Насколько случайно происходит эволюция? — Кевин Верстрепен на TEDxFlanders

Насколько случайно происходит эволюция? Это видео предлагает взглянуть по-новому на генетику и на то, как она вписывается в теорию Дарвина. Кевин Верстрепен объясняет, как могла бы происходить эволюция, подобная эволюции Ламарка, и как это могло бы улучшить теорию эволюции в целом.

Здравствуйте!

Это научный доклад, поэтому,
пожалуйста, заблокируйте выходы,

чтобы никто не убежал,
и посмотрим, к чему мы придём.

Мой доклад об эволюции.
О ней много было сказано,

и многое было сделано.

Я хотел бы предупредить:

организаторы предоставили мне только
два с половиной часа для выступления,

поэтому я должен
рассказать об эволюции коротко.

Я собираюсь опустить
и упростить многое,

и вам придётся с этим смириться.

Но надеюсь, что вы поймёте
мои утверждения.

Эволюция. Все знают её теорию

или думают, что знают её.

Она постоянно развивается,
что очень важно.

Мы многое понимаем.

Есть много фактов в пользу
теории эволюции.

Нет ни одного учёного,
действительно пользующегося

научными методами,
учитывающего факты

и использующего теории,
который сомневался бы в теории эволюции.

Это не означает,
что теория эволюции не изменяется.

Мы постоянно открываем что-то новое
и должны её приспосабливать.

Это очень важно.
Некоторые люди думают,

что поскольку мы иногда
открываем что-то новое

и нуждаемся в небольших
изменениях этой теории,

то она из-за этого неверна.

И взамен они предлагают теорию
совершенно без доказательств

и думают, что это
гораздо лучший вариант.

Я так не думаю.

Давайте начнём с этого человека.

Как видите, он одет по моде —
он француз.

Жан Батист Ламарк.

Он одним из первых предложил
последовательную теорию эволюции.

Он сделал много чего другого,
но его теория особенная.

Один из аспектов его теории в том,

что он верил в наследование
приобретённых признаков.

Под этим он имел в виду следующее.

Взгляните на этих жирафов.

Этот пример хорошо
иллюстрирует идею Ламарка.

Все знают, что у жирафа
необыкновенно длинная шея.

Каким образом его шея
становится длинной?

Он пытается есть листья на дереве.

И вытягивает свою шею.

Поэтому у детёныша жирафа
шея станет чуть более длинной.

И это повторяется снова и снова,
и так шея у жирафа становится длинной.

Нам это кажется немного упрощённым,
но на самом деле это великолепная идея.

Он исходил из имеющихся данных.

Замечательная теория,
но неправильная.

Потом появился Дарвин.

О идеях Дарвина было сказано
и сделано уже достаточно,

особенно в прошлом году.

Он был великим человеком.

Среди прочего,

он ввёл два основных понятия,

а именно, изменчивость и отбор.

В отношении к изменчивости
он просто сказал:

«Эти жирафы не вытягивают шеи —
может быть,

и вытягивают, но они рождаются
с короткими и длинными шеями.

Просто имеются природные
различия между жирафами.

Счастливчики с длинными шеями могут
доставать до большего количества листьев».

Как вы знаете, о сексе думают
только после удовлетворения голода,

так что — (Смех)

— они будут размножаться,
потому что они не будут голодны.

У них родятся детёныши
с немного более длинными шеями,

и так происходит эволюция.

Это касается отбора,

а кроме него имеется
естественная изменчивость.

Он не говорил, как осуществляется
естественная изменчивость,

у него не было ответа на этот вопрос.

Он много думал над этим.

Но он разделил
эти два процесса друг от друга,

что вызвало много споров,

потому что это было очень жестоким

способом осуществления эволюции.

Какие-то жирафы умирают.

Несчастные жирафы
с короткими шеями умирают.

Этот человек

выглядит очень непреклонным.

Он немец. (Смех)

Август Вейсман, великий биолог.

Одна из вещей, которые он сделал, —

он попытался доказать,
что изменчивость и отбор

совершенно независимы
друг от друга.

Он попытался избавиться

от старой идеи Ламарка и доказать,
что нет никакой связи

между длиной шеи жирафа и тем,
что он делал в течение своей жизни, —

пусть даже он вытягивался,

чтобы доставать до деревьев.

Он прославился благодаря

одному из своих экспериментов,

хотя и не самому лучшему:

он брал мышей сразу же после того,
как они рождались,

отрезал им хвосты
и потом разводил их дальше.

Как только рождались
новые детёныши,

он снова отрезал им хвосты,
и так далее.

В конце концов он наблюдал следующее:

все новые мыши, детёныши,

даже после того как он проделывал это
в течение 30 поколений,

по-прежнему имели хвосты
такой же длины, как мыши вначале.

Это отличный способ
опровергнуть Ламарка.

Я думаю, ему надо было бы расслабиться,
откинуться в кресле,

поразмышлять о мужской части
еврейского населения,

и тогда вовсе не надо было бы
ставить этот эксперимент. (Смех)

Однако он, я думаю, обнаружил
нечто гораздо более важное.

У него есть действительно
удивительные работы.

А именно, он сказал,

что даже в начале нашей жизни,
на стадии зародыша,

клетки, служащие для размножения,

которые он называл гоноцитами,

отделены
от остальной части зародыша.

Здесь они показаны
маленькими точками.

Они отделяются, и все мы знаем,
куда они попадают в конце концов.

Он сделал сильное утверждение,

в котором он был

совершенно прав, —

он говорил, фактически,

что когда жираф вытягивает свою шею,
он не вытягивает свои семенники.

Поэтому как это может повлиять
на эмбриональные клетки?

Это очень сильное утверждение,
и, кроме того,

по крайней мере для сложных организмов,

это отделило изменчивость
и отбор друг от друга.

Силы, которые производят отбор,

не зависят от ваших изменений.

Несколько позже

эти два утончённых джентльмена,
Лурия и Дельбрюк,

работали в Колд Спринг Харбор в США,

где они проделали
ряд удивительных экспериментов.

За один из них они получили
Нобелевскую премию.

Они работали с этим вирусом,

который немного похож
на лунный посадочный модуль,

но чуть меньше его в размерах.

Он называется бактериофагом.

Это хорошая новость для всех вас.

Если вы не учёные,
вы можете не знать,

что бактерии, от которых мы болеем,

тоже могут болеть, у них тоже есть
вирусные инфекции.

Среди всех организмов не заболевают

только сами вирусы.

Но бактерии схватывают
вирусные инфекции

и даже умирают от них,

и как раз это они изучали.

Они также хотели проверить,

зависит ли изменчивость от отбора.

Они придумали
очень умный эксперимент.

Они сказали: «Давайте начнём
с одной бактериальной клетки.

Обеспечим её большим количеством
пищи, чтобы она произвела

множество маленьких бактерий.
Они всегда делятся, как вы знаете.

Бактерии размножаются
путём деления надвое

и создают клоны самих себя,

генетически идентичные клетки —
вот так это происходит.

Они сказали:

«Эти бактерии постоянно делятся.

В какой-то момент мы введём вирус

и посмотрим, что произойдёт».

Когда вирус поражает
большое количество бактерий,

небольшому количеству бактерий
всегда удаётся выжить.

Это связано с их генетикой, произведённые
ими бактерии тоже выживают,

так что это явно генетический признак —

что-то случилось с их ДНК,
с их генетическим материалом.

Итак, что-то случилось.

Некоторые из этих бактерий устойчивы.

Возникает вопрос:

происходит ли это изменение до того,

как бактерии вступили в контакт с вирусом?

Или только когда мы
заражаем культуру,

сотни миллионов клеток,

некоторым вдруг удаётся
стать устойчивыми?

Это очень интересный вопрос.

Они поступили очень умно.

Они сказали: «Допустим,
существует механизм,

с помощью которого,
когда вы заражаете бактерию вирусом,

она пытается стать устойчивой
каким-то образом.

Если механизм существует,

тогда, если вы проделаете это

со ста миллионами клеток
несколько раз,

получится, что каждый раз
примерно одно и то же количество бактерий

будет становиться устойчивыми.

Эдакие счастливчики.

А если предположить, что некоторые бактерии
становятся устойчивыми

в процессе размножения, — отмеченные здесь
синими точками — мы получим

очень разные результаты
при повторении этого эксперимента.

Потому что может произойти вот что:

вот бактерия, которая становится
устойчивой к вирусу

на очень поздней стадии размножения.

Это единственная во всей популяции

устойчивая бактерия,
которую не убивает вирус.

Это похоже на лотерейный выигрыш,

на азартную игру.

В самом начале при размножении
первой клетки

одна из двух дочерних клеток

или, может быть, родительская клетка
становится устойчивой

и начинает делиться.
И теперь половина вашей культуры —

речь идёт о миллионах клеток — устойчива.

Так что получается
очень большая разница.

Итак, они провели эксперимент

и пришли

к следующему выводу:

они доказали математически,

что, определённо, некоторые бактерии
в этой популяции

были устойчивы к вирусу, с которым они
никогда раньше не встречались.

Но, опять-таки, изменчивость
не должна зависеть от отбора.

Я утверждаю,
и другие люди утверждают,

что в эксперименте имеется
довольно серьёзное упущение.

И я не говорю, что они не заслуживают
Нобелевской премии,

они определённо заслуживает её.

Но у этого эксперимента
есть следующий недостаток:

они вводят смертельный вирус,
и, быть может,

у бактерии есть механизм
выработки устойчивости

или терпимости к этому вирусу,

но не к такому,
который убивает её мгновенно.

Возможно, им надо было бы использовать
более слабое воздействие,

более умеренный отбор.

Так что проблема в этом.

Позже, конечно,

когда Уотсон, Крик и Розалинд Франклин

открыли структуру ДНК

и молекулярные исследования
начали становиться популярными,

мы как бы собрали воедино
всё из теории эволюции,

образовав новую
синтетическую теорию эволюции.

Это современная теория эволюции,

согласно которой происходят
более или менее случайные

изменения в коде ДНК,

не зависящие от отбора,

и они приводят к различиям между нами.

Вот почему некоторые из нас

не могут подхватить СПИД,
а большинство может.

Это действительно так.

Вот вкратце суть данной теории.

Но это ещё не всё.

Мы видим, что появляется

всё больше и больше
свидетельств того,

что на самом деле всё не так просто.

И, возможно, изменчивость и отбор

не настолько независимы,
как считали некоторые.

Я узнал об этом

во время исследований в этом году —

я работал над своей диссертацией
в лаборатории по изготовлению пива.

Для студента
это очень подходящее место,

чтобы начать исследования.

Я изучал дрожжевые клетки —

это, между прочим, великолепная
генетическая модель организма.

Тому, кто работает с пивом,
трудно добиться того,

чтобы его воспринимали всерьёз

потенциальные спонсоры
или слушатели на конференции.

Я говорю: «Поверьте мне, я делаю очень
серьёзные генетические эксперименты».

Среди прочего я изучал

дрожжевые клетки,
которые слипаются вместе.

Это называется коагуляцией.

Вы видите здесь кучу
слипшихся дрожжевых клеток,

они оседают в этой культуре.

Это важно для пива, потому что
это происходит в конце брожения.

В этом состоит разница
между прозрачным пивом,

не содержащим дрожжевых клеток,

и тем, которое мы называем
«светлым пивом» или «пшеничным пивом»,

в котором всё ещё
плавают дрожжевые клетки.

Мы пытались разобраться
в генетике этого процесса.

Мы обнаружили ген,

ответственный за коагуляцию.

Особенность этого гена в том,

что он содержит исключительно

нестабильную среднюю часть.

Этот ген, конечно, состоит из ДНК,
как и любой другой ген.

Средняя часть этой ДНК
исключительно нестабильна.

Она изменяется гораздо больше,
чем любая другая часть ДНК.

В частности,

она содержит так называемые
«тандемные повторения».

Это участок ДНК, который повторяется
снова и снова.

Он гораздо длиннее того,
что вы видите здесь, но идея понятна.

Он неустойчив из-за того,

что количество повторов
меняется очень быстро.

Каждый раз, когда ДНК копируется,

имеется довольно высокая вероятность того,
что это количество изменится.

Об этом было давно известно,

но люди не ожидали
слишком многого внутри генов.

Обычно эти тандемные повторы
встречаются вне генов.

Но здесь и в некоторых других генах
они встречаются.

Есть участок ДНК
или определённый ген,

который меняется быстрее,
чем другие гены.

В данном случае это означает,
что коагуляция изменяется,

так что это конкретное
свойство дрожжей —

вы можете сравнить
его с длинной шеей —

меняется быстрее, чем некоторые
другие свойства дрожжей.

Если вы думаете,

что это характерно

только для дрожжевых клеток,
вы ошибаетесь.

Примерно одновременно
с нашей публикацией

вышла большая публикация о собаках.

Не знаю, думали ли вы об этом,

но собаки одни из наиболее
изменчивых существ

на Земле.

Особенно это касается их формы.

Просто посмотрите

на этих чихуахуа и сенбернара.

Они относятся к одному и тому же виду.

В принципе, подчёркиваю,

от них можно получить потомство.

Будем просто надеяться,
что чихуахуа не самка.

(Смех)

Их вывели люди.

Мы создали этих собак
путём отбора.

Но мы не потратили на это
много времени.

И в эволюционном плане
это новое явление.

Совершенно новое —

они вывелись
за очень короткий период времени.

Среди прочего было обнаружено,

что один из ключевых регуляторов,
который регулирует, —

я опять-таки говорю о гене —

это регулирующий ген,
и он определяет форму черепа.

По сути дела, и форму собаки.

Он также содержит
нестабильные тандемные повторы.

Эти исследователи обнаружили

явную корреляцию между тем,

сколько повторов
имеется в этом гене,

и тем, насколько изогнута морда

или насколько она длинная.

Они также обнаружили, что из-за некоторых
других изменений в другом регулирующем гене

появляется шестой палец.

Вроде этого маленького
дополнительного пальца.

Я этого не знал, но это признак

особой породы собак —
немецких догов.

И вот почему это произошло.

Это произошло
за очень короткий период времени,

и теперь люди
считают этот шестой палец

признаком.

Так что ясно, что это происходит
не только с дрожжами.

Более того,

люди уже знали об этом,

и мы также это исследуем —

речь идёт о концах хромосом.

Хромосомы представляют собой
пакеты ДНК,

именно так наша ДНК
расположена в клетке.

Концы хромосом

изменяются гораздо быстрее.

Там более часто случаются мутации.

ДНК не так уж стабильна.

Гены, которые в ней находятся,
изменяются.

Вам интересно знать,
какие гены находятся там у человека?

Это гены, из-за которых мы, например,

имеем запах.

Конечно, мы должны распознавать
много различных запахов,

и эти гены копируют самих себя

и меняются очень быстро.

У растений совершенно другой механизм,

немного более сложный.

Я расскажу об этом коротко.

Существует особый белок,

который ведёт себя как мать.

Этот белок является матерью клетки.

Он проверяет
все другие маленькие белки,

спрашивая: «У тебя всё в порядке?

Ты не очень хорошо выглядишь.
Вот твоё пальто.

Ты должен вести себя так,
не веди себя так».

Он вроде матери-учительницы.

Таким образом белок действительно
заботится о том,

чтобы даже при небольших мутациях,

изменениях в других белках,
они всё ещё вели бы себя правильно.

А если они не будут вести себя правильно,
они будут уничтожены.

Воздействие стресса —

а у растений тоже бывает стресс —

в биологии называется отбор.

Это означает, что вы
не приспособлены к условиям.

Это означает, что вы
чувствуете бремя эволюции,

давящее на вас довольно сильно.

При стрессе функция белка-матери

слегка ослабляется.

Эти растения вдруг начинают
вести себя неправильно.

Они становятся странными.

Потому что вдруг проявляются
некоторые мутации,

которые раньше не были видны.

Хотя она и не доказана, но, похоже,
может оказаться верной теория о том,

что это может служить механизмом

для попытки избежания стресса.

Потому что иногда полезно

быть непохожим на свою мать.

Возможно, некоторые из этих растений

лучше переносят стресс.

Они приспособятся. Но может оказаться,
что эта мутация будет исправлена,

и так далее.

Ещё один пример от бактерий.

Я опять-таки скажу об этом кратко.

Бактерии под воздействием стресса

активизируют — просто чтобы
произвести впечатление на вас,

это не очень важно — при стрессе

они активизируют другой белок
для копирования их ДНК.

Конечно же, белок для копирования ДНК —
очень важный белок.

Потому что он не должен совершать
много ошибок.

Из-за таких ошибок
происходят изменения в ДНК

и естественные различия.

Поэтому ошибки нужны только
в небольшом количестве,

потому что большое количество изменений
не идёт на пользу.

Было бы не так уж хорошо, если бы
шея у жирафа была в три раза длиннее,

потому что сердце
не справлялось бы с этим.

Но при стрессе, опять-таки,

очевидно, что иногда нужно выбирать
между смертью и риском.

Бактерии могут делать
рискованную ставку.

Они активизируют ген,
который очень неаккуратен.

Так ДНК копируется, но в ней происходит
гораздо больше изменений.

Возможно, хотя это и трудно доказать,

это стратегия бактерий, помогающая им
одержать верх над отбором,

над эволюционным давлением,
которое на них оказывается.

Ещё более хороший пример —
вот эти водяные блохи.

Опять же, ситуация
довольно загадочная.

Плавающие водяные блохи —

красивые организмы.
Они имеют хищников.

Если в семействе водяных блох
съедают отца,

какие-то химические вещества
попадают в воду,

и это вызывает образование шипа вот здесь,
который называется «спина».

Шип делает водяную блоху
менее привлекательной для хищников.

Всё это хорошо,
не часто мы встречаем ситуацию,

когда химическое вещество вызывает
некое изменение в строении.

Странно то, что у детей этой водяной блохи
тоже будет «спина».

Даже если они
никогда не видели хищника.

Даже если там вообще
не станет хищников.

Они будут иметь её на протяжении
некоторого времени,

в течение нескольких поколений.

Это очень похоже на Ламарка,
не так ли?

Что-то происходит
в течение жизни этого организма.

Что-то меняется, и эта информация
передаётся детям.

Это уже похоже на Ламарка.

Означает ли это, — и это важно —

что теория эволюции действительно
нуждается в основательной переработке?

По моему мнению,
абсолютно нет.

Я думаю, что люди часто
неправильно понимали то,

что я говорил и публиковал.

Недавно это произошло
в этом голландском журнале,

где я написал то,
о чём говорю вам сейчас.

А вот их обложка.

Выглядит так,
как будто я копаю яму под Дарвином.

Нет.

Вот что Дарвин написал в точности

об изменчивости и отборе.

Он говорил:
«Я писал в своей книге

о естественной изменчивости
как о совершенно случайном явлении.

Как будто это было
делом чистого случая.

Но, конечно, в действительности
я не имел это в виду.

Это просто означает, что я на самом деле
не знаю, что происходит.

Возможно, это гораздо более
сложный механизм».

Дарвин был исключительно умным.
Он думал о своей теории.

Он точно знал, где её слабые места

и где он не должен отдавать предпочтение
одной из возможностей.

Только потом мы отошли,

может быть,
слишком далеко от Ламарка.

На самом деле он не так уж отрицательно
относился к теории Ламарка.

Хотя это не означает,
что теория Ламарка верна.

Я всё ещё считаю, что изменения
в основном случайны,

но то здесь, то там происходят
небольшие изменения,

которые делают эволюцию немного
менее случайной, чем совершенно случайной.

Я имею в виду, что путём эволюции
выработались механизмы,

которые делают её
не только делом чистого случая.

Вы можете задаться вопросом,

как такое может быть.

Я отвечу, что это происходит
в процессе эволюции.

Предположим, что ген становится
очень нестабильным

и что это ген, следящий за порядком, —

ему не нужно меняться.

Или не нужно меняться слишком быстро.

Или, когда он меняется,
это в основном идёт во вред.

Если такой ген становится нестабильным,

это становится огромным недостатком
для его организма.

Поэтому в результате отбора
он исчезнет.

Однако если возникает ген,

например, который делает череп
немного более гибким,

как у жирафа, и, возможно,

появляется больше жирафов
с более длинными шеями,

тогда, если такой ген возникает, —

по чистой случайности —

он может дать преимущество организму
и остаться.

Как и раньше, он будет нестабильным.

Возможно, именно так
происходило развитие.

Как я уже сказал, мою работу иногда
истолковывают неправильно.

Иногда это довольно забавно.
Особенно, когда этим занимаются люди,

верящие в «разумный замысел»,
одно из направлений креационизма.

Вот это было наиболее забавным.

Это сайт под названием
«Необычное происхождение».

Заголовок уже говорит сам за себя.

Эти люди не верят
в общее происхождение,

которое, конечно, лежит в основе
теории эволюции.

Итак, мы с коллегой из США
опубликовали статью —

тогда я ещё работал в США.

В этой статье мы более глубоко обсуждали то,
о чём я говорю сейчас,

и мы знали, что некоторые люди
могли бы это неправильно истолковать.

Так, в кратком изложении статьи,

которое прочитает каждый,

мы специально написали,
что наши идеи не противоречат Дарвину.

Но когда они прочитали статью,

они всё же захотели
истолковать её по-своему.

Они сказали: «Чтобы опубликовать это
в известном научном журнале,

авторам нужно было написать,
что их идеи не идут вразрез с Дарвином,

но сами они так не считают.

Это просто секретное рукопожатие,
чтобы попасть в этот хороший журнал».

Да уж, секретное рукопожатие.

К счастью, там был —

это становится довольно забавным
из-за реакции на форуме —

я сам едва могу разобрать это,
но постараюсь прочитать.

Это один из отреагировавших людей —

он цитирует куски из нашей статьи,

и говорит: «Склонная к ошибкам ДНК,
копируя ферменты,

вызывает вспышки изменчивости
при стрессе.

Похоже, что эти механизмы приводят к тому,
что изменчивость данного свойства

начинает соответствовать
изменчивости отбора».

Мы это действительно писали.

Но он говорит: «Это выглядит почти как
встроенный механизм реагирования.

Кто бы подумал. Дарвин мёртв!»
Вот что он пишет.

Однако есть люди, которые истолковали
нашу статью правильно

и отреагировали на его комментарии.

Забавно читать это обсуждение,

потому что подключаются
сторонники «разумного замысла».

Они все одна большая семья.

Всё это забавно —
мне очень нравятся эти обсуждения.

Я не имею ничего против людей,
поддерживающих разные теории.

Они просто неправы,

но с ними забавно спорить.

Теперь я хочу кое-кого поблагодарить.

Я должен выразить признательность
всем людям,

которые трудолюбиво работают
в моей лаборатории,

и, возможно, пока мы сейчас говорим,
они получают новые результаты,

чтобы я мог сделать ещё один хороший доклад
и быть героем в этой аудитории.

Они прикованы к своим стульям.

Я должен не забыть
накормить их вечером.

Они настоящие герои лаборатории.

Их намного больше, конечно,

не только наша группа
занимается исследованиями.

Для тех, кто занимается наукой
и хочет узнать больше об этом,

вот некоторые из публикаций.

Вот главная из них,
где мы обсуждаем все эти темы.

На сайте есть
дополнительная информация.

А вот это тоже очень важно —

это люди, которые нас финансируют.

Не лично меня, а исследования.

Спасибо.