiens (Hsap), Ixodes scapularis (Isca), Laccaria bicolor (Lbic), Lottia gigantea (Lgig), Micromonas sp. RCC299 (M299), Monosiga brevicollis (Mbre), Mucor circinelloides (Mcir), Mycosphaerella fijiensis (Mfij), Mycosphaerella graminicola (Mgra), Magnaporthe grisea 70–15 (Mgri), Melampsora laricis-populina (Mlar), Micromonas pusilla CCMP1545 (Mpus), Neurospora crassa OR74A (Ncra), Nematostella vectensis (Nvec), Nasonia vitripennis (Nvit), Ostreococcus sp. RCC809 (O809), Ostreococcus lucimarinus (Oluc), Oryza sativa japonica (Osat), Ostreococcus taurii (Otau), Phytophthora capsici (Pcap), Plasmodium falciparum (Pfal), Puccinia graminis (Pgra), Pediculus humanus (Phum), Phaeosphaeria nodorum SN15 (Pnod), Physcomitrella patens subsp. patens (Ppat), Phytophthora ramorum (Pram), Pyrenophora tritici-repentis Pt-1C-BFP (Prep), Proterospongia sp. ATCC 50818 (Prsp), Phytophthora sojae (Psoj), Paramecium tetraurelia (Ptet), Plasmodium vivax (Pviv), Plasmodium yoelii yoelii (Pyoe), Rhizopus oryzae (Rory), Sorghum bicolor (Sbic), Saccharomyces cerevisiae (Scer), Schizosaccharomyces japonicas yFS275 (Sjap), Schistosoma mansoni (Sman), Selaginella moellendorffii (Smoe), Schizosaccharomyces pombe (Spom), Spizellomyces punctatus DAOM BR1173 (Spun), Strongylocentrotus purpuratus (Spur), Sporobolomyces roseus (Sros), Sclerotinia sclerotiorum 1980 UF-70 (Sscl), Trichoplax adhaerens (Tadh), Theileria annulata (Tann), Tribolium castaneum (Tcas), Toxoplasma gondii (Tgon), Taenopygia guttata (Tgut), Theileria parvum (Tpar), Thalassiosira pseudonana (Tpse), Tetrahymena thermophila (Tthe), Ustilago maydis 521 (Umay), Uncinocarpus reesii 1704 (Uree), Volvox carteri (Vcar), Vitis vinifera (Vvin).

По различным аспектам сложности опубликовано огромное число книг, популярных и не очень, в том числе за авторством великого физика и автора теории кварков Мюррея Гелл-Манна (M. Gell-Mann. The Quark and the Jaguar: Adventures in the Simple and the Complex. New York: St. Martin’s Griffin, 1995). Более специальная книга Стюарта Кауфмана предлагает множество оригинальных идей об эволюции сложности (S. Kauffman. At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity. Oxford: Oxford University Press, 1996). Еще один, современный краткий текст-введение – N. Johnson. Simply Complexity: A Clear Guide to Complexity Theory. New York: Oneworld Publications, 2009.

На всякий случай – это не просто фривольная шутка, а отсылка к знаменитой фразе члена Верховного суда США Поттера Стюарта по поводу того, как распознать порнографию: «Когда я это вижу, я это узнаю».

Наиболее глубоко этот вопрос рассматривается, по-видимому, в работах Дэна Макши, например: D.W. McShea. Functional complexity in organisms: parts as proxies. Biology and Philosophy 15 (2000): 641–668, и в недавней интересной книге: Daniel W. McShea and Robert N. Brandon (2010). Biology’s First Law: The tendency for Diversity and Complexity to Increase in Evolutionary Systems. University of Chicago Pres: Chicago.

Информация эквивалентна колмогоровской сложности только для строго случайных последовательностей с предзаданными частотами символов. Геномные последовательности, как правило, не таковы – они заключают в себе зависимости между нуклеотидами в разных положениях. Несмотря на интуитивную понятность концепции колмогоровской сложности, не существует общей формулы для ее вычисления.

Эти вероятности не просто являются частотами, но теоретически должны задаваться непредвзятыми статистическими моделями для отдельных сайтов, которые, хоть и не известны в явной форме, аппроксимируются различными математическими моделями, точность которых растет с увеличением числа последовательностей в выравнивании.

Это, разумеется, статистическое утверждение. Невозможно исключить, что какая-то небольшая часть интронов выполняет важные функции и сохраняется в ходе эволюции именно по этой причине.

Макши и Брэндон в своей недавней книге формулируют «закон эволюции в условиях нулевой силы» (по аналогии с первым законом Ньютона), согласно которому эволюция популяции или экосистемы в отсутствие ограничивающего давления отбора ведет к увеличению сложности по чисто стохастическим причинам (Daniel W. McShea and Robert N. Brandon (2010). Biology’s First Law: The tendency for Diversity and Complexity to Increase in Evolutionary Systems. University of Chicago Pres: Chicago). По крайней мере формально сформулированное нами условие возникновения сложности согласуется с этим законом: сложность возникает только в условиях слабого, пусть и не нулевого, давления отбора.

Вероятно, не менее важна альтернативная транскрипция, которая также приводит к формированию разных белковых продуктов одного и того же гена.

Мы с коллегами недавно построили вероятностную модель, которая позволила экстраполировать имеющиеся данные и рассчитать, что геномы млекопитающих, скорее всего, кодируют примерно вдвое больше длинных некодирующих РНК, чем белков (Managadze D, Lobkovsky AE, Wolf YI, Shabalina SA, Rogozin IB, Koonin EV. The Vast, Conserved Mammalian lincRNome. PLoS Comput Biol. 2013 Feb;9(2):e1002917).

Вспомним здесь снова «закон нулевой силы», предложенный Макши и Брэндоном, согласно которому в отсутствие ограничений, накладываемых селекцией, эволюция идет именно в сторону усложнения (Daniel W. McShea and Robert N. Brandon (2010). Biology’s First Law: The tendency for Diversity and Complexity to Increase in Evolutionary Systems. University of Chicago Pres: Chicago). Справедливость этого «закона» сомнительна, учитывая закономерность, четко установленную для самых различных организмов, а именно высокую частоту делеций по сравнению со вставками в ходе эволюционного процесса (Kuo CH, Ochman H. Deletional bias across the three domains of life. Genome Biol Evol. 2009 Jun 27;1:145-52). Однако, если бы даже «закон нулевой силы» и выполнялся, приведенные здесь данные всего лишь означали бы, что в реальной эволюции ограничения перевешивают «нулевую» тенденцию.

Аналогичная реконструкция на основе более полной информации привела к еще более впечатляющим результатам, показывая, что общий предок архей, вероятно, имел даже более сложный геном, чем большинство современных свободноживущих форм (Wolf YI, Makarova KS, Yutin N, Koonin EV. Updated clusters of orthologous genes for Archaea: a complex ancestor of the Archaea and the byways of horizontal gene transfer. Biol Direct. 2012 Dec 14;7:46).

То есть задействования геномного мусора для выполнения биологических функций.

К моменту публикации русского перевода этой книги уже будет опубликована наша новая статья с Ю. И. Вульфом, в которой эта модель рассматривается более подробно, с использованием дополнительных данных (Wolf, Y. I., Koonin, E. V. (2013). Genome reduction as the dominant mode of evolution. BioEssays, in press).

Известный естественный теолог XVIII века Уильям Палей весьма ясно обрисовал проблему, разумно утверждая, что найденные во время прогулки по полям часы подразумевают существование часовщика. Этот ход мысли привел одновременно к современному движению «разумного дизайна» и знаменитому возражению Ричарда Докинза (R. Dawkins. The Blind Watchmaker: Why the Evidence of Evolution Reveals a Universe without Design. London: W.W. Norton & Co., 1996).

См. также недавнее обсуждение современного состояния концепции КНЭ: Stoltzfus A. Constructive neutral evolution: exploring evolutionary theory’s curious disconnect. Biol Direct. 2012 Oct 13;7:35.

Эта метафора широко используется в математических исследованиях случайных процессов.

Не сводится ли к этой нехитрой идее «закон нулевой силы», предложенный Макши и Брэндоном и неоднократно упоминаемый выше?

Речь не идет ни о каком нелепом антропоморфном восприятии прогресса – имеется в виду лишь простая интуиция, приравнивающая прогресс к постепенно увеличивающейся сложности.

В 1880 году знаменитый немецкий биолог Август Вейсман, в контексте своей теории зародышевой плазмы и изоляции зародышевой линии от сомы, взялся непосредственно опровергнуть наследование приобретенных признаков в серии опытов, ставших не менее знаменитыми, чем жираф, который, согласно Ламарку, приобрел длинную шею, поскольку его предки из поколения в поколение тянулись к листьям в кроне высоких деревьев (A. Weissmann. The Germ-Plasm. A Theory of Heredity. London: Charles Scribner’s Sons, 1893). Едва ли стоит упоминания, что у подопытных крыс с отрезанным Вейсманом хвостом не появилось не только бесхвостых крысят, но и вообще потомства со сколь-нибудь укороченным хвостом. Эксперименты Вейсмана нанесли серьезный удар по общественному восприятию идеи о наследовании приобретенных признаков, хотя, строго говоря, они не подпадают под концепцию Ламарка, которая, как уже говорилось, описывает наследование положительных изменений, в первую очередь вызванных постоянным использованием органа, но не требует наследования бессмысленных изменений. Ненаследование произвольных изменений, например обрезания у человека, было известно задолго до Вейсмана; утверждения о противном тем не менее были достаточно обычны во времена Вейсмана и, видимо, послужили непосредственным толчком к его опытам.

Вдохновленный идеями прогресса в биологической эволюции, яркий венский исследователь и популяризатор науки Пол Каммерер развернул в начале ХХ века серию исследований длиною в два десятилетия, чтобы продемонстрировать наследование приобретенных признаков (S. Gliboff. Protoplasm… Is Soft Wax in Our Hands’: Paul Kammerer and the Art of Biological Transformation. Endeavour 29 [2005]: 162–167; E. Pennisi. History of Science. The Case of the Midwife Toad: Fraud or Epigenetics? Science 325 [2009]: 1,194—1,195; A. O. Vargas. Did Paul Kammerer Discover Epigenetic Inheritance? A Modern Look at the Controversial Midwife Toad Experiments. Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution 312 [2009]: 667–678). Каммерер в основном экспериментировал с амфибиями, которые меняли цвет и брачные повадки в зависимости от факторов окружающей среды, таких как температура и влажность. Он настаивал, как ни удивительно, на том, что индуцированные изменения, которые он наблюдал, были полностью наследственными. Опыты Каммерера вызывали критику в связи с небрежностью документации и подозрительными, вероятно, фальсифицированными рисунками и фотографиями. Каммерер активно защищал свои выводы, но в 1923 году его карьера подошла к печальному концу после того, как известный британский генетик Уильям Бейтсон обнаружил, что брачные подушечки на ногах образцовой жабы-повитухи Каммерера, признак якобы передаваемый по наследству, на самом деле были инъецированы черными чернилами. Каммерер покончил с собой через два года после этого позорного разоблачения. Остается неясным, был ли Каммерер мошенником в самом худшем смысле этого слова; считается, что он мог использовать чернила, чтобы «усилить» действительно наблюдавшееся изменение цвета, – научная практика, не одобряемая уже в то время, не говоря о нашем, но все же далекая от вопиющего обмана. Результаты Каммерера могли объясняться как наличием у подопытных животных скрытой вариативности признаков, которая незаметно для него самого стала предметом отбора, так и возможной эпигенетической наследственностью. Если мы примем наиболее благоприятное для Каммерера объяснение, его опытная техника была чрезвычайно небрежной, даже если он и обнаружил не осознанные им важные явления. Что бы там ни произошло на самом деле, преданный широкой огласке скандал с Каммерером вряд ли поднял репутацию ламарковской теории наследования. Самое худшее для Ламарка было еще, впрочем, впереди.

Следующее примечание наверняка покажется многим читателям русского перевода этой книги примитивным. Однако оно написано для англоязычных читателей, многие из которых совсем или почти совсем не знакомы с этой трагической страницей истории.

Жестокая ирония ситуации состояла в том, что большевистские вожди Советского Союза горячо приветствовали Каммерера и едва не открыли ему в СССР лабораторию (S. Gliboff. Protoplasm… Is Soft Wax in Our Hands: Paul Kammerer and the Art of Biological Transformation. Endeavour 29 [2005]: 162–167). Несмотря на поразительные успехи русской генетики в 1920-х годах (вспомним имена Сергея Четверикова и Николая Вавилова), лидеры партии лелеяли идеи быстрого, планового и простого улучшения природы, в том числе и природы человека. Когда общая ситуация в стране стала тяготеть к массовому террору и голоду в 1930 году, подходящая команда была найдена под руководством агронома Трофима Лысенко. Лысенко и его подручные были вообще не учеными, а совершенно бесстыдными преступниками, использовавшими ненормальную ситуацию в стране, чтобы получить власть над советскими научными кругами и за их пределами (V. N. Soyfer. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics 2 [2001]: 723–729; V. N. Soyfer. Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 1994). Ламарковское наследование, которое лысенковцами, не без порочного хитроумия (с отчетливым оруэлловским оттенком), объявлялось «истинным дарвиновским» механизмом эволюции, было краеугольным камнем их «теории». Они довели идею Ламарка до гротескных крайностей, утверждая, например, что кукушки неоднократно возникали заново из яиц мелких птиц, и приводя это как пример особо примечательной адаптации. В последние годы, будучи уже отстранен от власти, Лысенко сохранил экспериментальную лабораторию, где он, как сообщается, кормил коров сливочным маслом и шоколадом в попытке вывести породы, стабильно дающие жирное молоко. Главным образом лысенковская «наука истинного дарвинизма» не была даже мошенничеством, поскольку ее адепты отнюдь не утруждали себя подделкой каких бы то ни было «экспериментов», а просто рассказывали свои идеологически вдохновленные сказки. Все это было бы смешно, если бы не тот факт, что многие несогласные заплатили буквально своей жизнью, и почти все исследования в области биологии в Советском Союзе были затруднены в течение десятилетий. Нет никаких оснований далее обсуждать здесь Лысенко; о лысенковщине было опубликовано несколько подробных работ (Zh. A. Medvedev. The Rise and Fall of T. D. Lysenko. New York: Columbia University Press, 1969; V. N. Soyfer. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics 2 [2001]: 723–729; V. N. Soyfer. Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 1994). Материалы печально известной сессии ВАСХНИЛ 1948 года, официально покончившей с генетикой, – документ одновременно потрясающе интересный и душераздирающий (О положении в биологической науке, стенограмма сессии VI. Всесоюзная академия сельскохозяйственных наук, 31 июля по 7 августа. М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948).

Как и почти любой запрет в биологии, центральная догма может оказаться не столь уж и незыблемой. Прямых путей передачи информации от белка к нуклеиновой кислоте, по-видимому, и правда нет, но способы обойти запрет могут существовать (Koonin EV. Does the central dogma still stand? Biol Direct. 2012 Aug 23;7:27). Мы еще вернемся к этой проблеме ниже.

История открытия cas-генов интересна и поучительна сама по себе, хоть и выходит за рамки основной темы этой книги. В нашем исследовании перекрывающихся цепочек генов в геномах прокариот, проделанном в 2002 году (см. гл. 5), группа cas-генов оказалась второй по величине связной геномной окрестностью после рибосомного супероперона (I. B. Rogozin, K. S. Makarova, J. Murvai, E. Czabarka, Y. I. Wolf, R. L. Tatusov, L. A. Szekely, and E. V. Koonin. Connected Gene Neighborhoods in Prokaryotic Genomes. Nucleic Acids Research 30 [2002]: 2,212—2,223). После тщательного анализа последовательностей Cas-белков мы предсказали, что эти белки представляют собой неизвестную ранее систему репарации ДНК (K. S. Makarova, L. Aravind, N. V. Grishin, I. B. Rogozin, and E. V. Koonin. A DNA Repair System Specific for Thermophilic Archaea and Bacteria Predicted by Genomic Context Analysis. Nucleic Acids Research 30 [2002]: 482–496). Такой прогноз, казалось, имеет смысл, если вспомнить различные роли нуклеаз, геликаз и полимераз в репарации. К сожалению, мы не исследовали соседних повторов. Только после независимого открытия фагоспецифичных спейсеров (A. Bolotin, B. Quinquis, A. Sorokin, and S. D. Ehrlich. Clustered Regularly Interspaced Short Palindrome Repeats (CRISPRs) Have Spacers of Extrachromosomal Origin. Microbiology 151 [2005]: 2,551—2,561; F. J. Mojica, C. Diez-Villasenor, J. Garcia-Martinez, and E. Soria. Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements. Journal of Molecular Evolution 60 [2005]: 174–182) все концы сошлись и появилась гипотеза о механизме антивирусного иммунитета, опосредованного CRISPR-Cas (K. S. Makarova, N. V. Grishin, S. A. Shabalina, Y. I. Wolf, and E. V. Koonin. A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes: Computational Analysis of the Predicted Enzymatic Machinery, Functional Analogies with Eukaryotic RNAi, and Hypothetical Mechanisms of Action. Biology Direct 1 [2006]: 7). Впоследствии ее основные положения были подтверждены опытным путем (R. Barrangou, C. Fremaux, H. Deveau, M. Richards, P. Boyaval, S. Moineau, D. A. Romero, and P. Horvath. CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes. Science 315 [2007]: 1,709—1,712; F. V. Karginov and G. J. Hannon. The CRISPR System: Small RNA-Guided Defense in Bacteria and Archaea. Molecular Cell 37 [2010]: 7—19). Из этого следует извлечь важный (и, в ретроспективе, самоочевидный) урок о том, что при интерпретации наблюдений следует принимать во внимание как можно больше фактов. Примечательный последний поворот в этой истории состоит в том, что по крайней мере один из Cas-белков, Cas1, присутствующий во всех системах CRISPR, действительно, по-видимому, способствует не только вставке спейсеров в CRISPR-кассеты, но и участвует в некоторых типах репарации (M. Babu, N. Beloglazova, R. Flick, C. Graham, T. Skarina, B. Nocek, A. Gagarinova, O. Pogoutse, G. Brown, A. Binkowski, S. Phanse, A. Joachimiak, E. V. Koonin, A. Savchenko, A. Emili, J. Greenblatt, A. M. Edwards, and A. F. Yakunin. A Dual Function of the CRISPR-Cas System in Bacterial Antivirus Immunity and DNA Repair. Molecular Microbiology 79 [2011]: 484–502). В конце концов, оказывается, что первоначальный прогноз не был полностью ошибочным, хотя принципиальная новизна открытия и была упущена.

Системы CRISPR-Cas чрезвычайно разнообразны, в том числе и в том, что касается молекулярных механизмов активности; точная комлементарность спейсера и мишени важна лишь для некоторых из них, в то время как другие удовлетворяются частичной комплементарностью, как РНК у животных (Semenova E, Jore MM, Datsenko KA, Semenova A, Westra ER, Wanner B, van der Oost J, Brouns SJ, Severinov K. Interference by clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) RNA is governed by a seed sequence. Proc Natl Acad Sci USA. 2011 Jun 21;108(25):10098-103).

Последние исследования показывают, что дело обстоит сложнее: в механизме действия CRISPR-Cas-систем, наряду с ламарковской схемой, явно прослеживается и дарвиновский путь эволюции, включающий случайные изменения в геноме с последующей селекцией. Показано, что первоначально CRISPR-Cas-система интегрирует многочисленные фрагменты генома фага, но затем лишь очень небольшая доля исходных спейсеров фиксируется под действием отбора и обеспечивает устойчивость данному фагу (Paez-Espino D, Morovic W, Sun CL, Thomas BC, Ueda K, Stahl B, Barrangou R, Banfield JF. Strong bias in the bacterial CRISPR elements that confer immunity to phage. Nat Commun. 2013;4:1430).

Дальнейшее, еще более детальное изучение CRISPR-Cas-систем заставляет считать это объяснение весьма правдоподобным. Действительно, CRISPR-Cas локусы бактерий и архей включают токсин-антитоксинные элементы, которые, видимо, функционируют в тесном взаимодействии с собственно иммунным компонентом CRISPR-Cas (Makarova KS, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV. Live virus-free or die: coupling of antivirus immunity and programmed suicide or dormancy in prokaryotes. Biol Direct. 2012 Nov 14;7:40).

Интереснейшее явление капацитации, безусловно, еще недостаточно изучено, так что далеко идущие интерпретации экспериментов следует воспринимать максимально осторожно. Так, независимая серия экспериментов показывает, что эффект инактивации HSP90 обусловлен не демаскированием скрытой вариабельности, а активацией транспозонного мутагенеза (Specchia V, Piacentini L, Tritto P, Fanti L, D’Alessandro R, Palumbo G, Pimpinelli S, Bozzetti MP. Hsp90 prevents phenotypic variation by suppressing the mutagenic activity of transposons. Nature. 2010 Feb 4;463(7281):662-5). Примечательно, однако, что и в этих экспериментах HSP90 выступает как суппрессор вариабельности.

Прионы стали знамениты именно этим, когда было показано, что таинственные «вирусы» скрэйпи овец и коровьего бешенства, а также некоторых редких фатальных неврологических заболеваний у людей на самом деле представляют собой «инфекционные белки» (M. F. Tuite and T. R. Serio. The Prion Hypothesis: From Biological Anomaly to Basic Regulatory Mechanism. Nature Reviews Molecular Cell Biology 11 [2010]: 823–833). Выяснилось, что механизмы репликации прионов, лежащие в основе их инфекционности, включают в себя автокаталитическую пролиферацию белковых агрегатов (в 1997 году за это открытие Стенли Прузинеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине; S. B. Prusiner. Prions. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 95 [1998]: 13,363—13,383; G. Vogel. Prusiner Recognized for Once-Heretical Prion Theory. Science 278 [1997]: 214) и, как это обычно случается с поразительными открытиями в области биологии, хоть и новы и непредвиденны (хотя, в определенном смысле, Курт Воннегут и предсказал их в «Колыбели для кошки»), не нарушают центральную догму и принцип ПОР.

Отметим, не вдаваясь в детали, что эти выводы следует воспринимать с максимальной осторожностью, как сугубо предварительные. Имеются аргументы в пользу другой трактовки, согласно которой [PSI+] вовсе не имеет какой-либо функции, а представляет собой «эпигенетическую болезнь» (Wickner RB, Edskes HK, Bateman D, Kelly AC, Gorkovskiy A. The yeast prions [PSI+] and [URE3] are molecular degenerative diseases. Prion. 2011 Oct-Dec;5(4):258-62; Wickner RB, Fujimura T, Esteban R. Viruses and Prions of Saccharomyces cerevisiae. Adv Virus Res. 2013;86:1-36).

Непереводимая игра слов: survival of the fittest – survival of the flattest; ясно, что «плоский» в этом контексте по сути означает наиболее устойчивый к мутациям.

Этот «обобщенный опережающий эффект» логично рассматривать как прямое нарушение центральной догмы (Koonin EV. Does the central dogma still stand? Biol Direct. 2012 Aug 23;7:27). Однако важно отметить, что это нарушение проявляется на феноменологическом уровне, но не на уровне фундаментальных молекулярных механизмов, в которых нет ничего необычного.

Здесь следует сделать еще одно замечание личного характера: мои собственные исследования в эволюционной геномике начались с вирусов в 1984 году. К тому времени небольшие геномы вирусов были единственными полными геномными последовательностями, и их, ожидающих сравнительного анализа, было уже тридцать или около того, от разных хозяев (животных, растений, бактерий). По-видимому, в то время лишь немногие исследователи осознавали ключевое различие между геномом, то есть полной генетической информацией организма (пусть такого, как вирус, который во многом зависит от хозяина), с его собственной эволюционной историей, и доступными тогда последовательностями фрагментов геномов клеточных форм жизни. В то время не существовало четкого разграничения между функциональной и эволюционной геномикой, так как большая часть последовательности каждого генома была terra incognita: попытки предсказания функций вирусных белков шли рука об руку с усилиями по воссозданию эволюционных взаимоотношений (не то чтобы сейчас такого взаимодействия не было, но часто оно не так очевидно). По большому счету, оба направления были плодотворны. Это было невероятно захватывающее время.

Многое здесь основывается на первой статье, касающейся гипотезы мира вирусов (E. V. Koonin, T. G. Senkevich, and V. V. Dolja. The Ancient Virus World and Evolution of Cells. Biology Direct 1 (2006): 29), где можно найти множество ссылок. В этой главе я цитирую в основном публикации по вопросам эволюции вирусов, не вошедшие в статью 2006 года, или ключевые работы, появившиеся позже ее публикации.

В случае эгоистичных элементов не вполне очевидно, какую форму агент-специфической нуклеиновой кислоты следует обозначать как геномную. Для полноценных вирусов геном традиционно – и разумно – определен как инкапсидированная форма (включенная в капсид и вирион), служащая поэтому в качестве распространяемого генома. Для лишенных капсида генетических элементов определение дать труднее, но все еще имеет смысл предложить считать геномом инфекционную форму, в тех случаях, когда таковая есть.

Мой общий подход в этой книге заключается в том, чтобы переносить все мои личные воспоминания и ассоциации в эти примечания. Пусть это будет единственным исключением – его предмет слишком важен для меня лично и может представлять некоторый интерес и для других.

Геном (+)РНК-вируса, лишь отдаленно родственного известным вирусам этого класса, был обнаружен в горячих источниках, заселенных почти исключительно археями, в результате метагеномного анализа. Однако для идентификации природного хозяина этого вируса еще требуется большая экспериментальная работа.

Как нетрудно было ожидать, совсем недавно у нематод были обнаружены и вполне типичные вирусы (Fe?lix MA, Ashe A, Piffaretti J, Wu G, Nuez I, Be?licard T, Jiang Y, Zhao G, Franz CJ, Goldstein LD, Sanroman M, Miska EA, Wang D. Natural and experimental infection of Caenorhabditis nematodes by novel viruses related to nodaviruses. PLoS Biol. 2011 Jan 25;9(1):e1000586; Franz CJ, Zhao G, Fйlix MA, Wang D. Complete genome sequence of Le Blanc virus, a third Caenorhabditis nematodeinfecting virus. J Virol. 2012 Nov;86(21):1194).

За не столь долгое время, прошедшее с момента сдачи в набор оригинала этой книги, анализ метагеномов принес немало новых открытий, пожалуй, еще более удивительных, чем описанные здесь. За последний год или два стало рутиной собирать полные вирусные геномы из метагеномных последовательностей. Для некоторых семейств вирусов эти виртуальные геномы уже перекрывают разнообразие, открытое стандартными методами. Так, исключительно путем исследования метагеномов было обнаружено разнообразие геномов оцДНК бактериофагов, о котором до этого не подозревали (Roux S, Krupovic M, Poulet A, Debroas D, Enault F. Evolution and diversity of the Microviridae viral family through a collection of 81 new complete genomes assembled from virome reads. PLoS One. 2012;7(7):e40418). Сходным образом, к трем известным геномам вирофагов (см. ниже) было добавлено пять новых геномов, собранных из метагеномных библиотек (Zhou J, Zhang W, Yan S, Xiao J, Zhang Y, Li B, Pan Y, Wang Y. Diversity of virophages in metagenomic data sets. J Virol. 2013 Apr;87(8):4225-36). Сообщается и об открытии принципиально новых типов вирусных геномов, таких как, например, гибрид оцДНК и оцРНК вирусов (Diemer GS, Stedman KM. A novel virus genome discovered in an extreme environment suggests recombination between unrelated groups of RNA and DNA viruses. Biol Direct. 2012 Jun 11;7:13). Эти исследования не просто приводят к открытию новых групп вирусов, но меняют саму парадигму вирусологии: если традиционно вирус изолировали из организма хозяина, а затем определяли последовательность генома, то теперь накапливается все больше разнообразных геномов «в поисках вирусов и хозяев». Представляется вероятным, что в скором времени такие геномы будут составлять основу наших знаний о вирусах.

Уже упоминавшаяся игра слов: ORFan – производное от Open Reading Frame (открытая рамка считывания), Orphan – сирота; в английском произношении эти слова практически неразличимы.

Нобелевская премия по физиологии или медицине 2009 года была присуждена Элизабет Блекберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за открытие теломеразы (G. Vogel and E. Pennisi. Physiology Nobel. U.S. Researchers Recognized for Work on Telomeres. Science 326 (2009): 212–213). Это, конечно, по любому счету замечательное открытие, но понятно, что отчасти побудительным мотивом для награждения служили последствия удлинения или укорочения теломер, вызываемые, соответственно, высоким или низким уровнем экспрессии теломеразы, для рака и старения. Поэтому особенно интересно, что такой важный и значимый для медицины фермент пришел прямиком из мира вирусов.

На ум приходит метафора корабля Тезея, которую неоднократно использовал в обсуждении эволюции генома Антуан Данчин: вопрос, который якобы задали Дельфийскому оракулу – если в корабле героя (о котором с любовью заботились благодарные граждане) постепенно заменить все доски на новые, возможно, из другого материала и даже чуть иной формы, но общие очертания останутся узнаваемыми, будет ли это все тот же корабль? «Правильного» научного определения тождественности не может существовать (см. прил. I), но внутри контекста и следуя логике нашего изучения мира вирусов разумным ответом кажется «да» (хотя и со множеством но).

Ли ван Вален предложил эту гипотезу в явной форме в 1973 году (L. Van Valen. A New Evolutionary Law. Evol. Theory 1: 1—30). Ее название происходит от знаменитой сцены из «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, где Красная Королева объясняет Алисе: «Ну а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте» (пер. Н. Демурова).

В совсем недавней работе мы с коллегами даем консервативные количественные оценки числа генов, кодирующих системы защиты у разнообразных бактерий и архей, и приводим данные, свидетельствующие о тесном и сложном взаимодействии между этими системами (Makarova KS, Wolf YI, Koonin EV. Comparative genomics of defense systems in archaea and bacteria. Nucleic Acids Res. 2013 Mar 6).

По-видимому, существует тесное сопряжение между системами ПКС и системами активной защиты, такими как CRISPR-Cas и рестрикция-модификация. Говоря в несколько антропоморфных терминах, когда защитные системы не справляются с инфекцией, они посылают сигнал бедствия системам ПКС, и клетка совершает самоубийство, что позволяет избежать заражения других клеток в той же колонии. По-видимому, эволюция альтруизма, в такой простейшей форме, возможна и у прокариот (Makarova KS, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV. Live virus-free or die: coupling of antivirus immunity and programmed suicide or dormancy in prokaryotes. Biol Direct. 2012 Nov 14;7:40; Makarova KS, Wolf YI, Koonin EV. Comparative genomics of defense systems in archaea and bacteria. Nucleic Acids Res. 2013 Mar 6).

В последнее время обнаруживаются все более разнообразные системы взлома защиты, кодируемые бактериофагами. Пожалуй, наиболее поразительный пример – недавнее открытие у нескольких бактериофагов собственной системы CRISPR-Cas, которая содержит спейсеры, инактивирующие рестрикционные системы бактерии-хозяина (Seed KD, Lazinski DW, Calderwood SB, Camilli A. A bacteriophage encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host innate immunity. Nature. 2013 Feb 28;494(7438):489-91).

Как уже отмечалось выше, иногда сокращение LUCA расшифровывается несколько по-другому: Last Universal Cellular Ancestor (последний универсальный клеточный предок). Это, по-видимому, точнее, так как обычно подразумевается именно общий предок всех существующих клеточных форм жизни.

Дуглас Теобальд опубликовал амбициозную статью, в которой заявил, что может привести формальное подтверждение существования LUCA, не зависящее от сходства последовательностей универсальных белков архей, бактерий и эукариот (D. L. Theobald. A Formal Test of the Theory of Universal Common Ancestry. Nature 465 [2010]: 219–222). Однако более тщательный анализ его подхода показывает, что его аргументы все равно содержат скрытое предположение о сохранении последовательностей (E. V. Koonin and Y. I. Wolf. The Common Ancestry of Life. Biology Direct 5 [2010a]: 64).

Мембранные фосфолипиды архей – простые терпеноидные эфиры глицерол-1-фосфата, в то время как бактериальные фосфолипиды – сложные эфиры жирных кислот и глицерол-3-фосфата, таким образом липиды в этих двух царствах различаются не только химическим составом, но и хиральностью.

Аналогии с историей человеческой цивилизации (включая, само собой, науку) очевидны и, следует думать, поучительны: существование lingua franca заметно ускоряет прогресс, тогда как изолированные общества останавливаются в своем развитии и в конце концов обречены на вымирание.

Имеются и существенно иные варианты этой гипотезы. Так, в нашей недавней работе с Арменом Мулкиджаняном и другими коллегами приводятся достаточно серьезные геохимические и биохимические аргументы в пользу того, что благоприятные условия для ранней эволюции и возникновения первых клеток существовали вблизи наземных, а не морских геотермальных источников и что сети неорганических ячеек, в которых могла происходить эволюция, скорее состояли из сульфида цинка, а не сульфида железа (Mulkidjanian AY, Bychkov AY, Dibrova DV, Galperin MY, Koonin EV. Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proc Natl Acad Sci USA. 2012 Apr 3;109(14):E821-30). Однако главное здесь – принципиальная идея о существовании абиогенной компартментализации, которая только и могла обеспечить условия для эволюции.

Совсем недавние исследования, возможно, проливают свет на эту проблему. Так называемые L-формы бактерий (в частности, бацилл) лишены клеточной стенки и делятся очень простым способом, без участия сложного бактериального аппарата клеточного деления. Говоря кратко, деление L-форм происходит чисто механически, за счет напряжения в мембране, возникающего при росте клетки. Вполне вероятно, что похожим способом делились первые протоклетки (Koonin EV, Mulkidjanian AY. Evolution of cell division: from shear mechanics to complex molecular machineries. Cell. 2013 Feb 28;152(5):942-4; Briers Y, Walde P, Schuppler M, Loessner MJ. How did bacterial ancestors reproduce? Lessons from L-form cells and giant lipid vesicles: multiplication similarities between lipid vesicles and L-form bacteria. Bioessays. 2012 Dec;34(12):1078-84).

Важно заметить, что такой переход с одного уровня селекции на другой, по-видимому, лежит в основе многих принципиальных инноваций в эволюции жизни, в частности возникновения многоклеточных организмов, как обсуждается в знаменитой книге Мейнард-Смита и Сатмари (Maynard-Smith, J. and Szathmary, E. (1998) The Major Transitions in Evolution. Oxford University Press, Oxford). Оглядываясь назад, в данной книге этому важнейшему аспекту эволюции уделяется недостаточное внимание. Если автору когда-нибудь доведется работать над новым изданием, это будет исправлено.

Согласно недавно предложенной гипотезе Черной Королевы (названной по очевидной аналогии со знаменитой концепцией Красной Королевы – см. гл. 10), такая кооперация путем разделения функций является одним из главных факторов всей эволюции микробных сообществ (Morris JJ, Lenski RE, Zinser ER. The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. MBio. 2012 May 2;3(2).

Напомним, что репликация и экспрессия вирусного генома в простейшем случае происходят вне вириона.

Выше мы уже отмечали новые данные, указывающие на возможность существования примитивных мембран на стадии LUCAS, это может частично снять отмеченный парадокс (Koonin EV, Mulkidjanian AY. Evolution of cell division: from shear mechanics to complex molecular machineries. Cell. 2013 Feb 28;152(5):942-4).

Те, кто вынужден был в свое время изучать «диалектический материализм», странный коктейль, который якобы должен был формировать философские основы марксизма в Советском Союзе и других странах социалистического лагеря, никогда не забудут определения Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел». Если мы отодвинем в сторону отвращение от безжалостного заколачивания этой формулы, вместе с другими драгоценностями марксистской мудрости, в наши бедные мозги, то заметим, что она не так уж плохо звучит и в наше время, хоть и тривиальна и в значительной степени не относится к делу.

Недавно опубликован интересный сравнительный обзор определений жизни (Trifonov EN. Vocabulary of definitions of life suggests a definition. J Biomol Struct Dyn. 2011 Oct;29(2):259-66), с многочисленными комментариями, в основном весьма критическими, написанными в том числе Джеком Шостаком (напомним, одним из лауреатов Нобелевской премии за открытие теломеразы) (Szostak JW. Attempts to define life do not help to understand the origin of life. J Biomol Struct Dyn. 2012;29(4):599–600) и автором этой книги (Koonin EV. Defining life: an exercise in semantics or a route to biological insights? J Biomol Struct Dyn. 2012;29(4):603-5).

Примечательным исключением являются самовоспроизводящиеся прионы, которые мы кратко упоминали в гл. 9. Несмотря на то что прионы формально представляют собой высшую форму сильной эпигенетической наследственности (вплоть до того, что они могут выступать как инфекционные агенты), основанную исключительно на белках, синтез прионных белков по-прежнему полностью зависит от обычной, основанной на нуклеиновых кислотах клеточной системы передачи информации.

Это два класса неродственных, широко распространенных нуклеотид-связывающих доменов.

Джон Уолкер (будущий лауреат Нобелевской премии за структуру мембраны АТФазы) и его коллеги впервые описали фосфат-связывающую петлю в 1982 г. (J. E. Walker, M. Saraste, M. J. Runswick, and N. J. Gay. Distantly Related Sequences in the Alpha– and Beta-Subunits of ATP Synthase, Myosin, Kinases, and other ATP-Requiring Enzymes and a Common Nucleotide Binding Fold. EMBO Journal 1 [1982]: 945–951) как мотив, присутствующий в двух субъединицах H+-АТФазы и ряде других АТФ-связывающих белков, имеющих мало иного структурного сходства между собой или вовсе несходных. Неожиданная консервация этого мотива в самых разнообразных вирусных белках была предметом моей самой первой работы в вычислительной биологии (Горбаленя А. Е., Блинов В. М., Донченко А. П., Кунин Е. В. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология 11 [1985]: 30–36). Я полагаю, что точное попадание в наиболее консервативный белковый мотив в столь ранней работе было сочетанием счастливого случая и «предпочтительного присоединения».

Весьма поучительно просто взглянуть на опубликованную модель пространственной структуры рибосомы, основанную на результатах рентгеноструктурного анализа (работа, которая принесла Нобелевскую премию Аде Йонат, Венки Рамакришнану и Томасу Стейтцу) (Steitz TA. A structural understanding of the dynamic ribosome machine. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008 Mar;9(3):242-53). Хотя рибосома включает только три молекулы РНК и около 50 молекул белков, РНК намного больше по размеру, так что рибосома выглядит как гигантский конгломерат шпилек и петель РНК с небольшими вкраплениями белков – эта картина сама по себе напоминает нам об РНК-мире.

К сожалению, это примечание не было сделано в английском оригинале, пусть оно будет хотя бы в русском переводе: эта секция представляет интерес только для тех читателей, кто, с одной стороны, хочет разобраться в деталях существующих представлений об эволюции трансляции, а с другой стороны, знаком с материалом на уровне курса молекулярной биологии. Остальные читатели потеряют не слишком много, перейдя сразу к следующему разделу.

«Теория» Опарина была отчасти ответом на требования философии «диалектического материализма», внушавшейся в Советском Союзе как часть общего марксистского мировоззрения и призывавшей к простому материалистическому (на практике часто механистическому и до смешного упрощенному) объяснению всех природных явлений. Пожалуй, не случайно, что первая короткая книга Опарина была напечатана издательством «Московский рабочий» (Опарин А. И. Происхождение жизни. М.: Московский рабочий, 1924). Александр Иванович Опарин был весьма одиозной личностью; он успешно подстраивался под переменчивую линию коммунистической партии на протяжении всей своей долгой и очень успешной карьеры, в ходе которой добрался до вершин советской научной иерархии. Его поведение в эпоху лысенковщины, и особенно после разгрома генетики в 1948 г., было столь позорным, насколько вообще возможно. Конечно, все это было чистым стремлением к выживанию, и Опарин прекрасно понимал важность генетики и начал недвусмысленно об этом говорить, как только Лысенко оказался не у власти. У меня была возможность встретиться с Опариным лично в 1971 г., когда я принимал из его рук приз за второе место в биохимической олимпиаде для средних классов. Он производил впечатление довольно отрешенного (скорее всего, из-за глухоты, от которой мало помогали тогдашние примитивные слуховые аппараты), но добродушного старого профессора.

Как уже отмечалось выше, в нашей недавней совместной работе с Арменом Мулкиджаняном и другими коллегами представлена серьезная альтернатива гипотезе Рассела о происхождении жизни в окрестностях глубоководных горячих источников (Mulkidjanian AY, Bychkov AY, Dibrova DV, Galperin MY, Koonin EV. Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proc Natl Acad Sci USA. 2012 Apr 3;109(14):E821-30; Mulkidjanian AY, Bychkov AY, Dibrova DV, Galperin MY, Koonin EV. Open questions on the origin of life at anoxic geothermal fields. Orig Life Evol Biosph. 2012 Oct;42(5):507-16). Вкратце дело сводится к фундаментальному обобщению, которое мы назвали «принципом химической консервативности». Этот принцип состоит в том, что соотношения концентраций основных ионов (в первую очередь калия, натрия, магния, цинка и фосфата) во всех клетках постоянны и, соответственно, по-видимому, не менялись на протяжении всей истории жизни на Земле. Эти соотношения более консервативны, чем любые клеточные или молекулярные структуры. В клетках современных организмов оптимальные концентрации ионов поддерживаются с помощью энергозависимых мембранных насосов, и, соответственно, организмы могут существовать в самых разнообразных условиях, в частности в морской воде, где соотношения концентраций ионов совсем другие, чем в клетках. Однако первые протоклетки, естественно, не могли иметь мембран современного типа, снабженных такими насосами (Mulkidjanian AY, Galperin MY, Koonin EV. Co-evolution of primordial membranes and membrane proteins. Trends Biochem Sci. 2009 Apr;34(4):206-15).

Соответственно, первые клетки могли возникнуть только в среде с «правильными» концентрациями ионов. A раз так, можно попытаться выяснить, где на Земле существуют или существовали в прошлом подходящие условия. Морская вода не подходит совершенно, в ней на порядки больше натрия, чем калия, а внутри клеток – наоборот; к тому же в морской воде почти нет фосфата, а в клетках его концентрация высока. Замечательным образом ионный состав, весьма напоминающий внутриклеточную среду, обнаруживается в конденсатах испарений наземных геотермальных источников, которые, как мы полагаем, и могли быть «колыбелями жизни». Эта гипотеза хорошо совместима с результатами сравнения структур древнейших паралогичных белков, в которых отмечается жесткая консервация сайтов связывания калия и фосфата.

Автор отдает себе полный отчет в том, что для некоторых, возможно, многих читателей содержание этого раздела не только противоречит здравому смыслу и устоявшемуся представлению о научном методе, но, что куда хуже, может подорвать доверие ко всей книге. Если у автора и были какие-то иллюзии по этому поводу, то довольно многочисленные комментарии, в том числе на сайте amazon. com, полностью их развеивают. По этому поводу хочется сделать несколько существенных замечаний. Во-первых, важно отдавать себе отчет в том, что теория бесконечной инфляции и гипотеза мультивселенной, на которых основан этот раздел, – это ни в коей мере не философские, а физические концепции. Очень важно, что, хотя прямое наблюдение других вселенных, видимо, невозможно в принципе, наша собственная Вселенная могла сохранить следы инфляционных процессов, которые с неизбежностью вели к мультивселенной (и первые такие следы, похоже, уже обнаружены – см. примечание в конце этого раздела). Вполне вероятно, что теория бесконечной инфляции научна в самом жестком смысле, то есть фальсифицируема (Adrienne L. Erickcek, Marc Kamionkowski, Sean M. Carroll. A Hemispherical Power Asymmetry from Inflation http://arxiv.org/abs/0806.0377). Во-вторых, следует подчеркнуть, что эти теории ни в коей мере не были созданы для объяснения происхождения жизни. Их авторы не имели в виду ничего подобного, их интересовало лишь объяснение некоторых важных особенностей структуры нашей Вселенной, которые трудно объяснить иначе (см. приложение II). В более субъективном плане хочется отметить, что этот раздел ни в коей мере не является главным в книге, цель которой – обсуждение новых представлений о всем эволюционном процессе, многие из которых уже хорошо обоснованы, без специального упора на гипотезы происхождения жизни. Для автора крайне огорчительно, когда читатели обращаются в первую очередь к этому разделу (было бы, однако, ошибкой предупреждать против этого в предисловии – несомненно, эффект был бы тем же самым, что и в случае Венедикта Ерофеева, предупреждения которого по поводу состоявшей полностью из ныне законодательно запрещенных в России выражений главы «Серп и Молот – Карачарово» в его бессмертной поэме привели к тому, что юные читательницы только ее и читали). Именно во избежание этого «эффекта Ерофеева» автор рассматривал возможность перенести весь этот материал в приложение. Однако это не было сделано по соображениям интеллектуальной честности – автор считает представленные здесь идеи важными, хотя и никак не центральными в книге.

Имеется в виду начало эволюции путем естественного отбора (и дрейфа), а не формирование видов, которое понимал под «дарвиновским порогом» Карл Вёзе.

Конечно, это формулировка «слабого» антропного принципа как единственно разумной научной интерпретации антропного рассуждения. Так называемый «сильный» антропный принцип – это телеологическое представление о том, что наше человеческое существование является, в некоем загадочном смысле, «целью» эволюции Вселенной. Как таковая, эта идея не принадлежит к области науки (J. D. Barrow and F. J. Tipler. The Anthropic Cosmological Principle. Oxford: Oxford University Press, 1988).

Интересно и важно отметить, что, в то время как готовился русский перевод этой книги, анализ наблюдений радиоастрономического зонда «Планк» выявил гетерогенность реликтового микроволнового излучения, которая предсказывается теорией инфляции (Planck Collaboration: P. A. R. Ade, N. Aghanim, C. Armitage-Caplan, M. Arnaud, M. Ashdown, F. Atrio-Barandela, J. Aumont, C. Baccigalupi, A. J. Banday, R. B. Barreiro, M. Bartelmann, J. G. Bartlett, E. Battaner, K. Benabed, A. Benoot, A. Benoit-L?vy, J.-P. Bernard, M. Bersanelli, P. Bielewicz, J. Bobin, J. J. Bock, A. Bonaldi, J. R. Bond, J. Borrill, F. R. Bouchet, F. Boulanger, J. W. Bowyer, M. Bridges, M. Bucher, C. Burigana, R. C. Butler, B. Cappellini, J.-F. Cardoso, R. Carr, M. Casale, A. Catalano, A. Challinor, A. Chamballu, R.-R. Chary, X. Chen, L.-Y Chiang, H. C. Chiang, P. R. Christensen, S. Church, D. L. Clements, S. Colombi, L. P. L. Colombo, F. Couchot, A. Coulais, B. P. Crill, A. Curto, F. Cuttaia, L. Danese, R. D. Davies, R. J. Davis, P. de Bernardis, A. de Rosa, G. de Zotti, et al. (218 additional authors not shown). Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results. arXiv:1303.5062 [astro-ph. CO]; Planck Collaboration. Planck 2013 results. XXII. Constraints on inflation arXiv:1303.5082 [astro-ph.CO]). И хотя это предварительные данные, от которых далеко до прямой поддержки МММ, вероятность того, что рассуждения в этом разделе книги вообще ни на чем не основаны, по-видимому, сильно упала.

Хотя и это не стоит сбрасывать со счета, поскольку ситуация с фондированием фундаментальных исследований, не имеющих немедленного практического выхода, мягко говоря, не улучшается.

Используя термин «ризома», я следую авторитетнейшему микробиологу Дидье Раулю (D. Raoult. The Post-Darwinist Rhizome of Life. Lancet 375 [2010]: 104–105) и цитирую знаменитый постмодернистский текст Делёза и Гваттари, которым «ризома» служила метафорой сложности мира в целом (G. Deleuze and F. Guattari. Thousand Plateaus: Capitalism and Schizophrenia. Minneapolis, MN: University of Minnesota Press, 1987; перевод: Делёз Ж., Гваттари Ф. Тысяча плато. Капитализм и шизофрения / Пер. с франц. Я. Свирский. Екатеринбург: У-Фактория, 2010). Замена одной биологической метафоры (дерева) другой (ризомой) весьма уместна.

Подобно взаимодействию между частицами в жидкости или твердом теле, в отличие от идеального газа.

Исследование весьма общих моделей эволюции на пересеченных ландшафтах показывает, что во многих случаях дело обстоит именно так (Lobkovsky AE, Koonin EV. Replaying the tape of life: quantification of the predictability of evolution. Front Genet. 2012;3:246).

Совсем недавно этот вездесущий транскрипционный шум послужил поводом для беспрецедентной шумихи и чуть ли не скандала вокруг заявлений проекта ENCODE о функциональности 80 % последовательностей в геноме человека, к тому же не совсем точно истолкованных журналистами (ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature 2012;489:57–74). С точки зрения эволюционной биологии подобные утверждения смехотворны. С одной стороны, в небольших популяциях, как у млекопитающих, очищающий отбор в принципе не может контролировать эволюцию таких гигантских количеств генетического материала, а с другой стороны, совершенно бессмысленная транскрипция большей части генома неизбежна по той же самой причине: слабый отбор не в состоянии ей эффективно препятствовать. Эти и подобные аргументы приводятся в нескольких интересных статьях, направленных на опровержение утверждения авторов ENCODE (Graur D, Zheng Y, Price N, Azevedo RB, Zufall RA, Elhaik E. On the Immortality of Television Sets: «Function» in the Human Genome According to the Evolution-Free Gospel of ENCODE. Genome Biol Evol. 2013 Jan;5(3):578-90; Niu DK, Jiang L. Can ENCODE tell us how much junk DNA we carry in our genome? Biochem Biophys Res Commun. 2013 Jan 25;430(4):1340-3. Doolittle WF. Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE. Proc Natl Acad Sci USA. 2013 Apr 2;110(14):5294-300). Эта громкая история чрезвычайно поучительна: она показывает, что понимание простых принципов эволюционной теории незаменимо для самых актуальных и практически важных исследований в современной биологии.

Подчеркнем, что связь между геномом и фенотипом не только сложна. По-видимому, многие ее аспекты не детерминированы в принципе. Далеко идущие следствия этого положения еще необходимо изучить и понять.

Уже после публикации оригинала этой книги такое исследование было проведено и выявило существенные различия в свойствах разных типов ландшафтов (Lobkovsky AE, Wolf YI, Koonin EV. Quantifying the similarity of monotonic trajectories in rough and smooth fitness landscapes. Mol Biosyst. 2013 Mar 4).

Слово «открытие» здесь употребляется вполне сознательно – имея в виду открытие именно вирусного мира, а не вирусов как таковых (они были открыты более ста лет назад). До последнего времени мы не имели сколько-нибудь разумного представления о масштабах, а значит, по сути, и о существовании этого мира.

Сам термин «империя» идет от интереснейшего дебата между двумя великими эволюционистами, Эрнстом Майром и Карлом Вёзе. Однако они спорили лишь о классификации клеточных форм жизни: Вёзе настаивал на трехдоменной схеме, а Майр, на основании чисто биологических соображений, считал, что «правильные» империи – прокариоты и эукариоты (Mayr E. Two empires or three? Proc Natl Acad Sci USA. 1998 Aug 18;95(17):9720-3; Woese CR. Default taxonomy: Ernst Mayr’s view of the microbial world. Proc Natl Acad Sci USA. 1998 Sep 15;95(19):11043-6). Автор этой книги имел честь консультировать Эрнста Майра по поводу эволюции архей и удостоился благодарности в статье. Это, похоже, редчайший повод для «законной гордости».

Насколько нам известно в настоящее время. Гипотеза Черной Королевы, уже упоминавшаяся выше, предполагает, что даже для этих организмов некоторые вещества поставляются другими членами микробного сообщества (Morris JJ, Lenski RE, Zinser ER. The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. MBio. 2012 May 2;3(2).

Здесь мы говорим о прогрессе в исследованиях, который, несомненно, имеет место, – в отличие от прогресса в эволюции.

В недавней популярной книге «Высший замысел» Стивен Хокинг и Леонард Млодинов пишут: «Что касается законов, управляющих Вселенной, скажем следующее: непохоже, чтобы существовала единая математическая модель или теория, которая могла бы описать всю Вселенную. Вместо этого… возникает целая сеть теорий, называемая М-теорией. Каждая из теорий в сети М-теории хорошо описывает явления в определенных рамках. Там, где их границы перекрываются, различные теории в этой сети согласуются, так что все они могут считаться частями одной и той же теории. Но нет ни одной теории, которая была бы в состоянии описать все аспекты Вселенной: все силы природы, частицы, подверженные этим силам, и структуру пространства-времени, в котором разворачивается их действие. Хотя в этой ситуации и не сбывается мечта традиционной физики о теории великого объединения, она приемлема в рамках модельно-зависимого реализма» (S. W. Hawking and L. Mlodinow. The Grand Design. London: Bantam, 2010. Р. 58). Вероятно, трезвая оценка, весьма далекая от надежды на то, что «мы прочитаем мысли Бога», выражением которой завершается ставшая классической книга Хокинга «Краткая история времени» (S. W. Hawking. A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes. London: Bantam, 1988; перевод: Хокинг С. Краткая история времени / Пер. с англ. Н. Смородинской. М.: Амфора, 2010).

По знаменитому выражению Эрнеста Резерфорда.

А с другой точки зрения, только предсказательная сила.

Приложение представляет собой переработанную статью E. V. Koonin. The Cosmological Model of Eternal Inflation and the Transition from Chance to Biological Evolution in the History of Life. Biology Direct 2 (2007): 15.

Существование связи между ландшафтом в теории суперструн и инфляционной мультивселенной не бесспорно.