Млекопитающие по большому счету отличаются друг от друга не набором генов и даже не вариантами генов, а тем, когда они включаются-выключаются. На самом деле на словах это люди понимали довольно давно — на уровне рукомахания. Но полвека это был такой треп, теоретический, а последние лет десять эти вещи можно потрогать руками, смотреть глазами, в компьютер вложить и начать сравнивать. К сожалению, хорошо это делать очень дорого, но становится проще. В первой статье про транскриптомы единичных клеток их было, по-моему, штук триста, и это была статья в Nature. А сейчас в нормальных статьях их тридцать тысяч — или уже триста тысяч.
Можно делать геномы единичных клеток и, например, смотреть филогению нейронов. Какая была бы наивная картина? Ну, вот есть мозг, и в каждом участке мозга нейроны — родственники друг другу, потому что какая-то клеточка делилась, и ее потомки сформировали этот участок. Оказывается, ничего подобного: нейроны, которые находятся в одном месте, генетически друг другу очень далекие родственники. Настолько далекие, что их общий предок мог вообще не быть предшественником нейронов, он был какой-то более ранней клеткой. А их функциональная идентичность определяется тем, в какое место они попали.
Задним числом понятно, что инженерно это очень правильное решение. Почему? Представим себе, что участок мозга — это потомки одной клетки. Это означает, что если в процессе онтогенеза эта клетка случайно умерла, то у вас исчез целый участок, потому что клетки, которые из нее должны были развиться, не появились. А ситуация, когда идентичность нейрона определяется тем, куда он попал, гораздо более устойчива. Потому что даже если какие-то клетки в процессе онтогенеза случайным образом погибают, а это неминуемо, то место их потомков занимают другие. Это гораздо более устойчиво, чем жесткая иерархия.
Есть еще одно полезное приложение клеточной филогенетики — реконструкция истории раковых опухолей. Это те же древесные методы. Можно смотреть, в каком порядке появлялись мутации, как различаются клоны, каково происхождение метастазов.
Таким образом, область применения молекулярных деревьев на самом деле гораздо шире, чем кажется на первый взгляд. Скажем, эмбриология на уровне геномов — т. е. какие клетки от каких происходят. Это можно дополнить транскриптомикой и описывать дифференцировку клеточных типов и тканей. Филогения рака — это такая опрокинутая эмбриология, дедифференцировка, регрессия к ранним клеточным типам.
— А в России есть возможность у кого-то делать транскриптомы единичных клеток?
— В России с единичными клетками работают, хотя мало где. Коллеги из Института биологии гена делали структуру хроматина в единичных клетках дрозофилы; мы с ними потом эти данные обрабатывали — и получилась хорошая статья.
Потом — это моя любимая история — получается, что у насекомых с полным превращением в куколке воспроизводится транскрипционная программа эмбриона. Не так ярко, как хотелось бы, но немножко получается. Так что evo-devo — то, что люди давно хотели, — теперь можно делать арифметически.
«Вопрос из схоластического превращается в чисто вычислительный»
— Если вернуться к общей биологии. Я всем задавала вопрос: изменились ли критерии вида? Вообще, что считать видами? И было общее мнение, что виды — это, безусловно, реальность, но критерии вида размываются.
— Ну вот неандертальцы — это отдельный вид или нет?
— Ну, есть разные мнения. Но скрещивание происходило.
— Скрещивание-то происходило, но мальчики были дохлые. Оно было успешным, потому что мы его потомки, но при этом оно было не вполне успешным, потому что гибриды мужского пола, видимо, были слабо фертильными, и это мы тоже видим в геномах.
— И как из этого ответить на вопрос, отдельный ли это вид?
— Эта проблема была всегда, только она решалась на уровне разговоров. А сейчас для нее возможны некоторые количественные оценки.
— Я и пыталась всех вывести на количественные оценки.
— Есть классической определение, которое я услышал от Алексея Симоновича Кондрашова: вид — это такой набор особей, между которыми происходит свободный обмен генетическим материалом.
— Бывает так, что группы в природе изолированы, и свободного обмена не происходит, но если их «посадить в одно ведро» (не мое выражение), то особи вполне могут размножаться.
— Есть много разных схем экспериментов. Например, вы сажаете вместе самца одного вида и самку другого, и они начинают размножаться, потому что делать им нечего. А если бы у самки был выбор, то она бы взяла самца своего вида, а на того бы внимания не обратила. Это классическая вещь: должен быть эксперимент с соревнованием. Второй вариант. Есть наездники, два разных вида, они совершенно не скрещиваются — не дают потомства. Но они превращаются в один вид, если их накормить тетрациклином, потому что скрещиваться им не дают вольбахии. Вообще, в биологии всегда есть серые зоны. Есть понятные крайности и есть более или менее широкие переходные ситуации. Нормальный биолог к этому относится без невроза.
— Зоологи ищут количественный уровень молекулярных различий, который мог бы служить критерием вида. И в разных группах он разный.
— Совершенно верно. В разных группах он разный, и человек от шимпанзе отличается один раз на 100 букв, а два экземпляра дрозофилы друг от друга тоже отличаются один раз на 100 букв. Значит, с точки зрения дрозофилы, человек и шимпанзе — это один вид. Но потомства не получается, проверено: энтузиасты этим делом сто лет назад занимались.
В принципе, можно для каждого семейства собрать людей, которые им занимаются, и они примут решение, что, скажем, у жуков мы выделяем один вид при таком-то сходстве такого-то гена, а у бабочек — при таком-то сходстве другого гена… Но, во-первых, я не очень понимаю, чем это будет полезно, — это всё равно не содержательное, а техническое определение. Во-вторых, всё равно будет куча исключений, потому что в биологии всегда бывает куча исключений, и всё равно таксономисты будут ругаться. В-третьих, это надо будет действительно делать отдельно для каждого таксона, что само по себе, по-моему, очень смешно. Будет толстый справочник: в таком отряде вид — столько-то процентов сходства по такому гену, а в другом отряде вид — другое количество процентов по другому гену. И на каждой странице печать соответствующего департамента.
Правильная подход, но на порядки более дорогой — это секвенировать геномы заметного количества особей того и другого вида, а дальше посмотреть, есть ли поток аллелей туда или сюда. Если потока аллелей не было — значит, это разные виды. Если вы видите, что они много раз гибридизовались и еще продолжают — значит, это один вид, дальше можно делить на подвиды, как хотите, — вот только что такое с дальневосточными тиграми проделали: поделили на подвиды по геномам. Понятно, что в подавляющем большинстве случаев для этого не будет денег, но для каких-нибудь важных и находящихся под угрозой исчезновения видов понимать генетическую структуру популяции необходимо, в частности, чтобы правильно планировать защитные мероприятия: сохранять все подвиды, но при этом их не перемешивать.
Возвращаясь к evo-devo. Мы понимаем, что для видообразования существенны изменения в регуляции, которые меняют морфологию и физиологию. Они тоже происходят в результате мутаций, но при этом доля таких мутаций мала. Поэтому определение вида, основанное просто на сходстве последовательностей, даже и концептуально не очень хорошо, потому что меряет время расхождения популяций, но не содержательные различия.
Вот есть классические цихлиды в африканских озерах; у них идет взрывное видообразование, и при этом они свободно скрещиваются. То есть свободно они как раз не скрещиваются — не хотят, — но если им не давать выбора, то они будут скрещиваться, и получится предковая форма, серенькая. Поскольку там виды очень молодые, то они генетически, по последовательностям, очень похожи, а морфологически они довольно разные. Опять-таки, это означает, что у них какие-то конкретные гены немножко по-другому работают. Поэтому, например, форма рта получается разная, и в итоге кто-то соскребатель, кто-то — хищник, а кто-то — подбиратель со дна или с поверхности. И окраска разная — это важно, чтобы мальчики и девочки узнавали друг друга, а не других. Но при этом они довольно сильно гибридизуются, это видно.
— Но это не мешает считать их видами.
— А пофиг… Я задавал зоологам другой вопрос. Виды-то ладно, виды мы еще худо-бедно как-нибудь определим. А род — это что такое? И все остальные таксономические уровни? Самые честные зоологи говорят, что да, конечно, остальное — это просто конструкты, которые мы делаем для удобства. С одной стороны, да. А с другой… Скажем, что такое отряд у млекопитающих — это довольно понятно (кроме действительно каких-то особых случаев, как с китами). И понятно, почему понятно. Видимо, потому что они в какой-то момент все очень быстро дивергировали. Отряды млекопитающих схлопываются примерно 70 млн лет назад. Это ситуация, как у соцветия укропа, — одномоментное разделение на много веток, потом еще одно — четкая иерархия. Другой вариант — у рябины: ветвление в соцветии хаотическое, но на выходе всё равно получается зонтик. Поэтому если бы мир был устроен так, как зонтик укропа, то у нас были бы роды, семейства, всё было бы хорошо. Если мир устроен так, как зонтик рябины, то никаких родов и семейств нет, и мы можем только формально сказать, что 50% чего-нибудь — это отряд. Почему 50%? Потому что нам так удобно.
Вот языки, похоже, устроены так, как укроп. Я спрашивал у лингвистов, там действительно есть понятие языковой семьи, оно разумное, семьи примерно одного уровня членения. И нет полноценных гибридных языков (пиджины не в счет).
Вообще говоря, это можно было бы посмотреть, я даже знаю, как. Чем отличается укроп от рябины? Если мы спроецируем узлы ветвления укропа на ось, которая идет вдоль соцветия (то есть на продолжение стебля), то у нас будут точки, в которые проецируется очень много узлов ветвления. А если мы проецируем рябину на ось, которая идет вдоль соцветия, то мы ничего подобного не увидим, потому что ветвления будут хаотически разбросаны по этой оси и никаких сгущений не будет.
Почему отряды млекопитающих хороши? Если мы берем дерево млекопитающих и проецируем его на ось времени, то мы видим очень большое сгущение в тот момент, когда, собственно, сформировались нынешние отряды. И это означает, что отряд млекопитающих — это разумная единица, вполне объективная, с которой можно оперировать.
То есть на самом деле вопрос о том, существует ли таксон высокого уровня содержательно или это чисто технический конструкт без всякого содержания, решается так: берем дерево, проецируем его на ось времени и смотрим, есть ли сгущение.
— С Еленой Темеревой, профессором кафедры зоологии беспозвоночных биофака МГУ, в «Разговорах за жизнь» вы говорили про кембрий: если в кембрии сразу возникло много-много организмов, значит, их можно считать родоначальниками типов.
— Это значит, что типы тоже существуют. Вопрос из схоластического превращается в чисто вычислительный. У нас может не получиться это сделать по каким-то причинам, но хотя бы мысленный эксперимент мы можем поставить.
— У меня еще такой неожиданный вопрос возник. Как вы думаете, зачем растениям такие сложные геномы? Вроде бы им не приходится решать в жизни таких сложных задач, как животным, — движение там, обучение…
— А кто сказал, что эти геномы сложные?
— Ну, первых, они очень большие.
— А у амебы еще больше, что теперь? Большой геном — это нехорошо, большой геном —это означает, что отбор неэффективный. Кроме того, надо смотреть, каких функциональных классов генов у растений много. Скажем, у них более сложный метаболизм, они продуцируют много вторичных метаболитов, потому что их все грызут, а они не могут сбежать, и надо защищаться какой-нибудь химией. И вообще, им нужны гены на все случаи жизни, потому что они съесть никого не могут, значит, надо всё синтезировать, и стрессы надо переносить, потому что не спрячешься.
С другой стороны, сложность в нашем смысле — поведенческие реакции, а для этого не нужно очень много генов. Для этого нужна гибкая система регуляции. Опять же прорастание нейронов — нужно соблюдать какие-то общеинженерные принципы, за счет не очень большого количества генов. А дальше оно само получается.
Теперь формулируется интересный вопрос, ответ на который я не знаю: что будет, если сравнить сложность регуляторных сетей. Может оказаться, что у нас регуляция в значительной степени комбинаторная, и поэтому очень много регуляторных генов не нужно, нужны разные комбинации их продуктов. А у цветочков она может быть плоская, когда на каждое условие нужен свой отдельный регулятор. Это надо просто посмотреть.