занаяти

Евгений Кунин - Логиката на случайността. За естеството и произхода на биологичната еволюция. Евгений Кунин, "логиката на случайността" Въведение. Към нов синтез на еволюционната биология

Евгений Кунин

логика на казуса. За естеството и произхода на биологичната еволюция

Логиката на случайността. Същността и произхода на биологичната еволюция»

Всички права запазени. Никоя част от електронната версия на тази книга не може да бъде възпроизвеждана под каквато и да е форма или по какъвто и да е начин, включително публикуване в Интернет и корпоративни мрежи, за частна и обществена употреба, без писменото разрешение на собственика на авторските права.

©Електронната версия на книгата е изготвена на литри

Новината, че група ентусиасти, самоорганизирани чрез LiveJournal, започнаха работа по превода на тази книга, беше пълна изненада за автора, разбира се, приятна. В 21-ви век въпросът за необходимостта от превод на научна литература от английски на други езици е, меко казано, двусмислен. Научните текстове вече се публикуват на английски и способността да се четат на този език е елементарно изискване за професионална годност. Научно-популярната литература, разбира се, е съвсем друг въпрос. Тази книга не е популярна, но не е и типична специализирана монография. В идеалния случай този текст е предназначен за широк кръг учени от различни специалности, включително студенти и студенти. Би било, разбира се, чудесно, ако цялата тази читателска публика може свободно да чете оригинала, но засега това едва ли е реалистично. Най-важният аргумент в полза на превода за автора беше самият факт, че за броени дни се събра значителен екип от преводачи. В тази ситуация авторът счита за свой почетен дълг да прочете и редактира целия текст на превода, разбира се, следвайки преди всичко действителната точност.

Оригиналът на тази книга е публикуван през есента на 2011 г., две години преди руското издание. Биологичните изследвания напредват с безпрецедентни темпове в наше време и през годините, разбира се, са натрупани много важни нови резултати и са публикувани много сериозни статии, които хвърлят светлина върху основните проблеми на еволюционната биология, обсъждани в книгата. Разбира се, в творчеството на автора се появиха и нови съображения, само частично публикувани. Освен това много читатели, включително преводачи и самият автор, при редактиране на превода, отбелязаха неточности и неясноти в презентацията (за щастие, доколкото авторът знае, нито една от тях не може да се счита за сериозна грешка). Всичко това беше невъзможно да се вземе предвид в руския превод, но авторът направи опит да отрази най-важните уточнения и някои от най-интересните научни новини в бележките към руското издание. В резултат на това имаше много повече такива нови бележки от очакваното в началото на работата по редактирането на превода (а можеше да има дори повече - авторът говореше само когато изобщо не можеше да мълчи). Авторът е много доволен от това, защото ясно илюстрира скоростта на напредък в съвременната еволюционна биология. Няколко бележки са по-свързани с превода, обясняващи онези места в текста, където английският каламбур не може да бъде предадено точно на руски. Разбира се, тези бележки не могат да претендират, че правят книгата „второ издание“, тя е превод, но все пак авторът се надява тези малки допълнения да увеличат стойността й.

От гледна точка на автора, основните идеи на книгата до момента издържат изпитанието на времето (макар и кратки в астрономически план, но не и за пренебрегване, предвид удивителната скорост на натрупване на нови данни); във всеки случай, необходимостта от радикална ревизия все още не е възникнала. Освен това авторът смята, че миналото време само е увеличило необходимостта от концептуално обобщение на информация за разнообразието на организмите и техните геноми и за еволюционните процеси. Нов еволюционен синтез, базиран на данни от геномиката и системната биология, изглежда важен и уместен, както никога досега. Без такова обобщение става просто невъзможно да се разбере морето от наблюдения по какъвто и да е начин.

Разбира се, важно е да се подчертае, че тази книга в никакъв случай не може да претендира за такъв нов синтез. Това е само скица, опит да се отгатнат контурите на бъдещата сграда. Дори да оставим настрана фундаменталната откритост на науката и да приемем, че някои етапи на завършеност и нейното обобщаване наистина съществуват, според автора, завършването на нов синтез на еволюционната биология е въпрос на поне две научни поколения. Твърде много остава неясно и трябва да се направи твърде много, за да се вместят гигантските набори от данни, произведени от геномиката и системната биология, в последователни и валидни теории и концепции. Може би основната задача на тази книга беше да идентифицира онези области на еволюционната биология, където традиционните идеи не работят, да очертае възможни пътища към решения и само в някои случаи да предложи самите решения, разбира се, предварителни. Доколко всичко това е постигнато остава да прецени читателят.

Благодарности към учителите, персонала и многобройните колеги, с които съм имал възможност да обсъждам въпросите, обсъждани в книгата, са дадени в края на книгата. Тук също е приятно задължение на автора да изрази искрена благодарност на Георги Юриевич Любарски за идеята за колективен превод и неговата организация, на всички преводачи и редактори на издателството за работата по руската версия и лично на един от преводачите, Валери Анисимов, за ценни коментари, до голяма степен взети предвид в бележките на автора към превода.

На родителите ми

Въведение. Към нов синтез на еволюционната биология

Заглавието на това произведение е свързано с четири забележителни книги: романът на Пол Остър Музиката на случайността (Auster, 1991), известният трактат на Жак Моно за молекулярната биология, еволюцията и философията. на живота (Jacob, 1993) и, разбира се, Чарлз Дарвин за произхода на видовете (Darwin, 1859). Всяка от тези книги, по свой начин, засяга една и съща всеобхватна тема: връзката на произвола и реда, случайността и необходимостта в живота и еволюцията.

Едва след като тази работа беше завършена и вече беше в последните етапи на редактиране, научих за книгата на Джон Вен, видния логик и философ от Кеймбридж, който през 1866 г. публикува „Логика на случайността: есе върху основите и Структура на теорията на вероятностите (Вен, 1866). В тази работа Вен въвежда честотната интерпретация на вероятността, която остава в основата на теорията на вероятностите и статистиката и до днес. Най-вече Джон Вен е известен, разбира се, с вездесъщите диаграми, които изобретява. Срамувам се, че не знаех за работата на Вен, когато започнах тази книга. От друга страна ми е трудно да си представя по-достоен предшественик.

Основният тласък за написването на тази книга беше моето убеждение, че сега, 150 години след Дарвин и 40 години след Монод, сме събрали достатъчно данни и идеи, за да разработим по-задълбочено и вероятно по-задоволително тълкуване на решаващата връзка между случай и необходимост. Основната ми теза е, че случайността, ограничена от различни фактори, лежи в самата основа на цялата история на живота.

Много събития подтикнаха автора да напише тази книга. Най-непосредственият тласък за описване на нововъзникващия възглед за еволюцията беше революцията в изследванията на генома, която започна през последното десетилетие на 20-ти век и продължава и до днес. Способността да се сравняват нуклеотидни последователности в геномите на хиляди организми от голямо разнообразие от видове качествено промени пейзажа на еволюционната биология. Нашите заключения относно изчезналите, наследствени форми на живот вече не са неясни предположения, които бяха преди (поне за организми, чиито вкаменелости не са открити). Сравнението на геномите разкрива разнообразните гени, запазени в основните групи живи същества (в някои случаи дори всички или повечето от тях) и по този начин ни носи невъобразимо дотогава богатство от надеждна информация за родовите форми. Например, не е преувеличено да се каже, че имаме доста пълно разбиране за основния генетичен състав на последния общ прародител на всички бактерии, който вероятно е живял преди около 3,5 милиарда години. По-древните предци се виждат по-малко ясно, но определени черти се дешифрират дори за тях. Геномната революция не само даде възможност за уверено възстановяване на генните набори на древни форми на живот. По-важното е, че той буквално обърна централната метафора на еволюционната биология (а може би и на цялата биология), дървото на живота (TL), като показа, че еволюционните траектории на отделните гени са несъвместимо различни. Въпросът дали JJ трябва да се възроди и ако да, под каква форма, остава обект на ожесточен дебат, което е една от важните теми на тази книга.

Кампус на Националния институт по здравеопазване на САЩ в Бетезда. На фона на сградата на Националната медицинска библиотека, в която по-специално се помещава Националният център за биотехнологична информация (NCBI) - Юрий Волф (служител на EK), Евгений Кунин, Дейвид Липман (основател и директор на NCBI), Михаил Гелфанд и Кира Макарова (сътрудник Е.К.) Преди няколко години направихме доста голямо библиометрично изследване в лабораторията - нямахме достъп до данни за цитиране, но гледахме кой от биоинформатиците с кого е съавторство и за какво. По различни случайни причини резултатите му останаха непубликувани, но един от тях сега ще разкажа. Ние класирахме всички ключови думи (MESH термини в базата данни PubMed) според това как тяхното използване варира от година на година. Думата е „модерна“ (мода), ако честотата на нейното използване непрекъснато се увеличава, или „винтидж“ (винтидж) - тази терминология е въведена, за да не обиди никого (ще стане ясно кой точно в няколко изречения) . Съответно е възможно да се класифицират авторите, защото пишат на модерни или винтидж теми.

И така се оказа, че сред „глобалните експерти“ (както Евгений Кунин е препоръчан на корицата на книгата му „Логика на случайността“) — биоинформатици с най-голям брой цитати, с най-дълги списъци със статии и индекси на Хирш — той е единственият винтидж автор (за колегите ще спомена, че най-следващите модата и може би отчасти я оформят са Марк Герщайн и Пер Борк). Мисля, че това е много важно наблюдение. Това показва, че дори в днешната забързана биология не е необходимо да се преследва модата, бързайки от епигенетика към метагеномика и от невронни мрежи към мрежи от протеинови взаимодействия, за да станем един от най-влиятелните и уважавани членове на общността. Това също обяснява защо само Кунин може да напише такава книга. Не знам дали си признава, но съм сигурен, че в дълбините на душата си е изрекъл класическата фраза: „Но не трябва ли да се замахнем на Уилям, нашия Шекспир?“ Е, тоест нашия Чарлз Дарвин и още половин дузина класици от Фишър и Райт до Майр и Гулд.

Съдържанието на книгата и необичайната история на нейния превод на руски вече са описани в рецензиите на Денис Тулинов и Георги Любарски, така че ще се опитам да говоря за това, което ми липсваше - за бележките на преводачите и научния редактор . В допълнение към няколко малки неща, които трябва да бъдат коригирани (вижте приложението към статията по-долу) и споменаването на последните резултати (отчасти самият автор прави това в бележките към превода), това би предоставило възможност за диалог - начин, по който се прави в дневника биология директно, един от основателите на която е Кунин. В това списание решението за публикуване се взема от самия автор и статията може да бъде публикувана дори с отрицателна обратна връзка от рецензенти - но рецензиите и отговорите към тях също ще бъдат публикувани. Авторът решава кой от членовете на редакционната колегия да покани да напише рецензия, а Кунин, който често публикува в биология директносвоите статии, избира такива рецензенти, че четенето на полемиката е не по-малко поучително от самата статия. И така, желание.

На много места и дори в специално приложение Кунин се опитва да обсъди биологичната еволюция от физическа гледна точка. В същото време той напълно пренебрегва езиковите аналогии. Степента на тяхната дълбочина може да бъде различна, но е странно да се пренебрегне фактът, че езикът е друга развиваща се информационна система и много проблеми при описанието и изучаването му съвпадат почти дословно с проблемите при изследването на еволюцията на генома. Направо: границите на езика – кои са различните езици и кои са диалектите (вж. определение на видовете); разминаването на един език в група сродни (произходът на романските езици от латински е убедителен аргумент в разговорите на маса с креационисти, изискващи „да се покаже междинен изглед между котка и куче“); постепенната еволюция на езика чрез промяна на честотите на думите и други явления (срв. синтетичната теория на еволюцията) и, обратно, относително бързото преструктуриране на езиковите системи, от фонологични към синтактични (срв. теорията за пунктуационното равновесие); хибридизация и креолски езици, заемки (не само на думи, но и на синтактични конструкции) и хоризонтален трансфер на гени и оперони заедно с регулатори; реконструкция на праезици; съвместно съществуване в езика на различни кодове; опозицията "език и реч" (срв. геном и епигеном, или евентуално генотип и фенотип); накрая, проблемът с проблемите е произходът на езика и произходът на живота (където могат да се измислят някои етапи, но остават колосални дупки, за да обясни кои Кунин прибягва до антропния принцип и теорията за множество вселени). Разбира се, има важни разлики както в самите системи, така и в тяхното разбиране (да речем, че изглежда имаме по-добро разбиране за системната природа на езика, отколкото за систематичността на функционирането на генома); в лингвистиката има понятие "смисъл", което е трудно да си представим в биологията и т.н. - но, струва ми се, би било много поучително да го обсъдим. Изглежда, че в биоинформатиката, както и в математиката, има два начина на мислене: физически и лингвистичен (ще се позова на интервютата си с Ю. И. Манин и В. А. Успенски, публикувани в TrV-Nauka, и към статията на Ю. И. Манин „Езици на математиката или математика на езиците“).

В книгата практически няма дискусия за връзката между еволюцията и развитието – evo-devo – и като цяло има малко какво да се каже за еволюцията на регулацията. Разбира се, това се дължи на собствените научни интереси на автора, както и на факта, че успехът на биоинформатиката в тази област е малък: малкото, което знаем за еволюцията на регулацията при еукариотите, идва главно от експериментална работа. Но люлката не беше за самооценка, а за „третия еволюционен синтез“! Някой може да си помисли, че именно бързата еволюция на регулаторните мрежи, особено тези, които действат в ранните етапи на онтогенезата, води до драстични промени в морфологията, които по-специално са в основата на традиционната таксономия. В тази връзка – и в контекста на дискусията за дървото на живота – би било поучително да обсъдим на каква реалност отговарят таксономичните нива. Очевидно не е степен на разлика в последователността, но съществуват ли изобщо? Формално, ако проектираме дървото на живота върху оста на времето, ще наблюдаваме ли кондензацията на вътрешните възли? Ако е така, тогава съответните клонове определят нивата на семейството, реда, класа и т.н. Изглежда, че в някои случаи това е така: например, трудности при определяне на връзката между разредите на бозайници, свързани с къси дължини на клона в основата на класа доказват реалността както на класа, така и на четите. От друга страна, ако разклоняването се случва равномерно във времето, тогава цялата таксономия до голяма степен е конвенция, произтичаща от произволния избор на някои вътрешни възли като определящи таксони. Свързана тема, разгледана подробно в книгата, но в различен контекст, е съвпадението на набори от гени. Съществуването на голям брой гени, специфични за, да речем, хордови животни доказва разумността на разделянето им в таксон. Особено поучително би било да разгледаме еволюцията на бактериите от тези гледни точки, които трябва да са близки на автора. Плодното тяло на миксобактерията Myxococcus stipitatus Плодното тяло на слизестата плесен Dictyostelium discoideum Говорейки за модели на еволюция, би било интересно да се докоснем до спора за съществуването на групов подбор, тоест селекция, която действа на ниво не отделни индивиди, а групи от свързани индивиди . Тази теория има за цел да обясни по-специално появата на алтруистично поведение, но възможно ли е без него? Добър модел е алтруистичното поведение на едноклетъчните организми, за което има няколко класически примера. Отделни клетки в гладуващи колонии от миксобактерии и слузести плесени пълзят заедно и образуват плодни тела (виж снимките), след което тези, които са в „шапката“, образуват спори и се разпръскват в търсене на по-добър живот, а тези, които остават в стъблото, умират (между другото, миксобактериите са бактерии, а слузестите плесени са еукариоти, така че това също е добър пример за конвергентна еволюция, особено след като cAMP е сигналната молекула и в двата случая). По подобен начин при някои спорулиращи бацили част от гладуваща колония се самоубива, за да послужи като място за размножаване на друга част и да им даде време да влязат в спорулация. В този случай съдбата на клетката зависи от концентрацията на един протеин, който варира значително при генетично идентични индивиди по случайни причини (вж. дискусията в книгата за ролята на шума в еволюцията и историята за токсина- антитоксинови системи – отново в малко по-различен контекст). При други бактерии подобни механизми регулират образуването на биофилми, луминесценцията, вирулентността, разграждането на целулозата и т.н. Но при едноклетъчните бактерии това поведение може лесно да се обясни на ниво отделни гени поради клоновия произход на колониите от една предшестваща клетка (генетично идентични индивиди, от гледна точка на егоистичен ген, така или иначе, онзи индивид, който е засегнат от селекция). Доколко това се отнася до нивото на многоклетъчните организми е много интересен въпрос.

В заключение трябва да се каже основното. Книгата на Кунин е задължителна за четене не само за биоинформатици и еволюционисти, но мисля, че и за всички биолози. Всъщност той декларира изследователска програма, чиято дълбочина е сравнима с класическите произведения. Дори тези, които са добре запознати с творчеството на Кунин и вече познават повечето от фактите и разсъжденията, представени в книгата, ще намерят в нея много поучителна информация, дори само по начина, по който тези съображения са събрани в една картина, в стила на писането и в структурата на текста. Тези, които се сблъскват с него за първи път, ще открият нов начин на мислене за биологията, който несъмнено ще повлияе на собствените им изследвания. Книгата ще бъде интересна и за небиолозите, защото показва ръба, границата на науката за еволюцията.

Евгений Кунин. логика на казуса. М.: Центрполиграф, 2014.
Денис Тулинов. Еволюцията на еволюционната теория. ТрВ-Наука No149, 11.03.2014г.
Джордж Любарски. Трети еволюционен синтез. Химия и живот No5, 2014, вижте и http://ivanov-petrov.livejournal.com/1 870 801.html.
Юрий Манин: Ние не избираме математиката за наша професия, но тя избира нас. TRV-Наука № 13, 30.09.2008 .
В. А. Успенски: „Математиката е хуманитарна наука“. TRV-Наука № 146, 28.01.2014 .
Юрий Манин. Езици на математиката или математика на езиците. TRV-Наука № 30, 09.06.2009.

Приложение

Както във всеки преглед, не можете да направите без малки корекции и коментари. Ето най-значимите.

Страница 43: " Zuckerkandl и Pauling... предложиха концепцията за молекулярния часовник: те предсказаха, че скоростта на еволюция на определена протеинова последователност ще бъде постоянна (позволявайки възможни флуктуации) през дълги интервали от време при липса на функционални промени". Истинската история изглежда малко по-сложна и противоречива. Ето цитат от статията на Емил Цукеркандъл "Еволюцията на хемоглобина" (сборник "Молекули и клетки", М: Мир, 1966 г., оригинал - в сп. Scientific American): «… В допълнение към тези три постулата бих искал да изложа и четвърти, много по-противоречив. Предполагам, че в онези съвременни организми, които се различават малко от своите предци, очевидно преобладават полипептидни вериги, които са много сходни с тези на техните предци. Такива организми, един вид „жива вкаменелост“, включват хлебарка, рак подкова, акула и сред бозайниците лемур. Очевидно много много полипептидни молекули, синтезирани от тези организми, се различават само леко от полипептидните вериги, синтезирани от техните предци преди милиони години. Какво е противоречието на този постулат? Често се казва, че еволюцията е продължила еднакво дълго за организми, които изглежда се различават малко от своите предци, и за онези организми, които са се променили много. От това учените заключават, че по отношение на техните биохимични свойства всички тези „живи вкаменелости“ също трябва да се различават рязко от своите далечни предци. От моя гледна точка е малко вероятно морфологичните характеристики да се запазят в процеса на селекция, но основните биохимични свойства се променят.". Въпреки това, част от по-нататъшните разсъждения на Zuckerkandl, като например оценките за времето на разминаване на хомоложните (сега бихме казали "паралогични") вериги на хемоглобина, наистина разчитат на постоянството на скоростите. Но не всички: за изграждане на филогенетични дървета той използва принципа, който по-късно стана известен като „принцип на максимална икономичност“: „ Един от принципите на химическата палеогенетика е следният: когато се постулира остатък от предци от аминокиселини, трябва да се изхожда от предположението за най-малкия брой мутации в генома, довели до заместването му в полипептидната верига на потомците».

Страница 73: " Типичното време за изчезване на сходството на последователности в хомоложните гени е сравнимо с времето на съществуване на живот на Земята". Струва ми се, че тук има предубеждение: ако някои протеини се променят по-бързо, ние просто не сме в състояние да установим връзката им; това е показано по-специално от голям брой протеини, които имат една и съща пространствена структура, но последователности, които са сходни на ниво произволно. От друга страна, за хомолози, чието разминаване се е случило много рано, все още можем да наблюдаваме разлики в скоростта на еволюция и следователно техните прилики ще изчезнат в различно време.

Страница 120, относно разпределението на степени на върховете: " Случайните графики имат поасоново разпределение с форма на камбана, докато за биологични мрежи разпределението се описва чрез степенна функция". Всъщност в няколко статии е показано, че разпределението на степенния закон не описва добре биологичните мрежи. Въпросът е, че доскоро нямаше статистически тестове за проверка на хипотезата за степенно разпределение и твърденията се правеха на око - чрез наличието на праволинеен сегмент във функцията на разпределение, изградена в двойни логаритмични координати (вж. Таблица 4-1, долна дясна графика). Но двойните логаритмични координати са много сложно нещо; почти всяка произволно начертана монотонно намаляваща функция с монотонна производна ще има такъв визуално прав сегмент (освен ако тази функция не е специално конструирана, за да опровергае това твърдение).

При обсъждането на ендосимбиотичния произход на клетъчните органели (глава 7) може да си струва да се спомене, че за разлика от митохондриите, хлоропластите възникват поне два пъти: амебата има първичен хлоропласт. паулинела, и той отсъства от най-близките му роднини и очевидно е възникнал независимо от хлоропласта на предшественика на червените и зелените водорасли. Изглежда, че в euglena се наблюдава ранно състояние на предстоящо придобиване на хлоропласт, което може да има или не може да има симбиотична вътреклетъчна цианобактерия: при делене цианобактерията остава в една от дъщерните клетки, а втората става хищник, докато придобие нов (по-рано свободно живееща) цианобактерия . Още по-интересен е въпросът за границата между органелите и вътреклетъчните бактериални ендосимбионти на смучещите насекоми, които могат да имат много малък геном, сравним по размер с генома на органелите (да речем, геномът Carsonella ruddii, ендосимбионт на псилид Пахипсила Венуста, кодира общо 182 протеина и генома Тремблая принцепс, един от ендосимбионтите на брашнеста червеца Planococcus цитри, - 121 протеина обаче вътре Тремблая принцепсдруг ендосимбионт живее - Moranella endobiaс 406 протеина). Мисля, че износът в органела на протеини, кодирани в ядрения геном, може да служи като критерий.

Страница 234: " Единствените археи с повече от 5000 гена се срещат сред мезофилите(а именно някоиметаносарцина) и до 20 процента от тези геноми съдържат гени от сравнително скорошен бактериален произход". Всъщност делът на бактериалните гени в метаносарцините е по-голям, отколкото в други археи, но тази оценка изглежда е надценена. Взета е от стари статии (началото на хилядолетието) и причината за тази грешка е, че по това време броят на секвенираните археални геноми е малък. Съответно, търсенията в базата данни разкриха бактериални, но не и археални хомолози за много гени. Възпроизвеждането на процедурата, използвана в тези произведения, ако беше приложена към банки от данни, които се променят през годините, показва, че делът на бактериалните гени в метаносарцините намалява монотонно (виж фигурата). По-точна процедура за изграждане на филогенетични дървета за "подозрителни" гени води до оценка от 6% (Garushyants & Gelfand, представени).

Хоризонталната ос е годината на GenBank. Вертикалната ос е оценка на дела на гените с бактериален произход, които се прехвърлят хоризонтално в геномите Метаносарцина(зелен) и Methanosarcinales (червен)

Dias BG, Ressler KJ. Родителският обонятелен опит влияе върху поведението и невронната структура в следващите поколения. Nat Neurosci. 2014 г.; 17(1): 89-96.
Cortijo S, Wardenaar R, Colomé-Tatché M, Gilly A, Etcheverry M, Labadie K, Caillieux E, Hospital F, Aury JM, Wincker P, Roudier F, Jansen RC, Colot V, Johannes F. Картиране на епигенетичната основа на комплекса черти. наука. 2014 г.; 343 (6175): 1145-1148.
Gapp K, Jawaid A, Sarkies P, Bohacek J, Pelczar P, Prados J, Farinelli L, Miska E, Mansuy IM. Влияние на РНК на сперматозоидите в трансгенерационното наследяване на ефектите от ранна травма при мишки. Nat Neurosci. 2014 г.; 17(5): 667-669.

В тази амбициозна книга Евгений Кунин подчертава преплитането на случайното и редовното, което е в основата на самата същност на живота. В опит да придобие по-задълбочено разбиране на взаимното влияние на случайността и необходимостта, които движат напред биологичната еволюция, Кунин обединява нови данни и концепции, като същевременно очертава път, който води отвъд синтетичната теория на еволюцията. Той тълкува еволюцията като стохастичен процес, основан на предварителни непредвидени обстоятелства, ограничен от необходимостта от поддържане на клетъчната организация и ръководен от процес на адаптация. За да подкрепи заключенията си, той комбинира много концептуални идеи: сравнителна геномика, която хвърля светлина върху родовите форми; ново разбиране на моделите, начините и непредсказуемостта на еволюционния процес; напредък в изследването на генната експресия, разпространението на протеини и други фенотипни молекулярни характеристики; прилагането на методите на статистическата физика за изследване на гени и геноми и нов поглед върху вероятността за спонтанна поява на живот, генерирана от съвременната космология.

Логиката на случайността показва, че разбирането за еволюцията, което е развито от науката на 20-ти век, е остаряло и непълно, и очертава принципно нов подход – предизвикателен, понякога противоречив, но винаги основан на солидни научни познания.

Логиката на случайността. Същността и произхода на биологичната еволюция»

Предговор на автора към руския превод

Логиката на случайността. Същността и произхода на биологичната еволюция»

©Електронната версия на книгата е изготвена от Liters (www.litres.ru)

Предговор на автора към руския превод

Авторът е много доволен от това, защото ясно илюстрира скоростта на напредък в съвременната еволюционна биология. Няколко бележки са по-свързани с превода, обясняващи онези места в текста, където английският каламбур не може да бъде предадено точно на руски. Разбира се, тези бележки не могат да претендират, че правят книгата „второ издание“, тя е превод, но все пак авторът се надява тези малки допълнения да увеличат стойността й.

На родителите ми

Въведение. Към нов синтез на еволюционната биология 1
Преводът на заглавието на това въведение представляваше сериозни затруднения. Английският оригинал бешекъм постмодерен синтез . Това, разбира се, е игра на думи: от една страна,постмодерна просто означава „следСъвременен синтез ”(това, което обикновено се нарича в руската литература синтетична теория на еволюцията, STE), и от друга страна, „постмодернистично”. Как да се предаде това на руски език изобщо не е очевидно. По-лошото е, че тази проста игра на думи се играе многократно в следващите глави. Няма начин да се справим с тази трудност, освен за написването на тази бележка, нито преводачите, нито авторът се сетиха (авторска бележка към руското издание по-долу в курсив).

Виждам падането на JJ като „метареволюция“, голяма промяна в цялата концептуална структура на биологията. Явно с риск да си навлека гнева на мнозина, че съм свързан с вредна културна тенденция, въпреки това наричам тази голяма промяна като преход към постмодерна биологична представа за живота. 2
В много отношения тези идеи се основават на публикациите на най-великия съвременен еволюционист Форд Дулитъл, които са цитирани в съответните глави..

По същество този преход разкрива множеството модели и процеси на еволюция, централната роля на непредвидимите събития в еволюцията на живите форми [еволюцията като бърникане] и по-специално срива на пан-адаптационизма като парадигма на еволюционната биология. Въпреки непоколебимото ни възхищение от Дарвин, ние трябва да прехвърлим викторианския възглед за света (включително неговите актуализирани версии, които процъфтяват през 20-ти век) до почтените музейни зали, където му е мястото, и да проучим последствията от промяната на парадигмата.

Тази революция в еволюционната биология има друг план. Сравнителната геномика и биологията на еволюционните системи (например сравнителното изследване на генната експресия, концентрацията на протеини и други молекулярни характеристики на фенотипа) разкриха няколко общи модели, които се появяват във всички клетъчни форми на живот от бактерии до бозайници. Съществуването на такива универсални модели предполага, че относително прости молекулярни модели, подобни на използваните в статистическата физика, могат да обяснят важни аспекти на биологичната еволюция; някои подобни модели със значителна предсказваща сила вече съществуват. Прословутата „завист на физиците“, която изглежда притеснява много биолози (включително и мен), може да бъде потушена от скорошни и предстоящи теоретични разработки. Допълнителната връзка между общите тенденции и непредсказуемостта на конкретни еволюционни резултати е централна за биологичната еволюция и настоящата революция в еволюционната биология – друга ключова тема на тази книга.

Друга причина за очертаването на нова синтетична еволюционна теория, която се предлага в тази книга, е специфична, до известна степен лична. Получих висше образование и завърших следдипломното си обучение в Московския държавен университет (по времето на СССР), в областта на молекулярната вирусология. Моята докторска работа включваше експериментално изследване на репродукцията на полиовируса и свързаните с него вируси, чийто малък геном е представен от РНК молекула. Никога не знаех как да работя правилно с ръцете си, а мястото и времето не бяха най-подходящите за експерименти, защото дори най-простите реактиви бяха трудни за получаване. Веднага след завършването на моята докторска дисертация, аз и моят колега Александър Евгениевич Горбаленя се заехме с друга посока в изследванията, която тогава за мнозина изглеждаше напълно ненаучна. Това беше „последователно търсене“ — опит да се предскажат функциите на протеините, кодирани в малките геноми на вируси (това бяха единствените пълни геноми, налични по това време) от последователността на техните аминокиселинни градивни елементи. Днес всеки може лесно да извърши такъв анализ, използвайки удобни софтуерни инструменти, които могат да бъдат изтеглени безплатно от Интернет; Естествено, смислената интерпретация на резултата все още ще изисква мисъл и умение (нищо не се е променило много тук оттогава). През 1985 г. обаче на практика нямаше компютри и програми. И все пак, с помощта на нашите колеги програмисти, успяхме да разработим някои доста полезни програми (след това ги напълнихме на перфокарти). Лъвският дял от анализа беше направен ръчно (или по-точно, на око). Въпреки всички трудности и въпреки някои пропуснати възможности, усилията ни през следващите пет години бяха доста успешни. Успяхме да превърнем функционалните карти на тези малки геноми от до голяма степен неизследвани територии в много богати геномни карти на биологични функции. Повечето от прогнозите впоследствие бяха потвърдени експериментално, въпреки че някои от тях все още са в ход: лабораторните експерименти отнемат много повече време от компютърния анализ. Сигурен съм, че успехът ни се дължи на ранното разпознаване на един много прост, но изненадващо мощен основен принцип на еволюционната биология: ако отделен мотив в протеинова последователност се запази в продължение на дълга еволюция, тогава той е функционално важен и толкова по-консервативен е той. , толкова по-важна е функцията. Този принцип, по същество извлечен от простия здрав разум, но, разбира се, стриктно следващ теорията на молекулярната еволюция, послужи на нашите цели чудесно и, сигурен съм, ме направи еволюционен биолог до края на дните ми. Склонен съм да перифразирам известното изречение на великия еволюционен генетик Теодосий Добжански: „Нищо в биологията няма смисъл освен в светлината на еволюцията“ (Добжански, 1973) по още по-директен начин: биологията е еволюция.

В онези ранни дни на еволюционната геномика, Саша и аз често говорихме за възможността любимите ни РНК вируси да са преки потомци на най-старите форми на живот. В крайна сметка, те са малки и прости генетични системи, използващи само един вид нуклеинова киселина и тяхната репликация е пряко свързана с експресията чрез транслацията на геномна РНК. Разбира се, това бяха вечерни разговори, изобщо не свързани с дневните ни опити да картографираме функционалните домейни на вирусните протеини. Днес, 25 години по-късно, със стотици различни геноми на вируси и гостоприемници, проучени, идеята, че вирусите (или вирусоподобни генетични елементи) биха могли да бъдат централни за ранната еволюция на живота, се превърна от мъгляви предположения в концепция, съвместима с огромна маса от експериментални данни.. Според мен това е най-обещаващата линия на мислене и анализ в ранните изследвания на еволюцията в живота.

Това са различните линии на мисли, които неочаквано за мен се сближиха в нарастващото осъзнаване, че нашето разбиране за еволюцията, а с това и самата природа на биологията, завинаги се е отдалечила от възгледите, преобладаващи през 20-ти век, които днес изглежда доста наивно и доста догматично. В определен момент желанието тези редове да се вплетат в един вид съгласувана картина стана неустоимо и така се появи тази книга.

Част от тласъка за написването на тази книга изобщо не идва от биологията, а от удивителните постижения на съвременната космология. Тези открития не само издигнаха космологията до нивото на истинската физика, но и напълно обърнаха представите ни за света и особено за природата на случайността и необходимостта. Когато става въпрос за границите на биологията, като проблема за произхода на живота, този нов начин на гледане на света е невъзможно да бъде пренебрегнат. Физиците и космолозите все по-често поставят въпроса защо в света има нещо, а не нищо, не само като философски, но и като физически проблем, и изследват възможните отговори под формата на определени физически модели. Трудно е да не зададем същия въпрос за биологичния свят и на повече от едно ниво: защо съществува животът, а не само разтвори на йони и малки молекули? И ако съществува живот, защо има палми и пеперуди, котки и прилепи, а не само бактерии? Сигурен съм, че тези въпроси могат да бъдат поставени по пряк научен начин и ми се струва, че на тях вече се появяват правдоподобни, макар и предварителни отговори.

Последните постижения във физиката на високите енергии и космологията вдъхновиха тази книга не само в научния смисъл. Много водещи физици-теоретици и космолози са се доказали като талантливи автори на популярни и научнопопулярни книги (което кара човек да се чуди за връзката между абстрактното мислене от най-високо ниво и литературния талант), които предават вълнението от най-новите открития за структурата на Вселената с възхитителна яснота, грация и плам. Съвременната вълна от такава литература, съвпадаща с революцията в космологията, започва с класиката на Стивън Хокинг „Кратка история на времето“ (Hawking, 1988). Оттогава се появиха десетки различни отлични книги. Една от тях, която промени собствената ми представа за света повече от другите, беше отличната кратка книга на Александър Виленкин Светът на много светове (Vilenkin, 2007), но произведенията на Стивън Уайнбърг (Weinberg, 1994), Алън Гут (Guth, 1998a) , Леонард Зюскинд (Съскинд, 2006b), Шон Карол (Карол, 2010) и Лий Смолин (в противоречива книга за „космическия естествен подбор“; Смолин, 2010). Тези книги са много повече от страхотни популяризации: всяка от тях се опитва да представи последователен, общ поглед както за фундаменталната природа на света, така и за състоянието на науката, която го изследва. Всяка една от тези картини на света е уникална, но в много отношения те вървят една до друга и се допълват. Всеки от тях се основава на строга наука, но съдържа елементи на екстраполация и предположения, широки обобщения и, разбира се, противоречия. Колкото повече четях тези книги и мислех за последиците от възникващия нов светоглед, толкова повече исках да направя нещо подобно в моята собствена област, молекулярната биология. В един момент, докато четях книгата на Виленкин, осъзнах, че може би има пряка и фундаментално важна връзка между новите възгледи за вероятността и случайността, продиктувани от съвременната космология, и произхода на живота – или по-скоро произхода на биологичната еволюция. Голямата роля на случайността в възникването на живота на Земята, която присъства в този ред на мисли, със сигурност е изключителна и със сигурност ще обърка мнозина, но аз почувствах, че не може да бъде пренебрегнат, ако вземем сериозно проблема на произход на живота.

Тази книга е моят собствен подход за описание на текущото състояние на еволюционната биология от гледна точка на сравнителната геномика и системната биология; следователно неизбежно включва не само установени факти и потвърдени теоретични модели, но и предположения и предположения. В тази книга се опитвам да начертая границата между факти и предположения възможно най-ясно. Исках да напиша книга в стила на гореспоменатите отлични научнопопулярни книги по физика, но презентацията се упори и отказа да бъде написана по този начин. Резултатът е текст, който е много по-научен от първоначално предвидения, въпреки че в по-голямата си част не е много специализиран и описва много малко методи и по много опростен начин. Едно важно предупреждение: въпреки че книгата е посветена на различни аспекти на еволюцията, тя остава колекция от глави по избрани теми и по никакъв начин не претендира да бъде изчерпателна работа. Много важни и популярни теми, като произхода на многоклетъчните организми или еволюцията на развитието на животните, съвсем съзнателно се оставят недокоснати. Доколкото е възможно, аз се опитах да се придържам към темата на книгата: взаимодействието между случайността и подредените процеси. Друг деликатен момент е свързан с препратки към литературата: ако се опитам да включа, ако не всички, но поне основните източници, библиографията щеше да възлиза на много хиляди препратки. От самото начало се отказах да правя това и следователно библиографията в края на книгата е само малка селекция от съответни произведения и изборът им е отчасти субективен. Поднасям моите искрени извинения на колегите, чиято важна работа е останала незабелязана.

Въпреки всички тези предупреждения се надявам, че обобщенията и идеите, представени тук, ще представляват интерес за много от моите колеги учени и студенти – не само биолози, но и физици, химици, геолози и всички, които се интересуват от еволюцията и произхода на живота.

Прочетох го отново. Преди време авторът любезно ми изпрати непубликуваната тогава английска версия. И сега в Екатеринбург купих руско издание (организирано от I-P) в книжарница и го прочетох отново с голямо удоволствие. Между другото. eugene_koonin в предговора той изразява предпазливи съмнения: защо изобщо ни трябва руско издание, ако езикът на науката е английски? Е, на мен например ми е много по-лесно да чета такива текстове на руски, затова.

Резервациите, че не съм специалист и т.н., са неуместни - естествено, това е моето дневник и аз изразявам личното си мнение, а какво и какво разбирам/не разбирам, читателите (поне редовните читатели) отдавна са се формирали собственото им мнение.

Книгата безспорно е изключителна. Рядко се чете популярна книга (разбира се, "популярна" е много условна) с такова удоволствие и с такава полза. Две неща бяха отложени като философски важни.

1. Разбиране на сложността като леко модулиран хаос. Оказа се толкова конструктивно, че вече бях обсъдил със служител много конкретни изчисления, които трябва да се направят по някаква чисто физическа причина. Но не само. Като цяло става дума за неутрална еволюция, за безсмислен, по същество, геном, за еволюция като работник, който върти колелата в съществуващия механизъм, а не създава всичко ново и идеално – много, много важна мисъл за мен. Дори в много млада възраст той отбеляза случайните забележки на Лем (особено в „Гласът на Господа“) относно ролята на случайността в еволюцията и дори тогава те направиха дълбоко впечатление. Но има цяла книга, аргументи, обяснения, всичко.

2. Безсмислието на концепцията за биологичния прогрес, антикорелация на сложност (организъм) и годност. Най-успешните в еволюционния план същества са прости, оптимални, в генома си имат поне двама, както е в "Инструкцията за стрелба", някакви директно ефективни мениджъри. А ние сме изроди, не сме унищожени от селекция единствено поради малкия ни брой. Да, да, тук става дума и за социалната структура (в кои асоциации авторът, разбира се, не е виновен, това е до степента на моята поквара).

Изчисти напълно мозъците за Дарвин, Ламарк, STE и други неща, които Рабинович (в лошия смисъл) е пеел.

Сега... О. Да, да, да, за последните глави, за антропния принцип, Мултивселената и инфлацията. Прочетох тези глави и тихо се зарадвах, че не съм биолог. Че имам, по думите на великия Ларкин, не "сценарии", а изчисления и резултати (както и обяснения и прогнози на много конкретни експерименти). Изведнъж осъзнах, че молекулярната биология (и еволюционната биология, въпреки че, както разбирам, нееволюционната биология според автора просто не съществува) е много подобна на нашата „фундаментална физика“. Сега, квантовата теория на полето, гравитацията, космологията, това е всичко. А моето кондензирано състояние, с пряка амбиция да разбирам света около нас, е аналог на класическата полева биология, цялата тази зоология-ботаника. И това е съвсем различна психология на научното творчество, различна мотивация. Ако бях биолог, щях да изучавам някакво поведение на рибите (имаше такава група в Лайден, изглежда, че са били разпръснати за лошо формално представяне в сравнение с молбиолозите). И съвсем естествено е, че във физиката „глобалните” биолози са привлечени не от физиката на кондензирано състояние, което сякаш им е по-близо по природата на изследваните обекти, както каза Шрьодингер там – апериодичен кристал? - тогава е за нас и квантовата космология. Как е Маяковски? „Държавата се интересува от големи неща – всякакви фордизми, това и онова... машина на времето.

И колко сме щастливи ние, физиците, че кондензираното състояние е повече от половината от цялата физика, че стрингерите не ни закараха под цокъла, като полеви молекулярни биолози, че съпругът беше осакатен в битки, че съдът ни гали за че... Уф, къде - там не отиде.

Е, ясно е, че ядрена физика бешемного по-важно от всичко друго. Докато не се оказа, че транзисторите и лазерите, измислени без шум и помпа, са много по-важни от атомната бомба, да не говорим за колайдерите. Беше, всичко беше. И премина. И това ще отмине.